9.5变频电动机绕组及绝缘设计

变频电动机绝缘损坏机理

1.局部放电和空间电荷

目前，变频器均使用1GBT器件，采用PWM技术，功率范围约为0.75〜500kW。1GBT技术可以提供上升时间极短的电流，其上升时间在20〜100，所产生的电脉冲有极高的开关频率，达到20kHz。当一个快速上升沿电压从变频器到电动机端时，由于电动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，并再感应出另一个山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峰电压。尖峰电压的大小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，电缆两端都产生过电压，电动机端的过电压幅值随电 缆长度增加时增加，并趋于饱和，而电源端的过电压比电动机端的过电压小，并且几乎与电缆长度无关，试验表明，过电压产生于电压上升沿和F降沿处，并发生衰减振荡，共衰减服从指数规律，振荡周期随电缆长度而增加。此外，对PWM驱动脉冲波形，在每-个基本频率开始时，脉冲极性从正到负或从负到正，在这一时刻，电动机绝缘承受着一个二倍于尖峰电压值的全幅电压。在此全幅电压作用下，绕组匝间产生表面局部放电。由r电离作用，在气隙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U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，一个更高的电场产屯，它会导致局部放电的数蛰增加，最终引起击穿。

2.介质损耗发热

在正弦电压下，每单位体积绝缘介质都会产生损耗发热，当外加电场强度超过绝缘体临界值时，其介质损耗迅速增加。当频率增加时，局部放电随之增加，并产生热量，这些热量则引起更大的漏电流，从rfn使单位发热上升更快，即电动机温升增加，绝缘加速老化。

3.主绝缘、相绝缘和绝缘漆的损坏

如前所述，采用PWM变频电源，使变频电动机的端子处出现振荡电压幅值增加。因而电动机的主绝缘、相绝缘和绝缘漆承受更高的电场强度。据测试，

由T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，上述端电压峰值可超过3kV。另外，当电动机绕组匝间发生局部放电时，会使绝缘中分布电容所储 存的电能变为热、幅射、机械和化学能，从而使整个绝缘系统劣化，绝缘的击穿电压降低，最终导致绝缘系统被击穿。

4.循环交变应力造成的绝缘加速老化

采用PWM变频电源供电，使变频电动机可以在很低的频率、较低的电压F以及无冲击电流情况下起动，并可以利用变频器所提 供的各种方式进行快速制动。由于变频电动机可实现频繁的起动制 动，使电动机绝缘频繁地处于循环交变应力作用下，使电动机绝缘 加速老化。普通异步电动机中存在的由于电磁激振力、机械传动等 引起的振动等问题在变频电动机中变得更为复杂。变频电源中含有 的各种谐波与电磁部分固有的空间谐波相1：干涉，形成各种电磁激 振力。同时，由于电动机工作频率范围宽，转速变化大，当其与机械部分的固有频率相一致时，出现共振〇在电磁激振力和机械振动影响下，电动机绝缘受到更加频繁的循环交变应力作用，加速了电 动机绝缘的老化。

变频电动机加强绝缘的措施

根据上述变频电动机绝缘损坏机理，加强变频电动机绝缘结构措施主要有：选用合适的电磁线，采用合理的加工工艺，获得尤气隙绝缘，提高整个绝缘结构的整体性和机械强度。

1.选用合适的电磁线

由于变频电动机中的电磁线处于大M谐波与高频的脉冲电压作 用之下，使电磁线早期损坏。因此，电磁线的绝缘性能对变频电动 机绝缘结构可靠性的影响尤为重要。在选用电磁线时应注意以下性 能：耐热性、软化击穿、漆膜连续性、介损曲线、耐脉冲电压性 能、柔软性等。

目前可供选择的电磁线有：3层漆包线，即所谓“变频电动机 专用导线”，其外加涂层绝缘结构由于加大导线间距离而增加安全 性，其不足是在制造期间所加的这一面层会变得更脆；采用在两层 漆外再包扎聚对苯二甲酸乙酯（PET)薄膜的电磁导线，其最高绝 缘等级只为F级。该电磁线的优点是利用薄膜形成封闭覆盖层，解 决了瓷漆的典型小孔问题。不足是PET薄膜受热时其结构从非晶体转变成晶体，继而脆化并有可能产生裂纹；采用常规瓷漆中填加 剂的耐电晕导线，这会使这种漆比无填加剂漆脆些。这类导线有小孔问题存在。因此，可以考虑采用耐电晕聚酰亚胺（Knpton)薄膜 导线，佰要注意浸渍漆即树脂与薄膜间良好粘结的问题：采用特薄 Samica包带的导线，这类包带产品将特别适用于圆导线。包带由 30g/m²云母纸与聚酯薄膜粘结而成，两层包带的聚酯薄膜外表面涂有特殊树脂涂层，能改善包带导线绝缘表面的光滑度。

2.加强槽绝缘和相间绝缘

槽绝缘材料目前使用的NHN、NMN或F级DMD等由几种混合物制成。这类材料由于具有有机性，它们不能耐电晕。解决办法是加人一种含云母的新型槽绝缘，云母的加入使其耐电晕性较只以有 机材料为基础的材料有所提高。通过使用两侧贴有聚酯薄膜的 160g/m²云母纸，实现短期和长期耐电晕。聚酯薄膜也给这种材料提供足够的强度，以利于绕组的嵌线和整形处理。

相间绝缘寅优先采用表面贴有聚酯绒布的NHN、NMN或F级 DMD和薄膜组成的组合绝缘。因为通常所用的是浸渍处理后全部为F级的材料，因此两层聚酯绒布间夹一层聚酯薄膜的绝缘是一种良好的材料。同其他材料相比，它能更好地吸收树脂，使固化期间的漆或树脂不易流出，可以实现与导线更好的粘结。

3.浸渍漆和浸渍工艺的选用

目前F、H级浸渍漆主要分为有溶剂漆、苯乙烯型无溶剂浸渍树脂和低挥发份聚酯型无溶剂浸溃树脂。有溶剂漆含有的溶剂在烘 焙过程中大量挥发，在绕组内易形成气隙，不适合变频电动机使 用。苯乙烯型无溶剂浸渍树脂含有的苯乙烯单体在高温固化时也易挥发，同样难以形成无气隙绝缘。低挥发份聚酯型无溶剂浸渍树脂是国际上第三代浸溃树脂，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。

由于交流变频电动机要求获得无气隙绝缘，而且电动机品种规格较多，大小差异甚大，故不宜采用沉浸、滴浸或滚浸工艺。采用真空压力浸渍工艺能使浸渍树脂充分渗透到电动机绕组间的空隙，为了防止浸溃树脂在烘焙、固化过程中流失，宜采用旋转烘焙固化工艺，这样可以得到较理想的无气隙绝缘。

4.合理的绕线、嵌线等加工工艺

绕组的制作质量，对于变频电动机绝缘结构整体绝缘性能有较 大的影响。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、嵌线过程中应注意防止损伤导线，嵌线过程中 应保证槽绝缘、相绝缘放置到位。必须对嵌线后的白坯严格按照间耐冲击电压试验及对地耐电压试验标准进行试验，以确保其电气绝缘性能的可靠。

5.提高绝缘结构的机械强度

由于电磁激振力及机械振动等影响，变频电动机绝缘结构应尽 可能提高其整体性及机械强度。为此，在选用绝缘材料时，应选用容易被浸透的材料，线圈端部应加强绑扎、固定，确保端部成为一个整体。采用真空压力浸渍及旋转烘焙工艺，也有利于提高绝缘结构的机械强度。线圈内坯对地绝缘电阻低于i5wn，敁耵一次浸溃烘干后线_对地绝缘电阻应大于5Mn。为防止卨频电磁振动 引起的整个绝缘结构的松散，建议电动机的定子端部每槽用绑扎带绑扎，绑扎带可以川BE聚酯纤维绑扎带，也可以川R增柔软央纱聚酯绑扎带。