實踐證明，過去幾十年發(fā)展起來的工頻正弦波電壓下的電機絕緣設(shè)計理論，并不能適用于交流變頻電機。有必要研究變頻電機絕緣的損壞機理，建立交流變頻電機絕緣設(shè)計的基礎(chǔ)理論，制定交流變頻電機的行業(yè)標準。

　　1.局部放電和空間電荷

　　目前，變頻調(diào)速交流電機由IGBT(絕緣柵二極管)技術(shù)PWM(脈寬調(diào)制n-脈寬調(diào)制)逆變器控制。其功率范圍約為0。75~500千瓦。IGBT技術(shù)可以提供20~100μs的極短上升時間的電流，產(chǎn)生的電脈沖具有非常高的開關(guān)頻率，達到20kHz。

　　當快速上升沿電壓從變頻器到達電機端時，由于電機和電纜之間的阻抗不匹配，會產(chǎn)生反射電壓波。這個反射波返回到變頻器，然后由于電纜和變頻器的阻抗不匹配而感應(yīng)出另一個反射波加到原來的電壓波上，從而在電壓波的前沿產(chǎn)生一個峰值電壓。峰值電壓取決于脈沖電壓的上升時間和電纜的長度。

　　一般情況下，當導(dǎo)線長度增加時，導(dǎo)線兩端都會產(chǎn)生過電壓，電機端的過電壓幅值隨著電纜長度的增加而增加，并趨于飽和，而電源端的過電壓比電機端的小，幾乎與電纜長度無關(guān)。

　　試驗表明，過電壓發(fā)生在電壓的上升沿和下降沿，并衰減振蕩，其衰減服從指數(shù)規(guī)律，振蕩周期隨電纜長度增加而增大。PWM驅(qū)動脈沖波形有兩種頻率，一種是開關(guān)頻率。峰值電壓的重復(fù)頻率與開關(guān)頻率成比例。

　　另一種是基頻，直接控制電機的轉(zhuǎn)速。在每個基頻的開始，脈沖的極性是從正到負或從負到正。此時，電機絕緣承受兩倍于峰值電壓的滿幅電壓。

　　此外，在繞組分散的三相電機中，不同相的相鄰兩匝之間的電壓極性可能不同，滿幅電壓的跳變也可能達到一個峰值電壓值的兩倍。

　　根據(jù)測試，PWM逆變器輸出的電壓波形峰值電壓為11。2~1.380/480伏交流系統(tǒng)中的5kV和11。6~1.576/600伏交流系統(tǒng)中的8kV。顯然，在這種滿幅電壓的作用下，繞組匝間會發(fā)生表面局部放電。

　　由于電離，空氣間隙中會產(chǎn)生空間電荷，從而形成與外加電場相反的感應(yīng)電場。當電壓極性改變時，該反向電場與施加的電場方向相同。這樣就產(chǎn)生了更高的電場，會導(dǎo)致局部放電次數(shù)增加，最終導(dǎo)致?lián)舸?/p>

　　試驗表明，作用在這些匝間絕緣上的電擊幅度取決于導(dǎo)體的具體性能和PWM驅(qū)動電流的上升時間。如果上升時間小于0.1μs，80%的電勢將施加到繞組的前兩圈，即上升時間越短，電氣影響越大，匝間絕緣的壽命越短。

　　2.介電損耗發(fā)熱

　　當E超過絕緣子的臨界值時，其介質(zhì)損耗迅速增加。當頻率增加時，局部放電增加，產(chǎn)生熱量，引起更大的漏電流，從而使Ni上升更快，即電機溫度上升，絕緣老化更快�？傊姶啪�的過早損壞是變頻電機中上述局部放電、電介質(zhì)發(fā)熱、空間電荷感應(yīng)等因素共同作用的結(jié)果。

　　采用PWM變頻電源來提高變頻電機端電壓的振蕩幅度。因此電機的主絕緣、相絕緣和絕緣漆承受更高的電場強度。經(jīng)測試，由于逆變器輸出端電壓上升時間、電纜長度、開關(guān)頻率的綜合影響，上述端電壓峰值可超過3kV。

　　此外，當電機繞組匝間發(fā)生局部放電時，絕緣中分布電容儲存的電能會轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�、輻射能、機械能和化學(xué)能，使整個絕緣系統(tǒng)劣化，降低絕緣的擊穿電壓，最終導(dǎo)致絕緣系統(tǒng)擊穿。

　　3.周期性交變應(yīng)力引起的絕緣加速老化

　　采用PWM變頻電源，變頻電機可以在很低的頻率、很低的電壓、無沖擊電流下啟動，并可以通過變頻器提供的多種方式快速制動。由于變頻電機可以實現(xiàn)頻繁的啟動和制動，電機絕緣經(jīng)常處于循環(huán)交變應(yīng)力的作用下，加速了電機絕緣的老化。

　　普通異步電機中電磁激振力和機械傳動引起的振動等問題，在變頻電機中變得更加復(fù)雜。變頻電源中包含的各種時間諧波干擾電磁部分固有的空間諧波，形成各種電磁激振力。

　　同時，由于電機工作頻率范圍寬，轉(zhuǎn)速變化大，當與機械部分的固有頻率一致時，就會發(fā)生共振。在電磁激振力和機械振動的影響下，電機絕緣受到更加頻繁的循環(huán)交變應(yīng)力，加速了電機絕緣的老化。