交流变频电机绝缘的试验和应用

　　摘要　　交流变频调速电机绝缘早期损坏是局部放电、空间电荷、电介质损耗发热、电磁激振和振动等多种因素共同作用的结果。设计交流变频电机绝缘结构时，必需选用耐电晕的电磁线；选用耐电晕的绝缘材料和低挥发份无溶剂树脂，形成“无气隙绝缘”，提高绝缘结构的整体性。目前我厂变频电机的制造已经起步，且市场前景良好。变频电机的绝缘性能基本上能够满足用户的使用要求。但目前国内制造的用于变频电机的电磁线和绝缘材料与国外同类产品相比尚有较大的差距。今后应大力进行这方面的研究开发工作，并进行有关变频电机的绝缘结构寿命评定的试验研究工作。

　　随着电力电子技术及新型半导体器件的迅速发展，交流调速技术得到不断地完善和提高。性能逐步完善的变频器的问世，以其良好的输出波形，优异的性能价格，使其日益扩大交流调速的市场，从而使交流调速得到广泛应用。例如：钢厂用于轧钢的大型电动机和中、小型辊到电动机；铁路及城市轨道交通用牵引电机；电梯电机；集装箱起吊设备用起重机；水泵和风机用电；压缩机、家用电机用电机等都相继使用交流变频调速电机，取得了良好的效果。

　　采用交流变频调速电机比直流调速电机具有显著的优点主要是：

　　（１）调速容易、节能。

　　（２）交流电机结构简单、体积小惯量小，造价低、容易维修、内用。

　　（３）可以扩大容量、实现高转速和高电压运行。

　　（４）可以实现软启动，实现快速制动。

　　（５）无火花、防暴、环境适应能力强。

　　近期内，国际上变频调速转动以每年１３％－１６％增长率发展，并有逐步取代大部分直流调速转动的趋势。由于以恒频。恒压供电进行特性设计和结构设计的普通异步机应用于变频调速系统时，毕竟存在这很大的局限性。应此，国外有关厂商都有专用的变频交流电动机系列推出，推向市场。这些变频专用的异步电动机根据使用的场合和使用要求的不同，在设计上有侧重：有低噪音、低震动用的电机；有提高低速转矩特性的专用电机；有高速专用电机；有带测速发电机的电机以及矢量控制专用电机等。值得注意的是：随着交流变频电动机的广泛使用，国内外都相继出现大批交流变频调速电动机绝缘早期顺坏的现象，许多交流变频电机运行的寿命只有１－２年，有的甚至只有几个星期以至于在试运行中电机绝缘就出现损坏，而且损坏通常发生在匝间。对此，引起国内外学者和的特别关注。这也是电力逆变技术的发展应用给电机绝缘技术提出的新课题。实践证明，过去年几十年研究和制定的与工频正玄波电机有关的绝缘设计理论，不能适用于交流变频调速电机。需要研究变频电机绝缘的损坏机理，制定关于交流变频电机绝缘设计的基本原理，建立交流变频电机的工业标准和导则。

　　我厂于８０年代末期即开始研制开发交流变频电机。１９９６年ＹＴＳＰ交流变频电机即通过上级部门组织的鉴定，投入批量生产。为了解决变频电机的绝缘问题，１９９７年９月上海市科委正式下达项目，由上海交通大学和我厂共同进行了“变频电机绝缘技术关键问题的研究”。本文主要叙述我厂在交流变频电机的研究、开发、制造，特别是１９９７年以来，我厂在交流变频电机的绝缘方面所进行的试验和应用工作。

　　１　　变频电机绝缘的损坏机理

　　１．１　电磁线的损坏

　　（１）局部放电和空间电荷。目前，变频调速交流电机均采用ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　ｇａｔｅ　ｂｉｐｏｌｅｒ　ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ　绝缘栅二极管）技术ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　脉宽调制）变频器控制。其功率范围大约是０．７５－５００　ＫＷ。ＩＧＢＴ技术可以是提供上升时间极短的电涌，其上升时间是２０－１００　ｍｓ，所产生的电脉冲有极高的开关频率。达到２０　ｋＨｚ。当一个快速上升沿电压从变频器导电机终端电缆时，由于电机和电缆的阻抗不匹配，产生一个反射电压波。这个反射波返回变频器，并在感应出另一个由于电缆和变频器阻抗不匹配而产生的反射波加在原始电压波上，从而在电压波前沿产生一个尖锋电压（见图１所示）。尖锋电压的量级取决于脉冲电压的上升时间和电缆的长度。

　　通常电缆长度增加时，电缆两端都产生电压。电机端的过电压幅值随电缆长度增加而增加，并趋于饱和。而电源端的过电压比电机端的过电压小，并几乎与电缆长度无关。试验证明，过电压开始产生于电压上升沿和下降沿处，并发生衰减振荡，其衰减服从于指数规律，振荡周期随电缆长度而增加。

　　对ＰＷＭ驱动脉冲波形有二种频率，其一是开关频率，它表示脉冲速度。尖锋电压的重复频率与开关频率成正比。另一个是基本频率，直接控制电机的转速。在每一个基本频率开始时，脉冲极性从正到负或从负到。所以，在这一时刻，电机绝缘承受着一个由二倍于尖锋电压值的全幅电压。另外，在一个散嵌绕组的三相电机中，相邻二匝可能会分属不同的相，由于在二个相邻二匝种的电压极性可能会不同，全幅电压的跃变也有可能达到二倍于单个尖锋电压值。根据测试在电机端看ＰＷＭ变频器输出的电压波形、在一个３８０／４８０　Ｖ　系统中，测得的尖锋电压值为１．２－１．５　ＫＶ　，而在５７６／６００　Ｖ　的交流系统中，测得的尖锋电压值为１．６－１．８　ＫＶ。非常明显，在此全副电压作用下，绕组匝间产生表面局部放电。由于电离作用，在空气缝中又会产生空间电荷，从而形成一个与外加电场反向的感应电场。当电压极性改变时，这个反向电场与外加电场方向一致。这样，一个更高的电场产生，它会导致局部放电的数量增加，终引起穿击。测试表明，作用于这些匝间绝缘的电冲击严酷程度取决于导线特定的性能和ＰＷＭ驱动电流的上升时间。如果上升时间小于０．１　ｍｓ，那么将有８０％的电势加在绕组的前二匝上，即上升时间越短，电冲击就越大，匝间绝缘的寿命就越短。

　　（２）快速上升，下降沿脉冲产生电介质加热，导致绝缘加速老化。在正玄电压下，每单位体积的损耗是：

　　Ｎｉ＝ｅ０Ｅ２ｗ２ｔ（ｅＳ－ｅ０）／（１　ｗ２－ｔ２）

　　公式中，ｅ－空气的介电常数，Ｅ—外加电场常数，ｗ－２ｐｆ，ｔ－松弛时间常数。

　　假设＜１，则ＮＩ与ｗ２成正比。当Ｅ超过绝缘体临界值时，其介质损耗速度迅速增加，结果产生热量，这些热量则引起更大的漏电流，从而Ｎｉ使更为上升，即电流升温上升，绝缘加速老化。

　　总之，在变频电机中正是由于上述局部放电，电介质加热，空间电荷感应等因素的共同作用引起电磁线的过早老化。

　　１．２　主绝缘、相绝缘和绝缘漆的损坏

　　如前所说，采用ＰＷＭ变频电源，使变频电机的端子处出现幅值增加的振荡电压。因此，电机的主绝缘、相绝缘和绝缘漆承受更高的电场强度。根据测试，由于变频器输出端电压上升时间，电缆长度和开关频率等因素的综合影响，上述端电压峰值可能超过３　ＫＶ。另外，当电机绕组匝间发生局部放电时，会使绝缘中分布电容所储存的能量变为热，辐射以及机械和化学能，从而劣化为整个绝缘系统，大大降低绝缘的击穿电压，直到击穿电压达到所加电压的水平，以至于终发生整个绝缘系统的损坏和故障。

　　１．３　频繁的起制动、电磁激振力和震动系统的循环交变应力造成电机绝缘的加速老化

　　采用ＰＷＭ变频电源供电，使变频电机可以在很低的频率和较低的电压下以及无冲击电流情况下启动，并可以在利用变频器所提供的各种方式进行快速制动。即由于变频电机可实现频繁的起制动，使电机绝缘处于循环交变应力作用，电机绝缘加速老化。

　　在普通异步电机中业已存在由于电磁、机械、通风等因素引起的噪音、振动等问题。对于变频电机，由于采用ＰＷＭ电源，噪音、振动等问题变得更为复杂。变频电源中含有的各次时间谐波与电磁部分固有空间谐波相互干预，形成各种电磁激振力。同时，由于电机工作频率范围宽，转速变化大，当与机械部分各种结构的固有频率相一致时，共振很有可能出现。在此电磁激振力和震动影响下，电机绝缘再次处于循环交变应力作用，加速电机绝缘老化。

　　２．变频电机绝缘的加强措施

　　根据上述变频电机绝缘损坏机理，变频电机绝缘结构加强措施主要是：选用合适的电磁线；获得无气隙绝缘；改善整个绝缘结构的整体性，提高机械强度，采用合理的加工工艺。

　　２．１　电磁线的选用

　　如前所述，变频电机中的电磁线处于由大量谐波与瞬态变化的脉冲电压作用下，使电磁线早期损坏。因此，电磁线的绝缘性能对变频电机绝缘结构可靠性的影响尤为重要。

　　对于功率在３００　ＫＶ　以下的变频电机，一般均采用圆漆包线。对圆漆包线的质量，需要注意的是：１）耐热性；２）软化击穿；３）漆膜连续性；４）介损曲线；５）耐脉冲电压性能；６）柔软性。根据上述要求，对Ｆ？Ｈ级变频电机，目前国内可供选择的漆包线主要是ＱＺＹ－２和Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２，但试验表明，ＱＺＹ－２漆包线质量分散性较大，同样的ＱＺＹ－２漆包线其ｔｇ？－ｔ曲线相差较大，且其在高温时的ｔｇ？值较大，这是对变频电机是不利的（见图２所示），而Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２漆包线其ｔｇ？值明显低于ＱＺＹ－２。可以看出选用Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２漆包线是有利的。

　　对变频电机用的漆包线，国内目前均已采用专用的特殊漆包线，据悉，其耐脉冲冲击电压性能较Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２提高２００倍。为了解国内外漆包线的差距，我厂对进口ｆ１．０６变频电机专用漆包线与国产Ｑ（ＺＹ／ＸＸ）－２漆包线进行了对比试验，试验结果见表１所示。

　　试验结果表明：

　　（１）进口漆包线与国产漆包线相比其电阻值基本相似，但特别柔软，这说明铜材的质量由较大的差异，漆包线柔软使线圈绕线方便，容易成形；嵌线方便，减少了由于敲打受损的几率，应该说这是很有利的。国产漆包线的柔软性不仅比国外差而且处于不稳定状态。

　　（２）进口漆包线的软化击穿性能优于国产漆包线，且国产漆包线的软化击穿试验结果分散性较大，说明漆包线漆的内在质量存在较大差异。

　　（３）进口漆包线的“漆膜连续性”性能明显优于国产。漆膜连续性指标在很大程度上反映出漆包线的质量分散性，它取决于铜丝的表现质量，漆包线漆的质量，涂漆工艺，涂漆设备的性能，环境清洁度等因素的综合影响。据悉，进口漆包线采用“在线检测”设备，严格控制漆包线的“针孔”，以确保漆包线的质量。这是值得借鉴的。

　　（４）共频穿击电压与温度的关系试验表明，进口漆包线的穿击电压随着温度的升高有明显的下降（下降４３％），而国产漆包线仅下降１１％－１４％；但进口漆包线耐脉冲性能却高于国产漆包线，即为满足变频电机的耐脉冲击穿电压的要求，进口漆包线是牺牲了一部分漆包线的高温击穿强度，但提高了耐脉冲击穿电压的性能，这是值得深思的。

　　根据上述试验情况，我厂对变频电机用漆包线的漆膜厚度及其均匀性予以特殊关注，严格控制其质量，一方面加强进厂检验，另一方面我厂规定大幅度提高所有变频电机嵌线后（白胚）的匝间试验电压。不合格则不得进入下工段继续加工。实践证明，我厂制造的变频电机出厂后，情况良好。

　　对于３００　ＫＷ以上的变频电机，由于采用整嵌组绕，理论上分析在相同工作电压下，其匝间承受的冲击电压较散嵌组绕有所改善。但由于其工作电压较高，一般为１０００　Ｖ　以上，因此，匝间冲击电压幅值是较高的。一般来说，对于３００　ＫＷ以上的变频电机，均采用聚酰亚胺薄膜包烧结导线，国外也有专门用于变频电机的耐高频脉冲的聚酰亚胺薄膜包烧结导线，类似的薄膜包烧结导线国内也正在研究、开发。

　　２．２　无气隙绝缘

　　如前所说，变频电机绝缘结构中如果存在气隙，在高频脉冲电压的作用下，在空气隙中会产生空间电荷，导致局部放电的增加，终引起绝缘损坏。为了取得无气隙绝缘，主要关键是选择合适的浸渍漆，确定浸渍干燥工艺。

　　（１）浸渍漆的选择。日前，Ｆ、Ｈ级浸渍漆大致分为有溶剂漆；苯乙烯型无溶剂漆，低挥发份聚酯型无溶剂树脂。对于有溶剂漆，由于含有５０％左右的溶剂，在烘培过程中溶剂大量挥发，固化后，仅有４５％的固体含量，绕组间含有大量气隙，不能使用。对于苯乙烯型无溶剂树脂，含有大约３０％的苯乙烯单体，在高温固化时，也约有２０％的挥发物，同样，也不能形成无气隙绝缘。低挥发份聚酯型无溶剂树脂是国际上第三代浸渍树脂，其固化速度快，固化过程中挥发物小于５％。采用适当的浸渍工艺，基本上可以形成“无气隙绝缘”。我厂对国产进口的低挥发份聚酯型无溶剂树脂及苯乙烯型无溶剂树脂进行了性能对比试验（详见表２所示）。试验证明，国产的聚酯型无溶剂树脂的性能步低于同类型的进口树脂，我厂用此树脂制造变频电机，效果良好。

　　（２）浸渍工艺的选用。常用的浸渍工艺大致分为：１）沉浸－烘培固化；２）滴浸－旋转固化；３）真空压力沉浸－烘培固化（简称ＶＰＩ工艺）；４）真空压力沉浸，旋转烘培固化。

　　对于浸渍工艺，适用于一般要求的电机。对于交流变频电机，由于电机品种规格较多，电机工件大小差异较大，故不能采用滴浸或滚浸工艺，较为合适的是采用真空压力沉浸工艺，真空压力沉浸工艺能使浸渍树脂渗透到位。嵌线后，在白胚情况下，必需严格按照匝间冲击试验标准进行试验，以确保电气绝缘性能可靠。

　　２．３　提高绝缘结构整体机械强度

　　如前所说，由于电磁激振力以及振动等影响，变频电机绝缘结构应尽可能提高其整体机械强度。为此，在选用绝缘材料时，应充分注意选用容易放到电机绝缘结构中的各个部位，充分填充绕组间的“空隙”，做到“无气隙”绝缘。采用ＶＰＩ工艺必须采用低挥发份浸渍树脂，同时，也要求浸渍树脂有较长的储存期。为了防止低挥发份浸渍树脂在烘培，固化过程中流失，采用ＶＰＩ工艺以及旋转烘培固化工艺，则可以得到十分完善的“无气隙绝缘”。

　　２．４　采用合理的绕线、嵌线等加工工艺

　　对于变频电机，对电磁线的质量以及绝缘结构整体性等均有较高的要求。因此，对于绕线、嵌线、绑扎等加工工艺必须严加管理，特别是在绕线、嵌线过程中防止损伤导线，嵌线过程应保证槽绝缘、相绝缘放置到位。相绝缘应采用容易被绝缘漆浸透的材料；线圈端部应加强绑扎、固定，确保端部成为一个整体，采用ＶＰＩ及旋转烘培固化工艺，也有利于提高绝缘结构整体机械强度。

　　２．５　控制变频器到电机终端的联结电缆长度、避免局部放电，延长电机寿命

　　如前所说，由于阻抗的不匹配，随着联结电缆长度增强，电机终端的过电压幅值随之增加，这有助于引起局部放电。为此，对于变频电机的制造厂，应充分了解所使用的各种变频电源，确定联结电缆的极限长度，并告之用户，以便尽可能减小电机端的过电压幅值，避免局部放电，延长电机寿命。

　　３　变频电机的防潮试验

　　按照上述变频电机的加强措施，我厂任意抽取ＹＴＳＰ－１６０（１５　ＫＷ、３８０　Ｖ、Ｆ级）两台；ＶＭ－１６０（１２．５　ＫＷ、３４０　Ｖ、Ｆ级）两台；ＹＳＧ１３２Ｍ１－６（１．７　ＫＷ、３８０　Ｖ、Ｈ级）两台，进行６昼夜（２５－４０Ｃ）防潮试验。防潮试验见表３所示。

　　试验结果表明，变频电机的防潮性能良好，满足防潮电机标准要求。

　　４　变频电机的制造

　　交流变频调速三相电机的研制、开发工作，我厂于８０年代末期开始，当时为了适应机床行业制造数控机床的需要，我厂研制、开发应用于数控机床主轴系统和伺服系统的三相异步电动机。进入９０年代后，市场信息表明：以变频调速电机与变频电源配套的交流变频调速系统有广泛的发展前景。为此，我厂意识到这是一个机会，我厂借助于开发交流主轴电机和伺服电机的技术优势，继续抓紧进行了研制开发工作。开发了一种　对各个行业都适用，有优良性能价格比的交流变频调速电机系列。为此，我厂于１９９３年开始ＹＴＳＰ系列变频调速三相异步电动机的试制、开发。１９９４年起又开始进行专门用于钢厂传动设备的ＹＳＧ系列辊道用变频调速三相异步电动机的试制。经过几年的努力ＹＴＳＰ系列、ＹＳＧ系列分别于１９９６年和１９９８年通过鉴定，并投入批量生产。另外自１９９６年以来，为满足电梯和港口起重行业的需要，试制、批量生产ＶＭ系列电梯用交流变频调速电机。据不完全统计，我厂于１９９６年以来，变频电机产值基本上以４０％以上的速度增长。

　　２０００年变频电机产量达４６００台，总功率为８．４万　ＫＷ，产值达到５０００万元。据不完全统计至２０００年，我厂总计已经制造交流变频电机１４，５６５台，其中至少有２０％以上电机已运行三年以上。据统计，使用过程中，因匝间击穿引起电机早期损坏比例小于０．２％。实践证明，我厂生产的变频电机电器绝缘性能处于受控状态。另外，我厂制造的ＹＴＳＰ变频电机和ＹＴＳＺ交流变频起重电机（绝缘系统Ｈ级）于２０００年１月通过ＵＬ和ＣＳＡ认可，号：ＵＬ；ＦＩＬＥ：Ｅ２０４８５８。

　　５　结论

　　（１）变频电机绝缘损坏，并非一个因素造成，而是局部放电、介质损耗发热、空间电荷感应、电磁激振和振动等多种因素共同作用的结果。

　　（２）设计变频电机绝缘结构时，必须考虑选用耐电晕的电磁线、绝缘漆和绝缘材料，形成“无气隙绝缘”注意电机升温偏高，加强绝缘结构的机械强度及整体性；以提高其耐机械振动和频繁起止动的能力等多种因素，才能设计合格的绝缘结构。

　　（３）通过一系列的试验，实际生产中的应用及用户的使用结果表明，我厂目前生产的变频电机的绝缘性能基本上能够满足用户的使用要求，质量处于受控状态。

　　（４）目前国内制造的电磁线、绝缘材料与国外用于变频电机材料相比其性能上有较大的差距，今后应深入研究，开发适用于变频电机的电磁线和绝缘材料，并开发测试绝缘材料在高频率条件下性能测试设备，并开展变频电机绝缘结构的寿命评定试验研究工作，使变频电机绝缘的试验研究工作，提高到一个新的水平。