有关变频器驱动电动机中浪涌对策的基础研究

1 前 言

近年来，国民经济中广泛使用的电动机，愈益趋向使用变频器的可变速驱动，以图通过适当的运转控制实现节能。这些变频器驱动的电动机，均迫切要求进一步的小型化和驱动电压的高压化，因而要实现高功率、高效率化等。这样一来，其使用条件会更加苛刻。特别是随着变频器高速的开关切换产生的涌浪，将引起电动机线圈导线之间的局部放电，令人担心会对绝缘造成恶劣影响。原来，在对变频器涌浪产生局部放电进行预测时，是采取涌浪吸收装置之类抑制局部放电的措施。但是，这些对策有碍于实现轻量化并增加成本。故取而代之的，是使用由电线厂开发的耐局部放电性能好的漆包线来解决。

作为变频驱动电动机研究课题解决措施的一个环节，本公司针对耐局部放电电线适用性的问题进行了探讨。本文对局部放电电线因变频器涌浪导致的局部放电特性，以及有关使用寿命的评价等各种试验结果予以介绍。

2 变频器驱动电动机的课题与对策

2.1 由变频器涌浪导致局部放电现象的机理

形成当前主流的变频器控制 [脉宽调制（PWM）控制]中的输出电压波形，正极侧脉冲组与负极侧脉冲组交替重复的变化。由于这一脉冲电压的建立（无论正极侧或负极侧）均很急速（数10 ns），故因过度特性的上冲、尖峰（overshoot）会产生浪涌。这一变频器的浪涌，通过电源电缆施加于电动机上，而电源电缆本身存在电感的影响，以及由电动机与电源电缆的阻抗不匹配造成的反射等，变频器的输出电压升高约达到2倍。增大的电压施加在电动机上及线圈导线之间，则产生局部放电。漆包线的绝缘皮膜逐渐劣化被侵蚀，以至出现绝缘损坏的结果。加上由变频器浪涌（交变的脉冲）导致局部放电的测定技术尚未建立和完善，因此，电动机绝缘系统局部放电的对策和对局部放电产生机理的研讨，以及局部放电测定技术的确立等，均为变频驱动电动机中的重要课题。

2.2 变频器浪涌的对策

目前市场上销售的典型耐局部放电电线的特点如下：（1）如图1所示，大部分电线采用表层为高润滑层、内部有主绝缘的结构；（2）主绝缘层是以聚酯酰亚胺（polyester-imide）等高分子绝缘材料为主体，旨在提高耐局部放电性能，并均匀分散二氧化硅（SiO2）等纳米（10-9）级填充物。图1为典型的耐局部放电电线与原用电线的断面结构举例，其最大特点是在主绝缘层中混入了纳米填料。

图1 耐局部放电电线与原来电线的断面结构

作为评价耐局部放电电线的试验材料，这次是从各电线厂市售的几种电线入手，进行了局部放电特性与寿命特性的试验，试验的细节如下面所述。

3 变频器浪涌的基础特性试验

3.1 试验装置及试样的形状

图2所示为漆包线寿命特性试验 [V-t特性（V-试验电压，t-迄至绝缘破坏的时间）]和局部放电测定试验的装置。试验装置的基本组成包括：能输出数kHz~数10kHz正弦波电压的高频电源装置；能设定模拟变频器脉冲电压的正负脉冲波的变频器脉冲电源装置；能测定局部放电用的高频变流器（HFCT），以及附带的计测仪器之类等。试验时使用的试验材料（试样），是按JIS C 3003规格的两根漆包线扭合一起的麻花线对。

3.2局部放电特性

相应于变频器脉冲电压波形的局部放电初始电压（PDIV），对其有关动态进行了调查。图3所示为试验中，使用的模拟变频器脉冲电压波形和交变的曲线图形实例。试验时以特性曲线上冲（overshoot）小的矩形波和上冲大的振动波两种波形为基本，设定重复的特性曲线数（N：载波频率模拟），并将其试验电压施加于试样上，测定各个PDIV值。图4所示为藉助HFCT差动法测定PDIV的组成结构。电源装置产生的噪音由HFCT差动法及滤波器（HPF）消除；放大器（AMP）中的增幅信号（改变接地线脉冲电流的电压信号）送入示波器（OSC）中。预先确认产生局部放电程度的示波器，对其设定的触发线路进行试验。将试验电压（施加电压）升压的触发线路输出时的电压，作为PDIV，并进行了评价。

图4 按HFCT差动法测定PDIV的组成结构

图示采用2根麻花线对的试样消除噪音的方法

图5  PDIV与脉冲宽度的依赖关系

给出图3所示脉冲波形、重复交变图形的PDIV测定结果

⑴ 变频器脉冲电压波形的影响

图5为矩形波与振动波的PDIV（脉冲宽度1μs）。已确认两者的试验结果无多大差别。下面以矩形波为主体进行测定，并介绍其评价结果。

⑵ 脉冲宽度的影响

图5所示矩形波为脉宽从1μs到100μs之间变化时的PDIV测定结果。PDIV的范围为(1.8~2.1) kVp-p。本试验条件下未曾看到PDIV与脉冲宽度有什么依赖性，试验电压波形建立的时间约为60ns。

⑶ 载体频率的影响

图6所示为模拟变频器脉冲电压载体频率变化时的PDIV测定结果。PDIV的峰-峰（p-p）值范围为(1.8~2.0 )kVp-p，也未见到载体频率与PDIV之间有多大明显变化倾向。

图6  PDIV与载波频率的依赖关系

模拟变频器脉冲电压载体频率变化时的PDIV测定结果

图7  脉冲的极性与PDIV

模拟极性相反的两极性图形，显示出低电压下易于放电

此外，设定实际变频器输出电压波形的曲线图形，使相同极性下输出多脉冲（单极性）图形与极性相反下（两极性）的输出图形组合，对有关各个图形与PDIV的关系进行了讨论。图7为相应的输出图形PDIV的测定结果。单极性图形下的PDIV对应于1.5 kVo-p，模拟反极性部分的两极性图形下的PDIV对应于0.9 kVo-p。

图8所示为变频器脉冲电压与PDIV发生的状况。变频器输出电压低的状况下（图8①：未达到PDIV），不产生局部放电或其值非常微小，相对于施加电压的V-t特性很长。输出电压上升（图8②：PDIV以上）并在极性相反部位，产生局部放电。当电压进一步升高（图8③），即使在加之于极性相反部位的单极性脉冲电压，其上升边（前沿部分）也会产生局部放电。这样一来，由变频器电压（施加电压）值产生局部放电的情况是不同的，按照图8①②③的顺序，相应于施加电压的寿命依次缩短。特别是在③的情况下，漆包线绝缘表皮膜的劣化侵蚀加速。考虑到不至于早期的绝缘损坏，掌握施加电压与局部放电的发生状况很重要。

⑷ 变频器脉冲电压波形与交流电压波形的比较

为简化寿命特性试验等原因，采用了交流电源进行试验。将模拟变频器脉冲电源和HFCT组合的PDIV测定，以及将交流电源与耦合电容器组合的PDIV测定，对比了两者的测定结果。图9为藉助交流电源的测定结果举例（以局部放电电荷量50PC时的检测灵敏度测定）。使用交流电源场合的PDIV约为1.8 kVp-p，这与由变频器脉冲电源的PDIV测定结果（图7两极性）是相同的。

图8  变频器脉冲电压与PDIV发生状况

提升电压的极性相反部，产生局部放电，电压上升、电压进一步上升及单极性脉冲电压的前沿部分也发生局部放电

图9  采用交流电源的PDIV测定结果

这与模拟变频器脉冲电源的PDIV测定结构相同

由以上分析可知，漆包线（扭合的麻花线对试样）的PDIV，无关于变频器脉冲波和正弦波等波形的差异，它只取决于施加电压的峰-峰（p-p）值。

3.3 过电压寿命（V- t）特性

采用三种（A、B、C）耐局部放电电线作为评价的试样，进行了V-t特性试验。试验装置与图2所示相同。

⑴ 使用高频交流电源的V-t特性（室温）

进行了相当于0种类的原来电线与耐局部放电电线作为试料的试验。图10所示为室温下的试验结果。试验频率10kHz时，在电压1.0 kVrms及1.5 kVrms 2个条件下做试验（rms-均方根值）。对比原来的电线，耐局部放电的无论哪种电线均为(50~200)倍的长寿命，这已得到确认。

⑵ 使用模拟变频器脉冲电源的V-t特性

同样地，相当于0种类的原来电线与耐局部放电电线作为试料，载体频率20kHz，在模拟（5脉冲/同极）电压2.15 kVo-p下进行试验。图11所示为试验结果。已经确认，对比原来电线，耐局部放电电线的几种试样（A、B、C），其寿命延长（25~100）倍。

⑶ 使用高频交流电源的V-t特性（高温）

设定实际运转时的温度，对V-t特性的温度依赖性进行了研讨。图12所示为高温下的V-t特性。耐局部放电电线A、B，室温下施加电压1kVrms时，显示出超过1000h的寿命。但试验温度（电线温度）达到135℃及以上时，寿命则为300h左右。可见，寿命已明显缩短。而原用电线的破坏时间约为2h，故比原来电线的寿命仍能确保150倍的寿命。如进一步把温度上升到195℃，则所有被评价试料的电线，在不足100h时绝缘就已损坏。原来电线的破坏时间约为1h，在此高温下，耐局部放电电线对比原用电线就显示不出什么优越性了。

图10  V-t特性（正弦波，室温）

室温下施加正弦波电压时的V-t特性，比原用电线寿命长50~200倍

图11  V-t特性（同极性脉冲，室温）

施加模拟变频器脉冲电压时的V-t特性，对比原来的电线寿命长25~100倍

图12  V-t特性（正弦波，高温）

室温下的V-t特性如图所示，图中可见，随着电线温度的升高，寿命降低

图13  耐局部放电电线的表面观察（V-t特性试验，135℃，1KVrms）

3.4 耐局部放电电线的表面观察

图13给出试验温度在135℃下进行的特性试验,对耐局部放电电线的表面观察（SEM）。从图中可见到漆包线的凝集物与放电痕迹。由于放电，表面受到侵蚀的外观一目了然。互扭的麻花线对（试料），在2根电线接触的地方①，由于局部放电导致绝缘皮膜受到侵蚀，已确认附着了侵蚀部的凝集物。该凝集物劣化、分解绝缘膜中的有机物，推测凝集的东西将析出在纳米填料的表面，其大小已达到约1μm。

电线相互间未接触的地方②，已见到无数的放电痕迹。由这2根电线间产生放电，可推测出卷入整个电线绝缘膜受侵蚀的情况。但是，在②中的侵蚀程度比电线接触处①的侵蚀小，仅限于绝缘膜表层的侵蚀。

4 归纳总结

⑴ 局部放电初始电压（PDIV）受波形、脉宽、频率的影响小，主要取决于波高值（Vp-p）。

⑵ 由变频器浪涌导致的PDIV，分为重复部（单极性）和极性相反部产生的2种情况。掌握实际采用的电压图形很重要。

⑶ 从局部放电电线的V-t特性上，已确认寿命为原来电线的100倍以上，应用于实际电动机上时，应考虑其运转的温度。

5 结束语

为了掌握变频器浪涌造成的电动机线圈导线绝缘的影响，对变频器浪涌导致的局部放电进行了特性试验。而且，作为变频器驱动中解决问题的一个环节，进行了耐局部放电电线的寿命试验。针对耐局部放电电线的实用化已取得了基本的研究成果。今后，对变频器驱动电动机存在课题的解决还要继续努力。目标旨在提供更多高性能、高可靠性的电动机创造效益、服务社会。