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变频电机匝间绝缘损坏问题分析

日期:2020-10-09 08:51 人气:

随着科技带动电力电子器件及其技术的迅猛发展,新型电力电子器件不断涌现,给变频电机调速带来了巨大的变化。基于PWM(脉宽调制)技术的交流变频驱动电机因其具有节能、良好的调速性能、可实现无级调速和快速制动,可提高生产效率,适应多工作环境,在钢厂轧钢、铁路及城市轨道交通、电梯、家用电器、水泵、压缩机等多个方面得到了广泛的应用,并取得了良好的经济效果。根据相关资料了解到,目前国内的交流变频电机的使用过程中出现许多在使用前期就出现绝缘提前损坏的情况,大大缩减了交流变频电机的使用寿命,其中匝间绝缘过早损坏的情况尤为突出。虽然变频电机绝缘早期损坏的问题已经引起了国内外学者的普遍重视,新型绝缘材料研发也在进行中,各种加强绝缘的措施也在不断探讨中,并且取得了很大的成果。但对于这个问题的解决并没有形成一个统一可靠的改善办法。
 
分析交流变频电机匝间绝缘损坏的原因
 
当前,交流变频调速电动机绝大多数采用IGBT(Insulated GridBipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管)技术PWM变频器控制。IGBT具有驱动功率小、开关速度陕、饱和压降低、容量大等优点。采用这种控制技术可以提供上升时间仅仅约几十秒的电涌,可以产生的高频开关脉冲频率却高达几十甚至到几百千赫兹。当电压的一个快速上升沿从变频器传递到电机端电缆时,由于电机和电机所连接电缆的阻抗不相匹配,这样电压的快速上升沿就会在电缆与电机连接处产生个反射电压波。当第一个反射电压波返回到变频器端时,由此反射电压波感应出另一个由电缆和变频器阻抗不匹配而产生的反射电压波。这两个反射电压波与原始电压波被重叠放大,这样在电压波的前沿就产生了第一个尖峰电压C23。对PWM控制技术,其脉冲波形有二种频率,一是开关频率,另一个是基本频率。尖峰电压的重复频率跟随开关频率的变化而变化,基本频率用来直接控制电机的转速。在每一个基本频率开始时,脉冲极性总是从正到负或从负到正,在此刻,电机绝缘承受着尖峰电压和PWM产生的脉冲电压重叠而成的一个全幅电压。同时由于三相变频电机采用散嵌绕组,相邻两匝绕组可能会分属不同的相,在两个相邻绕组中的电流极性可能不同,所产生的全幅电压值跃变也有可能达到二倍的尖峰电压值。在此全幅电压的作用下,绕组匝间极容易产生表面局部放电。气隙中空气被电击而形成电晕,形成一个外加电场。当绕组中电流方向改变时,电流所产生的电场与外加电场方向一致时。两电场叠加,形成一个更高强度的电场,从而导致介质内部损耗增大,介质温度增长,同时,电缆终端输出电压就越大,从而电机定子上的电压就越大,局部放电的数量越多,造成电磁线表面针孔状损伤或大面积炭化,最终引起匝间绝缘被击穿。
 
提高匝间绝缘强度的措施
 
1、正确选用电磁线
 
目前,国内在交流变频电动机电磁线方面的研究应用上已经有了突破性的进展。选用绝缘强度高、耐电晕性能好的电磁线是提高变频电动机匝间绝缘强度的根本,也是重中之重。另在电机槽底、相间、层问及线圈首末匝等处加强绝缘,可有效提高电机匝间绝缘强度。
 
2、选用合适的浸渍漆
 
若交流变频电机的绝缘结构中存在微小的气隙,变频电机在运行过程中,在高频脉冲电压的作用下,线圈间和匝间就会产生空间电荷,由其产生的电感、电容造成线圈间、匝间电压分布不均匀,随着脉冲电压频率的不断增大,空间电荷急剧增加,电压分布不均程度加大,导致气隙处率先局部放电,并使其产生电子、离子不断轰击绝缘,使气隙处分布电容所储存的电能不断转变为化学、辐射、热和机械能等,从而对整个绝缘系统受到侵蚀,使绝缘劣化,绝缘强度下降,最终导致绝缘损坏。因此在交流变频电机浸渍中选择合适的浸渍漆尤为重要。浸渍漆一般为有溶剂漆、少溶剂漆、无溶剂漆,有溶剂漆和少溶剂漆在固化过程中由于溶剂的蒸发,很难避免漆膜中形成气泡,造成微小气隙,为保证电机整体绝缘结构中不含空气隙,根据国家标准GB/T121707-2008《变频调速专用三相异步电动机绝缘规范》的规定,变频调速专用三相异步电动机用的浸渍漆必须是不低于F级无溶剂漆,且挥发应小于10% ,并采用VPI工艺。该工艺还可以提高绝缘结构整体的机械强度。因此大多数选择环氧型无溶剂树脂漆。
 
3、选择合适的浸渍工艺
 
浸渍工艺也是确保质量的一个尤为的重要环节,目前在电机制造、修理过程中常采用的浸渍工艺有滴浸、真空压力浸渍、沉浸等几种方式。虽然国内在处理交流变频电机时多采用不尽相同的浸渍方式,但即使相同的浸渍方式,不同的浸渍温度和控制方式,渗透的效果也不同。因此控制在合适的温度下采用恰当的浸渍工艺能有效提高浸渍树脂在绕组表面的渗透。
 
4、选用合适的烘干工艺
 
选用无溶剂漆理论上分析苯乙烯是参与交联固化的,但实际上烘干工艺控制不好,操作方法不正确,在实际固化时仍会有20%左右的苯乙烯逸出。现在日趋普遍的是所谓的电流加热紫外线干燥系统,但即使相同的烘干方法,不同的控制工艺,苯乙烯在不同的烘干情况下逸出的情况也不同。因此控制烘干时间、烘干温度和出炉温度等就显的尤为重要,在没有更好浸渍漆的前提下,采用合理的烘干方式,管理控制好烘干工艺,能有效的降低苯乙烯的逸出,降低漆膜中气泡的生成,从而减小气隙的生成,有效提高电机的整体绝缘强度。
 
5、从严控制绕线、嵌线等工艺
 
绕线、嵌线等加工工艺的管理严格与否同样影响到电机质量的好坏。绕线过程中应规范作业手法,防止导线损伤,绝缘漆被破坏。嵌线时确保槽绝缘完好、位置合适。选用容易被绝缘漆浸透的材料来处理相绝缘,同时确保相绝缘位置合适。所有线圈端部尤其是首末匝应加强绝缘、绑扎、固定,从而使端部成为一个整体。
 
变频电机匝间绝缘的处理是提高变频电机使用寿命的一项庞大而严谨的系统工程。目前国内在制造适用于变频电机的专用电磁线、高强度绝缘材料等方面较过去得到了很大提高,但相比国外的先进技术制造水平,其性能还是有一定的差距。继续深入研发适用于变频电机的电磁线和绝缘材料并改善匝间绝缘相关的控制工艺就成了提高变频电机使用寿命的重点工程。
 
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