变频电机绝缘损坏机理分析

冶金之家网站变频电机绝缘损坏机理分析陈黎明（马鞍山钢铁股份有限公司电气修造有限公司，安徽马鞍山243061）摘要：从过电压、热效应以及局部放电三个方面叙述了变频电机绝缘所承受的电动力、热应力等和普通电机的不同，分析了变频电机绝缘损坏的原因。关键词：变频电机；绝缘；PWM波；脉冲；局部放电；介质1引言20世纪70年代，矢量控制理论开始提出，到80年代，电力电子学的发展和微电子技术的进步，使得矢量控制从理论走向实践，到90年代，基于矢量控制理论的现代交流调速系统普遍运用，并且在大容量调速领域内开始取代直流调速系统，变频电机逐步取代直流电机。进入21世纪，交流调速系统和变频电机在各个行业和领域的使用越来越广泛。按照传统电机理论，变频电机除冷却系统不同于普通电机外，传统设计和制造均可满足变频电机的需要，甚至提出普通电机可直接用于变频调速系统。但在变频电机的使用过程中，尤其是IGBT等高开关频率元件的使用，人们发现，变频电机特别是低压变频电机的使用寿命，由于绝缘过早失效，与普通电机相比显得很短，长则1~2年，短则几个星期，由此引起相关技术人员开始对变频电机绝缘损坏机理的研究和分析。我们知道，变频电机广泛采用PWM调制驱动，其输出波形为不同脉宽的方波，通过对电压进行调制，使电机绕组中的电压和通过的电流波形接近于正弦波，其调制频率范围为几百赫兹到几十千赫兹，随着IGCT等新型电子元件的使用，电压、电流波形更加等效于正弦波，其调制频率越来越高，电机在这种高频脉冲方波的电源条件下，其绝缘承受的电动力、热应力、机械力等和传统电机相比，将有着很大的不同。2变频电机的过电压变频电机除了承受传统电机运行时的操作过电压等作用外，还要承受绝缘中反向电场叠加和PWM波行波造成的过电压，这些过电压的作用是伴随电机运行始终存在，并且相对于额定电压有较大的幅值。（1）反向电场叠加过电压。由电介质理论可知，绝缘介质在外加一电场后，将产生位移极化和偶极转向极化。正、负电荷的相对位移，形成的极化称之为位移极化，位移极化是瞬间完成的，又称瞬间位移极化，极化时间约为10-15~10-12s，由于偶极子的转向形成的极化称之为偶极转向极化，偶极转向极化是相对缓慢的极化，又称松驰极化，极化时间约为10-10~10-2s。由于PWM脉冲电压频率较高，几百赫兹到几十千赫兹，周期约在10-3~10-5s级别，已大于松驰极化时间（常用的有机绝缘材料极化以松驰极化为主），当极性发生变化时，原先因电离作用产生的空间积累电荷建立的电场（极性改变前，该感应电场是外加电压电场的反向电场）变化滞后，形成反向电场与外加电场一致，增加了绕组绝缘材料的场强。理论上，PWM波极性转变瞬间，绝缘承受的场强是原电场的2倍。（2）PWM波行波过电压。PWM脉冲电压由于其频率较高，其行波效应或行波反射是十分明显的。我们知道，电压信号在电缆上的传输是一个波过程，电缆特性阻抗，反射系数为负荷特性阻抗）。针对电缆其电感L0是很小的（有时为了提高匹配程度，采用集中电感的方式提高电缆的特性阻抗），而分布电容C0较大，因此，ZL一般很小，而电机线圈为集中电感线圈，电感大、分布电容小，因此有Zd>>Zl，并且，频率增加时，电缆受L0、C0的影响，wL0增加幅度较小，wC0增加幅度较大，造成ZL更小，所以PWM电压传输过程中，反射系统，即产生全反射。在传输节点处，电机输入端为电压波波峰效应，电流波则成波谷效应。由此可见，PWM脉冲电压波的传输过程中，由于传输电缆的阻抗远小于电机和逆变器的阻抗，使反射波量加到电机入端，理论上电机入波同波过程承受接近2倍的工作电压。3变频电机的热效应除了普通电机的热效应外，变频电机绝缘承受着PWM脉冲电压带来的热效应，明显的集肤效应和绝缘介质自身发热的热效应。（1）集肤效应，由于PWM脉冲电压的频率较高，电机的集肤效应较为明显，且该集肤效应不同于普通电机仅在起动时较为突出，而是较高的运行电压的频率使该热效应始终存在。特别是在电机转子绕组导体中犹为明显，其损耗加大，发热严重，定子绕组中也存在着一定的集肤效应，因此，变频电机因为明显的集肤效应造成的发热较普通电机大。（2）绝缘介质的自身发热，变频电机中因PWM的调制作用，使得绝缘介质中的电耦极子频繁地转动，使得绝缘材料的电应力增加，从而造成介质损耗的增大和介质的发热，电机的绝缘程度因热疲劳而过早地降低。这种自身发热不同于普通电机泄漏电流流过绝缘介质造成的发热，而是其内部电偶极子频繁转动造成的发热。目前有机绝缘材料的固有频率一般为几十千赫兹到几百千赫兹，PWM电压制频率最高已达几十千赫兹，接近于绝缘材料固有频率的下限，随着IGBT、IGCT开关元件的运用，电压频率将越来越高，介质损耗将增大，绝缘自身的发热趋于严重。假设当PWM调制频率继续增大到接近绝缘材料的固有频率，绝缘材料就会象微波加热有机食品一样被加热，这是现代交流调速系统对电机绝缘技术提出的问题。当然，今后将纳米级的无机绝缘材料填充改性聚酰亚胺树脂而制成的绝缘材料产品将能彻底解决这个问题，现阶段主要采用性能优异的H级聚酰亚胺类绝缘材料和无机绝缘材料来满足变频电机的要求。4变频电机绝缘局部放电局部放电是造成变频电机绝缘损坏的主要原因之一。一般局放对绝缘产生的破坏作用大致有几种基本形式：（1）由于局放时，电子和离子的撞击，造成表面的侵蚀，再加上能量消耗产生局部过热，造成高聚物裂解；（2）由于局放中产生的臭氧与其它产物和绝缘材料起化学反应，使绝缘材料性能劣化；（3）由于局放产生的紫外线、软X射线与辐射，使绝缘材料变质，其中以（1）、（2）种形式是最常出现的破坏形式。一般来说，表面局放都比较剧烈，电子撞击介质的能量（超过10ev）足以使高聚物的链断裂（C-H链为3.5ev，C-C链为6.2ev），表面局放使空气中O2、H2O容易生成臭氧、硝酸，绝缘材料与这些生成物起化学反应而变质。在脉冲波作用下，随着频率的增加，空间电荷积累效应更加明显，脉冲电压极性变化时，空间积累电荷的极性滞后于脉冲极性变化，反向电场的叠加，使得局放起始电压下降，放电量增大，单位时间放电次数增加，电压脉冲幅值的升高，局放放电量和放电次数增加；温度的升高，使得局部放电起始电压降低，平均放电量增加。试验表明，在常用调制频率的PWM波作用下，当电压达到700V时，一般绝缘材料由于其中杂质或气隙将会发生局部放电。在380V的变频电机中，其脉冲幅值已达500V以上，加上反向电场叠加和脉冲波行波效应以及热效应，足以使绝缘中的杂质和气隙发生局部放电。变频电机采用聚酰亚胺系列绝缘材料和采用真空压力无溶剂浸漆（VPI）的出发点就是靠材料的性能和“无气隙”浸渍来减少杂质和气隙，而纳米级绝缘材料因为其表面电导率较大，可以较好地疏导驻留电荷，使反向电场叠加作用减小，无机绝缘材料则因为其离子的瞬间极化使驻留电荷极性与脉冲极性保持同步或超前。当然，无