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變頻電機的光與影:高效化和局部放電

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變頻電機是一種將控制電路與電機相結合的系統。將交流電源轉換為直流電源,并通過高速開關控制轉換后的直流電源來操縱電機的速度及電流等。這種系統的優點是比工頻電源驅動的電機能源利用效率高。在對能效要求極高的今天,變頻器被廣泛應用于家用電器和汽車等各個領域。

然而,變頻器的高速開關控制給電機施加的用電負荷可能會加速電機的老化。如圖 1 所示,變頻器的高速開關操作會產生浪涌。這些變頻器浪涌的電壓有時能達到變頻器驅動電壓的兩倍左右。如果在電機繞組之間瞬間施加超過一定電壓的高壓,繞組涂層表面就會放電。這就是所謂的局部放電。


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為什么會發生局部放電

如圖 2 所示,變頻電機的基本元件包括轉子(Rotor,即旋轉部分)和定子(Stator,即固定部分)。定子是通過將繞組插入定子鐵芯而形成的。繞組的導體上覆蓋著一層漆包線,導線之間相互絕緣。在電機生產階段,繞了幾圈的導線通過絕緣紙與定子鐵芯絕緣。生產過程中絕緣紙的移位和破裂、絕緣膜破裂或擠壓造成的導線之間的接觸以及繞組與定子鐵芯之間的接觸等都會導致絕緣性能降低,從而發生局部放電。絕緣層中的空隙(由于氣泡或雜質導致絕緣材料局部缺失的區域)和導體上的劃痕也可能是導致局部放電的原因。


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局部放電的危險

在以電動汽車為代表的高壓變頻電機中,發生局部放電的風險較高。一般來說,如果對沒有妥善絕緣的繞組施加超過約350V即會發生局部放電。這意味著,不僅變頻驅動電機,高壓工業電機等也存在局部放電的風險。電機繞組內若存在絕緣低的地方就會發生局部放電,反復發生則會加速絕緣老化。局部放電導致的絕緣老化會因短路和絕緣擊穿而引發嚴重事故(如火災等)。


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如何檢測局部放電?

局部放電可以通過局部放電測試檢測出來。如表1所示,局部放電測試有兩種類型。由于可檢測到絕緣不良的位置不同,所以兩種測試都要進行。表1局部放電測試的種類


測試類型說明目的

AC 局部放電

(交流 PD) 測試

使用交流電壓進行的局部放電測試。

由于使用的是 50 赫茲或 60 赫茲高壓源(耐壓測試儀),與脈沖局部放電測試相比,可以在更長的時間內向被測物施加更高的電壓。因此,它適用于檢測相間(Phaseto Phase)和繞組與定子鐵芯間(Phase to Core)的局部放電。但是,很難檢測匝間放電(Turn to Turn),只能在連接中性點后在定子鐵芯之間進行測試(Phase toCore)。

檢查內部電、沿面放電和混雜異物的測試。

脈沖局部放電

(脈沖 PD)測試

使用脈沖電壓進行的脈沖局部放電測試。

無論是在中性點連接的前后,都可以在相與相之間(Phase to Phase)、繞組與定子鐵芯之間(Phase to Core)以及同相繞組之間(Turn to Turn)的所有點進行測試。特別是,它還能檢測相間繞組之間的放電(Turn to Turn),這在交流 PD 測試中很難做到,因此適用于檢測繞組中的輕微故障。

對變頻器浪涌電壓的耐性測試。


局部放電會發生在以下場所:

1-同相繞組之間的電壓差引起的放電(Turn to Turn)

2-不同相繞組之間的接觸引起的放電(Phase to Phase)

3-繞組與定子鐵芯之間的接觸引起的放電(Phase to Core)


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在傳統的變頻驅動電機生產線中,一直采用絕緣電阻測試、耐壓測試和脈沖測試(層間短路測試)來檢測電氣性能劣化的原因。耐壓測試和脈沖測試可以檢測出已經發生絕緣擊穿的不良產品,但無法檢測絕緣擊穿前輕微絕緣不良引起的微弱放電。因此,除了常規測試外,還需要具有高精度放電檢測性能的局部放電檢測儀。通過局部放電測試,在絕緣擊穿之前檢測出潛在故障,可以進一步提高電機的質量和可靠性。

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