技研 | 變頻電機絕緣損壞及對策

電工電子技術(shù)和微電子技術(shù)快速發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)的需要，變頻調(diào)速技術(shù)以及廣泛的在各種機械設(shè)備中加以應(yīng)用。但是隨著變頻電機這一新設(shè)備的廣泛使用，人們發(fā)現(xiàn)變頻電機尤其是低壓變頻電機的絕緣會過早的損壞，直接導(dǎo)致了變頻電機的使用壽命比普通電機短得多，甚至幾個星期就出現(xiàn)故障。因此，就需要對變頻電機絕緣損壞的機理進行分析并探尋控制措施。

變頻電機的絕緣損壞機理

變頻電機過電壓

變頻電機在使用的過程中不但同普通電機一樣的受到操作過電壓的沖擊，而且會受到PWM（脈寬調(diào)制）波行波過電壓和反向電場過電壓的沖擊。只要變頻電機啟動運行，這些類型的過電壓就一直的存在，并對變頻電機絕緣產(chǎn)生嚴重的損害。

PWM調(diào)制波行波過電壓

目前變頻廣泛的采用PWM調(diào)制技術(shù)，PWM的脈沖波形頻率有開關(guān)頻率和基本頻率兩種形式。其中由于電壓信號的傳播形式為波的形式，PWM的脈沖電壓值的峰值重復(fù)頻率會與開關(guān)頻率保持同步增長的關(guān)系?；绢l率直接影響電壓脈沖極性的轉(zhuǎn)變和變頻電機的轉(zhuǎn)速。由于變頻電機和逆變器的電阻率遠大于輸電線的電阻率，因此在它們之間傳播的PWM脈沖電壓因反射波的作用而導(dǎo)致PWM過電壓可達雙頻電機工作電壓的2倍。

反向電場疊加過電壓

外部的電場作用可以使得絕緣介質(zhì)中的正、負電荷產(chǎn)生瞬間的相對運動從而形成位移極化，這種極化由于其時間非常短（越10-15-10-12s），因此也被稱為瞬間位移極化。同時外部電場也會使絕緣介質(zhì)的偶極發(fā)生轉(zhuǎn)向作用，這種作用被稱為偶極轉(zhuǎn)向極化，這種極化的時間不同于位移極化，它的時間相對十分緩慢（10-10-10-2s），因而也叫松弛極化。但是變頻電機的PWM脈沖電壓波的頻率在幾百HZ到幾千HZ之間，因而其周期就很短（10-5-10-3S），已經(jīng)可以達到偶極轉(zhuǎn)向極化的時間，從而導(dǎo)致絕緣中的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生的電場滯后，因此了與外部電場方向一致的反向電場，從而產(chǎn)生反向電場疊加過電壓。

變頻電機的熱效應(yīng)

變頻馬達不但同普通電機一樣受到性質(zhì)相同的熱效應(yīng)的作用，同時由于PWM調(diào)控而帶來的集膚熱效應(yīng)，并且絕緣介質(zhì)由于其自身發(fā)熱的作用而產(chǎn)生熱效應(yīng)。

集膚熱效應(yīng)

變頻電機的集膚熱效應(yīng)和變頻電機的PWM脈沖電壓的頻率呈正比關(guān)系。普通電機的集膚熱效應(yīng)僅僅是在電機啟動時才會產(chǎn)生，但是由于變頻電機的脈沖電壓波的頻率一直很高，因此導(dǎo)致集膚熱效應(yīng)伴隨電機整個運行周期。變頻電機的轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體由于其耗損多、產(chǎn)生熱量大，因而是產(chǎn)生集膚熱效益比較嚴重的部位?？傊冾l電機的集膚熱效應(yīng)要比普通電機嚴重的多。

絕緣介質(zhì)自身發(fā)熱

變頻電機的絕緣介質(zhì)由于脈沖調(diào)制的作用而導(dǎo)致電耦極子轉(zhuǎn)動的頻率相對頻繁，這就大大的提高了絕緣介質(zhì)的電應(yīng)力，絕緣介質(zhì)因電應(yīng)力強度大而導(dǎo)致其耗損和產(chǎn)生大量的熱量，過多的熱量很嚴重的影響變頻電機的絕緣介質(zhì)的性能和壽命。

目前PWM脈沖電壓波的頻率最高可以到達104HZ，而一般有機絕緣介質(zhì)的自身的設(shè)計頻率在104-105HZ之間，因此PWM脈沖電壓波的頻率已經(jīng)快達到絕緣介質(zhì)的設(shè)計頻率的下限，而隨著集成門極換流晶閘管（IGCT）和絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）等材料應(yīng)用到變頻電機中而導(dǎo)致電機的工作電壓的頻率更高，這就導(dǎo)致絕緣材料的熱效應(yīng)也隨之越來越嚴重。

可以設(shè)想，當變頻電機的PWM脈沖電壓波的頻率大于或等于絕緣介質(zhì)的設(shè)計頻率，此時的狀況就如同微波爐工作原理一樣，而絕緣介質(zhì)如同食品一樣被PWM脈沖電壓波被迅速的加熱，這也是變頻電機使用過程中急需要解決的技術(shù)問題，需要改善新的、高性能的絕緣材料來加以解決這一難題。

變頻電機絕緣局部放電

變頻電機絕緣的局部放電是絕緣失效的主要原因之一。絕緣部位局部放電對絕緣失效作用主要包括3主形式：更多閱讀：強冷式變頻馬達ERVF系列

絕緣部位的局部放電會與空氣中的O2反應(yīng)產(chǎn)生一定量的O3，和空氣中的氮氣以及水蒸氣生產(chǎn)硝酸，臭氧和硝酸都具有強氧化性，會氧化絕緣材料，改變了絕緣材料的性質(zhì)；

局部放電使得大量的電子撞擊絕緣介質(zhì)，其中電子的撞擊能量會達到10eV，而絕緣介質(zhì)分子聚合鍵之間C-H為3.5eV，C-C鍵為6.2eV，這會使絕緣材料的分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂解，從而使絕緣材料失效；

局部放電還會產(chǎn)生X射線和紫外線，這些都會對絕緣材料產(chǎn)生輻射作用。然而在PWM脈沖的作用下，電壓波的脈沖頻率比較大，這會導(dǎo)致局部放電的次數(shù)多，放電能量大，這就加大了絕緣材料的失效率。

減少絕緣損害的對策

采用合理的繞線、嵌線等絕緣生產(chǎn)技術(shù)。變頻電機的絕緣材料的繞線、嵌線工藝必須加以控制，防止在生產(chǎn)中傷害了導(dǎo)線，將線圈的端部位加以固定使之形成整體，確保整個絕緣材料的強度。

采用聚酰亞胺系列絕緣材料來代替現(xiàn)階段的有機材料，這樣就能比較徹底的解決絕緣部位的熱效應(yīng)的問題。聚酰亞胺系列絕緣材料是新型納米無機材料，其表面的導(dǎo)電率比較大，能強有力的保留在其表面的電子，這會使得反向疊加電場的場強變小，這樣會有效的降低過電壓對絕緣材料的破壞作用。而且無機材料分子的鍵能比較大，能有效的抗擊局部放電時的電子沖擊。

使用真空壓力無溶劑浸漆和聚酰亞胺系列絕緣材料，真空壓力無溶劑浸漆采用的是無氣隙絕緣，能減少絕緣材料中的空氣等雜質(zhì)，能減少局部放電的危害。

提高絕緣材料的整體機械強度。提高機械強度能增加抗熱熔、抗振動以及抗電磁激振力，因此提高了變頻電機絕緣系統(tǒng)的整體機械強度能使其更有效的抵抗脈沖電壓波的作用、提高對各種熱效應(yīng)的能力以及電機使用過程中的機械振動的影響。

來源 | 今日電機