低功率高压电机变频改造出现的问题和对策.pdf

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1、全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 电气 527 低功率高压电动机变频改造出现的 问题和对策 高 军 (浙江浙能镇海发电有限责任公司) 【摘 要】本文阐述了低功率高压异步电动机应用 690V 低压变频改造存在的问题，分析了造成电动机绝缘故 障的原因，提出并采取了相应的对策。 【关键词】变频器 电动机 脉冲电压 绝缘 对策 0 引言 近几年来，随着电力电子技术的发展和装置性价比的提高，无论是高压变频器和低压变频器在 各行各业的生产中得到广泛应用，不仅实现了节能减排，而且提高了控制品质。在生产中，对于大 容量高压电动机采用高压变频器是一种很好的方式，但目前国内存在着大

2、量功率在 300kW 以上、 500kW 以下的低功率高压电动机，对于低功率的高压电动机采用高压变频器，其改造成本相对较高， 投资回报周期长等不足，而将此类高压电动机改成低压电动机，用低压变频器带电动机运行，则具 有改造投资相对小，低压变频器的可靠性比高压变频器高等优点。因此对于低功率高压电动机进行 低压变频节能调速技术改造将越来越多地得到应用。 但是，在低功率高压电动机应用低压变频改造中，对这些 300kW 以上、500kW 以下的低功率高 压电动机，如设计成 380V 电动机，额定电流大，电动机启动对母线电压影响大，不能满足电压质量 要求。目前多采用 690V 电动机，但在 690V 变频

3、器应用中产生了一些新的问题，需要在实际应用中 加以分析，采取相应的对策措施。 1 设备情况 两台 16NL-180 立式凝结水泵，原配用额定功率 430kW/6kV 的 JSL-4 型电动机，在变频改造中， 凝泵改变频采用低压变频的方式：6kV 电源经出线开关送至降压变，降压变将 6000V 降为 690V，经 690V 低压变频器去启动 690V 电机，其中变频器选用不可控整流、二电平结构电压变频器（输出侧 未配置滤波器） ，电动机采用 Y400-4 型普通立式三相异步电动机（采用散嵌绕组） 。 凝结水泵变频器系统接线简图如图 1 所示： 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九

4、届年会论文集 电气 528 图 1 凝结水泵变频器系统接线简图 2 存在的问题及分析、处理 2.1 第一次电动机绝缘损坏 2.1.1 存在问题 在变频改造后期，甲凝结水泵变频器在带载调试中过流动作跳闸，经查变频器、电缆无异常， 电动机定子绕组对地绝缘为 12M，直流电阻互差 6.9%，进一步检查发现故障点在电动机定子绕组 上，其中一相线圈匝间短路，拆开故障线圈，发现故障相的第一槽线圈（在上层）发生匝间短路， 并造成这支路有 4 根断股（此为 12 根并绕） ，同时还与下层线圈（异相）发生短路，使变频器过流 动作跳闸。 2.1.2 原因分析 首先对乙变频器在不同负荷工况下的输出线电压进行了录波。

5、从测得的变频器输出电压波形图 （见图 2、3） ，可见因为变频器输出侧采用 PWM 的控制方式，输出矩形波脉冲电压，二电平 PWM 电 压源型变频器因每个电平幅值为整个直流母线电压，使变频器输出电压有很高的电压变化率 du/dt， 并造成输出波形质量差。据有关研究，这种矩形脉冲电压在电动机绕组中产生的匝间电压与正弦电 压有很大的差异，这种匝间电压分布与 du/dt 有关，在模拟电动机定子绕组上进行电压波形的测量、 分析，表明在当电压脉冲的上升时间很短(即 du/dt 很大)时电动机定子绕组首匝要承担约 80%的脉 冲电压幅值，其匝间电压超过平均匝间电压的 10 倍以上，同时电动机绕组各线圈电压

6、分布的不均匀 程度大于在同一线圈各匝间的不均匀程度 【3】 。因此，在凝结水泵电动机这种“”接线的绕组中， 相首相尾的匝间以及相邻相间的线圈就成为最危险的受害部位，当这些部位的瞬时电压超过线圈绝 缘的击穿电压，线圈绝缘发生击穿，这也与本次电动机损坏点的情况相符。因此，变频器输出的矩 形波脉冲电压有很高的电压变化率 du/dt，是造成本次电动机损坏的原因之一。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 电气 529 图 2 安装滤波器前变频器输出电压波形图 图 3 安装滤波器前变频器输出电压波形图放大 其次因为变频器输出的矩形波脉冲电压，其脉冲频率约为几千赫到十几千赫（见

7、图 4） ： 图 4 变频器输出电压和电动机端电压频谱图 这种高频脉冲波在电缆中的传播是一个波过程，在传播过程中遇到介质突变的界面时，由于特 性阻抗不同，会发生波的反射。由于电缆一端与变频器相连，另一端与电动机相连，三者的特性阻 抗不同，因此当高频脉冲电压波到达电缆两端时会有电压反射发生。在电动机端，当高频脉冲电压 波由变频器输出、通过电缆到达电动机端时会产生一个大小为UDC的反射电压，其中 UDC为变频器输 出端电压，为电动机端电压的反射系数，可由式（1）表示： ZcZx ZcZx + （1） 式中 Zx电动机特性阻抗； Zc电缆特性阻抗。 由于 ZxZc，1，因此反射电压沿相反方向传播，这

8、时电动机端电压接近 2UDC。当反射 电压到达变频器端部时再次发生反射，其反射系数为： s ZcZs ZcZs + （2） 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 电气 530 式中 Zs变频器特性阻抗； 通常变频器可以近似看成是一个电压源， ，即 Zs0，s-1，因此这个再次反射的电压波以- UDC 向电动机端传播，到达电动机端，使电动机端电压下降为 UDC，这时，在电动机端仍会产生一 个反射，并使电机端电压减小为零，至此完成了传播过程的一次循环，以后这种多次反射将周期性 重复。当这些反射电压波与原始脉冲电压波叠加，就会产生电压尖峰，对于这种电压尖峰即使采用 了滤波

9、器来抑制，但现象仍存在，实际检测了变频器（增加滤波器后）的输出电压和电动机端电压， 两处的电压波形图如图 5 所示，图中圈出部分放大如图 6 所示，从图中可得电动机端电压峰值达到 780V，超过变频器输出电压近 40%。因此，这种电压尖峰进一步促使电动机定子绕组匝间电压超过 普通 690V 电动机绕组绝缘材料的起晕电压，引起局部放电使绝缘材料击穿，这是造成本次电动机损 坏的原因之二。 图 5 变频器输出电压与电动机端电压比较 图 6 变频器输出电压与电动机端电压比较图放大 2.1.3 采取的技术对策 针对上述的分析，为防止电动机绝缘的损坏，应降低电压的峰值和减小 du/dt，减少谐波，提 高电

10、动机绕组绝缘材料的起晕电压。 降低变频器输出电压的峰值和减小 du/dt，减少变频器输出谐波，最好的措施是改善 PWM 调 制技术。三电平 PWM 电压源型变频器与同类的二电平变频器相比，由于输出相电压电平数由 2 个增 加到 3 个，线电压电平数则由 3 个增加到 5 个，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压降为 一半的直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可使输出电压的 du/dt 相应减小，输出波形质量 也有较大改善。因此，在 690V 电压等级下变频器应采用三电平变频器。在本次变频改造中，将二电 平变频器改为三电平变频器这一措施因现实条件限制无法实施。 在变频器输出端设置滤波器，利

11、用输出滤波器抑制变频器输出电压的高频分量，从而降低电 动机侧的电压峰值和减小 du/dt，据此要求厂家增装了输出滤波器。在采取了这一措施后，再次检 测变频器-滤波器的输出电压（见图 7、8） 。比较图 6 和图 8，可见输出滤波器降低了至电动机侧的 电压峰值和减小了 du/dt。因此二电平变频器必须配置输出滤波器。 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 电气 531 图 7 安装滤波器后滤波器输出电压波形图 图 8 安装滤波器后滤波器输出电压波形图放大 尽管采用滤波技术较大地降低了电动机侧的电压峰值和减小 du/dt，但在图 6 中可见电压尖 峰仍部分存在，电动机难

12、免要承受重复性高频电压脉冲冲击，加速绝缘老化，缩短电动机的使用寿 命，而且脉冲频率越高，幅值越大，则电动机绝缘寿命越短。因此在二电平变频器增装输出滤波器 的基础上，必须提高电动机绕组的的绝缘水平。为了提高电动机绕组绝缘材料的击穿电压，将现有 电动机的散嵌绕组采用变频电机专用电磁线（其可耐受峰值电压2kV/0.3s） 。同时为了进一步提 高绕组绝缘的耐放电能力，采用真空压力浸渍工艺，消除绝缘空隙。 2.2 第二次电动机绝缘损坏 2.2.1 存在问题 在整套系统正式投后，运行了 1080 小时后，乙凝结水泵变频器过流保护动作跳闸，电动机定子 绕组对地绝缘为 20M，直流电阻互差 7.2%，进一步检

13、查发现故障点仍在电动机定子绕组上，其中 一相线圈匝间短路，并造成故障槽内异相的上、下层线圈相间绝缘击穿，使变频器过流动作跳闸。 2.2.2 原因分析 首先这一次电动机绝缘损坏情况与第一次相似，问题仍在电动机定子绕组相首相尾的匝间绝缘 上。此前在电动机上采用了加强绕组绝缘的措施：如采用防电晕电磁线和 VPI 真空浸漆工艺，使电 动机绕组首匝的电压低于电磁线绝缘的击穿电压。但目前的防电晕电磁线虽然加大了绝缘层，但漆 层（即绝缘层）的小孔难以杜绝，并且加厚的漆层在线圈绕制中易变脆、甚至产生裂纹，当浸渍漆 未能完全填充这些小孔和裂纹，就很可能在电磁线绝缘交界处产生气泡或气隙。因为气体的介电常 数很小，

14、在交流电场中，电场强度与介电常数成反比，所以在气泡中的电场强度要比周围介质高得 多，而气体击穿场强一般比液体或固体低得多，因而很容易在气泡或气隙中首先局部放电，这种局 部放电在高频脉冲电压冲击下，绝缘介质损耗迅速增大，将使绕组绝缘迅速老化，直至击穿或烧毁。 其次电动机采用散嵌绕组形式，因为功率大、电源电压低、电流大，线圈导线并绕根数多（此 电动机线圈并绕根数为 12 根） ，匝数少（此电动机的匝数为 7 匝） ，匝间电压高，散下在槽内的首匝 与末匝完全有可能紧靠在一起，此时首尾两匝间承受的电压就是该线圈上的电压。若该线圈是第一 个线圈（即相首） ，则首尾两匝间承受的电压就更高，极易发生匝间短路

15、，再加上电机线圈嵌线过程 易损伤电磁线漆层等不利因素，更降低了此类电动机的可靠性。 2.2.3 采取的改进对策 针对散嵌绕组存在问题，需要进一步提高电动机绕组耐高频脉冲电压能力。由于成型绕组一般 全国火电 300MWe 级机组能效对标及竞赛第三十九届年会论文集 电气 532 用扁线绕制，经涨型、整型、压型、包绝缘等工序，一根扁线的截面积比散嵌绕组一根漆包线的截 面积大得多，因而线圈的并绕根数也少得多，成型绕组扁线排列比散嵌绕组的漆包线整齐，相首相 尾线圈加强匝间绝缘易做到，同时槽内上下层线圈和绕组端部的线圈之间和相间的绝缘也将大大提 高；更关键的是云母绝缘材料使成型绕组的耐电晕性能较之散嵌绕组

16、的漆包线有了明显的提高。因 此，成型绕组是提高变频电机耐高频脉冲电压能力最好的绕组型式之一。我省有两家新建大型电厂 的海水淡化水泵等（同一档容量）都采用与上述相同的变频调速方案，且变频器都为同一型号，但 690V 电动机采用成型绕组的变频调速三相异步电动机，经长达三年时间的运行，一直未发生电动机 绝缘损坏事故。因此，为了提高设备的可靠性，建议对 690V 电动机采用成型绕组形式的变频专用电 机。 3 结语 在本次低功率高压电动机进行 690V 低压变频节能调速技术改造中， 由于采用二电平 PWM 电压源 型变频器，其较大的电压变化率 du/dt 及质量差的输出电压波形，多次造成电动机绝缘损坏。

17、因此， 今后在进行低功率的高压电动机改造为 690V 低压变频节能调速技术改造中， 要充分认识到变频器高 频脉冲电压的危害，无论是二电平变频器还是三电平变频器都必须配置输出变频器，同时在采用二 电平变频器的条件下，则必须采用成型绕组的绝缘加强型变频专用电动机，以保证设备的安全稳定 运行。 参考文献： 1 韩安荣通用变频器及其应用机械工业出版社，2000 年. 2 郭宇婕，黄立培，姜建国PWM 变频器供电对异步电机绝缘的影响大电机技术，2001（1） 3 Yifan TangAnalysis of steep-fronted voltage distribution and turn insulation failure in inverter-fed form-wound AC motorCJIEEE Trans on industry Applications，1998， (5)：10881096 4 李振宇变频电动机的绝缘结构防爆电机，2002（4） 作者简介： 高军： （1966- ）男，工程师，从事火电厂电气设备技术监督与管理工作。