變頻電機絕緣損壞機理及增強措施

李冬嚴，楊珊珊

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

變頻電機絕緣損壞機理及增強措施

李冬嚴，楊珊珊

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

通過分析變頻電機絕緣的特殊性，提出了變頻電機絕緣損壞的原因，并重新設(shè)計了絕緣結(jié)構(gòu)方案:采用無氣隙絕緣、匝間絕緣、主絕緣結(jié)構(gòu)來避免其損壞。同時選擇合理的繞組制造工藝，來保障變頻電機的可靠運行。

變頻電機;匝間絕緣;對地絕緣，工藝

0 引言

我公司生產(chǎn)的變頻電機需要通過變頻器供電才能使用，變頻器的電路一般由整流、中間直流環(huán)節(jié)、逆變和控制4個部分組成。其中逆變部分為IGBT三相橋式逆變器，且輸出為PWM波形，該方波的寬度和重復(fù)率可變，使變頻器輸出的沖擊電壓對電機主絕緣形成不同程度的沖擊，嚴重影響著電機的運行壽命。因此了解變頻器輸出電壓的特殊性及改進現(xiàn)有電機絕緣結(jié)構(gòu)及工藝至關(guān)重要。

1 變頻電機絕緣的特殊性

變頻電機廣泛采用PWM調(diào)制驅(qū)動，其輸出波形為不同脈寬的方波，即對電壓進行調(diào)制使電機繞組內(nèi)通過的電流波形接近正弦電流，如圖1所示。其載波頻率范圍從幾百赫茲到幾千赫茲不等。變頻電機絕緣要不斷地承受高頻率不同脈寬的方波電壓沖擊。又因為PWM調(diào)制驅(qū)動采用了IGBT作為功率驅(qū)動元件。IGBT的開關(guān)速度可以達到50ns，則PWM輸出電壓方波的上升時間非常短可達10kV/us，當(dāng)具有如此快的上升時間的電壓施加到電機的繞組時，繞組絕緣將逐步出現(xiàn)老化，又因反復(fù)電壓沖擊的頻率較高，將最終導(dǎo)致絕緣失效。

總之，變頻電機工作在高頻陡上升沿方波電壓下，與傳統(tǒng)的工頻正弦交流電壓形式截然不同，所面臨的問題遠比傳統(tǒng)電機復(fù)雜苛刻。這就使變頻電機的絕緣系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)電機絕緣有了很大的特殊性。

圖1 PWM變頻電源輸出電壓及電流示意圖

2 變頻電機絕緣損壞機理

在高頻脈沖電壓輸入條件下，繞組絕緣失效的主要原因是電壓過高引起絕緣局部擊穿。異步電動機的輸入電壓是以PWM形式供電，PWM驅(qū)動脈沖波形有兩種頻率:其一是開關(guān)頻率，尖峰電壓的重復(fù)頻率與開關(guān)頻率成正比;另一是基本頻率，直接控制電機的轉(zhuǎn)速。在每一個基本頻率開始時，脈沖極性從正到負或從負到正，這一時刻電機絕緣承受著二倍于尖峰電壓值的全幅電壓。在此全幅電壓作用下，繞組匝間會產(chǎn)生局部放電。因而在運行中，交變電壓特別是峰值電壓將導(dǎo)致線圈絕緣層產(chǎn)生局部放電，其放電產(chǎn)生的能量及生成物將逐漸腐蝕絕緣層。同時由于電離作用，在氣隙中又會產(chǎn)生空間電荷，從而形成一個與外加電場反向的感應(yīng)電場。當(dāng)電壓極性改變時，這個反向電場與外加電場方向一致。這樣，在開關(guān)器件的電壓上升率dv/dt及電路等因素作用下，電機端電壓波形中存在尖峰，其峰值可達電壓額定值的2～5倍(是變流器直流中間環(huán)節(jié)電壓的1．5～2．5倍)，它會導(dǎo)致局部放電的數(shù)量增加，最終引起擊穿。另外，電機與變頻器之間的電纜較長，電磁波沿長電纜傳播時，在電纜兩端產(chǎn)生波的反射和折射。由于電動機的波阻抗顯著大于電纜的波阻抗，致使電機會受到約兩倍的脈沖前沿電壓。圖2為現(xiàn)場檢測U額=690V的電機端電壓，在運行中將導(dǎo)致變頻電機線圈絕緣層發(fā)生局部放電，又由于變頻器的輸出頻率有時遠大于工頻，這也會使局部放電顯著增強。具體部位損壞原因分析如下。

圖2 U額=690V電機端電壓局部放電圖

2．1 匝間絕緣劣化

在電網(wǎng)頻率下，理論上同一只線圈中兩相鄰匝間的電壓是相等的，也就是說，從相出線端到中性點之間的每個相鄰匝間的工頻電壓，都是按線性平均進行分布的。但是，當(dāng)超高頻的電壓施加在定子繞組上時，電壓分布是非線性的，占很大百分比的電壓出現(xiàn)在與相出線端相連的第一個線圈的匝間。這種不均勻的電壓分布，起因于高頻下繞組的串聯(lián)的感抗大于繞組的對地容抗。當(dāng)快速上升的電壓沖擊施加到多匝定子繞組上時，繞組前幾匝將承受非常高的電壓，其中多達40%的沖擊電壓加在了第一匝間。

如果在相鄰兩匝的銅線間的絕緣上有氣隙，過高的匝間電壓就會引起局部放電。在散繞組定子中，圓形的電磁線匝間通常都存在氣隙，如果空氣中發(fā)生局部放電，此PD可造成電磁線絕緣輕微的劣化。如果電壓沖擊次數(shù)足夠多，放電產(chǎn)生的傷害足以累計，最后導(dǎo)致匝間絕緣失效，故障匝中將會流過很大的環(huán)流，很快就會過熱。通常，這么大的電流將會很快導(dǎo)致對地短路故障。除了局部放電引起的逐漸老化之外，還可能出現(xiàn)因“空間電荷”電流引起的劣化。這種劣化不要求空氣與電磁線必須相鄰(電荷的反復(fù)注入-捕獲-釋放過程所引起的機械損傷)。另局部放電產(chǎn)生的臭氧可以直接和聚合物分子進行氧化反應(yīng)，也會加速匝間絕緣失效。

2．2 對地絕緣和相間絕緣

根據(jù)散繞繞組的繞制規(guī)則，其定子相首端的匝線，比如說A相首端匝線，可能會與其中性點端的匝線相鄰，或者與B相首端匝線相鄰。由于電纜和電動機沖擊阻抗間的電壓反射，逆變器驅(qū)動裝置會產(chǎn)生相對高幅值的電壓沖擊。如果在相間或相對地間沒有足夠的間距或絕緣，散繞定子中、小直徑的電磁線圈就會在其周圍任意空氣間隙上產(chǎn)生足夠高的電場強度，足以導(dǎo)致局部放電。對于匝間絕緣來說，這種PD會逐漸腐蝕有機絕緣，導(dǎo)致相間或?qū)Φ毓收稀τ谶@種故障過程，沖擊電壓上升時間影響不大，關(guān)鍵是沖擊電壓的幅值和重復(fù)率。

3 變頻電機絕緣加強措施

3．1 采用無氣隙絕緣

變頻電機絕緣結(jié)構(gòu)中如果存在氣隙，在高頻脈沖電壓的作用下，在空氣隙中會產(chǎn)生空間電荷，導(dǎo)致局部放電的增加，最終引起絕緣損壞。為了取得無氣隙絕緣主要是選擇合適的浸漬漆，確定正確浸漬干燥工藝。建議采用低揮發(fā)分的無溶劑浸漬漆，要求浸漬漆的固化速度塊且揮發(fā)物小于5%，浸漬工藝若可以采用滴浸及滾浸工藝能更好的保障電氣性能的絕緣性。若不具備浸漆條件可采用VPI浸漆。

3．2 匝間絕緣結(jié)構(gòu)

匝間絕緣結(jié)構(gòu)主要在于提高匝間絕緣的起始放電電壓水平，耐電暈水平和避免機械損傷，因變頻電機的匝間是用電磁線本身的漆膜來保證，為提高漆膜的耐沖擊性，選擇以杜邦漆為涂層的電磁線。電磁線為耐電暈變頻線，牌號為QPRW-3/200。該電磁線在155℃，20kHZ，3kV，100ns的試驗條件下，耐高頻壽命大于50h。增加首末匝匝間絕緣，因低壓電機鐵心槽形多為梨型槽，所以選擇便于插入槽內(nèi)的聚酰亞胺薄膜6050作為匝間絕緣。

3．3 主絕緣結(jié)構(gòu)

低壓變頻電機主絕緣為復(fù)合材料，建議采用云母混抄復(fù)合的NHN，云母基材為無機材料其耐電暈性能比較優(yōu)越。

采用以上絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，提升了電磁線的耐高頻脈沖性能，增加了匝間絕緣抗擊穿能力，同時主絕緣采用無機材料復(fù)合材料及合理的浸漆工藝也提升了相間及主絕緣的抗局部放電能力，此結(jié)構(gòu)的應(yīng)用提升繞組可靠性。

4 合理的繞線、嵌線、接線制造工藝

4．1 繞線

采用具備恒張力控制及自動排線功能的數(shù)控繞線機繞制電磁線，在繞制過程中線圈排列整齊，極少出現(xiàn)交叉浮線，且邊繞邊進行分匝綁扎固定(便于嵌線工序進行分匝嵌線及匝間絕緣墊靠處理)，卸線時再進行單支線圈綁扎固定。卸線后用掛式存線架進行運輸轉(zhuǎn)序，避免多次轉(zhuǎn)序造成的線圈交叉亂現(xiàn)象。

4．2 嵌線

嵌線前，檢查鐵心質(zhì)量，確保無毛刺、無高片，鐵心長度在圖紙要求公差范圍內(nèi)。嵌線時，先將每組首支線圈的首匝線圈嵌入槽內(nèi)，再將0．1mm厚聚酰亞胺薄膜6050插入槽內(nèi)，充當(dāng)首匝匝間絕緣，見圖3。繞組端部的首匝線圈也需用云母帶進行1/2疊包并與線圈直線增加的6050匝間絕緣進行適當(dāng)搭接，以保證繞組首匝與其他匝線圈進行完全絕緣見圖4。絕緣處理后繼續(xù)按正常工藝進行嵌線，嵌線至每組線圈的最后一匝線圈時，仍按墊靠首匝絕緣工藝進行執(zhí)行。

圖3 首匝匝間絕緣墊靠

圖4 端部匝間絕緣分隔

嵌線過程中保證槽絕緣、相間絕緣放置到位，相間絕緣應(yīng)高出絕緣繞組10～15mm。同時為減少匝間、破壓率，將槽絕緣之6050挽袖絕緣長度加長至15mm。層間絕緣在原絕緣基礎(chǔ)上增加0．1mm厚聚酰亞胺薄膜6050，用以提升繞組槽內(nèi)層間及相間的抗擊穿能力。在繞組端部繼續(xù)增加0．13mm厚的線圈間絕緣紙，提升繞組端部機械強度及掛漆量。

4．3 繞組端部線路綁扎固定

出線端繞組端部每組線圈首尾引出線采用的硅橡膠軟管長度上必須套到線圈直線的R部，與直線部位加墊的匝間絕緣形成適度搭接，同時繞組線路應(yīng)使用相近硅橡膠軟管進行固定，使線圈截面減少易于綁扎。端部繼續(xù)增加包扎固定環(huán)，用此環(huán)作為端部綁扎繩的固定箍，不僅能保證端部綁扎整體受力均勻，而且防止線圈端部綁扎時相間絕緣被勒出以及綁扎繩直接施加作用力在線匝上。

4．4 電纜綁扎固定

由于電磁激振力以及振動等影響，變頻電機應(yīng)盡可能提高電機整體的機械強度。所以，電纜采用一次接線工藝，電纜與繞組引線端采用雙頭連接管六方冷壓連接，并與繞組端部一起用聚酯收縮管逐槽綁扎固定。

5 結(jié)語

變頻器供電的電機端電壓主要取決于變頻器的輸出電壓、變頻器的結(jié)構(gòu)和控制方式、變頻器和電動機之間的濾波器及變頻器和電動機之間的電纜長度等因素。因此變頻電機繞組絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計及選擇合理的繞組制造工藝至關(guān)重要，我們要嚴格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計和制造，以確保變頻電機安全、穩(wěn)定的運行，從而滿足使用單位的需求。

［1］吳廣寧．變頻電機絕緣老化機理及表征．北京:科學(xué)出版社出版，2009．

［2］Greg C．Stone．旋轉(zhuǎn)電機的絕緣．北京:中國電力出版社，2011．

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［5］W Yin．Failure mechanism of winding insulations in In-verter-fed motors［J］．IEEE Electrical Insulatiaon Magazine，1997，(6):18-29．

Damage Mechanisms and Enhancing Measures for Insulation of Variable Frequency Motor

Li Dongyan and Yang Shanshan
(Jiamusi Electric Machine Co．，Ltd．，Jiamusi 154002，China)

Variable frequency motor is driven by PWM modulation，when working under high-frequency impulse square wave，the motor terminal frequently suffered impact of the peak voltage，different levels of Insulation deterioration exists in interturn voltage，ground insulation and insulation between phases of winding of the variable frequency motor，which seriously threat service life of the motor．So redesigning insulation structure of the variable frequency motor and selecting reasonable winding manufacturing technique must be done based on particularity of the converter supply，to guarantee reliable service of the variable frequency motor．

Variable frequency motor;interturn insulation;grounding insulation;technology

10．3969/J．ISSN．1008-7281．2015．05．15

TM303．4

B

1008-7281(2015)05-0051-003

李冬嚴 男 1978年生;畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)企業(yè)經(jīng)濟管理，現(xiàn)從事電機技術(shù)管理工作．

2015-01-08