摘要：随着相关技术的不断发展，变频技术也变得越来越成熟，并且在现代电气传动系统中得到了广泛的应用，以此来完成对设备控制系统的优化。本文通过对现实中使用的交流变频电机在生产运行时发生的异常故障进行分析，对绝缘损坏的机理作进一步研究，提出具体防范措施，对于设备的运行和使用能够产生积极的作用。
关键词：交流变频电机；正弦波；绝缘；电机绕组
当前交流变频调速技术不断完善和提高，在现代电气自动化系统中，大量使用交流变频调速电机，但目前交流变频装置对电机产生的危害，还不为大家所重视，尤其是漆包线绝缘的电机往往运行寿命只有1-2年，那么对电机绕组重新进行绕线处理和修复以后，在实际运行中证明，其运行寿命更短。
一、交流变频电机应用简介
电力电子技术及新型半导体器件的快速发展,越来越多的交流变频调速电机在各个领域得到了使用,如钢铁厂的大型电动机,工业和民用电梯、空气压缩机、家用电器等用的各种传动系统电动机。在目前交流变频调速电机的生产应用中，依然会存在一定缺陷：实践证明，当逆变器输出的PWM高压方波脉冲的上升沿陡峭、频率很高的时候，将导致在PWM脉冲电压下的交流电机的绝缘早早破坏而失效。传统交流电机绝缘设计方法和理论并不完全适用于交流变频调速电机，当然随着问题的出现，通过故障现象分析产生原因，进一步对绝缘材料的破坏机理深入分析，必然会有解决的办法。
交流变频电机与直流调速电机相比较，它的优越性如下：
1、交流电机结构简单，体积小，构造成本低，易于维护维修。
2、可实现平滑调速，并且经济节能。
3、可在高转速、高电压下运行。
4、环境适应性强。
5、可实现快速制动和软启动。
二、交流变频电机在综合生产线应用过程中的故障现象和故障分析
2014年，在公司年处理20万吨钢渣集料型砂综合生产线投产以来，以及后续除尘设备设施改造后的交流变频调速电机的应用，在使用中发生了投产运行时间不长就产生电机接地故障的现象。鉴于这条生产线集钢渣破碎、筛分、磁选工艺为一体，筛选工艺采用三级级筛选工艺，筛选设备选用圆振动筛。一级筛为原料保护筛筛孔为50mm，筛选0~50mm、<50mm两种物料；二级筛筛孔分别为15 mm和6mm，筛选15~50mm、6～15mm和0~6mm三种物料；三级筛筛孔分别为3mm，筛选3~6mm和0~3mm两种物料，承载着公司整个钢渣成品、半成品的生产任务。再者国家对企业环境保护的高度重视，环保法律法规频频颁布，来自各方的巡视检查频繁，确保整个工艺系统配套的除尘设备设施的正常运行也不容有失。因此，对于交流变频电机的异常故障必须给予高度重视，对于这类电机故障判断，通过解体故障电机，检查电机损坏的绝缘，可以看出最常见的故障情况是匝间短路，具体表现是电机某一线圈大面积过热发黑、碳化；其次是局部放电，故障现象是电机线圈外观基本完好，看不出过热或接地点，但电机绝缘电阻已经为零。
这类故障的主要原因为对现代变频调速装置电源特点以及变频电机损坏机理缺乏足够认识，在新品电机采购以及对电机绕组故障维修中仍然采用传统工频正弦波电机有关的绝缘结构和工艺，而按此工艺修复的变频电机寿命大大低于正常使用寿命。
三、交流变频电机绝缘异常损坏故障处理措施
对于目前大量采用有现代电力电子器件构成，具有快速开关频率的变频装置供电的变频电机，在电机制造及修复中一定要加强电机绝缘强度。这里关键是选用变频电机专用耐电晕电磁线。与F，H级普通电机使用的漆包线相比，变频电机耐电晕电磁线增加屏蔽漆膜层，通过采用量子化技术，将屏蔽用化工材料参与漆基高分子的缩聚反应制成漆膜，最终使对电机绕组所产生的高频脉冲电压得以分散、化解，从而提高了漆膜的耐电晕性。
此外，电机绕组还需要获得无气隙绝缘。浸渍工艺也是确保绝缘质量获得的无气隙绝缘的重要环节和手段，常用的绕组浸渍工艺有沉浸、滴浸、滚浸、真空压力整浸等，烘焙固化有烘箱烘焙和旋转烘焙等。变频电机最好采用真空压力浸渍，有条件的配以旋转烘焙工艺。这种工艺可以驱除气泡，充分填充绕组内部气隙，大大提高了电动机绕组的电气、机械强度，增强耐热、耐污能力。
当然，从系统角度看，在变频器输出端或电机端加滤波器等方法，可有效抑制电机端部过电压，从而延长电机寿命。
变频电机绕组采取上述绝缘措施后，正常使用下，基本可以保证绕组寿命十年以上。
四、交流变频电机绝缘异常损坏机理分析
变频电机绕组损坏，基本是电磁线的损坏。目前典型的现代中小容量变频器一般使用IGBT等功率器件脉宽调制（PWM）技术。为了最大限度地减少输出中的低次谐波分量和改善调速性能，它们都使用了很高的载波频率，与普通工频正弦波不同，IGBT元件PWM调速装置提供的脉冲波具有高耸的尖峰（高电压峰值），波峰具有陡峭的前沿（快速上升时间）加上极高的频率（一般为10KHZ），因此对绝缘产生严重影响。波形图比较如下图：
正弦波与PWM脉冲波比较
产生瞬时脉冲波的原因主要是当一个快速上升的电压从变频器到达电机终端电缆时，由于电机和电缆的阻抗不匹配，产生一个反射波，这个反射波通过电缆返回变频器，并再感应出另一个由于电缆和变频器阻抗不匹配而产生的反射波，这个反射波加在原始电压波上，从而在电压波前产生一个尖峰电压。这一尖峰电压值最大可为额定值的三倍。在此尖峰电压作用下，绕组匝间产生表面局部放电。由于电离作用，在空气隙中又会产生比外加电场更高的电场强度。它会导致局部放电数量增加，最终引起绝缘击穿。快速上升、下降沿脉冲产生电介质加热，加速绝缘老化。在正弦电压下，每单位体积的损耗是：
Ni=εE²ω²τ（εs-ε∞）/（1+ω²τ²）
ε--空气的介电常数
E--外加电场强度
ω--2πƒ
τ--松弛时间常数
假设ωτ<1，则Ni与ω²成正比。如果当作用在电机中的电场强度E超过了绝缘临界值时，其介质损耗将迅速增加。那么如果当频率上升，局部放电将会随之增加，并且产生热量。产生的这些热量会引起更大的漏电电流，从而使Ni增加，电机温升上升，绝缘加速老化。如果电源装置未加任何技术处理手段，考虑谐波量大，dv/dt高的电源特性，为保证电机可靠运行，一定选用特殊绝缘的专用变频电机。
总之，在交流变频电机中正是因为电机绕组内部局部放电、电介质加热、空间电荷感应等因素的共同作用下，引起了绕组线的过早损坏。
总结：综上所述，基于变频调速技术本身的优势能够将其应用在电气工程中，以充分发挥此项技术的作用。为了能够使人们对变频电机在系统中优良运行有更加深入的认识，文章通过现实中设备异常故障分析和解决，对造成绝缘异常损坏机理进行了分析说明，以便将其应用在更多领域中，实际生产表明本设备解决措施完全满足生产控制工艺要求和实际生产使用的需要，性能良好、运行稳定。
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[4]廖国斌. 电控设备故障诊断技术运用与实践.内部资料.2011年.
论文作者:杨震
论文发表刊物:《电力设备》2017年第23期
论文发表时间:2017/12/11
标签：电机论文; 绕组论文; 电压论文; 脉冲论文; 故障论文; 工艺论文; 机理论文; 《电力设备》2017年第23期论文;