?在交流變頻電動(dòng)機的推廣應用過(guò)程中 ,曾出現大批交流變頻調速電動(dòng)機絕緣早期損壞的情況。許多交流變頻電機運行的壽命只有 1～ 2年 ,有的只有幾個(gè)星期 ,甚至在試運行中電機絕緣就出現損壞 ,而且通常發(fā)生在匝間絕緣 ,這給電機絕緣技術(shù)提出了新的課題。 
實(shí)踐證明 ,過(guò)去幾十年研究發(fā)展起來(lái)的工頻正弦波電壓下的電機絕緣設計理論不能適用于交流變頻調速電機。 需要研究變頻電機絕緣的損壞機理 ,建立交流變頻電機絕緣設計的基本理論 ,制定交流變頻電機的工業(yè)標準。

一、電磁線(xiàn)的損壞

1、局部放電和空間電荷

目前 ,變頻調速交流電機均采用 IGB T( 絕緣柵二極管 )技術(shù)PWM ( Pulse width m odulatio n- 脈寬調制 )變頻器控制。其功率范圍約是 0. 75～ 500kW。 IGBT技術(shù)可以提供上升時(shí)間極短的電流 ,其上升時(shí)間在 20～100μs,所產(chǎn)生的電脈沖有極高的開(kāi)關(guān)頻率 ,達到20kHz。 

當一個(gè)快速上升沿電壓從變頻器到電機端時(shí) ,由于電機和電纜的阻抗不匹配 ,產(chǎn)生一個(gè)反射電壓波。 這個(gè)反射波返回變頻器 ,并再感應出另一個(gè)由于電纜和變頻器阻抗不匹配而產(chǎn)生的反射波加在原始電壓波上 ,從而在電壓波前沿產(chǎn)生一個(gè)尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于脈沖電壓的上升時(shí)間和電纜的長(cháng)度。

通常電線(xiàn)長(cháng)度增加時(shí) ,電線(xiàn)二端都產(chǎn)生過(guò)電壓 ,電機端的過(guò)電壓幅值隨電纜長(cháng)度增加而增加 ,并趨于飽和 ,而電源端的過(guò)電壓比電機端的過(guò)電壓小 ,并且幾乎與電纜長(cháng)度無(wú)關(guān)。 

試驗表明 ,過(guò)電壓產(chǎn)生于電壓上升沿和下降沿處 ,并發(fā)生衰減振蕩 ,其衰減服從指數規律 ,振蕩周期隨電纜長(cháng)度而增加。對 PWM 驅動(dòng)脈沖波形有二種頻率 ,其一是開(kāi)關(guān)頻率。尖峰電壓的重復頻率與開(kāi)關(guān)頻率成正比。

另一是基本頻率 ,直接控制電機的轉速。 在每一個(gè)基本頻率開(kāi)始時(shí) ,脈沖極性從正到負或從負到正 ,在這一時(shí)刻 ,電機絕緣承受著(zhù)一個(gè)二倍于尖峰電壓值的全幅電壓。

另外 ,在一個(gè)散嵌繞組的三相電機中 ,不同相的相鄰二匝之間的電壓極性可能會(huì )不同 ,全幅電壓的躍變也有可能達到二倍于一個(gè)尖峰電壓值。 

據測試 ,PWM 變頻器輸出的電壓波形 ,在 380 /480V 交流系統中 ,在電機端測得的尖峰電壓值為 1. 2～ 1. 5kV,而在 576 /600V的交流系統中 ,測得的尖峰電壓值達到 1. 6～ 1. 8kV。 非常明顯 ,在此全幅電壓作用下 ,繞組匝間產(chǎn)生表面局部放電。 

由于電離作用 ,在氣隙中又會(huì )產(chǎn)生空間電荷 ,從而形成一個(gè)與外加電場(chǎng)反向的感應電場(chǎng)。 當電壓極性改變時(shí) ,這個(gè)反向電場(chǎng)與外加電場(chǎng)方向一致。這樣 ,一個(gè)更高的電場(chǎng)產(chǎn)生 ,它會(huì )導致局部放電的數量增加 ,最終引起擊穿。

測試表明 ,作用于這些匝間絕緣的電沖擊大小取決于導線(xiàn)特定的性能和 PWM 驅動(dòng)電流的上升時(shí)間。 若上升時(shí)間小于0.1μs,則將有 80% 的電勢加在繞組的前二匝上 ,即上升時(shí)間越短 ,電沖擊就越大 ,匝間絕緣的壽命就越短。

2、介質(zhì)損耗發(fā)熱

當 E超過(guò)絕緣體臨界值時(shí) ,其介質(zhì)損耗迅速增加。當頻率增加時(shí) ,局部放電隨之增加 ,結果產(chǎn)生熱量 ,這些熱量則引起更大的漏電流 ,從而使 Ni上升更快 ,即電機溫升上升 ,絕緣加速老化?？傊?,在變頻電機中正是由于上述局部放電、電介質(zhì)加熱、空間電荷感應等因素的共同作用引起電磁線(xiàn)的過(guò)早損壞。

二、主絕緣、相絕緣和絕緣漆的損壞

如前所述 ,采用 PWM 變頻電源 ,使變頻電機的端子處出現振蕩電壓幅值增加。因而 ,電機的主絕緣、相絕緣和絕緣漆承受更高的電場(chǎng)強度。據測試 ,由于變頻器輸出端電壓上升時(shí)間、電纜長(cháng)度和開(kāi)關(guān)頻率等因素的綜合影響 ,上述端電壓峰值可超過(guò) 3kV。 

另外 ,當電機繞組匝間發(fā)生局部放電時(shí) ,會(huì )使絕緣中分布電容所儲存的電能變?yōu)闊?、幅射、機械和化學(xué)能 ,從而使整個(gè)絕緣系統劣化 ,絕緣的擊穿電壓降低 ,最終導致絕緣系統被擊穿。

三、循環(huán)交變應力造成的絕緣加速老化

采用 PWM 變頻電源供電 ,使變頻電機可以在很低的頻率、較低的電壓下以及無(wú)沖擊電流情況下起動(dòng) ,并可以利用變頻器所提供的各種方式進(jìn)行快速制動(dòng)。 由于變頻電機可實(shí)現頻繁的起動(dòng)制動(dòng) ,使電機絕緣頻繁地處于循環(huán)交變應力作用下 ,使電機絕緣加速老化。

普通異步電機中存在的由于電磁激振力、機械傳動(dòng)等引起的振動(dòng)等問(wèn)題在變頻電機中變得更為復雜。變頻電源中含有的各種時(shí)間諧波與電磁部分固有的空間諧波相互干涉 ,形成各種電磁激振力。

同時(shí) ,由于電機工作頻率范圍寬 ,轉速變化大 ,當其與機械部分的固有頻率相一致時(shí) ,出現共振。 在電磁激振力和機械振動(dòng)影響下 ,電機絕緣受到更加頻繁的循環(huán)交變應力作用 ,加速了電機絕緣的老化。