變頻電機絕緣早期損壞的探討
陳潔
（德州學院機電工程系，山東德州253023）
摘要：針對變頻電機早期損壞的普遍特性，深入探討了變頻電機絕緣的損壞機理，提出了選用抗電暈性好的電磁線、以及采用無氣隙絕緣的主絕緣等措施，為早期損壞提供了有效的解決方案．
關鍵詞：變頻電機；絕緣損壞；措施
中圖分類號：tm 344.6文獻標志碼：a文章編號：1673-6540(2010)07-0064-03
0 引 言
變頻電機是電子工業的新寵，其工作原理與普通工頻電路完全不同，所產生的脈沖高頻方波會對普通電機的絕緣系統產生嚴重的破壞。因此，對變頻電機絕緣的探討具有重要意義。
1 變頻電機絕緣早期損壞是普遍存在的問題
變頻電機絕緣早期損壞是由電暈引起的局部放電、介質發熱、尖峰脈沖導致有機高分子絕緣材料裂解的結果。因此，在設計交流變頻電機絕緣結構時，必須采用耐電暈的電磁線、絕緣材料和低揮發份甚至無揮發份的浸漬樹脂，形成“無氣隙絕緣”，以提高絕緣結構的整體性。變頻電機的絕緣性能不僅要能滿足傳統意義上的抗熱老化、抗電老化要求，還要滿足耐高頻脈沖、耐局部放電的要求。研究開發變頻電機絕緣技術，應密切關注國內、外相關標準的升級，并按這些標準進行有關變頻電機絕緣結構壽命評定的試驗研究工作。
與直流調速電機相比，采用交流變頻調速電機的主要優點如下：
(i)節能，調速方便；
(2)由于采用高頻技術，電機結構簡單，節約原材料、造價低，體積、重量均較小，易于維修；
(3)可以實現電機的軟起動和快速制動控制；
(4)工作時無火花，具有較強的環境適應能力。
現在，變頻調速電機的市場占有率正以每年百分之18~ 20的速度增長。由于普通異步電機以恒頻、恒壓的供電方式進行設計，應用于變頻調速系統時存在著很大的局限性，故國內外有關廠商陸續推出專用的變頻交流電動機系列。這些專用的變頻異步電動機根據具體應用環境和應用要求，在設計上有所側重，例如：有提高低速轉矩特性的專用電機；有高速專用電機；有低噪聲、低振動用的電機；有帶測速發電機的電機及矢量控制專用電機等。
值得注意的是：隨著交流變頻電動機的廣泛使用，國內、外大量用戶和研究機構反映，交流變頻調速電動機普遍存在絕緣早期損壞的現象。許多交流變頻電機的使用壽命很短，長則兩年或一年，短則只有幾個星期，甚至個別電機在試運行期間就出現電機絕緣損壞的情況，而且損壞通常友生在匝間。這引起了國內、外學者和專家的廣泛關注，是電力逆變技術的發展應用給電機絕緣技術提出的新課題。實踐證明，過去幾十年研究和制定的有關工頻正弦電機的絕緣設計理論，不能完全適用于交流變頻調速電機。需要研究變頻電機絕緣損壞的原因，探討交流變頻電機絕緣設計的基本原理，尋求改進絕緣設計的方式方法，建立交流變頻電機的工業標準和規則。
2交流變頻電機絕緣損壞原理
2.1 電磁線匝間絕緣損壞
全幅電壓的躍變形成2倍于單個尖峰電壓的瞬間高壓，將擊穿匝間絕緣。變頻調速交流電機大多采用絕緣柵雙極型晶體管(igbt)元件和脈寬調制(pwm)控制技術。
(1)第一個尖鋒電壓的生成。igbt可以提供上升時間極短的電涌，其上升時間約幾十s，可以產生較高頻率的開關脈沖，頻率高達幾十khz，甚至幾百khz。當電壓的快速上升沿從變頻器傳導至電機終端電纜時，由于電機和電纜的阻抗不匹配，產生第一個反射電壓波，反射波返回變頻器。在該反射波的感應下，另一個由電纜和變頻器阻抗不匹配產生兩個反射波。這個反射波和原始電壓波重疊被放大，第一個尖峰電壓在電壓波前沿生成。
(2)全幅電壓的形成。由于變頻電機采用了pwm控制技術，其脈沖波形有兩種頻率。一是開關頻率，開關頻率增加多少倍，尖鋒電壓的重復頻率也增加多少倍；第二個是基本頻率，接控制電機的轉速。在每一個基本頻率開始時，脈沖極性從正到負或從負到正。由igbt產生的尖峰電壓和pwm產生的脈沖電壓重疊形成了一個全幅電壓，它的值是尖峰電壓值的2倍。在變頻電機開起的這一刻，電機絕緣受著巨大全幅電壓的沖擊。
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