?在交流變頻電動機的推廣應(yīng)用過程中 ,曾出現(xiàn)大批交流變頻調(diào)速電動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 ,有的只有幾個星期 ,甚至在試運行中電機絕緣就出現(xiàn)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。 
實踐證明 ,過去幾十年研究發(fā)展起來的工頻正弦波電壓下的電機絕緣設(shè)計理論不能適用于交流變頻調(diào)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(shè)計的基本理論 ,制定交流變頻電機的工業(yè)標準。

一、電磁線的損壞

1、局部放電和空間電荷

目前 ,變頻調(diào)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(diào)制 )變頻器控制。其功率范圍約是 0. 75～ 500kW。 IGBT技術(shù)可以提供上升時間極短的電流 ,其上升時間在 20～100μs,所產(chǎn)生的電脈沖有極高的開關(guān)頻率 ,達到20kHz。 

當一個快速上升沿電壓從變頻器到電機端時 ,由于電機和電纜的阻抗不匹配 ,產(chǎn)生一個反射電壓波。 這個反射波返回變頻器 ,并再感應(yīng)出另一個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)生一個尖峰電壓。尖峰電壓的大小取決于脈沖電壓的上升時間和電纜的長度。

通常電線長度增加時 ,電線二端都產(chǎn)生過電壓 ,電機端的過電壓幅值隨電纜長度增加而增加 ,并趨于飽和 ,而電源端的過電壓比電機端的過電壓小 ,并且?guī)缀跖c電纜長度無關(guān)。 

試驗表明 ,過電壓產(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(shù)規(guī)律 ,振蕩周期隨電纜長度而增加。對 PWM 驅(qū)動脈沖波形有二種頻率 ,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 ,直接控制電機的轉(zhuǎn)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 ,在這一時刻 ,電機絕緣承受著一個二倍于尖峰電壓值的全幅電壓。

另外 ,在一個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不同 ,全幅電壓的躍變也有可能達到二倍于一個尖峰電壓值。 

據(jù)測試 ,PWM 變頻器輸出的電壓波形 ,在 380 /480V 交流系統(tǒng)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(tǒng)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 ,在氣隙中又會產(chǎn)生空間電荷 ,從而形成一個與外加電場反向的感應(yīng)電場。 當電壓極性改變時 ,這個反向電場與外加電場方向一致。這樣 ,一個更高的電場產(chǎn)生 ,它會導(dǎo)致局部放電的數(shù)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(dǎo)線特定的性能和 PWM 驅(qū)動電流的上升時間。 若上升時間小于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超過絕緣體臨界值時 ,其介質(zhì)損耗迅速增加。當頻率增加時 ,局部放電隨之增加 ,結(jié)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。總之 ,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(yīng)等因素的共同作用引起電磁線的過早損壞。

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(xiàn)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強度。據(jù)測試 ,由于變頻器輸出端電壓上升時間、電纜長度和開關(guān)頻率等因素的綜合影響 ,上述端電壓峰值可超過 3kV。 

另外 ,當電機繞組匝間發(fā)生局部放電時 ,會使絕緣中分布電容所儲存的電能變?yōu)闊帷⒎?、機械和化學能 ,從而使整個絕緣系統(tǒng)劣化 ,絕緣的擊穿電壓降低 ,最終導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)被擊穿。

三、循環(huán)交變應(yīng)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沖擊電流情況下起動 ,并可以利用變頻器所提供的各種方式進行快速制動。 由于變頻電機可實現(xiàn)頻繁的起動制動 ,使電機絕緣頻繁地處于循環(huán)交變應(yīng)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、機械傳動等引起的振動等問題在變頻電機中變得更為復(fù)雜。變頻電源中含有的各種時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 ,由于電機工作頻率范圍寬 ,轉(zhuǎn)速變化大 ,當其與機械部分的固有頻率相一致時 ,出現(xiàn)共振。 在電磁激振力和機械振動影響下 ,電機絕緣受到更加頻繁的循環(huán)交變應(yīng)力作用 ,加速了電機絕緣的老化。