變頻電機絕緣損壞機理分析

冶金之家網(wǎng)站變頻電機絕緣損壞機理分析陳黎明（馬鞍山鋼鐵股份有限公司電氣修造有限公司，安徽馬鞍山243061）摘要：從過電壓、熱效應(yīng)以及局部放電三個方面敘述了變頻電機絕緣所承受的電動力、熱應(yīng)力等和普通電機的不同，分析了變頻電機絕緣損壞的原因。關(guān)鍵詞：變頻電機；絕緣；PWM波；脈沖；局部放電；介質(zhì)1引言20世紀(jì)70年代，矢量控制理論開始提出，到80年代，電力電子學(xué)的發(fā)展和微電子技術(shù)的進步，使得矢量控制從理論走向?qū)嵺`，到90年代，基于矢量控制理論的現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)普遍運用，并且在大容量調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)開始取代直流調(diào)速系統(tǒng)，變頻電機逐步取代直流電機。進入21世紀(jì)，交流調(diào)速系統(tǒng)和變頻電機在各個行業(yè)和領(lǐng)域的使用越來越廣泛。按照傳統(tǒng)電機理論，變頻電機除冷卻系統(tǒng)不同于普通電機外，傳統(tǒng)設(shè)計和制造均可滿足變頻電機的需要，甚至提出普通電機可直接用于變頻調(diào)速系統(tǒng)。但在變頻電機的使用過程中，尤其是IGBT等高開關(guān)頻率元件的使用，人們發(fā)現(xiàn)，變頻電機特別是低壓變頻電機的使用壽命，由于絕緣過早失效，與普通電機相比顯得很短，長則1~2年，短則幾個星期，由此引起相關(guān)技術(shù)人員開始對變頻電機絕緣損壞機理的研究和分析。我們知道，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，通過對電壓進行調(diào)制，使電機繞組中的電壓和通過的電流波形接近于正弦波，其調(diào)制頻率范圍為幾百赫茲到幾十千赫茲，隨著IGCT等新型電子元件的使用，電壓、電流波形更加等效于正弦波，其調(diào)制頻率越來越高，電機在這種高頻脈沖方波的電源條件下，其絕緣承受的電動力、熱應(yīng)力、機械力等和傳統(tǒng)電機相比，將有著很大的不同。2變頻電機的過電壓變頻電機除了承受傳統(tǒng)電機運行時的操作過電壓等作用外，還要承受絕緣中反向電場疊加和PWM波行波造成的過電壓，這些過電壓的作用是伴隨電機運行始終存在，并且相對于額定電壓有較大的幅值。（1）反向電場疊加過電壓。由電介質(zhì)理論可知，絕緣介質(zhì)在外加一電場后，將產(chǎn)生位移極化和偶極轉(zhuǎn)向極化。正、負(fù)電荷的相對位移，形成的極化稱之為位移極化，位移極化是瞬間完成的，又稱瞬間位移極化，極化時間約為10-15~10-12s，由于偶極子的轉(zhuǎn)向形成的極化稱之為偶極轉(zhuǎn)向極化，偶極轉(zhuǎn)向極化是相對緩慢的極化，又稱松馳極化，極化時間約為10-10~10-2s。由于PWM脈沖電壓頻率較高，幾百赫茲到幾十千赫茲，周期約在10-3~10-5s級別，已大于松馳極化時間（常用的有機絕緣材料極化以松馳極化為主），當(dāng)極性發(fā)生變化時，原先因電離作用產(chǎn)生的空間積累電荷建立的電場（極性改變前，該感應(yīng)電場是外加電壓電場的反向電場）變化滯后，形成反向電場與外加電場一致，增加了繞組絕緣材料的場強。理論上，PWM波極性轉(zhuǎn)變瞬間，絕緣承受的場強是原電場的2倍。（2）PWM波行波過電壓。PWM脈沖電壓由于其頻率較高，其行波效應(yīng)或行波反射是十分明顯的。我們知道，電壓信號在電纜上的傳輸是一個波過程，電纜特性阻抗，反射系數(shù)為負(fù)荷特性阻抗）。針對電纜其電感L0是很小的（有時為了提高匹配程度，采用集中電感的方式提高電纜的特性阻抗），而分布電容C0較大，因此，ZL一般很小，而電機線圈為集中電感線圈，電感大、分布電容小，因此有Zd>>Zl，并且，頻率增加時，電纜受L0、C0的影響，wL0增加幅度較小，wC0增加幅度較大，造成ZL更小，所以PWM電壓傳輸過程中，反射系統(tǒng)，即產(chǎn)生全反射。在傳輸節(jié)點處，電機輸入端為電壓波波峰效應(yīng)，電流波則成波谷效應(yīng)。由此可見，PWM脈沖電壓波的傳輸過程中，由于傳輸電纜的阻抗遠(yuǎn)小于電機和逆變器的阻抗，使反射波量加到電機入端，理論上電機入波同波過程承受接近2倍的工作電壓。3變頻電機的熱效應(yīng)除了普通電機的熱效應(yīng)外，變頻電機絕緣承受著PWM脈沖電壓帶來的熱效應(yīng)，明顯的集膚效應(yīng)和絕緣介質(zhì)自身發(fā)熱的熱效應(yīng)。（1）集膚效應(yīng)，由于PWM脈沖電壓的頻率較高，電機的集膚效應(yīng)較為明顯，且該集膚效應(yīng)不同于普通電機僅在起動時較為突出，而是較高的運行電壓的頻率使該熱效應(yīng)始終存在。特別是在電機轉(zhuǎn)子繞組導(dǎo)體中猶為明顯，其損耗加大，發(fā)熱嚴(yán)重，定子繞組中也存在著一定的集膚效應(yīng)，因此，變頻電機因為明顯的集膚效應(yīng)造成的發(fā)熱較普通電機大。（2）絕緣介質(zhì)的自身發(fā)熱，變頻電機中因PWM的調(diào)制作用，使得絕緣介質(zhì)中的電耦極子頻繁地轉(zhuǎn)動，使得絕緣材料的電應(yīng)力增加，從而造成介質(zhì)損耗的增大和介質(zhì)的發(fā)熱，電機的絕緣程度因熱疲勞而過早地降低。這種自身發(fā)熱不同于普通電機泄漏電流流過絕緣介質(zhì)造成的發(fā)熱，而是其內(nèi)部電偶極子頻繁轉(zhuǎn)動造成的發(fā)熱。目前有機絕緣材料的固有頻率一般為幾十千赫茲到幾百千赫茲，PWM電壓制頻率最高已達(dá)幾十千赫茲，接近于絕緣材料固有頻率的下限，隨著IGBT、IGCT開關(guān)元件的運用，電壓頻率將越來越高，介質(zhì)損耗將增大，絕緣自身的發(fā)熱趨于嚴(yán)重。假設(shè)當(dāng)PWM調(diào)制頻率繼續(xù)增大到接近絕緣材料的固有頻率，絕緣材料就會象微波加熱有機食品一樣被加熱，這是現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)對電機絕緣技術(shù)提出的問題。當(dāng)然，今后將納米級的無機絕緣材料填充改性聚酰亞胺樹脂而制成的絕緣材料產(chǎn)品將能徹底解決這個問題，現(xiàn)階段主要采用性能優(yōu)異的H級聚酰亞胺類絕緣材料和無機絕緣材料來滿足變頻電機的要求。4變頻電機絕緣局部放電局部放電是造成變頻電機絕緣損壞的主要原因之一。一般局放對絕緣產(chǎn)生的破壞作用大致有幾種基本形式：（1）由于局放時，電子和離子的撞擊，造成表面的侵蝕，再加上能量消耗產(chǎn)生局部過熱，造成高聚物裂解；（2）由于局放中產(chǎn)生的臭氧與其它產(chǎn)物和絕緣材料起化學(xué)反應(yīng)，使絕緣材料性能劣化；（3）由于局放產(chǎn)生的紫外線、軟X射線與輻射，使絕緣材料變質(zhì)，其中以（1）、（2）種形式是最常出現(xiàn)的破壞形式。一般來說，表面局放都比較劇烈，電子撞擊介質(zhì)的能量（超過10ev）足以使高聚物的鏈斷裂（C-H鏈為3.5ev，C-C鏈為6.2ev），表面局放使空氣中O2、H2O容易生成臭氧、硝酸，絕緣材料與這些生成物起化學(xué)反應(yīng)而變質(zhì)。在脈沖波作用下，隨著頻率的增加，空間電荷積累效應(yīng)更加明顯，脈沖電壓極性變化時，空間積累電荷的極性滯后于脈沖極性變化，反向電場的疊加，使得局放起始電壓下降，放電量增大，單位時間放電次數(shù)增加，電壓脈沖幅值的升高，局放放電量和放電次數(shù)增加；溫度的升高，使得局部放電起始電壓降低，平均放電量增加。試驗表明，在常用調(diào)制頻率的PWM波作用下，當(dāng)電壓達(dá)到700V時，一般絕緣材料由于其中雜質(zhì)或氣隙將會發(fā)生局部放電。在380V的變頻電機中，其脈沖幅值已達(dá)500V以上，加上反向電場疊加和脈沖波行波效應(yīng)以及熱效應(yīng)，足以使絕緣中的雜質(zhì)和氣隙發(fā)生局部放電。變頻電機采用聚酰亞胺系列絕緣材料和采用真空壓力無溶劑浸漆（VPI）的出發(fā)點就是靠材料的性能和“無氣隙”浸漬來減少雜質(zhì)和氣隙，而納米級絕緣材料因為其表面電導(dǎo)率較大，可以較好地疏導(dǎo)駐留電荷，使反向電場疊加作用減小，無機絕緣材料則因為其離子的瞬間極化使駐留電荷極性與脈沖極性保持同步或超前。當(dāng)然，無