曹建文

（山西天地礦山技術(shù)裝備有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

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)得到了不斷的完善和提高，逐步完善的變頻器以其良好的輸出波形、優(yōu)異的性能價(jià)格比在煤礦傳動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，尤其在短壁采煤設(shè)備上，例如連續(xù)采煤機(jī)、梭車和鏟車，交流變頻牽引完全取代了原來的直流牽引，并取得了良好效果。

在交流變頻牽引短壁設(shè)備的推廣應(yīng)用過程中，曾出現(xiàn)1140V/50kW 一批交流變頻調(diào)速電動(dòng)機(jī)絕緣早期損壞的情況，交流變頻電機(jī)運(yùn)行的壽命只有半年，有的只有幾個(gè)星期，甚至在試運(yùn)行中電機(jī)絕緣就出現(xiàn)損壞，而且通常發(fā)生在匝間絕緣，這給電機(jī)絕緣技術(shù)提出了新的課題。實(shí)踐證明，工頻正弦波電壓下的電機(jī)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，建立交流變頻電機(jī)絕緣設(shè)計(jì)的基本理論，制定交流變頻電機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

1 變頻電機(jī)絕緣提早失效的機(jī)理

1.1 變頻電機(jī)絕緣過早破壞的原因

變頻牽引電機(jī)絕緣過早破壞是由于熱、空間電荷和局部放電造成的。由于變頻器的輸出方波脈沖的上升沿很陡，在IGBT 器件開關(guān)頻率下，電壓上升速率DV/DT達(dá)6000V/μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于工頻正弦 電 機(jī) 的 0.15V/μs。 Bellomo、Narang、Guardado 在模 擬 電 動(dòng)機(jī)定子繞組上進(jìn)行了電壓波形的測量、分析和仿真，表明在電動(dòng)機(jī)定子繞組的首端幾匝上承擔(dān)了約80%過電壓幅值，這

樣繞組首匝處承受的匝間電壓超過平均匝間電壓10 倍以上，再加上由于電動(dòng)機(jī)與電纜的阻抗不匹配而產(chǎn)生折射和反射，反射波和折射波使電動(dòng)機(jī)端子上產(chǎn)生了約2倍的尖峰過電壓，由此可見，繞組首匝處承受的匝間電壓超過常規(guī)匝間電壓值的20 倍以上。

圖1 匝間絕緣失效的牽引電機(jī)

圖2 牽引電機(jī)端的實(shí)測電壓波形

圖3 IGBT 開關(guān)時(shí)牽引電機(jī)端的尖峰電壓波形

從圖2 和圖3 可以得知，電機(jī)端所承受的實(shí)際電壓并不是標(biāo)準(zhǔn)的PWM 波形，而是疊加了許多高頻尖峰電壓的脈沖波形，其最高值約 3400V，上升時(shí)間約0.83μs， dv/dt 大約4110V/μs。 主要原因是PWM 波在傳輸過程中遇到電纜與電機(jī)端子連接點(diǎn)（這個(gè)波阻抗突變節(jié)點(diǎn)），在電機(jī)端會產(chǎn)生PWM 波的折射與反射。假設(shè)其脈沖幅值為u，在電纜中傳播的時(shí)間為tc，由變頻器到達(dá)牽引電機(jī)，電纜末端反射電壓峰值為uβ，β是波在變頻牽引電機(jī)端的反射系數(shù)，反射波到達(dá)變頻器器端發(fā)生第二次反射，電壓峰值為αβu，α是波在變頻器端的反射系數(shù)，變頻器電容在高頻下呈短路狀態(tài)，阻抗近似為零， 反射系數(shù)α約等于-1。同理，經(jīng)過時(shí)間3tc，在變頻牽引電機(jī)端波將再次發(fā)生反射，反射電壓峰值為αβ2u；再經(jīng)過時(shí)間tc，電壓波再一次入射至變頻器，反射后電壓峰值為α2β2u。當(dāng)在變頻牽引電機(jī)端發(fā)生 n 次反射后， 即當(dāng)（2n-1）tc≤t＜（2n+1）tc時(shí)， 變頻牽引電機(jī)端電壓為：，由于｜αβ｜＜1，所以，變頻牽引電機(jī)端子過電壓是一個(gè)振蕩衰減的電壓波，如圖4所示，其周期為：。其中：L—電纜長度；tc—PWM 波在電纜中的傳播速度；l0和c0為單位長度電纜的電感和電容。

圖4 IGBT 開通關(guān)斷的震蕩波形

正是由于IGBT 開 通 關(guān) 斷時(shí) 產(chǎn)生的高頻尖峰電壓，在繞組首匝附近的匝間絕緣產(chǎn)生尖峰過電壓的沖擊，這是變頻電機(jī)通常發(fā)生繞組局部絕緣擊穿，特別是繞組首匝附近的匝間絕緣擊穿的原因。同時(shí)電壓波形的形狀、極性的差異，對匝間絕緣的老化和破壞也起到了重要作用。

繞組局部絕緣擊穿與絕緣內(nèi)部的局部放電（或電暈）有很大的關(guān)系，當(dāng)繞組匝間電壓超過其起始放電電壓，則在匝間發(fā)生局部放電。由于變頻器的開關(guān)頻率一般都在數(shù)kHz 到數(shù)幾十kHz 范圍內(nèi)，變頻器幾個(gè)小時(shí)產(chǎn)生的脈沖沖擊數(shù)相當(dāng)于傳統(tǒng)正弦電壓下約30年的沖擊數(shù)（如斷路器產(chǎn)生的脈沖）。這樣長期重復(fù)性的局部放電作用，必然加速絕緣的老化，最終導(dǎo)致電機(jī)的損壞。而且脈沖頻率越高，幅值越大，則電機(jī)絕緣壽命越短。如當(dāng)電機(jī)在最高脈沖頻率（20kHz），最短上升時(shí)間（0.1μs）和在155℃的條件下，電壓幅值為1kV時(shí)，由于局部放電的作用，電機(jī)壽命只有幾個(gè)小時(shí)。

1.2 局部放電加速變頻調(diào)速電機(jī)絕緣過早失效

在變頻電機(jī)的生產(chǎn)過程中，盡管采用了耐電暈的電磁線和較先進(jìn)的真空壓力浸漆工藝（VIP）。仍不可完全避免在電磁線絕緣交界處產(chǎn)生氣泡或氣隙。因?yàn)闅怏w的介電常數(shù)很小，在交變電場中，電場強(qiáng)度與介電常數(shù)成反比，所以氣泡中的電場強(qiáng)度要比周圍介質(zhì)中高得多，而氣體擊穿場強(qiáng)一般比液體或固體低得多，因而很容易在氣泡中首先出現(xiàn)放電。氣泡在較高的非均勻電場強(qiáng)度下產(chǎn)生 “電子雪崩”，出現(xiàn)大量的自由電子，這些電子在電場力的作用下做加速運(yùn)動(dòng)并獲得能量，當(dāng)這些電子具有的能量與C-H，C=C 或C-C 鍵的鍵能相同或相近時(shí)，就可以打破這些鍵，從而破壞絕緣材料的結(jié)構(gòu)。同時(shí)電暈放電可以產(chǎn)生氧的等離子體，氧的等離子體一方面生成以臭氧為代表的具有強(qiáng)氧化能力的物質(zhì)，可以氧化有機(jī)物電介質(zhì)，另一方面直接攻擊高分子中的C-H，C=C或C-C 等化學(xué)鍵，從而造成高分子的分解。Kaufold 等人在模擬變頻電機(jī)的運(yùn)行條件下，改變電壓、頻率、溫度、脈沖電壓波形等條件，對聚酰亞胺為絕緣層的電磁線進(jìn)行測試，并對絕緣材料的破壞時(shí)間和局部放電的發(fā)生機(jī)率進(jìn)行了分析，認(rèn)為變頻電機(jī)匝絕緣的擊穿主要是局部放電作用的結(jié)果，其證據(jù)為存在局部放電時(shí)，介質(zhì)在短時(shí)間內(nèi)就被擊穿，而不存在局部放電時(shí)，即使在很高的電應(yīng)力和熱應(yīng)力下，介質(zhì)老化兩年以上也沒有出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象。局部放電對介質(zhì)的破壞作用主要包括三個(gè)方面，化學(xué)腐蝕、局部高溫和高能離子轟擊。變頻電機(jī)匝絕緣的破壞過程如圖5所示。

圖5 局部放電對絕緣破壞的機(jī)理

2 解決方法

針對尖峰電壓產(chǎn)生局部放電，局部放電致使絕緣提早失效的機(jī)理，采取了兩種措施有效地提高了牽引電機(jī)的絕緣壽命。

（1）在變頻器輸出端安裝正弦波濾波器，它是特殊設(shè)計(jì)的一種低通濾波器，濾除高頻部分使輸出成為正弦波電壓，其缺點(diǎn)是發(fā)熱量大，且有電壓損失。輸出波形見圖6，其波形的正弦度已很好，能滿足普通工頻電機(jī)絕緣的要求。

（2）加裝DV/DT 抑制器，其實(shí)質(zhì)是一個(gè)阻容吸收器，通過電阻和電容的參數(shù)相配合，將PWM 波的電壓尖峰吸收掉，降低DV/DT 指標(biāo)，具體波形見圖7，PWM 波的折射和發(fā)射現(xiàn)象已完全消除，dv/dt已降到163V/μs，基本上滿足了變頻電機(jī)的要求。

圖6 正弦波濾波器的輸出電壓波形

圖7 增加DV/DT抑制器后，IGBT開關(guān)時(shí)牽引電機(jī)電壓波形

3 總結(jié)

針對一批變頻牽引電機(jī)絕緣提早失效的現(xiàn)象，進(jìn)行了現(xiàn)場拆解，并對絕緣損傷的原因進(jìn)行了分析，得出的如下結(jié)論：IGBT開通時(shí)間在us級別，電機(jī)端存在PWM波發(fā)射現(xiàn)象，繞組匝間出現(xiàn)高頻尖峰電壓，過高的尖峰電壓和氣息導(dǎo)致了局部放電，局部放電最終加速了絕緣提早失效。同時(shí)文章給出了相應(yīng)的解決方案。