变频电机绝缘失效分析及解决措施

1概述

变频器驱动的电动机在重复脉冲的作用下,其绝缘提前失效不能简单归咎于某一因素,而是最终由局部放电、介质过热和空间电荷共同作用的。

2绝缘失效机理分析

现在广泛使用的IGBT( Insulated Gate BipolarTransistor绝缘栅双极型晶体管),其工作时形成的波形与普通工频正弦波不同。IGBT提供的是非常快速的上升时间脉冲,上升时间快达20-100μs,这些脉冲为非常高的载波,其开关频率高达20kHz甚至更高,因此当此快速前沿波通过电缆从变频器传到电机上时,由于阻抗不匹配,逆变器和电动机之间产生反射波,传至逆变器输出端后的反射波又产生另一个入射波,此时的入射波与起始电压波在电动机线圈端叠加,形成的脉冲波就会具有高耸的尖峰(高电压峰值),且波峰具有陡峭的前沿(快速上升时间)。再加上极高的频率及环境温度,这些因素对绝缘失效时间将产生一定的影响。

2.1最大电压的影响

在具有高频及快速上升时间的电压影响下,也随电压范围而变在低电压范围(<0.5kv>0.5kV/min),指数降为3左右,如果电压高于3kV,绝缘将很快损坏

2.2脉冲频率的影响

导线绝缘损坏所需时间与脉冲频率间的关系不是一种简单的关系。对相同电磁线模拟变频脉冲电压进行试验,发现在温度为90℃、双极性脉冲、频率20kHz、幅值±2000V、上升时间为0.025μs的脉冲电压条件下,转折频率点约为5kHz左右，当频率低于5kHz时,绝缘损坏所需时间与脉冲频率成反比。在正弦波作用的条件下,绝缘失效时间与频率之间的关系是线性的,但脉冲频率对绝缘的影响却并非如此

另外,当温度相同时,在5kV与1kHz条件下测试的导线,其损坏时间比在3kV与5kHz条件下的时间长。这表明,施加的脉冲电压一旦高于转折值,脉冲频率对绝缘损坏的影响比脉冲电压大。

2.3上升速率的影响

在高幅值、短波头的电压陡波下电机定子绕组匝间电压分布的研究结果表明,匝间电压分布与dV/dt有关。当电压上升时间t<0.3μs时,绕组的前几匝所承受的电压应力将超过正常值(t≥0.3s)4倍以上;而当t<50μ时,定子端电压的80%都将落在电机的首匝线圈上,这使得绕组的首、尾匝经常成为电机绝缘失效的故障点。

绝缘失效时间与上升时间的关系，不同的上升时间形成绝缘失效时间的差异是由于介质损耗散热量不同。由于在电压瞬变过程中,频率可从十几赫兹达数百兆赫兹,即f=1/△t,电容电流与ωτ成正比,在变频电机调速过程中,仅根据介质损耗计算的介质的单位体积温升高达50-60℃

2.4热应力的影响

与电网供电相比,变频器供电的质量较差。变频器输出的电压产生高次谐波,这些谐波在定子绕组和转子绕组中感应谐波电流,高次谐波电压和电流会使电机产生铁耗、机械耗、铜耗以及介质损耗的增加,这些损耗绝大部分转变成热能,导致了变频电机温升的增加。当导体与介质之间的交界面磁场强度超越临界磁场时,其间的空间电荷的构成限制了该磁场,并且在介质中产生高电流密度、电磁机械应力及功率损耗。

而高温使得聚合物的挥发和降解加速,绝缘的化学和物理性能恶化,材料变脆,机械强度降低，“10℃规则”描述了这种关系。另外一方面,定子电流所产生的机械应力与电流的平方成正比,并在电机起动瞬间达到最大值;各种材料的热膨胀系数不同,冷和热的作用也会产生机械应力,这些机械应力使得线圈位移和疲劳,进而产生裂隙

3应对方式

3.1增设输出滤波器

由于逆变器输出的谐波中含有开关谐波,如果直接作用在输出负载上,必定会在电网和电机中产生开关谐波电流,因而必须在逆变器的输出侧加低通滤波器来减小谐波含量,以得到平滑的正弦波,其谐波引起的滤波器的谐振。一般的PM逆变器采用LC，其中阻尼电阻防止可能由逆变器低通滤波器,以消除逆变器输出电压中高于截止频率的大多数低次谐波。但是仅依据截止频率不能确定滤波器的参数,除去截止频率的因素,还需综合考虑滤波器的功率容量、体积等要素对逆变器的功率密度、重量、性价比等指标的影响。

因此,滤波器设计目标包括:①输出电压的谐波含量小;②滤波参数和体积小;③滤波器的阻频特性好;④滤波系统消耗的功率小。

3.2采用特殊的绝缘体系

尽管采用滤波技术可以在很大程度上减小电机端子上的尖峰过电压幅值,但由于电压波形的高电压变化率(dV/dt),在电机内部绕组上仍产生电压的极不均匀分布,使绕组首匝附近的匝间电压达到一个很高的尖峰过电压水平。造成电压不均匀分布与电动机绕组的杂散电容(或分布电容)有关,绕组的匝间电容和匝对地(即电机铁芯或框架)是主要的影响因素。因此,除了尽可能地抑制电机端子上的尖峰过电压外,还必须在电机制造中采取一些相应的绝缘体系。

3.2.1改进生产工艺

(1)采用防电晕漆包线,提高其击穿电压值另外,湿度、温度和空气媒质的特性也会影响绝缘性能,在选用漆包线时也必须考虑这些因素。

(2)采用特殊工艺浸渍漆进行真空压力浸漆(VPI),以消除绝缘空隙,同时填充漆提高了匝间绝缘电阻,耐放电能力得以加强;另一方面,可以加强绝缘线圈的强度和刚度。

(3)为了避免损伤绕组,应禁止使用金属嵌线工具,并在运输和装配工序使用线圈护套以保护端部,下线时在出槽口处预先放置亚胺薄膜带,以防刮伤导线漆膜

(4)过小的导线弯曲半径使漆膜因拉伸而减薄,绕组设计时适当加长直线部分长度,以降低对地击穿的失效率

3.2.2采用新型绝缘材料

设计绝缘系统的传统方式就是所施加的匝间绝缘和对地绝缘的电势低于局部放电击穿电压,这可以通过增加匝间绝缘和对地绝缘以及相间绝缘的厚度来实现。但是增加绝缘尺寸无疑减小了导体在整个电机中的空间比例,使电机铁芯磁密增加,相应地电机的体积增大。另外,一旦绝缘尺寸改变,整个电机制造中的生产装备、工艺参数等都需要重新设计和制定,这需要大量投资,这些都是电机制造者所不希望出现的。人们通过权衡,还是把注意力转移到了改善电机绝缘材料本身的绝缘强度上。根据局部放电理论,外加电场高于放电击穿电压时,导线、漆膜及对地绝缘的任何空隙处都会出现局部放电,放电产生的电子、离子、臭氧不断侵蚀有机绝缘,造成绝缘的最终击穿。因而我们对变频电机绝缘材料的要求,除考虑局部放电这一因素外,还需:①消除高上升速率引起的空间电荷积累,②具有热稳定性,以抑制上升速率和高重复频率引起的介质过热。

3.2.2.1包线

由于漆包线有针孔存在,在变频驱动条件下,匝间绝缘特别是首匝绝缘承受的电应力大大增加因而往往成为整个绝缘结构的薄弱环节。现在大多使用的是聚对苯二甲酸乙酯(PET)薄膜,遗憾的是PET薄膜受热时可能产生裂纹。

新一代导线绝缘由三层组成,在传统导线底漆和表漆基础上覆加绝缘防护层,防扩层采用特薄Amica包带,由30g/m云母纸与聚酯薄膜粘结而成前已述及,电离容易损坏有机绝缘,而这层防护层是由有机物和无机物组成,无机物成分中的T0能增强局部放电的抵抗力;同时TO2还相对地有一定的导电性,帮助释放浪涌带来的累积电荷:无机物的高导热性还可以使介质损耗热量较快地散逸,以维持导线的热稳定性;其一体性还能够抵抗电机运行时线圈受到的各种机械应力。新一代导线绝缘尺寸与普通型一致,可以实现电机的高效率设计。

3.2.2.2槽绝缘

一种含云母的新型槽绝缘,云母的加入使其耐电晕性较之以有机材料为基础的材料有所提高。通过使用两侧贴有聚酯薄膜的160g/m2云母纸,实现了短期和长期耐电晕。聚酯薄膜也给这种材料提供足够的刚度,以利于绕组处理。

3.2.2.3相绝缘

表面贴有聚酯绒布的产品应优先选用,而通常需要的是浸渍处理后全部为F级的材料。因此,两层聚酯绒布间夹一层聚酯薄膜的绝缘是一种良好的材料。同其它材料相比,它在吸收树脂方面占有优势这就意味着,漆或树脂流出的危险性减少,可以实与导线更好地粘接

3.2.2.4浸渍树脂

聚酰胺酯树脂具有现代技术水平。有文献详细叙述了两种特别适用于变频调速电动机的树脂(一种是硬树脂,另一种是软树脂)。两者反应速度快到足以允许在应用滴浸或沉浸工艺的高生产率生产装置中使用,两者都可看成是H级的。

4结语

1)随着绝缘结构的加强,绝缘失效时间也增加。但是,仅靠增加电机的绝缘厚度来提高击穿电压水平会付出很大的成本

2)在正弦波电压作用下,绝缘失效时间与频率之间的关系是线性的。但是,施加脉冲电压时,其线性关系就不存在。

3)相比较而言,高压、低上升速率与中压、高上升速率对绝缘影响的效果一致。高脉冲频率下的快速上升率引起的介质损耗过热,加速了绝缘的降解。

4)相同的温度下,脉冲频率比峰值电压的影响大。

5)提高变频电机的供电质量可从两点着手方面,利用滤波器消除高次谐波,减小电机端子上的过电压幅值;另一方面,先进的生产工艺是绝缘获得良好电气性能的前提,而采用新型绝缘材料则可以增强抵抗电磁应力的能力。