我廠於80年代末期即開始研製開發交流變頻電機。2023年ytsp交流變頻電機即通過上級部門組織的鑑定，投入批量生產。為了解決變頻電機的絕緣問題，2023年9月上海市科委正式下達專案，由上海交通大學和我廠共同進行了「變頻電機絕緣技術關鍵問題的研究」。
本文主要敘述我廠在交流變頻電機的研究、開發、製造，特別是2023年以來，我廠在交流變頻電機的絕緣方面所進行的試驗和應用工作。
1 變頻電機絕緣的損壞機理
1.1 電磁線的損壞
(1) 區域性放電和空間電荷。目前，變頻調速交流電機均採用igbt(insulated gate bipoler transistors 絕緣柵二極體)技術pwm(pulse width modulation 脈寬調變)變頻器控制。其功率範圍大約是0.
75－500 kw。igbt技術可以是提供上公升時間極短的電湧，其上公升時間是20－100 s，所產生的電脈衝有極高的開關頻率。達到20 khz。
當乙個快速上公升沿電壓從變頻器導電機終端電纜時，由於電機和電纜的阻抗不匹配，產生乙個反射電壓波。這個反射波返回變頻器，並在感應出另乙個由於電纜和變頻器阻抗不匹配而產生的反射波加在原始電壓波上，從而在電壓波前沿產生乙個尖鋒電壓（見圖1所示）。尖鋒電壓的量級取決於脈衝電壓的上公升時間和電纜的長度。
通常電纜長度增加時，電纜兩端都產生電壓。電機端的過電壓幅值隨電纜長度增加而增加，並趨於飽和。而電源端的過電壓比電機端的過電壓小，並幾乎與電纜長度無關。
試驗證明，過電壓開始產生於電壓上公升沿和下降沿處，並發生衰減振盪，其衰減服從於指數規律，振盪週期隨電纜長度而增加。
對pwm驅動脈衝波形有二種頻率，其一是開關頻率，它表示脈衝速度。尖鋒電壓的重複頻率與開關頻率成正比。另乙個是基本頻率，直接控制電機的轉速。
在每乙個基本頻率開始時，脈衝極性從正到負或從負到。所以，在這一時刻，電機絕緣承受著乙個由二倍於尖鋒電壓值的全幅電壓。另外，在乙個散嵌繞組的三相電機中，相鄰二匝可能會分屬不同的相，由於在二個相鄰二匝種的電壓極性可能會不同，全幅電壓的躍變也有可能達到二倍於單個尖鋒電壓值。
根據測試在電機端看pwm變頻器輸出的電壓波形、在乙個380/480 v 系統中，測得的尖鋒電壓值為1.2－1.5 kv ,而在576/600 v 的交流系統中，測得的尖鋒電壓值為1.
6－1.8 kv。非常明顯，在此全副電壓作用下，繞組匝間產生表面區域性放電。
由於電離作用，在空氣縫中又會產生空間電荷，從而形成乙個與外加電場反向的感應電場。當電壓極性改變時，這個反向電場與外加電場方向一致。這樣，乙個更高的電場產生，它會導致區域性放電的數量增加，最終引起穿擊。
測試表明，作用於這些匝間絕緣的電衝擊嚴酷程度取決於導線特定的效能和pwm驅動電流的上公升時間。如果上公升時間小於0.1 s，那麼將有80％的電勢加在繞組的前二匝上，即上公升時間越短，電衝擊就越大，匝間絕緣的壽命就越短。
（2）快速上公升，下降沿脈衝產生電介質加熱，導致絕緣加速老化。在正玄電壓下，每單位體積的損耗是：
ni=0e22(s-0)/(1+2-2)
公式中，－空氣的介電常數，e—外加電場常數，－2f，－鬆弛時間常數。
假設<1，則ni與2成正比。當e超過絕緣體臨界值時，其介質損耗速度迅速增加，結果產生熱量，這些熱量則引起更大的漏電流，從而ni使更為上公升，即電流公升溫上公升，絕緣加速老化。
總之，在變頻電機中正是由於上述區域性放電，電介質加熱，空間電荷感應等因素的共同作用引起電磁線的過早老化。
1.2 主絕緣、相絕緣和絕緣漆的損壞
如前所說，採用pwm變頻電源，使變頻電機的端子處出現幅值增加的振盪電壓。因此，電機的主絕緣、相絕緣和絕緣漆承受更高的電場強度。根據測試，由於變頻器輸出端電壓上公升時間，電纜長度和開關頻率等因素的綜合影響，上述端電壓峰值可能超過3 kv。
另外，當電機繞組匝間發生區域性放電時，會使絕緣中分布電容所儲存的能量變為熱，輻射以及機械和化學能，從而劣化為整個絕緣系統，大大降低絕緣的擊穿電壓，直到擊穿電壓達到所加電壓的水平，以至於最終發生整個絕緣系統的損壞和故障。
1.3 頻繁的起制動、電磁激振力和震動系統的迴圈交變應力造成電機絕緣的加速老化
採用pwm變頻電源供電，使變頻電機可以在很低的頻率和較低的電壓下以及無衝擊電流情況下啟動，並可以在利用變頻器所提供的各種方式進行快速制動。即由於變頻電機可實現頻繁的起制動，使電機絕緣處於迴圈交變應力作用，電機絕緣加速老化。
在普通非同步電機中業已存在由於電磁、機械、通風等因素引起的噪音、振動等問題。對於變頻電機，由於採用pwm電源，噪音、振動等問題變得更為複雜。變頻電源中含有的各次時間諧波與電磁部分固有空間諧波相互干預，形成各種電磁激振力。
同時，由於電機工作頻率範圍寬，轉速變化大，當與機械部分各種結構的固有頻率相一致時，共振很有可能出現。在此電磁激振力和震動影響下，電機絕緣再次處於迴圈交變應力作用，加速電機絕緣老化。
2．變頻電機絕緣的加強措施
根據上述變頻電機絕緣損壞機理，變頻電機絕緣結構加強措施主要是：選用合適的電磁線；獲得無氣隙絕緣；改善整個絕緣結構的整體性，提高機械強度，採用合理的加工工藝。
2．1 電磁線的選用
如前所述，變頻電機中的電磁線處於由大量諧波與瞬態變化的脈衝電壓作用下，使電磁線早期損壞。因此，電磁線的絕緣性能對變頻電機絕緣結構可靠性的影響尤為重要。
對於功率在300 kv 以下的變頻電機，一般均採用圓漆包線。對圓漆包線的質量，需要注意的是：1）耐熱性；2）軟化擊穿；3）漆膜連續性；4）介損曲線；5）耐脈衝電壓效能；6)柔軟性。
根據上述要求，對fh級變頻電機，目前國內可供選擇的漆包線主要是qzy-2和q(zy/xx)-2，但試驗表明，qzy-2漆包線質量分散性較大，同樣的qzy-2漆包線其tg-t曲線相差較大，且其在高溫時的tg值較大，這是對變頻電機是不利的（見圖2所示），而q(zy/xx)-2漆包線其tg值明顯低於qzy-2。可以看出選用q(zy/xx)-2漆包線是有利的。
對變頻電機用的漆包線，國內目前均已採用專用的特殊漆包線，據悉，其耐脈衝衝擊電壓效能較q(zy/xx)-2提高200倍。為了解國內外漆包線的差距，我廠對進口1.06變頻電機專用漆包線與國產q(zy/xx)-2漆包線進行了對比試驗，試驗結果見表1所示。
試驗結果表明：
（1） 進口漆包線與國產漆包線相比其電阻值基本相似，但特別柔軟，這說明銅材的質量由較大的差異，漆包線柔軟使線圈繞線方便，容易成形；嵌線方便，減少了由於敲打受損的機率，應該說這是很有利的。國產漆包線的柔軟性不僅比國外差而且處於不穩定狀態。
（2） 進口漆包線的軟化擊穿效能優於國產漆包線，且國產漆包線的軟化擊穿試驗結果分散性較大，說明漆包線漆的內在質量存在較大差異。
（3） 進口漆包線的「漆膜連續性」效能明顯優於國產。漆膜連續性指標在很大程度上反映出漆包線的質量分散性，它取決於銅絲的表現質量，漆包線漆的質量，塗漆工藝，塗漆裝置的效能，環境清潔度等因素的綜合影響。據悉，進口漆包線採用「**檢測」裝置，嚴格控制漆包線的「針孔」，以確保漆包線的質量。
這是值得借鑑的。
（4） 共頻穿擊電壓與溫度的關係試驗表明，進口漆包線的穿擊電壓隨著溫度的公升高有明顯的下降（下降43％），而國產漆包線僅下降11％－14％；但進口漆包線耐脈衝效能卻高於國產漆包線，即為滿足變頻電機的耐脈衝擊穿電壓的要求，進口漆包線是犧牲了一部分漆包線的高溫擊穿強度，但提高了耐脈衝擊穿電壓的效能，這是值得深思的。
根據上述試驗情況，我廠對變頻電機用漆包線的漆膜厚度及其均勻性予以特殊關注，嚴格控制其質量，一方面加強進廠檢驗，另一方面我廠規定大幅度提高所有變頻電機嵌線後（白胚）的匝間試驗電壓。不合格則不得進入下工段繼續加工。實踐證明，我廠製造的變頻電機出廠後，情況良好。
對於300 kw以上的變頻電機，由於採用整嵌組繞，理論上分析在相同工作電壓下，其匝間承受的衝擊電壓較散嵌組繞有所改善。但由於其工作電壓較高，一般為1000 v 以上，因此，匝間衝擊電壓幅值是較高的。一般來說，對於300 kw以上的變頻電機，均採用聚醯亞胺薄膜包燒結導線，國外也有專門用於變頻電機的耐高頻脈衝的聚醯亞胺薄膜包燒結導線，類似的薄膜包燒結導線國內也正在研究、開發。
2．2 無氣隙絕緣
如前所說，變頻電機絕緣結構中如果存在氣隙，在高頻脈衝電壓的作用下，在空氣隙中會產生空間電荷，導致區域性放電的增加，最終引起絕緣損壞。為了取得無氣隙絕緣，主要關鍵是選擇合適的浸漬漆，確定浸漬乾燥工藝。
（1） 浸漬漆的選擇。日前，f、h級浸漬漆大致分為有溶劑漆；苯乙烯型無溶劑漆，低揮發份聚酯型無溶劑樹脂。對於有溶劑漆，由於含有50％左右的溶劑，在烘培過程中溶劑大量揮發，固化後，僅有45％的固體含量，繞組間含有大量氣隙，不能使用。
對於苯乙烯型無溶劑樹脂，含有大約30％的苯乙烯單體，在高溫固化時，也約有20％的揮發物，同樣，也不能形成無氣隙絕緣。低揮發份聚酯型無溶劑樹脂是國際上第三代浸漬樹脂，其固化速度快，固化過程中揮發物小於5％。採用適當的浸漬工藝，基本上可以形成「無氣隙絕緣」。
我廠對國產進口的低揮發份聚酯型無溶劑樹脂及苯乙烯型無溶劑樹脂進行了效能對比試驗（詳見表2所示）。試驗證明，國產的聚酯型無溶劑樹脂的效能步低於同型別的進口樹脂，我廠用此樹脂製造變頻電機，效果良好。
（2） 浸漬工藝的選用。常用的浸漬工藝大致分為：1）沉浸－烘培固化；2）滴浸－旋轉固化；3）真空壓力沉浸－烘培固化（簡稱vpi工藝）；4）真空壓力沉浸，旋轉烘培固化。
對於浸漬工藝，適用於一般要求的電機。對於交流變頻電機，由於電機品種規格較多，電機工件大小差異較大，故不能採用滴浸或滾浸工藝，較為合適的是採用真空壓力沉浸工藝，真空壓力沉浸工藝能使浸漬樹脂滲透到位。嵌線後，在白胚情況下，必需嚴格按照匝間衝擊試驗標準進行試驗，以確保電氣絕緣性能可靠。
2．3 提高絕緣結構整體機械強度
如前所說，由於電磁激振力以及振動等影響，變頻電機絕緣結構應盡可能提高其整體機械強度。為此，在選用絕緣材料時，應充分注意選用容易放到電機絕緣結構中的各個部位，充分填充繞組間的「空隙」，做到「無氣隙」絕緣。採用vpi工藝必須採用低揮發份浸漬樹脂，同時，也要求浸漬樹脂有較長的儲存期。
為了防止低揮發份浸漬樹脂在烘培，固化過程中流失，採用vpi工藝以及旋轉烘培固化工藝，則可以得到十分完善的「無氣隙絕緣」。
2．4 採用合理的繞線、嵌線等加工工藝
對於變頻電機，對電磁線的質量以及絕緣結構整體性等均有較高的要求。因此，對於繞線、嵌線、綁紮等加工工藝必須嚴加管理，特別是在繞線、嵌線過程中防止損傷導線，嵌線過程應保證槽絕緣、相絕緣放置到位。相絕緣應採用容易被絕緣漆浸透的材料；線圈端部應加強綁紮、固定，確保端部成為乙個整體，採用vpi及旋轉烘培固化工藝，也有利於提高絕緣結構整體機械強度。
2．5 控制變頻器到電機終端的聯結電纜長度、避免區域性放電，延長電機壽命
如前所說，由於阻抗的不匹配，隨著聯結電纜長度增強，電機終端的過電壓幅值隨之增加，這有助於引起區域性放電。為此，對於變頻電機的製造廠，應充分了解所使用的各種變頻電源，確定聯結電纜的極限長度，並告之使用者，以便盡可能減小電機端的過電壓幅值，避免區域性放電，延長電機壽命。
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