电机绝缘系统综述

前言

在变频器应用下的电机绕组绝缘承受相较于直接电网供电的更高的电压强度,

在驱动中所采用的调制方式产生了快速上升的电压脉冲在长线电机电缆中产生的暂态效应将在电机绕组中产生较高的电压强度。

对于供电电压低于500V的最大多数标准电机完全可承受由此产生的电压强度。

对于供电电压高于500V的电机，需要增强绕组的绝缘系统。也可采用抑制电压强度以符合电机允许水平的附加组件的其他措施。

电机选型原则

对于额定电机电压<=500V情况：

西门子标准电机完全适用PWM变频器/逆变器的变频应用。对于第三方电机，在电机电缆超过10m时，需要参考电机供应商所提供的电机所能承受调制脉冲电压的能力。

对于电机额定电压>500V直至690V的情况：

对于西门子电机来讲需要选择增强绝缘系统的电机。具有增强绝缘系统的电机较标准电机来讲稍有降容。此类电机完全适用PWM变频器/逆变器的变频应用。

对于第三方电机，在电机电缆超过10m时，需要参考电机供应商所提供的电机所能承受调制脉冲电压的能力。

选型需要考虑的额外因素

具有“长”电缆的应用：

根据驱动器额定功率及类型所定义的“电缆长度”，在低功率驱动系统中的低于10m与对于高功率驱动系统中的500m范围内会有所变化。

驱动器的PMW调制模式的影响：

某些变频器采用双极性PWM调制方式相对于西门子驱动器采用的单极性PWM调制方式，理论上对电机绕组的峰值电压翻倍。

考虑持续制动工作的频率：

当驱动器主要工作于制动状态时，这个过程类似于将供电电压提高20%，这个因素需要考虑。

有源整流：

对于带有PWM有源整流的驱动系统，有效的供电电压将提高约15%。

在气体防爆场合的应用：

需要仔细核对防爆电机的变频运行相关规范。可选择西门子变频器驱动运行防爆电机1MB系列电机。参考推文“1MB5防爆电机选型”。

其他措施：

对于非上述描述的应用场合，比如对已有电机驱动系统升级改造，或所连接的电机相关数据缺失等。需要采取额外的防护措施。

规范与标准

本文涉及PWM变频器/变频器运行的电机绕组的电压强度的考虑，相关规范与标准如下：

IEC TS 60034-17版本3（2002）——对于变频供电的标准鼠笼式感应电机—应用指导。

IEC TS 60034-25当前版本1（2004）——对于变频供电的特殊设计的电机

IEC 60034-18-41——应用于变频驱动系统中的电气绝缘系统的质量评估

IEC 60034-27——局部放电（PD）测量等。

范围

本文重点考虑采用IGBT开关器件的电压源性PWM变频器/逆变器的运行原理及与电机的接口。分析变频器/逆变器与电机之间的供电电缆传输线效应以及在电机绕组端部的电压峰值冲击。

给出在承受变频器/逆变器供电下的电机绝缘能力的建议，以及如何控制峰值电压和过量容性电流的措施。

供电电压范围最高至690V。

PWM变频运行原理介绍

下面介绍的交流调速系统应用非常广泛，原因在于其节能及基于低成本免维护交流电机实现灵活的工艺与机械控制。基本全部驱动系统都采用了功率器件开关技术，从而产生很高电压变化率。

现代交流驱动器基本都采用了诸如IGBT的快速开关切换的功率半导体器件的电压源PWM变频器/逆变器，原因在于IGBT器件具有良好的可靠性及低开关损耗特性。

基本工作原理介绍

逆变器中的功率半导体器件（IGBT=绝缘栅双极性晶体管）是高速电子开关。将变频器输出连接到直流母线的正极或负极。逆变器门极控制信号的持续时间和直流母线电压的幅值决定了输出电压（即所连接的电机电压）的大小。

西门子普遍采用空间矢量调制技术，在一个脉冲周期（调制频率）内通过相邻两个空间矢量的作用时间和零脉冲作用时间实现电机电压矢量在空间的移动（电机运行频率控制）及幅值（基波有效电压幅值）。

驱动的脉冲频率通常采用较高的开关频率，好处在于，比如可有效减小电机的噪声。但是较高的开关频率带来更短的电压脉冲上升率，将形成很陡峭的上升沿。

下表中样例描述了功率器件（IGBT）的脉冲上升时间与基波频率和开关频率之间的对比：