变频电机绝缘失效机理及测试技术研究现状

变频电机绝缘失效机理及测试技术研究现状

李兴博

陕西建工安装集团有限公司，陕西省西安市， 710068

摘要：电机是将机械能转化为电能的重要设备，其在工业生产、高速铁路建设、舰船驱动、新能源汽车等领域发挥着关键的作用。在电力电子技术发展速度逐渐加快的社会背景下，电力驱动系统中变频电机的重要性也逐渐凸显出来。但是，变频电机的绝缘失效现象严重影响着变频电机驱动系统的安全可靠性，由此可见，必须将提升变频电机的绝缘可靠性作为一项重要内容。鉴于此，本文立足于变频电机绝缘失效机理，围绕变频电机绝缘过早失效的影响因素以及测试技术展开如下探讨。

关键词：变频电机；绝缘系统；局部放电

1.变频电机绝缘失效机理

（1）电压分布不均衡。绝缘系统中的应力在直流或者正弦电压下基本上呈线性分布的状态，匝间电场较均匀。而高频成分的脉冲电压，由于受到了绝缘系统中容性和感性参数的影响，致使匝间电压分布不均匀。通常情况下而言，首匝和末匝承受的脉冲电压比较高，而且脉冲电压频率和电子开关频率相同。一旦匝间绝缘承受的电压高于绝缘自身的Pp时，就会出现局部放电现象，同时，绝缘点热老化现象也会随之加剧，进而产生绝缘早期失效现象。

（2）端部过电压。因电机和电缆连接部位的阻抗不匹配，致使PWM中的高频脉冲方波向电机端部进行传输的时候，就会产生波的折反射作用，形成过电压，而且过电压要比直流母线电压大。电机和电缆间的阻抗匹配程度、电缆长度以及PWM脉冲的变换速度等都是影响过电压大小的主要因素。通常情况而言，随着电机功率的逐渐增加，电机和电缆间的阻抗匹配程度越高。从电缆线的长短来看，电缆的长度和变换速度逐渐呈正比例分布关系，而与端部过电压呈反比例分布关系。因此，对于一致电机端过电压的分析，需要从以上思路入手。

（3）端部容性电流效应。在受到高频脉冲电压的影响后，端部容效应将随之增加，如果缺少良好的防晕措施，将会进一步加剧端部电流效应或者出现局部放电现象的几率，无论是哪种情况，都将成为增加端部绝缘电热老化现象的主要原因。

（4）其他环境因素。冷热冲击以及机械应力等都是常见的其他环境因素，这些因素的存在会增加绝缘浸渍中出现气隙现象的几率，最终使Pp下降，从而进一步加剧局部放电现象，加速绝缘电路老化进度。

2.变频电机绝缘过早失效的主要因素

供电脉冲上升沿陡峭、电源频率高以及脉冲极性具有周期性正负交变的特点是变频电机的主要特征。由此可见，在高频率电压的冲击下，增加了变频电机面临机械振动、轴承磨损以及噪音等现象的几率。同时，还加大了绝缘损害程度，导致变频电机绝缘过早失效，大大缩短了传统绝缘材料的使用寿命。绝缘材料的老化程度是影响其使用寿命的关键因素，而热老化和点老化作为主要的老化现象，由于受到高频方波电压的影响，会使变频电机的热老化和电老化程度加剧，最终导致绝缘过早损坏。

2.1电老化

（1）加在变频电机绕组上的高频电压，随着电压频率的增加，受到线圈间、线圈匝间以及对地寄生电感和电容的影响，就会使入口端承受过高的电压，而并没有按匝数均匀分布，因匝间电压分布不均而产生局部过电压。（2）局部放电。绝缘电阻寿命缩短以及电阻老化现象都是由于局部放电现象引起的，局部放电产生的电子离子会对绝缘产生持续轰击作用，致使绝缘侵蚀，而变频电机绝缘的局部放电问题相比于工频电机更为严重。（3）连接电机和电源之间的电缆会产生波的折射和反射，最终在电机入口位置出现过电压，这些高电压往往会以尖峰的形式存在^[1]。绝缘表面的局部放电现象以及绝缘内部的气隙将会因高电压产生的高电场而进一步加剧。（4）随着频率的不断增加，局部放电现象将进一步加剧。频率越大，放电次数越多，局部放电量也越大，而引起局放起始电压降低，导致局放现象严重，加速绝缘损坏。

2.2热老化

因高频电流引起的集肤效应能够加大转子电阻，随之使铜耗增加，致使电机绕组发热量增大。高频电流的增加也会相应加大铁损，进而加剧绝缘热老化现象。

3.变频电机绝缘测试关键技术

3.1局部放电自动测试系统

要想进一步提升Pp的自动测试效率，就需要从设计测试系统入手。早在2010年就提出了电压上升率稳定可控的Pp自动测试系统。最近这些年，随着研究人员对PDEV理解的不断深入，在逐渐考虑绝缘系统安全裕度问题的同时，相比于Pp，PDEV更有意义，而且做好Pp和PDEV自动测试工作意义重大。借助微控制单元控制器，能够为实现和示波器以及高压脉冲电源的通信提供可靠的保障。自动控制二维滑动平台的应用，能够扩展单通道为多通道，从而自动调整示波器的触发方式以及电压升降^[2]。随着局部放电参数复杂程度的不断提升，放电测试自动通的应用难度也在随之增加，对此，需要进一步加大对局部放电自动测试系统的优化力度，通过对不同环境下的多个试件进行Pp、RPp和PDEV等自动测试，能够有效解决脉冲电压下人工测试Pp效率低以及难度大的问题，并且还能够有效应对环境参数和升压速率问题。

3.2脉冲电压下局部放电检测方法

相比于正弦电压，重复方波电压对变频电机在运行过程中绝缘系统中变频器产生电应力的模拟准确率更高，但是，相比于传统正弦电压条件下的局部放电现象，电机绝缘中产生的局部放电特征与之存在着很大的差异。而且正弦电压基本上不会受到电源的干扰，再加上影响局部放电的参数相对较少，能够控制局部放电在低频范围内。然而，脉冲电压下的局部放电频谱可扩展至1~2GHz。在不同放电类型的转换影响下，对在线和离线检测灵敏度产生了影响，同时，由于受到方波电源的干扰，加剧了局部放电测试难度。为了能够进一步提升方波电压条件下测试结果的完整性，在选择检测方法的时候，就需要重点关注其检测频带宽、灵敏度以及抗干扰能力等各项指标。

3.3PWM电压发生器设计

在变频电机运转的过程中，定子端将会承受变频器输出的脉宽调制电压，在这种电压环境下进行变频电机绝缘评估试验工作，能够得到准确的评估结果。结合现场可编程门阵列（FPGA）和高速固态推挽开关的直接输出式PWM脉冲电压发生器的设计，能够实现空间矢量脉宽调制（SVPWM）电压和输出模拟实际的正弦脉宽（SPWM）电压。

3.4多路并行及推挽模式的高频耐电晕测试

对于高压变频电机和宽禁带器件，对耐电晕测试系统的电压、频率以及容性负载提出了更高的要求。将测试系统提升电压幅值至额定电压的2~3倍，在此过程中，通过将频率提升到10kV以上加速了绝缘系统的老化现象。对此，测试系统的设计，需要确保高压高频电力电子器件的额定电压达到10kV，额定频率达到10kHz；为了能够更加高效地解决电力电子器件快速开断而造成的瞬间击穿保护和大电流问题、高频高压下的系统容量问题以及脉冲发生器硬件绝缘配合与长时间老化等一系列问题，就需要加大对高频高压固态开关的研究力度，研发出可以根据多路电容自动调整上升时间的耐电晕测试系统，在尽可能减少成本的前提下有效应对单通道重复问题，从而达到提高重复脉冲电压电磁线耐电晕寿命测试效率的作用。

结语

总而言之，电机驱动最早被用到了电子领域，由交流电机和变频器组成的变频电机当前已经成为了电力驱动的主流。为了能够最大限度降低不利因素带来的影响，就需要深入分析变频电机绝缘失效机理以及变频电机的绝缘评估方法，在此基础上正确应用变频电机绝缘检测技术，从而达到进一步提升变频电机应用效率的目的。

参考文献：

[1]李蓉，王鹏，雷勇，周凯，吴广宁.变频电机绝缘破坏机理及连续方波电压下局部放电检测技术[J].绝缘材料，2015，48(03):12-17+23.

[2]彭佳.牵引变频电机绝缘材料的介电和导热特性研究[D].西南交通大学，2014.