東莞電機廠研究與解決電動機老化的問題

        變頻器驅(qū)動電機時，在電機端子加上一個脈寬調(diào)制（PWM）電壓波形，從而在其端子上形成一個近似的正弦波形。以往很少研究過這種電壓波形和電壓值對電動機的影響。假如變頻器會降低電機壽命，則因使用變頻器使運行成本降低帶來的效益就成了疑問。

        在變頻器最初引入工業(yè)應(yīng)用時，因電流脈沖通過軸承而發(fā)生了一系列過早的損壞，某些電動機只運行了1～2年就失效。為此，東莞電機廠采取了一系列的措施，有效地解決了問題。要想全面評定由變頻器產(chǎn)生的電壓脈沖對電動機的影響，現(xiàn)在還為時太早。雖然變頻器并沒影響電機絕緣的短期性能，但它們卻顯著地降低了電機的壽命。事實上，用重復(fù)頻率為10kHz的脈沖來運行電機，將使其絕緣每天經(jīng)受800兆次的脈沖，而一年則為3000億次，這種狀況與用60Hz的交流波驅(qū)動電動機的狀況是很不一樣的。

        同時，各個脈沖的上升時間通常為微秒級，使用MOSFET變頻器時其脈沖更可達0.1微秒。由于電機定子線圈的電感特性，其電壓在一相中的快速上沖并非如它在60Hz交流電壓下那樣均勻分布，而每相的頭幾匝所受的應(yīng)力大于線圈的其它匝。對于1微秒或更短的上升時間，在電動機端子上出現(xiàn)的電壓的80%將集中在頭兩匝上。

        通常，任意纏繞的600V電動機匝絕緣必須承受由電壓脈沖產(chǎn)生的大部分電應(yīng)力。

        在60Hz交流運行下的傳統(tǒng)電機，匝絕緣上的典型電壓為幾伏，最大為幾十伏，產(chǎn)生的電應(yīng)力為200V/cm.相反，同樣額定電壓的由變頻器驅(qū)動的電機，在頭兩匝間的瞬時電壓可高達950V，由此而產(chǎn)生的匝間電應(yīng)力達83kV/cm.如此高的場強可引起嚴(yán)重老化并大大縮短電機壽命。

        這樣的老化機理是局部放電蝕損及由電荷反復(fù)注入到絕緣內(nèi)部引起的機械損傷。還沒有好的快速老化試驗研究可外推出脈沖運行下的預(yù)期壽命。有一些工作報告提出局放的存在和它們的有害效應(yīng)，但這并不表明在局部放電電壓以下的脈沖是無害的。本文提出了另外一個機理：當(dāng)電機在電壓脈沖條件下運行的電荷注入，電荷捕獲，和電荷釋放所引起的匝絕緣的損害。

1、模擬匝絕緣的電應(yīng)力

        由于dv/dt大，當(dāng)額定電壓為575V時，在其線圈的頭兩匝間的電壓可達950V.匝間的瞬時電壓將隨電壓分布而降低，直至最終達到電路的松弛時間特性后可忽略。在圖1中的匝間振蕩（時間為6.8s）將被衰減。對一個多匝繞組線圈電壓分布的測試，顯示了：出現(xiàn)在各匝間的由低壓浪涌引起的脈沖會產(chǎn)生一個起始電壓快速增長，緊跟著持續(xù)1～2s的衰減振蕩信號。匝間電壓脈沖可比在電動機導(dǎo)線上的單個脈沖短10～20s.

        東莞電機廠設(shè)計一個實驗室電力電子線路來提供試樣所需的脈沖特性。將此線路調(diào)到上升時間為0.12s，設(shè)定線路上的輸入電壓為600V.變頻器與試樣間的電纜長度為15m.

        引起的匝間電壓過沖達920V.脈沖寬度約為2.

        重復(fù)率設(shè)定為10kHz.這些脈沖特性與市場上變頻器的最嚴(yán)酷條件相當(dāng)。

2、試樣和試驗

        要想測定整臺電機絕緣的介電變化是很困難的，因此對小試樣進行試驗。事實上如果發(fā)生變化，主要是在一相繞組中的最先幾匝或最后一匝。電介質(zhì)診斷如tan或電容測定表示了整個繞組的響應(yīng)。為了增加電介質(zhì)變化的靈敏度，我們將試驗限制到4個試樣，代表一相繞組的頭兩匝，試樣。

3、介電測試

        用通用無線電橋測量介質(zhì)損耗（tan）和電容，測量是在10Hz～1kHz之間進行的，使用2.5V電壓，這些條件與標(biāo)準(zhǔn)交流匝間電壓的范圍相同。

        2000年絕緣材料通訊第5期張弛電流和電壓是用下述方法測定的：100s內(nèi)對4個試樣分別施加50V直流階躍電壓，跟著短路試樣2s，然后開路試樣導(dǎo)線，在3600s內(nèi)測反轉(zhuǎn)電壓。在極化期間的0.5～100s之間測試吸收電流，此外在1～2s間測定短路電流，所有測試都用KEITHLEY 327型進行。

        用三段程序測試TSC特性，表示了1～3段試驗所用的溫度和電壓。在1b）和3b）段可以監(jiān)測到去極化電流，而在2b）段可監(jiān)測到極化電流（Ipol）。去極化電流通常由局部電荷的釋放引起，它使絕緣回到一個平衡狀態(tài)。這個在1b）中測得的電流可能來自老化過程中注入的電荷。在2b）段注滿空陷井，便測得極化電流。在3b）中，去極化電流是由釋放2b）時所注入而在3a）段凍結(jié)在結(jié)構(gòu)中的電荷而形成的。絕緣老化將影響電子陷井的數(shù)量和深度，后者將在測得的電流中反映出來。

4、介電測試結(jié)果

        電容和tan測試展示了在整個時間內(nèi)的某些變化，但沒有建立電脈沖與暴露時間之間的關(guān)系。在第1階段即加電壓的起始24h內(nèi)，電容和tan減小，該變化在10Hz時比1KHz更大。但對試驗樣品（1#和3#）和對照樣品（2#和4#）的影響是相似的。在經(jīng)歷了這個起始階段后，電容和tan在I段的其余時間幾乎保持不變。在第2階段所有4個試樣在兩種頻率下電容都開始增加。而在10Hz時，由溫度引起的tan的變化較顯著，但不同組之間測試有分散性，因此不可能建立與老化間的關(guān)系。從張弛電流和反轉(zhuǎn)電壓的測試結(jié)果也不能作肯定的解釋。在第1階段，電壓脈沖沒有直接變化。所有試樣在第2階段由熱老化引起的張弛電流顯著減小。

        曲線0～1310h在相1中測定，1353～1725h在相2中測定與前面的診斷相反，TSC測試顯示了與電老化相關(guān)的系統(tǒng)性的演變，所有前節(jié)所述的3個試驗都顯示可觀的變化。試樣1 #在第1階段電老化僅產(chǎn)生微小的變化（在1310h后在150℃測量點測得的電流稍大些）。在120℃加熱的最初43h沒有進一步的變化。對于后面二組測試，試樣均置于50℃下（曲線1395h和1611h），試樣產(chǎn)生的熱激勵電流顯示其介質(zhì)響應(yīng)有顯著的變化，例如在150℃測得的電流比在第1階段整個電老化時測得的電流要大1～2個數(shù)量級。最后，溫度再升到120℃維持114h（曲線的1725h），雖然在150℃引起的TSC電流比先前測得的已經(jīng)減小，但它仍比變化前（曲線的592h）測得的大20多倍。在第1階段無老化，而在第2階段僅熱老化。圖中使用與試樣1#相同的縱坐標(biāo)。在150℃時試樣2 #的電流也比試樣1 #在1725h后測得的小20倍。10根曲線幾乎重疊，因此顯而易見，當(dāng)試樣僅有熱老化時檢測不到變化。

        討論比較3種診斷方法，均系檢測在電機匝絕緣中因脈沖運行而產(chǎn)生的介電變化。認(rèn)為：TSC法較之tan，電容，張弛電流或反轉(zhuǎn)電壓的測試更靈敏。tan和電容測試的主要局限是在一個固定頻率下比任何其它頻率下對變化不靈敏。因此，在大的頻率范圍內(nèi)測量介電張弛譜將更易說明問題，這樣做比分別在兩個頻率下測量更易鑒別由于結(jié)構(gòu)變化而引起的損耗峰的頻率漂移，這種漂移可使在一個頻率下的tan減小，而在另一個頻率下增大。

        在高頻下的介質(zhì)損耗常因偶極子運動變化而致，而低頻損耗機理是鐵離子遷移，界面極化和深的陷井之間的電荷跳躍。雖然tan和電容與電脈沖的變化無相應(yīng)關(guān)系，但在10Hz時所有4個試樣的損耗都增加，而不是在1kHz.這就揭示我們熱老化，甚至在短期熱老化后開始引起一些結(jié)構(gòu)變動。由熱引起的變化也在對所有試樣測試張弛電流時檢測到了。相反，這兩種診斷方法對于用TSC可檢測到的變化卻不靈敏。對此，可能的理由是由電壓脈沖重復(fù)作用造成的損壞類型可產(chǎn)生特征響應(yīng)時間的損害，這與熱老化引起的變化很不一樣。前面二種診斷方法對于熱老化引起的結(jié)構(gòu)變化比之TSC法更靈敏，這些變化很可能不影響絕緣的長期運行特性，因為它們是H級的。

        相反，TSC測量對于由熱電聯(lián)合老化引起的電介質(zhì)變化則更為靈敏。而這些變化用前兩種方法不能檢測出來。用TSC檢測到的變化可能是比較危險的，因為它們與脈沖電壓的存在有關(guān)。在室溫下試樣經(jīng)受電脈沖的短期老化時間后，TSC顯示無顯著變化。而在2段僅暴露于熱老化的試樣2#在其TSC譜上也無任何變化。這表明，要引起用TSC可檢測到的絕緣結(jié)構(gòu)的變化必須有復(fù)合應(yīng)力。較大的TSC電流可能與在老化的絕緣中找到較多的電子陷井?dāng)?shù)有關(guān)。然而不能建立測得的TSC電流值與總暴露時間的關(guān)系。這是由于有限的老化時間包括了電和熱的應(yīng)力，想知道在整個時間內(nèi)匝絕緣怎樣劣化，熱和電壓怎樣組合才比較危險還為時太早。

        電測量已顯示，經(jīng)受電脈沖（與變頻器產(chǎn)生的脈沖相似）的匝絕緣，暴露于較高溫度時，會引起結(jié)構(gòu)變化。這種變化甚至在低于放電起始電壓下就能產(chǎn)生。要想知道這些變化有多危險以及它們怎樣影響絕緣壽命還為時太早。這4個試樣還在試驗之中。本課題的下一步將在不同電壓（低于和高于放電起始電壓）水平下進行多個老化試樣的試驗，以測定匝絕緣的壽命曲線。