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变频电机绝缘系统的优势
作者:山东西子电机 发布日期:2019-07-19 05:58

  

  
  
变频(frequency conversion)马达采用“专用变频感应电动机+变频器”的交流调速方式,正在以其卓越的性能和经济性,在调速领域,引导了一场取代传统调速方式的更新换代的变革。它给各行各业带来的福音在于:使机械自动化程度和生产效率(efficiency)大为提高、节约能源(解释:向自然界提供能量转化的物质)、提高产品合格率及产品质量、电源系统容量相应提高、设备小型化、增加舒适性,正以很快的速度取代传统的机械调速和直流调速方案。下面我们一起来了解一下变频电机绝缘系统的优势。
对于变频电机来说,输入电压及电流(Electron flow)不再是具有恒定频率的正弦波,而是以非正弦波形式供电。电压中除基波电压外还会有许多谐波分量,而且还会有旁频分量存在,匝间和主绝缘(insulated)频频受到冲击电压作用,对电机的主绝缘和匝间绝缘必须加强。因此,加强电机定子匝间绝缘是关键之一。
  另一关键是减少绕组内部气隙。

因为气隙可造成局部放电,使绕组电气性能下降,减少绕组的寿命。因此,变频(frequency conversion)调速电机安全运行的关键在于绝缘材料(合成树脂)的选择和绝缘结构设计,而绝缘材料选择的重点在于绕组线的选择和浸渍树脂的选择;绝缘结构设汁重点在于结构的合理性和工艺的实施。变频电机绝缘系统的特点就在于它的电子定量匝间与绕组内部气隙这两个关键点,合理的实施是变频电机性能提高的重点。变频电机绝缘系统失效机理:
当前变频(frequency conversion)驱动电源,基本采用IGBT技术,其功率范围0.75-1000KW。IGBT技术可以提供上升时间极短的电涌,其上升时间约20-100μs,开关频率高达20KHZ。

  一、局部放电是造成变频电机绝缘过早破坏的主要原因。高压电动机梭型线圈绕制后,用收缩带,黄蜡绸带等绝缘材料包扎,目的是:保护线圈外绝缘、层间绝缘、匝间绝缘不至于损坏。在拉型机时免受模具夹具、鼻端销钉等摩擦,防止松动变形。
变频电源系统工作时所产生的脉冲高频电压使电机机发生电晕,引起局部放电、介质(起决定作用的物质)发热、导致有机高分广绝缘材料裂解,进而导致变频电机绝缘损坏。
具体来讲,变频调速系统是由变频器(Variable-frequency Drive)、电缆和电机组成的。变频器的核心控制部件有BJT(双极晶体管)、IGBT(绝缘栅)等多种类型,其中IGBT具有驱动简单、易于保护和高速开关等优点。IGBT的高开关速度建立在快导通和快关断的基础上,最高可达30一4okHz,正常工作情况下为20kHz。变频器的输出波形是具有陡上升沿和陡下降沿(0.1一0.51AS)的脉冲波,正是由于这种脉冲电压不同于工频正弦电压,从而对变频电机绝缘的工作环境造成了一系列的影响。
当变频(frequency conversion)器将工频正弦波转化成脉冲波以后,该列脉冲波从变频器通过电缆传到电机的接线端,由于电缆与电机之间的阻抗不匹配将产生反射波。高压电动机梭型线圈绕制后,用收缩带,黄蜡绸带等绝缘材料包扎,目的是:保护线圈外绝缘、层间绝缘、匝间绝缘不至于损坏。在拉型机时免受模具夹具、鼻端销钉等摩擦,防止松动变形。反射波反馈又产生二次反射,二次反射波与原始(Original)脉冲电压波叠加,当叠加的脉冲电压传输到电机时,就会产生一个尖峰电压。尖峰电压的大小取决于电缆的长度和脉冲电压的上升沿时间。通常电缆长度夕加时,电线两端都产生过电压,电机端的过电压幅值随电缆长度增加而增加。
当变倾电机的绝缘线圈中通过脉冲电流(Electron flow)时,短上升沿时间的脉冲波引起电压在线圈中的分布不均。在模拟(定义:对真实事物或者过程的虚拟)电动机定子绕组上进行了电压波形的测量,表明在电动机定子绕组的首端几匝上承担了约80%过电压幅值,这样绕组首匝处承受的匝间电压超过工频交流电压条件下平均匝间电压的10倍以,虽然仍远低于绝缘的击穿电压(变频导线可耐受工频电压13000V),但是已经超过了局部放电起始电压。可见局部放电是造成变频电机绝缘过早破坏的主要原因,而介质损耗发热、空间电荷(electric charge)、电磁激振以及振动等多种因素的存在加速了材料的老化过程。

  二、马达本身绝缘设计原因
工频正弦电机的绝缘(insulated)设计理论不能完全适用于交流变频(frequency conversion)调速电机。因此在设计交流变频电机绝缘结构时,变频电机的绝缘性能不仅要能满足传统意义上的抗热老化、抗电老化要求,还要满足耐高频脉冲、耐局部放电的要求。

  三、频繁起停影响绝缘寿命
当电机工作于频繁的起动、制动状态时,电机绝缘(insulated)经常处于循环交变电磁应力作用中。起动、制动时间越短、越频繁,受到的冲击力越大,绝缘被击穿的机率就越高。
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