東莞電機(jī)廠研究與解決電動(dòng)機(jī)老化的問(wèn)題

        變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，在電機(jī)端子加上一個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）電壓波形，從而在其端子上形成一個(gè)近似的正弦波形。以往很少研究過(guò)這種電壓波形和電壓值對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響。假如變頻器會(huì)降低電機(jī)壽命，則因使用變頻器使運(yùn)行成本降低帶來(lái)的效益就成了疑問(wèn)。

        在變頻器最初引入工業(yè)應(yīng)用時(shí)，因電流脈沖通過(guò)軸承而發(fā)生了一系列過(guò)早的損壞，某些電動(dòng)機(jī)只運(yùn)行了1～2年就失效。為此，東莞電機(jī)廠采取了一系列的措施，有效地解決了問(wèn)題。要想全面評(píng)定由變頻器產(chǎn)生的電壓脈沖對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響，現(xiàn)在還為時(shí)太早。雖然變頻器并沒(méi)影響電機(jī)絕緣的短期性能，但它們卻顯著地降低了電機(jī)的壽命。事實(shí)上，用重復(fù)頻率為10kHz的脈沖來(lái)運(yùn)行電機(jī)，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(dòng)電動(dòng)機(jī)的狀況是很不一樣的。

        同時(shí)，各個(gè)脈沖的上升時(shí)間通常為微秒級(jí)，使用MOSFET變頻器時(shí)其脈沖更可達(dá)0.1微秒。由于電機(jī)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(duì)于1微秒或更短的上升時(shí)間，在電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(yùn)行下的傳統(tǒng)電機(jī)，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(dòng)的電機(jī)，在頭兩匝間的瞬時(shí)電壓可高達(dá)950V，由此而產(chǎn)生的匝間電應(yīng)力達(dá)83kV/cm.如此高的場(chǎng)強(qiáng)可引起嚴(yán)重老化并大大縮短電機(jī)壽命。

        這樣的老化機(jī)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(jī)械損傷。還沒(méi)有好的快速老化試驗(yàn)研究可外推出脈沖運(yùn)行下的預(yù)期壽命。有一些工作報(bào)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(wú)害的。本文提出了另外一個(gè)機(jī)理：當(dāng)電機(jī)在電壓脈沖條件下運(yùn)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(shí)，在其線圈的頭兩匝間的電壓可達(dá)950V.匝間的瞬時(shí)電壓將隨電壓分布而降低，直至最終達(dá)到電路的松弛時(shí)間特性后可忽略。在圖1中的匝間振蕩（時(shí)間為6.8s）將被衰減。對(duì)一個(gè)多匝繞組線圈電壓分布的測(cè)試，顯示了：出現(xiàn)在各匝間的由低壓浪涌引起的脈沖會(huì)產(chǎn)生一個(gè)起始電壓快速增長(zhǎng)，緊跟著持續(xù)1～2s的衰減振蕩信號(hào)。匝間電壓脈沖可比在電動(dòng)機(jī)導(dǎo)線上的單個(gè)脈沖短10～20s.

        東莞電機(jī)廠設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室電力電子線路來(lái)提供試樣所需的脈沖特性。將此線路調(diào)到上升時(shí)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(zhǎng)度為15m.

        引起的匝間電壓過(guò)沖達(dá)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(chǎng)上變頻器的最嚴(yán)酷條件相當(dāng)。

2、試樣和試驗(yàn)

        要想測(cè)定整臺(tái)電機(jī)絕緣的介電變化是很困難的，因此對(duì)小試樣進(jìn)行試驗(yàn)。事實(shí)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(cè)定表示了整個(gè)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(yàn)限制到4個(gè)試樣，代表一相繞組的頭兩匝，試樣。

3、介電測(cè)試

        用通用無(wú)線電橋測(cè)量介質(zhì)損耗（tan）和電容，測(cè)量是在10Hz～1kHz之間進(jìn)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(cè)定的：100s內(nèi)對(duì)4個(gè)試樣分別施加50V直流階躍電壓，跟著短路試樣2s，然后開(kāi)路試樣導(dǎo)線，在3600s內(nèi)測(cè)反轉(zhuǎn)電壓。在極化期間的0.5～100s之間測(cè)試吸收電流，此外在1～2s間測(cè)定短路電流，所有測(cè)試都用KEITHLEY 327型進(jìn)行。

        用三段程序測(cè)試TSC特性，表示了1～3段試驗(yàn)所用的溫度和電壓。在1b）和3b）段可以監(jiān)測(cè)到去極化電流，而在2b）段可監(jiān)測(cè)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(gè)平衡狀態(tài)。這個(gè)在1b）中測(cè)得的電流可能來(lái)自老化過(guò)程中注入的電荷。在2b）段注滿空陷井，便測(cè)得極化電流。在3b）中，去極化電流是由釋放2b）時(shí)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(cè)得的電流中反映出來(lái)。

4、介電測(cè)試結(jié)果

        電容和tan測(cè)試展示了在整個(gè)時(shí)間內(nèi)的某些變化，但沒(méi)有建立電脈沖與暴露時(shí)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(shí)比1KHz更大。但對(duì)試驗(yàn)樣品（1#和3#）和對(duì)照樣品（2#和4#）的影響是相似的。在經(jīng)歷了這個(gè)起始階段后，電容和tan在I段的其余時(shí)間幾乎保持不變。在第2階段所有4個(gè)試樣在兩種頻率下電容都開(kāi)始增加。而在10Hz時(shí)，由溫度引起的tan的變化較顯著，但不同組之間測(cè)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(cè)試結(jié)果也不能作肯定的解釋。在第1階段，電壓脈沖沒(méi)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(cè)定，1353～1725h在相2中測(cè)定與前面的診斷相反，TSC測(cè)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(gè)試驗(yàn)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(cè)量點(diǎn)測(cè)得的電流稍大些）。在120℃加熱的最初43h沒(méi)有進(jìn)一步的變化。對(duì)于后面二組測(cè)試，試樣均置于50℃下（曲線1395h和1611h），試樣產(chǎn)生的熱激勵(lì)電流顯示其介質(zhì)響應(yīng)有顯著的變化，例如在150℃測(cè)得的電流比在第1階段整個(gè)電老化時(shí)測(cè)得的電流要大1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。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(cè)得的已經(jīng)減小，但它仍比變化前（曲線的592h）測(cè)得的大20多倍。在第1階段無(wú)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(shí)試樣2 #的電流也比試樣1 #在1725h后測(cè)得的小20倍。10根曲線幾乎重疊，因此顯而易見(jiàn)，當(dāng)試樣僅有熱老化時(shí)檢測(cè)不到變化。

        討論比較3種診斷方法，均系檢測(cè)在電機(jī)匝絕緣中因脈沖運(yùn)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(cè)試更靈敏。tan和電容測(cè)試的主要局限是在一個(gè)固定頻率下比任何其它頻率下對(duì)變化不靈敏。因此，在大的頻率范圍內(nèi)測(cè)量介電張弛譜將更易說(shuō)明問(wèn)題，這樣做比分別在兩個(gè)頻率下測(cè)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(gè)頻率下的tan減小，而在另一個(gè)頻率下增大。

        在高頻下的介質(zhì)損耗常因偶極子運(yùn)動(dòng)變化而致，而低頻損耗機(jī)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(wú)相應(yīng)關(guān)系，但在10Hz時(shí)所有4個(gè)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(kāi)始引起一些結(jié)構(gòu)變動(dòng)。由熱引起的變化也在對(duì)所有試樣測(cè)試張弛電流時(shí)檢測(cè)到了。相反，這兩種診斷方法對(duì)于用TSC可檢測(cè)到的變化卻不靈敏。對(duì)此，可能的理由是由電壓脈沖重復(fù)作用造成的損壞類(lèi)型可產(chǎn)生特征響應(yīng)時(shí)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(duì)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(zhǎng)期運(yùn)行特性，因?yàn)樗鼈兪荋級(jí)的。

        相反，TSC測(cè)量對(duì)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(cè)出來(lái)。用TSC檢測(cè)到的變化可能是比較危險(xiǎn)的，因?yàn)樗鼈兣c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(shí)間后，TSC顯示無(wú)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(wú)任何變化。這表明，要引起用TSC可檢測(cè)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(cè)得的TSC電流值與總暴露時(shí)間的關(guān)系。這是由于有限的老化時(shí)間包括了電和熱的應(yīng)力，想知道在整個(gè)時(shí)間內(nèi)匝絕緣怎樣劣化，熱和電壓怎樣組合才比較危險(xiǎn)還為時(shí)太早。

        電測(cè)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(shí)，會(huì)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(xiǎn)以及它們?cè)鯓佑绊懡^緣壽命還為時(shí)太早。這4個(gè)試樣還在試驗(yàn)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(jìn)行多個(gè)老化試樣的試驗(yàn)，以測(cè)定匝絕緣的壽命曲線。