交流變頻電機(jī)絕緣的試驗(yàn)和應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用_第1頁
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精品文檔-下載后可編輯交流變頻電機(jī)絕緣的試驗(yàn)和應(yīng)用-設(shè)計(jì)應(yīng)用摘要交流變頻調(diào)速電機(jī)絕緣早期損壞是局部放電、空間電荷、電介質(zhì)損耗發(fā)熱、電磁激振和振動(dòng)等多種因素共同作用的結(jié)果。設(shè)計(jì)交流變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)時(shí),必需選用耐電暈的電磁線;選用耐電暈的絕緣材料和低揮發(fā)份無溶劑樹脂,形成“無氣隙絕緣”,提高絕緣結(jié)構(gòu)的整體性。目前我廠變頻電機(jī)的制造已經(jīng)起步,且市場前景良好。變頻電機(jī)的絕緣性能基本上能夠滿足用戶的使用要求。但目前國內(nèi)制造的用于變頻電機(jī)的電磁線和絕緣材料與國外同類產(chǎn)品相比尚有較大的差距。今后應(yīng)大力進(jìn)行這方面的研究開發(fā)工作,并進(jìn)行有關(guān)變頻電機(jī)的絕緣結(jié)構(gòu)壽命評定的試驗(yàn)研究工作。

隨著電力電子技術(shù)及新型半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展,交流調(diào)速技術(shù)得到不斷地完善和提高。性能逐步完善的變頻器的問世,以其良好的輸出波形,優(yōu)異的性能價(jià)格,使其日益擴(kuò)大交流調(diào)速的市場,從而使交流調(diào)速得到廣泛應(yīng)用。例如:鋼廠用于軋鋼的大型電動(dòng)機(jī)和中、小型輥到電動(dòng)機(jī);鐵路及城市軌道交通用牽引電機(jī);電梯電機(jī);集裝箱起吊設(shè)備用起重機(jī);水泵和風(fēng)機(jī)用電;壓縮機(jī)、家用電機(jī)用電機(jī)等都相繼使用交流變頻調(diào)速電機(jī),取得了良好的效果。

采用交流變頻調(diào)速電機(jī)比直流調(diào)速電機(jī)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)主要是:

(1)調(diào)速容易、節(jié)能。

(2)交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、體積小慣量小,造價(jià)低、容易維修、內(nèi)用。

(3)可以擴(kuò)大容量、實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和高電壓運(yùn)行。

(4)可以實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng),實(shí)現(xiàn)快速制動(dòng)。

(5)無火花、防暴、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。

近期內(nèi),國際上變頻調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)以每年13%-16%增長率發(fā)展,并有逐步取代大部分直流調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢。由于以恒頻。恒壓供電進(jìn)行特性設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的普通異步機(jī)應(yīng)用于變頻調(diào)速系統(tǒng)時(shí),畢竟存在這很大的局限性。應(yīng)此,國外有關(guān)廠商都有專用的變頻交流電動(dòng)機(jī)系列推出,推向市場。這些變頻專用的異步電動(dòng)機(jī)根據(jù)使用的場合和使用要求的不同,在設(shè)計(jì)上有側(cè)重:有低噪音、低震動(dòng)用的電機(jī);有提高低速轉(zhuǎn)矩特性的專用電機(jī);有高速專用電機(jī);有帶測速發(fā)電機(jī)的電機(jī)以及矢量控制專用電機(jī)等。值得注意的是:隨著交流變頻電動(dòng)機(jī)的廣泛使用,國內(nèi)外都相繼出現(xiàn)大批交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)絕緣早期順壞的現(xiàn)象,許多交流變頻電機(jī)運(yùn)行的壽命只有1-2年,有的甚至只有幾個(gè)星期以至于在試運(yùn)行中電機(jī)絕緣就出現(xiàn)損壞,而且損壞通常發(fā)生在匝間。對此,引起國內(nèi)外學(xué)者和的特別關(guān)注。這也是電力逆變技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用給電機(jī)絕緣技術(shù)提出的新課題。實(shí)踐證明,過去年幾十年研究和制定的與工頻正玄波電機(jī)有關(guān)的絕緣設(shè)計(jì)理論,不能適用于交流變頻調(diào)速電機(jī)。需要研究變頻電機(jī)絕緣的損壞機(jī)理,制定關(guān)于交流變頻電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)的基本原理,建立交流變頻電機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和導(dǎo)則。

我廠于80年代末期即開始研制開發(fā)交流變頻電機(jī)。1996年YTSP交流變頻電機(jī)即通過上級部門組織的鑒定,投入批量生產(chǎn)。為了解決變頻電機(jī)的絕緣問題,1997年9月上海市科委正式下達(dá)項(xiàng)目,由上海交通大學(xué)和我廠共同進(jìn)行了“變頻電機(jī)絕緣技術(shù)關(guān)鍵問題的研究”。本文主要敘述我廠在交流變頻電機(jī)的研究、開發(fā)、制造,特別是1997年以來,我廠在交流變頻電機(jī)的絕緣方面所進(jìn)行的試驗(yàn)和應(yīng)用工作。

1變頻電機(jī)絕緣的損壞機(jī)理

1.1電磁線的損壞

(1)局部放電和空間電荷。目前,變頻調(diào)速交流電機(jī)均采用IGBT(Insulatedgatebipolertransistors絕緣柵二極管)技術(shù)PWM(Pulsewidthmodulation脈寬調(diào)制)變頻器控制。其功率范圍大約是0.75-500KW。IGBT技術(shù)可以是提供上升時(shí)間極短的電涌,其上升時(shí)間是20-100ms,所產(chǎn)生的電脈沖有極高的開關(guān)頻率。達(dá)到20kHz。當(dāng)一個(gè)快速上升沿電壓從變頻器導(dǎo)電機(jī)終端電纜時(shí),由于電機(jī)和電纜的阻抗不匹配,產(chǎn)生一個(gè)反射電壓波。這個(gè)反射波返回變頻器,并在感應(yīng)出另一個(gè)由于電纜和變頻器阻抗不匹配而產(chǎn)生的反射波加在原始電壓波上,從而在電壓波前沿產(chǎn)生一個(gè)尖鋒電壓(見圖1所示)。尖鋒電壓的量級取決于脈沖電壓的上升時(shí)間和電纜的長度。

通常電纜長度增加時(shí),電纜兩端都產(chǎn)生電壓。電機(jī)端的過電壓幅值隨電纜長度增加而增加,并趨于飽和。而電源端的過電壓比電機(jī)端的過電壓小,并幾乎與電纜長度無關(guān)。試驗(yàn)證明,過電壓開始產(chǎn)生于電壓上升沿和下降沿處,并發(fā)生衰減振蕩,其衰減服從于指數(shù)規(guī)律,振蕩周期隨電纜長度而增加。

對PWM驅(qū)動(dòng)脈沖波形有二種頻率,其一是開關(guān)頻率,它表示脈沖速度。尖鋒電壓的重復(fù)頻率與開關(guān)頻率成正比。另一個(gè)是基本頻率,直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在每一個(gè)基本頻率開始時(shí),脈沖極性從正到負(fù)或從負(fù)到。所以,在這一時(shí)刻,電機(jī)絕緣承受著一個(gè)由二倍于尖鋒電壓值的全幅電壓。另外,在一個(gè)散嵌繞組的三相電機(jī)中,相鄰二匝可能會分屬不同的相,由于在二個(gè)相鄰二匝種的電壓極性可能會不同,全幅電壓的躍變也有可能達(dá)到二倍于單個(gè)尖鋒電壓值。根據(jù)測試在電機(jī)端看PWM變頻器輸出的電壓波形、在一個(gè)380/480V系統(tǒng)中,測得的尖鋒電壓值為1.2-1.5KV,而在576/600V的交流系統(tǒng)中,測得的尖鋒電壓值為1.6-1.8KV。非常明顯,在此全副電壓作用下,繞組匝間產(chǎn)生表面局部放電。由于電離作用,在空氣縫中又會產(chǎn)生空間電荷,從而形成一個(gè)與外加電場反向的感應(yīng)電場。當(dāng)電壓極性改變時(shí),這個(gè)反向電場與外加電場方向一致。這樣,一個(gè)更高的電場產(chǎn)生,它會導(dǎo)致局部放電的數(shù)量增加,終引起穿擊。測試表明,作用于這些匝間絕緣的電沖擊嚴(yán)酷程度取決于導(dǎo)線特定的性能和PWM驅(qū)動(dòng)電流的上升時(shí)間。如果上升時(shí)間小于0.1ms,那么將有80%的電勢加在繞組的前二匝上,即上升時(shí)間越短,電沖擊就越大,匝間絕緣的壽命就越短。

(2)快速上升,下降沿脈沖產(chǎn)生電介質(zhì)加熱,導(dǎo)致絕緣加速老化。在正玄電壓下,每單位體積的損耗是:

Ni=e0E2w2t(eS-e0)/(1w2-t2)

公式中,e-空氣的介電常數(shù),E—外加電場常數(shù),w-2pf,t-松弛時(shí)間常數(shù)。

假設(shè)<1,則NI與w2成正比。當(dāng)E超過絕緣體臨界值時(shí),其介質(zhì)損耗速度迅速增加,結(jié)果產(chǎn)生熱量,這些熱量則引起更大的漏電流,從而Ni使更為上升,即電流升溫上升,絕緣加速老化。

總之,在變頻電機(jī)中正是由于上述局部放電,電介質(zhì)加熱,空間電荷感應(yīng)等因素的共同作用引起電磁線的過早老化。

1.2主絕緣、相絕緣和絕緣漆的損壞

如前所說,采用PWM變頻電源,使變頻電機(jī)的端子處出現(xiàn)幅值增加的振蕩電壓。因此,電機(jī)的主絕緣、相絕緣和絕緣漆承受更高的電場強(qiáng)度。根據(jù)測試,由于變頻器輸出端電壓上升時(shí)間,電纜長度和開關(guān)頻率等因素的綜合影響,上述端電壓峰值可能超過3KV。另外,當(dāng)電機(jī)繞組匝間發(fā)生局部放電時(shí),會使絕緣中分布電容所儲存的能量變?yōu)闊?,輻射以及機(jī)械和化學(xué)能,從而劣化為整個(gè)絕緣系統(tǒng),大大降低絕緣的擊穿電壓,直到擊穿電壓達(dá)到所加電壓的水平,以至于終發(fā)生整個(gè)絕緣系統(tǒng)的損壞和故障。

1.3頻繁的起制動(dòng)、電磁激振力和震動(dòng)系統(tǒng)的循環(huán)交變應(yīng)力造成電機(jī)絕緣的加速老化

采用PWM變頻電源供電,使變頻電機(jī)可以在很低的頻率和較低的電壓下以及無沖擊電流情況下啟動(dòng),并可以在利用變頻器所提供的各種方式進(jìn)行快速制動(dòng)。即由于變頻電機(jī)可實(shí)現(xiàn)頻繁的起制動(dòng),使電機(jī)絕緣處于循環(huán)交變應(yīng)力作用,電機(jī)絕緣加速老化。

在普通異步電機(jī)中業(yè)已存在由于電磁、機(jī)械、通風(fēng)等因素引起的噪音、振動(dòng)等問題。對于變頻電機(jī),由于采用PWM電源,噪音、振動(dòng)等問題變得更為復(fù)雜。變頻電源中含有的各次時(shí)間諧波與電磁部分固有空間諧波相互干預(yù),形成各種電磁激振力。同時(shí),由于電機(jī)工作頻率范圍寬,轉(zhuǎn)速變化大,當(dāng)與機(jī)械部分各種結(jié)構(gòu)的固有頻率相一致時(shí),共振很有可能出現(xiàn)。在此電磁激振力和震動(dòng)影響下,電機(jī)絕緣再次處于循環(huán)交變應(yīng)力作用,加速電機(jī)絕緣老化。

2.變頻電機(jī)絕緣的加強(qiáng)措施

根據(jù)上述變頻電機(jī)絕緣損壞機(jī)理,變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)加強(qiáng)措施主要是:選用合適的電磁線;獲得無氣隙絕緣;改善整個(gè)絕緣結(jié)構(gòu)的整體性,提高機(jī)械強(qiáng)度,采用合理的加工工藝。

2.1電磁線的選用

如前所述,變頻電機(jī)中的電磁線處于由大量諧波與瞬態(tài)變化的脈沖電壓作用下,使電磁線早期損壞。因此,電磁線的絕緣性能對變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)可靠性的影響尤為重要。

對于功率在300KV以下的變頻電機(jī),一般均采用圓漆包線。對圓漆包線的質(zhì)量,需要注意的是:1)耐熱性;2)軟化擊穿;3)漆膜連續(xù)性;4)介損曲線;5)耐脈沖電壓性能;6)柔軟性。根據(jù)上述要求,對F?H級變頻電機(jī),目前國內(nèi)可供選擇的漆包線主要是QZY-2和Q(ZY/XX)-2,但試驗(yàn)表明,QZY-2漆包線質(zhì)量分散性較大,同樣的QZY-2漆包線其tg?-t曲線相差較大,且其在高溫時(shí)的tg?值較大,這是對變頻電機(jī)是不利的(見圖2所示),而Q(ZY/XX)-2漆包線其tg?值明顯低于QZY-2??梢钥闯鲞x用Q(ZY/XX)-2漆包線是有利的。

對變頻電機(jī)用的漆包線,國內(nèi)目前均已采用專用的特殊漆包線,據(jù)悉,其耐脈沖沖擊電壓性能較Q(ZY/XX)-2提高200倍。為了解國內(nèi)外漆包線的差距,我廠對進(jìn)口f1.06變頻電機(jī)專用漆包線與國產(chǎn)Q(ZY/XX)-2漆包線進(jìn)行了對比試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表1所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明:

(1)進(jìn)口漆包線與國產(chǎn)漆包線相比其電阻值基本相似,但特別柔軟,這說明銅材的質(zhì)量由較大的差異,漆包線柔軟使線圈繞線方便,容易成形;嵌線方便,減少了由于敲打受損的幾率,應(yīng)該說這是很有利的。國產(chǎn)漆包線的柔軟性不僅比國外差而且處于不穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)進(jìn)口漆包線的軟化擊穿性能優(yōu)于國產(chǎn)漆包線,且國產(chǎn)漆包線的軟化擊穿試驗(yàn)結(jié)果分散性較大,說明漆包線漆的內(nèi)在質(zhì)量存在較大差異。

(3)進(jìn)口漆包線的“漆膜連續(xù)性”性能明顯優(yōu)于國產(chǎn)。漆膜連續(xù)性指標(biāo)在很大程度上反映出漆包線的質(zhì)量分散性,它取決于銅絲的表現(xiàn)質(zhì)量,漆包線漆的質(zhì)量,涂漆工藝,涂漆設(shè)備的性能,環(huán)境清潔度等因素的綜合影響。據(jù)悉,進(jìn)口漆包線采用“在線檢測”設(shè)備,嚴(yán)格控制漆包線的“針孔”,以確保漆包線的質(zhì)量。這是值得借鑒的。

(4)共頻穿擊電壓與溫度的關(guān)系試驗(yàn)表明,進(jìn)口漆包線的穿擊電壓隨著溫度的升高有明顯的下降(下降43%),而國產(chǎn)漆包線僅下降11%-14%;但進(jìn)口漆包線耐脈沖性能卻高于國產(chǎn)漆包線,即為滿足變頻電機(jī)的耐脈沖擊穿電壓的要求,進(jìn)口漆包線是犧牲了一部分漆包線的高溫?fù)舸?qiáng)度,但提高了耐脈沖擊穿電壓的性能,這是值得深思的。

根據(jù)上述試驗(yàn)情況,我廠對變頻電機(jī)用漆包線的漆膜厚度及其均勻性予以特殊關(guān)注,嚴(yán)格控制其質(zhì)量,一方面加強(qiáng)進(jìn)廠檢驗(yàn),另一方面我廠規(guī)定大幅度提高所有變頻電機(jī)嵌線后(白胚)的匝間試驗(yàn)電壓。不合格則不得進(jìn)入下工段繼續(xù)加工。實(shí)踐證明,我廠制造的變頻電機(jī)出廠后,情況良好。

對于300KW以上的變頻電機(jī),由于采用整嵌組繞,理論上分析在相同工作電壓下,其匝間承受的沖擊電壓較散嵌組繞有所改善。但由于其工作電壓較高,一般為1000V以上,因此,匝間沖擊電壓幅值是較高的。一般來說,對于300KW以上的變頻電機(jī),均采用聚酰亞胺薄膜包燒結(jié)導(dǎo)線,國外也有專門用于變頻電機(jī)的耐高頻脈沖的聚酰亞胺薄膜包燒結(jié)導(dǎo)線,類似的薄膜包燒結(jié)導(dǎo)線國內(nèi)也正在研究、開發(fā)。

2.2無氣隙絕緣

如前所說,變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中如果存在氣隙,在高頻脈沖電壓的作用下,在空氣隙中會產(chǎn)生空間電荷,導(dǎo)致局部放電的增加,終引起絕緣損壞。為了取得無氣隙絕緣,主要關(guān)鍵是選擇合適的浸漬漆,確定浸漬干燥工藝。

(1)浸漬漆的選擇。日前,F、H級浸漬漆大致分為有溶劑漆;苯乙烯型無溶劑漆,低揮發(fā)份聚酯型無溶劑樹脂。對于有溶劑漆,由于含有50%左右的溶劑,在烘培過程中溶劑大量揮發(fā),固化后,僅有45%的固體含量,繞組間含有大量氣隙,不能使用。對于苯乙烯型無溶劑樹脂,含有大約30%的苯乙烯單體,在高溫固化時(shí),也約有20%的揮發(fā)物,同樣,也不能形成無氣隙絕緣。低揮發(fā)份聚酯型無溶劑樹脂是國際上第三代浸漬樹脂,其固化速度快,固化過程中揮發(fā)物小于5%。采用適當(dāng)?shù)慕n工藝,基本上可以形成“無氣隙絕緣”。我廠對國產(chǎn)進(jìn)口的低揮發(fā)份聚酯型無溶劑樹脂及苯乙烯型無溶劑樹脂進(jìn)行了性能對比試驗(yàn)(詳見表2所示)。試驗(yàn)證明,國產(chǎn)的聚酯型無溶劑樹脂的性能步低于同類型的進(jìn)口樹脂,我廠用此樹脂制造變頻電機(jī),效果良好。

(2)浸漬工藝的選用。常用的浸漬工藝大致分為:1)沉浸-烘培固化;2)滴浸-旋轉(zhuǎn)固化;3)真空壓力沉浸-烘培固化(簡稱VPI工藝);4)真空壓力沉浸,旋轉(zhuǎn)烘培固化。

對于浸漬工藝,適用于一般要求的電機(jī)。對于交流變頻電機(jī),由于電機(jī)品種規(guī)格較多,電機(jī)工件大小差異較大,故不能采用滴浸或滾浸工藝,較為合適的是采用真空壓力沉浸工藝,真空壓力沉浸工藝能使浸漬樹脂滲透到位。嵌線后,在白胚情況下,必需嚴(yán)格按照匝間沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn),以確保電氣絕緣性能可靠。

2.3提高絕緣結(jié)構(gòu)整體機(jī)械強(qiáng)度

如前所說,由于電磁激振力以及振動(dòng)等影響,變頻電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能提高其整體機(jī)械強(qiáng)度。為此,在選用絕緣材料時(shí),應(yīng)充分注意選用容易放到電機(jī)絕緣結(jié)構(gòu)中的各個(gè)部位,充分填充繞組間的“空隙”,做到“無氣隙”絕緣。采用VPI工藝必須采用低揮發(fā)份浸漬樹脂,同時(shí),也要求浸漬樹脂有較長的儲存期。為了防止低揮發(fā)份浸漬樹脂在烘培,固化過程中流失,采用VPI工藝以及旋轉(zhuǎn)烘培固化工藝,則可以得到十分完善的“無氣隙絕緣”。

2.4采用合理的繞線、嵌線等加工工藝

對于變頻電機(jī),對電磁線的質(zhì)量以及絕緣結(jié)構(gòu)整體性等均有較高的要求。因此,對于繞線、嵌線、綁扎等加工工藝必須嚴(yán)加管理,特別是在繞線、嵌線過程中防止損傷導(dǎo)線,嵌線過程應(yīng)保證槽絕緣、相絕緣放置到位。相絕緣應(yīng)采用容易被絕緣漆浸透的材料;線圈端部應(yīng)加強(qiáng)綁扎、固定,確保端部成為一個(gè)整體,采用VPI及旋轉(zhuǎn)烘培固化工藝,也有利于提高絕緣結(jié)構(gòu)整體機(jī)械強(qiáng)度。

2.5控制變頻器到電機(jī)終端的聯(lián)結(jié)電纜長度、避免局部放電,延長電機(jī)壽命

如前所說,由于阻抗的不匹配,隨著聯(lián)結(jié)電纜長度增強(qiáng),電機(jī)終端的過電壓幅值隨之增加,這有助于引起局部放電。為此,對于變頻電機(jī)的制造廠,應(yīng)充分了解所使用的各種變頻電源,確定聯(lián)結(jié)電纜的極限長度,并告之用戶,以便盡可能減小電機(jī)端的過電壓幅值,避免局部放電,延長電機(jī)壽命。

3變頻電機(jī)的防潮試驗(yàn)

按照上述變頻電機(jī)的加強(qiáng)措施,我廠任意抽?。伲裕樱校保叮埃ǎ保担耍?、380V、F級)兩臺;VM-160(12.5KW、340V、F級)兩臺;YSG132M1-6(1.7KW、380V、H級)兩臺,進(jìn)行6晝夜(25-40C)防潮試驗(yàn)。防潮試驗(yàn)見表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明,變頻電機(jī)的防潮性能良好,滿足防潮電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4變頻電機(jī)的制造

交流變頻調(diào)速三相電機(jī)的研制、開發(fā)工作,我廠于80年代末期開始,當(dāng)時(shí)為了適應(yīng)機(jī)床行業(yè)制造數(shù)控機(jī)床的需要,我廠研制、開發(fā)應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)的三相異步電動(dòng)機(jī)。進(jìn)入90年代后,市場信息表明:以變頻調(diào)速電機(jī)與變頻電源配套的交流變頻調(diào)速系統(tǒng)有廣泛的發(fā)展前景。為此,我廠意識到這是一個(gè)機(jī)會,我廠借助于開發(fā)交流主軸電機(jī)和伺服電機(jī)的技術(shù)優(yōu)勢,繼續(xù)抓緊進(jìn)行了研制開發(fā)工作。開發(fā)了一種對各個(gè)行業(yè)都適用,有優(yōu)良性能價(jià)格比的交流變頻調(diào)速電機(jī)系列。為此,我廠于1993年開始YTSP系列變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的試制、開發(fā)。1994年起又開始進(jìn)行專門用于鋼廠傳動(dòng)設(shè)備的YSG系列輥道用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)的試制。經(jīng)過幾年的努力YTSP系列、YSG系列分別于1996年和1998年通過鑒定,并投入批量生產(chǎn)。另外自1996年以來,為滿足

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