技研 | 变频电机绝缘损坏及对策

电工电子技术和微电子技术快速发展和工业生产的需要，变频调速技术以及广泛的在各种机械设备中加以应用。但是随着变频电机这一新设备的广泛使用，人们发现变频电机尤其是低压变频电机的绝缘会过早的损坏，直接导致了变频电机的使用寿命比普通电机短得多，甚至几个星期就出现故障。因此，就需要对变频电机绝缘损坏的机理进行分析并探寻控制措施。

变频电机的绝缘损坏机理

变频电机过电压

变频电机在使用的过程中不但同普通电机一样的受到操作过电压的冲击，而且会受到PWM（脉宽调制）波行波过电压和反向电场过电压的冲击。只要变频电机启动运行，这些类型的过电压就一直的存在，并对变频电机绝缘产生严重的损害。

PWM调制波行波过电压

目前变频广泛的采用PWM调制技术，PWM的脉冲波形频率有开关频率和基本频率两种形式。其中由于电压信号的传播形式为波的形式，PWM的脉冲电压值的峰值重复频率会与开关频率保持同步增长的关系。基本频率直接影响电压脉冲极性的转变和变频电机的转速。由于变频电机和逆变器的电阻率远大于输电线的电阻率，因此在它们之间传播的PWM脉冲电压因反射波的作用而导致PWM过电压可达双频电机工作电压的2倍。

反向电场叠加过电压

外部的电场作用可以使得绝缘介质中的正、负电荷产生瞬间的相对运动从而形成位移极化，这种极化由于其时间非常短（越10-15-10-12s），因此也被称为瞬间位移极化。同时外部电场也会使绝缘介质的偶极发生转向作用，这种作用被称为偶极转向极化，这种极化的时间不同于位移极化，它的时间相对十分缓慢（10-10-10-2s），因而也叫松弛极化。但是变频电机的PWM脉冲电压波的频率在几百HZ到几千HZ之间，因而其周期就很短（10-5-10-3S），已经可以达到偶极转向极化的时间，从而导致绝缘中的电荷转移产生的电场滞后，因此了与外部电场方向一致的反向电场，从而产生反向电场叠加过电压。

变频电机的热效应

变频马达不但同普通电机一样受到性质相同的热效应的作用，同时由于PWM调控而带来的集肤热效应，并且绝缘介质由于其自身发热的作用而产生热效应。

集肤热效应

变频电机的集肤热效应和变频电机的PWM脉冲电压的频率呈正比关系。普通电机的集肤热效应仅仅是在电机启动时才会产生，但是由于变频电机的脉冲电压波的频率一直很高，因此导致集肤热效应伴随电机整个运行周期。变频电机的转子绕组导体由于其耗损多、产生热量大，因而是产生集肤热效益比较严重的部位。总之，变频电机的集肤热效应要比普通电机严重的多。

绝缘介质自身发热

变频电机的绝缘介质由于脉冲调制的作用而导致电耦极子转动的频率相对频繁，这就大大的提高了绝缘介质的电应力，绝缘介质因电应力强度大而导致其耗损和产生大量的热量，过多的热量很严重的影响变频电机的绝缘介质的性能和寿命。

目前PWM脉冲电压波的频率最高可以到达104HZ，而一般有机绝缘介质的自身的设计频率在104-105HZ之间，因此PWM脉冲电压波的频率已经快达到绝缘介质的设计频率的下限，而随着集成门极换流晶闸管（IGCT）和绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等材料应用到变频电机中而导致电机的工作电压的频率更高，这就导致绝缘材料的热效应也随之越来越严重。

可以设想，当变频电机的PWM脉冲电压波的频率大于或等于绝缘介质的设计频率，此时的状况就如同微波炉工作原理一样，而绝缘介质如同食品一样被PWM脉冲电压波被迅速的加热，这也是变频电机使用过程中急需要解决的技术问题，需要改善新的、高性能的绝缘材料来加以解决这一难题。

变频电机绝缘局部放电

变频电机绝缘的局部放电是绝缘失效的主要原因之一。绝缘部位局部放电对绝缘失效作用主要包括3主形式：更多阅读：强冷式变频马达ERVF系列

绝缘部位的局部放电会与空气中的O2反应产生一定量的O3，和空气中的氮气以及水蒸气生产硝酸，臭氧和硝酸都具有强氧化性，会氧化绝缘材料，改变了绝缘材料的性质；

局部放电使得大量的电子撞击绝缘介质，其中电子的撞击能量会达到10eV，而绝缘介质分子聚合键之间C-H为3.5eV，C-C键为6.2eV，这会使绝缘材料的分子结构产生裂解，从而使绝缘材料失效；

局部放电还会产生X射线和紫外线，这些都会对绝缘材料产生辐射作用。然而在PWM脉冲的作用下，电压波的脉冲频率比较大，这会导致局部放电的次数多，放电能量大，这就加大了绝缘材料的失效率。

减少绝缘损害的对策

采用合理的绕线、嵌线等绝缘生产技术。变频电机的绝缘材料的绕线、嵌线工艺必须加以控制，防止在生产中伤害了导线，将线圈的端部位加以固定使之形成整体，确保整个绝缘材料的强度。

采用聚酰亚胺系列绝缘材料来代替现阶段的有机材料，这样就能比较彻底的解决绝缘部位的热效应的问题。聚酰亚胺系列绝缘材料是新型纳米无机材料，其表面的导电率比较大，能强有力的保留在其表面的电子，这会使得反向叠加电场的场强变小，这样会有效的降低过电压对绝缘材料的破坏作用。而且无机材料分子的键能比较大，能有效的抗击局部放电时的电子冲击。

使用真空压力无溶剂浸漆和聚酰亚胺系列绝缘材料，真空压力无溶剂浸漆采用的是无气隙绝缘，能减少绝缘材料中的空气等杂质，能减少局部放电的危害。

提高绝缘材料的整体机械强度。提高机械强度能增加抗热熔、抗振动以及抗电磁激振力，因此提高了变频电机绝缘系统的整体机械强度能使其更有效的抵抗脉冲电压波的作用、提高对各种热效应的能力以及电机使用过程中的机械振动的影响。

来源 | 今日电机