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