有關(guān)變頻器驅動(dòng)電動(dòng)機中浪涌對策的基礎研究

1 前 言

近年來(lái)，國民經(jīng)濟中廣泛使用的電動(dòng)機，愈益趨向使用變頻器的可變速驅動(dòng)，以圖通過(guò)適當的運轉控制實(shí)現節能。這些變頻器驅動(dòng)的電動(dòng)機，均迫切要求進(jìn)一步的小型化和驅動(dòng)電壓的高壓化，因而要實(shí)現高功率、高效率化等。這樣一來(lái)，其使用條件會(huì )更加苛刻。特別是隨著(zhù)變頻器高速的開(kāi)關(guān)切換產(chǎn)生的涌浪，將引起電動(dòng)機線(xiàn)圈導線(xiàn)之間的局部放電，令人擔心會(huì )對絕緣造成惡劣影響。原來(lái)，在對變頻器涌浪產(chǎn)生局部放電進(jìn)行預測時(shí)，是采取涌浪吸收裝置之類(lèi)抑制局部放電的措施。但是，這些對策有礙于實(shí)現輕量化并增加成本。故取而代之的，是使用由電線(xiàn)廠(chǎng)開(kāi)發(fā)的耐局部放電性能好的漆包線(xiàn)來(lái)解決。

作為變頻驅動(dòng)電動(dòng)機研究課題解決措施的一個(gè)環(huán)節，本公司針對耐局部放電電線(xiàn)適用性的問(wèn)題進(jìn)行了探討。本文對局部放電電線(xiàn)因變頻器涌浪導致的局部放電特性，以及有關(guān)使用壽命的評價(jià)等各種試驗結果予以介紹。

2 變頻器驅動(dòng)電動(dòng)機的課題與對策

2.1 由變頻器涌浪導致局部放電現象的機理

形成當前主流的變頻器控制 [脈寬調制（PWM）控制]中的輸出電壓波形，正極側脈沖組與負極側脈沖組交替重復的變化。由于這一脈沖電壓的建立（無(wú)論正極側或負極側）均很急速（數10 ns），故因過(guò)度特性的上沖、尖峰（overshoot）會(huì )產(chǎn)生浪涌。這一變頻器的浪涌，通過(guò)電源電纜施加于電動(dòng)機上，而電源電纜本身存在電感的影響，以及由電動(dòng)機與電源電纜的阻抗不匹配造成的反射等，變頻器的輸出電壓升高約達到2倍。增大的電壓施加在電動(dòng)機上及線(xiàn)圈導線(xiàn)之間，則產(chǎn)生局部放電。漆包線(xiàn)的絕緣皮膜逐漸劣化被侵蝕，以至出現絕緣損壞的結果。加上由變頻器浪涌（交變的脈沖）導致局部放電的測定技術(shù)尚未建立和完善，因此，電動(dòng)機絕緣系統局部放電的對策和對局部放電產(chǎn)生機理的研討，以及局部放電測定技術(shù)的確立等，均為變頻驅動(dòng)電動(dòng)機中的重要課題。

2.2 變頻器浪涌的對策

目前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的典型耐局部放電電線(xiàn)的特點(diǎn)如下：（1）如圖1所示，大部分電線(xiàn)采用表層為高潤滑層、內部有主絕緣的結構；（2）主絕緣層是以聚酯酰亞胺（polyester-imide）等高分子絕緣材料為主體，旨在提高耐局部放電性能，并均勻分散二氧化硅（SiO2）等納米（10-9）級填充物。圖1為典型的耐局部放電電線(xiàn)與原用電線(xiàn)的斷面結構舉例，其最大特點(diǎn)是在主絕緣層中混入了納米填料。

圖1 耐局部放電電線(xiàn)與原來(lái)電線(xiàn)的斷面結構

作為評價(jià)耐局部放電電線(xiàn)的試驗材料，這次是從各電線(xiàn)廠(chǎng)市售的幾種電線(xiàn)入手，進(jìn)行了局部放電特性與壽命特性的試驗，試驗的細節如下面所述。

3 變頻器浪涌的基礎特性試驗

3.1 試驗裝置及試樣的形狀

圖2所示為漆包線(xiàn)壽命特性試驗 [V-t特性（V-試驗電壓，t-迄至絕緣破壞的時(shí)間）]和局部放電測定試驗的裝置。試驗裝置的基本組成包括：能輸出數kHz~數10kHz正弦波電壓的高頻電源裝置；能設定模擬變頻器脈沖電壓的正負脈沖波的變頻器脈沖電源裝置；能測定局部放電用的高頻變流器（HFCT），以及附帶的計測儀器之類(lèi)等。試驗時(shí)使用的試驗材料（試樣），是按JIS C 3003規格的兩根漆包線(xiàn)扭合一起的麻花線(xiàn)對。