變頻電機(jī)絕緣損壞機(jī)理及增強(qiáng)措施

李冬嚴(yán)，楊珊珊

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

變頻電機(jī)絕緣損壞機(jī)理及增強(qiáng)措施

李冬嚴(yán)，楊珊珊

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯 154002)

通過分析變頻電機(jī)絕緣的特殊性，提出了變頻電機(jī)絕緣損壞的原因，并重新設(shè)計(jì)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(shí)選擇合理的繞組制造工藝，來保障變頻電機(jī)的可靠運(yùn)行。

變頻電機(jī);匝間絕緣;對地絕緣，工藝

0 引言

我公司生產(chǎn)的變頻電機(jī)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(gè)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(jī)主絕緣形成不同程度的沖擊，嚴(yán)重影響著電機(jī)的運(yùn)行壽命。因此了解變頻器輸出電壓的特殊性及改進(jìn)現(xiàn)有電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)及工藝至關(guān)重要。

1 變頻電機(jī)絕緣的特殊性

變頻電機(jī)廣泛采用PWM調(diào)制驅(qū)動(dòng)，其輸出波形為不同脈寬的方波，即對電壓進(jìn)行調(diào)制使電機(jī)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(jī)絕緣要不斷地承受高頻率不同脈寬的方波電壓沖擊。又因?yàn)镻WM調(diào)制驅(qū)動(dòng)采用了IGBT作為功率驅(qū)動(dòng)元件。IGBT的開關(guān)速度可以達(dá)到50ns，則PWM輸出電壓方波的上升時(shí)間非常短可達(dá)10kV/us，當(dāng)具有如此快的上升時(shí)間的電壓施加到電機(jī)的繞組時(shí)，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(jī)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(yuǎn)比傳統(tǒng)電機(jī)復(fù)雜苛刻。這就使變頻電機(jī)的絕緣系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)電機(jī)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(jī)絕緣損壞機(jī)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(dòng)機(jī)的輸入電壓是以PWM形式供電，PWM驅(qū)動(dòng)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(jī)的轉(zhuǎn)速。在每一個(gè)基本頻率開始時(shí)，脈沖極性從正到負(fù)或從負(fù)到正，這一時(shí)刻電機(jī)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(huì)產(chǎn)生局部放電。因而在運(yùn)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(shí)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)與外加電場反向的感應(yīng)電場。當(dāng)電壓極性改變時(shí)，這個(gè)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(jī)端電壓波形中存在尖峰，其峰值可達(dá)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(huì)導(dǎo)致局部放電的數(shù)量增加，最終引起擊穿。另外，電機(jī)與變頻器之間的電纜較長，電磁波沿長電纜傳播時(shí)，在電纜兩端產(chǎn)生波的反射和折射。由于電動(dòng)機(jī)的波阻抗顯著大于電纜的波阻抗，致使電機(jī)會(huì)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(jī)端電壓，在運(yùn)行中將導(dǎo)致變頻電機(jī)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(shí)遠(yuǎn)大于工頻，這也會(huì)使局部放電顯著增強(qiáng)。具體部位損壞原因分析如下。

圖2 U額=690V電機(jī)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(diǎn)之間的每個(gè)相鄰匝間的工頻電壓，都是按線性平均進(jìn)行分布的。但是，當(dāng)超高頻的電壓施加在定子繞組上時(shí)，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(gè)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(shí)，繞組前幾匝將承受非常高的電壓，其中多達(dá)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(huì)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(jì)，最后導(dǎo)致匝間絕緣失效，故障匝中將會(huì)流過很大的環(huán)流，很快就會(huì)過熱。通常，這么大的電流將會(huì)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(jī)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(jìn)行氧化反應(yīng)，也會(huì)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(huì)與其中性點(diǎn)端的匝線相鄰，或者與B相首端匝線相鄰。由于電纜和電動(dòng)機(jī)沖擊阻抗間的電壓反射，逆變器驅(qū)動(dòng)裝置會(huì)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(huì)在其周圍任意空氣間隙上產(chǎn)生足夠高的電場強(qiáng)度，足以導(dǎo)致局部放電。對于匝間絕緣來說，這種PD會(huì)逐漸腐蝕有機(jī)絕緣，導(dǎo)致相間或?qū)Φ毓收?。對于這種故障過程，沖擊電壓上升時(shí)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(jī)絕緣加強(qiáng)措施

3．1 采用無氣隙絕緣

變頻電機(jī)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(huì)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(jī)械損傷，因變頻電機(jī)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(hào)為QPRW-3/200。該電磁線在155℃，20kHZ，3kV，100ns的試驗(yàn)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(jī)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(jī)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(jī)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(jì)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(shí)主絕緣采用無機(jī)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(dòng)排線功能的數(shù)控繞線機(jī)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(jìn)行分匝綁扎固定(便于嵌線工序進(jìn)行分匝嵌線及匝間絕緣墊靠處理)，卸線時(shí)再進(jìn)行單支線圈綁扎固定。卸線后用掛式存線架進(jìn)行運(yùn)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(shí)，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(jìn)行1/2疊包并與線圈直線增加的6050匝間絕緣進(jìn)行適當(dāng)搭接，以保證繞組首匝與其他匝線圈進(jìn)行完全絕緣見圖4。絕緣處理后繼續(xù)按正常工藝進(jìn)行嵌線，嵌線至每組線圈的最后一匝線圈時(shí)，仍按墊靠首匝絕緣工藝進(jìn)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(shí)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(jī)械強(qiáng)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(shí)繞組線路應(yīng)使用相近硅橡膠軟管進(jìn)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(shí)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(dòng)等影響，變頻電機(jī)應(yīng)盡可能提高電機(jī)整體的機(jī)械強(qiáng)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(jī)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(dòng)機(jī)之間的濾波器及變頻器和電動(dòng)機(jī)之間的電纜長度等因素。因此變頻電機(jī)繞組絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及選擇合理的繞組制造工藝至關(guān)重要，我們要嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，以確保變頻電機(jī)安全、穩(wěn)定的運(yùn)行，從而滿足使用單位的需求。

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

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

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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(yán) 男 1978年生;畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)企業(yè)經(jīng)濟(jì)管理，現(xiàn)從事電機(jī)技術(shù)管理工作．

2015-01-08