技研：變頻電機(jī)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(jī)械設(shè)備中加以應(yīng)用。但是隨著變頻電機(jī)這一新設(shè)備的廣泛使用，人們發(fā)現(xiàn)變頻電機(jī)尤其是低壓變頻電機(jī)的絕緣會過早的損壞，直接導(dǎo)致了變頻電機(jī)的使用壽命比普通電機(jī)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(jī)絕緣損壞的機(jī)理進(jìn)行分析并探尋控制措施。

變頻電機(jī)的絕緣損壞機(jī)理

變頻電機(jī)過電壓

變頻電機(jī)在使用的過程中不但同普通電機(jī)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(jī)啟動運(yùn)行，這些類型的過電壓就一直的存在，并對變頻電機(jī)絕緣產(chǎn)生嚴(yán)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。基本頻率直接影響電壓脈沖極性的轉(zhuǎn)變和變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于變頻電機(jī)和逆變器的電阻率遠(yuǎn)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(dá)雙頻電機(jī)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(fù)電荷產(chǎn)生瞬間的相對運(yùn)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(jī)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(dá)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(jī)的熱效應(yīng)

變頻馬達(dá)不但同普通電機(jī)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(jī)的集膚熱效應(yīng)和變頻電機(jī)的PWM脈沖電壓的頻率呈正比關(guān)系。普通電機(jī)的集膚熱效應(yīng)僅僅是在電機(jī)啟動時才會產(chǎn)生，但是由于變頻電機(jī)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(jī)整個運(yùn)行周期。變頻電機(jī)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(yán)重的部位?？傊?，變頻電機(jī)的集膚熱效應(yīng)要比普通電機(jī)嚴(yán)重的多。

絕緣介質(zhì)自身發(fā)熱

變頻電機(jī)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(qiáng)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(yán)重的影響變頻電機(jī)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(dá)104HZ，而一般有機(jī)絕緣介質(zhì)的自身的設(shè)計(jì)頻率在104-105HZ之間，因此PWM脈沖電壓波的頻率已經(jīng)快達(dá)到絕緣介質(zhì)的設(shè)計(jì)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(jī)中而導(dǎo)致電機(jī)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(yán)重。

可以設(shè)想，當(dāng)變頻電機(jī)的PWM脈沖電壓波的頻率大于或等于絕緣介質(zhì)的設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)絕緣局部放電

變頻電機(jī)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(qiáng)冷式變頻馬達(dá)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?dú)庖约八魵馍a(chǎn)硝酸，臭氧和硝酸都具有強(qiáng)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(dá)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(jī)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(qiáng)度。

采用聚酰亞胺系列絕緣材料來代替現(xiàn)階段的有機(jī)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(jī)材料，其表面的導(dǎo)電率比較大，能強(qiáng)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(qiáng)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(jī)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(jī)械強(qiáng)度。提高機(jī)械強(qiáng)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(jī)絕緣系統(tǒng)的整體機(jī)械強(qiáng)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(jī)使用過程中的機(jī)械振動的影響。

來源 | 今日電機(jī)

審核編輯 黃昊宇