变频电机绝缘损坏机理及增强措施戴兴武

变频电机绝缘损坏机理及增强措施戴兴武

戴兴武

杜邦（中国）研发管理有限公司上海市201203

摘要：随着科学技术的不断进步和电子技术的日益发展，变频电机的应用日益广泛，在变频电机的使用过程中采用了调速性能优良的脉宽调制技术，在运行过程中由于多种原因会导致电机绝缘遭到损害，必须采取有效措施对干扰因素进行控制，提高变频电机工作的稳定性，保证变频电机稳定高效运行。本文分析了变频电机绝缘损坏机理，并有针对性的提出了减少变频电机绝缘损坏的有效措施。

关键词：变频电机；绝缘损坏；机理；分析；措施

引言电力和微电子技术的发展，矢量控制理论在现代交流调速系统中逐渐应用，变频电机开始取代直流电机，交流调速系统和变频电机在大容量调速领域内应用越来越广泛。但变频电机在运行过程中，由于各种原因会导致电机绝缘遭到损害，必须采取有效措施对干扰因素进行控制，提高变频电机工作的稳定性，保证变频电机稳定高效运行。

1变频电机绝缘的特殊性

变频电机通常使用PWM来调制驱动，输出的波形的方波的脉宽有所不同，必须对电压进行科学的调制，确保电机绕组内通过的电流波形和正弦电流相接近。通常变频电机的载波频率范围很大，一般小到几百赫兹，大到几千赫兹，高频率不同脉宽的方波电压会不断的冲击变频电机绝缘，这样就容易导致其受损。同时，PWM调制驱动使用IGBT功率驱动元件，IGBT的开关速度能达到50ns左右，PWM输出电压方波的上升时间很短，一般能达到10kV/us，电压快速短暂上升对电机绕组施加冲击，电压会反复的冲击而且频率较高，会造成绕组绝缘出现老化现象，导致绝缘功能损坏，失去效果。变频电机通常在高频陡上升沿方波电压工况下工作，完全不同于传统的工频正弦交流电压形式，工作中出现的各种突发问题和所面临的工况条件，要比传统的电机更为复杂，要求的条件也更加严格，这就造成变频电机的绝缘系统在工作中有一定的特殊性，出现绝缘损坏的概率要大得多，要复杂的多。这种特殊性也对变频电机的运行、维护、检修提出了严峻的挑战。必须认识到变频电机工作受干扰原因，提前做好防干扰的预防措施，提高变频电机工作的稳定性，才能保证变频电机的安全稳定运行。

2变频电机应用的优劣势分析

2.1变频电机应用的优势。普通异步电机通常设计的供电方式采取恒频、恒压，应用于变频调速系统局限性很多。交流变频调速电机与直流调速电机相比，其采用了高频技术，电机的结构更加简单，应用的原材料更加节约，成本要低很多，而且电机的体积和重量也要比传统的电机小很多，不仅节能，而且调速快捷，维修起来也较为方便。更重要的是能实现电机的软起动和快速制动控制，工作时的环境适应能力较强，所以变频调速电机在电机行业得到了广泛的应用，市场占有率很高。

2.2变频电机绝缘出现早期损坏。变频电机工作运行中，电晕会引起局部放电、介质发热，尖峰脉冲也会使有机高分子绝缘材料出现裂解，从而出现早期绝缘损坏。交流变频电机绝缘结构进行设计规划时，变频电机要使用耐电晕的电磁线，绝缘材料也要使用低挥发份的浸渍树脂类产品，达到无气隙绝缘，除了满足抗热老化、抗电老化要求的绝缘性能外，还要达到耐高频脉冲、耐局部放电的标准和要求，确保整体结构的绝缘性能。

3变频电机绝缘损坏的机理分析

3.1变频电机过电压。变频电机工作运行中，时常会遭到操作过电压冲击以及PWM波行波过电压和反向电场过电压的较大冲击，变频电机只要处于启动运行状态，就难以避免过电压对其绝缘性能的损害。一是PWM调制波行波过电压。目前PWM调制技术在变频技术中应用较多，PWM的脉冲波形频率有两种形式，一种是开关频率，一种是基本频率。电压信号以波的形式进行传播，PWM的脉冲电压值峰值重复频率会随着开关频率的增长而增大，而电压脉冲极性转变和变频电机转速也受基本频率的影响较大。因为变频电机和逆变器电阻率要比输电线的电阻率大得多，传播的PWM脉冲电压由于反射波的影响，会造成PWM过电压超出许多，甚至是双频电机工作电压的两倍。二是反向电场叠加过电压。由于外部电场作用，绝缘介质中存在的正、负电荷会产生瞬间相对运动，也称作瞬间位移极化。同时也会使绝缘介质的偶极发生缓慢的转向，称作偶极转向极化或松弛极化。变频电机PWM脉冲电压波的频率能达到偶极转向极化时间，造成绝缘中的电荷转移产生的电场缓慢，出现反向电场叠加过电压。

3.2变频电机的热效应。一是集肤热效应。普通电机集肤热效应只有在电机启动时才会出现，而变频电机脉冲电压波频率较高，整个运行过程都会出现集肤热效应。变频电机产生的集肤热效应随着变频电机的PWM脉冲电压频率增大而增大，减小而减小。由于变频电机转子绕组导体是产生集肤热效应的重点部位，耗损多，产生的热量也较大。二是绝缘介质自身发热。变频电机脉冲调制作用使电耦极子转动较大的频率，绝缘介质电应力提高从而产生较大的耗损和热量，温度升高自然会导致变频电机绝缘介质性能降低，而且还会降低使用周期。

4降低变频电机绝缘损坏的有效措施

4.1科学控制绕线、嵌线等技术。变频电机的绝缘材料的绕线、嵌线技术的高低影响着电机的运行水平，必须严格控制施工工艺，防止在绕线、嵌线过程中损坏导线，固定好线圈端部位。同时选用的电磁线要确保其抗电晕性能好，防止在加工工程中导致漆包线漆膜和绕包线外包膜受损，确保其较好的绝缘效果和绝缘强度。

4.2合理选择绝缘材料。为有效解决绝缘部位的热效应问题，尽量选用聚酰亚胺系列的绝缘材料，其属于新型纳米无机材料，表面较大的导电率能较好的保留表面电子，从而降低反向叠加电场的场强，将过电压对绝缘材料的损害程度降到最低，并且对抗击局部放电时的电子冲击起到一定的保护作用。另外，还可以使用真空压力无溶剂浸漆，其采用无气隙绝缘，将绝缘材料中的空气等杂质降到最低，从而减少局部放电造成的危害。除此之外，通过提高绝缘材料的整体机械强度来增加抗热熔、抗振动和抗电磁激振力，更好抵抗脉冲电压波的作用，增强对各种热效应预防能力，减小电机运行中机械振动造成的影响。

4.3无气隙绝缘措施。电晕的产生很大一部分是因为变频电机绝缘结构中的气隙造成的，采用无气隙绝缘措施能在保持额定磁场状况下，降低线圈中的电流有效值，保护电机绝缘性能。选择无溶剂浸渍漆和浸渍干燥工艺，能较好的实现无气隙绝缘。浸渍工艺能提高绝缘结构的整体机械强度，增强抵御电磁激振力、振动和热融的能力，提升绝缘结构的整体性能，提高机械强度。

5结语近年来随着变频电机的广泛应用，其在运行过程中的绝缘损坏问题经常出现，必须对其产生绝缘损害的问题机理进行分析和研究，才能从材料、工艺、设备等方面综合施策，采取有针对性的措施加以预防和处置，提高解决变频电机绝缘损坏问题的能力和水平，提高变频电机运行的效率和质量，从而推动变频电机应用取得更大的效益。

参考文献：

[1]李冬严，杨珊珊.变频电机绝缘损坏机理及增强措施[J].防爆电机，2015，50（05）：51-53.

[2]赵伟伟，付元奎，李博，李青.变频电机匝间绝缘损坏的探讨[J].山西冶金，2014，37（06）：99-100.

[3]刘电霆，张声岚，钱三来，闫军部，蒋存波.变频电机绝缘材料失效主要因素与寿命评估方法[J].绝缘材料，2011，44（05）：55-58.

[4]陈洁.变频电机绝缘早期损坏的探讨[J].电机与控制应用，2010，37（07）：64-66.