东莞电机厂研究与解决电动机老化的问题

        变频器驱动电机时，在电机端子加上一个脉宽调制（PWM）电压波形，从而在其端子上形成一个近似的正弦波形。以往很少研究过这种电压波形和电压值对电动机的影响。假如变频器会降低电机寿命，则因使用变频器使运行成本降低带来的效益就成了疑问。

        在变频器最初引入工业应用时，因电流脉冲通过轴承而发生了一系列过早的损坏，某些电动机只运行了1～2年就失效。为此，东莞电机厂采取了一系列的措施，有效地解决了问题。要想全面评定由变频器产生的电压脉冲对电动机的影响，现在还为时太早。虽然变频器并没影响电机绝缘的短期性能，但它们却显着地降低了电机的寿命。事实上，用重复频率为10kHz的脉冲来运行电机，将使其绝缘每天经受800兆次的脉冲，而一年则为3000亿次，这种状况与用60Hz的交流波驱动电动机的状况是很不一样的。

        同时，各个脉冲的上升时间通常为微秒级，使用MOSFET变频器时其脉冲更可达0.1微秒。由于电机定子线圈的电感特性，其电压在一相中的快速上冲并非如它在60Hz交流电压下那样均匀分布，而每相的头几匝所受的应力大于线圈的其它匝。对于1微秒或更短的上升时间，在电动机端子上出现的电压的80%将集中在头两匝上。

        通常，任意缠绕的600V电动机匝绝缘必须承受由电压脉冲产生的大部分电应力。

        在60Hz交流运行下的传统电机，匝绝缘上的典型电压为几伏，最大为几十伏，产生的电应力为200V/cm.相反，同样额定电压的由变频器驱动的电机，在头两匝间的瞬时电压可高达950V，由此而产生的匝间电应力达83kV/cm.如此高的场强可引起严重老化并大大缩短电机寿命。

        这样的老化机理是局部放电蚀损及由电荷反复注入到绝缘内部引起的机械损伤。还没有好的快速老化试验研究可外推出脉冲运行下的预期寿命。有一些工作报告提出局放的存在和它们的有害效应，但这并不表明在局部放电电压以下的脉冲是无害的。本文提出了另外一个机理：当电机在电压脉冲条件下运行的电荷注入，电荷捕获，和电荷释放所引起的匝绝缘的损害。

1、模拟匝绝缘的电应力

        由于dv/dt大，当额定电压为575V时，在其线圈的头两匝间的电压可达950V.匝间的瞬时电压将随电压分布而降低，直至最终达到电路的松弛时间特性后可忽略。在图1中的匝间振荡（时间为6.8s）将被衰减。对一个多匝绕组线圈电压分布的测试，显示了：出现在各匝间的由低压浪涌引起的脉冲会产生一个起始电压快速增长，紧跟着持续1～2s的衰减振荡信号。匝间电压脉冲可比在电动机导线上的单个脉冲短10～20s.

        东莞电机厂设计一个实验室电力电子线路来提供试样所需的脉冲特性。将此线路调到上升时间为0.12s，设定线路上的输入电压为600V.变频器与试样间的电缆长度为15m.

        引起的匝间电压过冲达920V.脉冲宽度约为2.

        重复率设定为10kHz.这些脉冲特性与市场上变频器的最严酷条件相当。

2、试样和试验

        要想测定整台电机绝缘的介电变化是很困难的，因此对小试样进行试验。事实上如果发生变化，主要是在一相绕组中的最先几匝或最后一匝。电介质诊断如tan或电容测定表示了整个绕组的响应。为了增加电介质变化的灵敏度，我们将试验限制到4个试样，代表一相绕组的头两匝，试样。

3、介电测试

        用通用无线电桥测量介质损耗（tan）和电容，测量是在10Hz～1kHz之间进行的，使用2.5V电压，这些条件与标准交流匝间电压的范围相同。

        2000年绝缘材料通讯第5期张弛电流和电压是用下述方法测定的：100s内对4个试样分别施加50V直流阶跃电压，跟着短路试样2s，然后开路试样导线，在3600s内测反转电压。在极化期间的0.5～100s之间测试吸收电流，此外在1～2s间测定短路电流，所有测试都用KEITHLEY 327型进行。

        用三段程序测试TSC特性，表示了1～3段试验所用的温度和电压。在1b）和3b）段可以监测到去极化电流，而在2b）段可监测到极化电流（Ipol）。去极化电流通常由局部电荷的释放引起，它使绝缘回到一个平衡状态。这个在1b）中测得的电流可能来自老化过程中注入的电荷。在2b）段注满空陷井，便测得极化电流。在3b）中，去极化电流是由释放2b）时所注入而在3a）段冻结在结构中的电荷而形成的。绝缘老化将影响电子陷井的数量和深度，后者将在测得的电流中反映出来。

4、介电测试结果

        电容和tan测试展示了在整个时间内的某些变化，但没有建立电脉冲与暴露时间之间的关系。在第1阶段即加电压的起始24h内，电容和tan减小，该变化在10Hz时比1KHz更大。但对试验样品（1#和3#）和对照样品（2#和4#）的影响是相似的。在经历了这个起始阶段后，电容和tan在I段的其余时间几乎保持不变。在第2阶段所有4个试样在两种频率下电容都开始增加。而在10Hz时，由温度引起的tan的变化较显着，但不同组之间测试有分散性，因此不可能建立与老化间的关系。从张弛电流和反转电压的测试结果也不能作肯定的解释。在第1阶段，电压脉冲没有直接变化。所有试样在第2阶段由热老化引起的张弛电流显着减小。

        曲线0～1310h在相1中测定，1353～1725h在相2中测定与前面的诊断相反，TSC测试显示了与电老化相关的系统性的演变，所有前节所述的3个试验都显示可观的变化。试样1 #在第1阶段电老化仅产生微小的变化（在1310h后在150℃测量点测得的电流稍大些）。在120℃加热的最初43h没有进一步的变化。对于后面二组测试，试样均置于50℃下（曲线1395h和1611h），试样产生的热激励电流显示其介质响应有显着的变化，例如在150℃测得的电流比在第1阶段整个电老化时测得的电流要大1～2个数量级。最后，温度再升到120℃维持114h（曲线的1725h），虽然在150℃引起的TSC电流比先前测得的已经减小，但它仍比变化前（曲线的592h）测得的大20多倍。在第1阶段无老化，而在第2阶段仅热老化。图中使用与试样1#相同的纵坐标。在150℃时试样2 #的电流也比试样1 #在1725h后测得的小20倍。10根曲线几乎重叠，因此显而易见，当试样仅有热老化时检测不到变化。

        讨论比较3种诊断方法，均系检测在电机匝绝缘中因脉冲运行而产生的介电变化。认为：TSC法较之tan，电容，张弛电流或反转电压的测试更灵敏。tan和电容测试的主要局限是在一个固定频率下比任何其它频率下对变化不灵敏。因此，在大的频率范围内测量介电张弛谱将更易说明问题，这样做比分别在两个频率下测量更易鉴别由于结构变化而引起的损耗峰的频率漂移，这种漂移可使在一个频率下的tan减小，而在另一个频率下增大。

        在高频下的介质损耗常因偶极子运动变化而致，而低频损耗机理是铁离子迁移，界面极化和深的陷井之间的电荷跳跃。虽然tan和电容与电脉冲的变化无相应关系，但在10Hz时所有4个试样的损耗都增加，而不是在1kHz.这就揭示我们热老化，甚至在短期热老化后开始引起一些结构变动。由热引起的变化也在对所有试样测试张弛电流时检测到了。相反，这两种诊断方法对于用TSC可检测到的变化却不灵敏。对此，可能的理由是由电压脉冲重复作用造成的损坏类型可产生特征响应时间的损害，这与热老化引起的变化很不一样。前面二种诊断方法对于热老化引起的结构变化比之TSC法更灵敏，这些变化很可能不影响绝缘的长期运行特性，因为它们是H级的。

        相反，TSC测量对于由热电联合老化引起的电介质变化则更为灵敏。而这些变化用前两种方法不能检测出来。用TSC检测到的变化可能是比较危险的，因为它们与脉冲电压的存在有关。在室温下试样经受电脉冲的短期老化时间后，TSC显示无显着变化。而在2段仅暴露于热老化的试样2#在其TSC谱上也无任何变化。这表明，要引起用TSC可检测到的绝缘结构的变化必须有复合应力。较大的TSC电流可能与在老化的绝缘中找到较多的电子陷井数有关。然而不能建立测得的TSC电流值与总暴露时间的关系。这是由于有限的老化时间包括了电和热的应力，想知道在整个时间内匝绝缘怎样劣化，热和电压怎样组合才比较危险还为时太早。

        电测量已显示，经受电脉冲（与变频器产生的脉冲相似）的匝绝缘，暴露于较高温度时，会引起结构变化。这种变化甚至在低于放电起始电压下就能产生。要想知道这些变化有多危险以及它们怎样影响绝缘寿命还为时太早。这4个试样还在试验之中。本课题的下一步将在不同电压（低于和高于放电起始电压）水平下进行多个老化试样的试验，以测定匝绝缘的寿命曲线。