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變頻器驅動馬達的光與影:高效率化與部分放電

變頻器驅動馬達是控制迴路與馬達組合的系統。將交流電源變換成直流電源,並透過高速開關控制被轉換的直流電源,控制馬達的速度與電流。其特徵是比使用商用電源驅動的馬達擁有更好的效率轉換。在追求效率的現代社會中,這些馬達被廣泛使用在家電、交通工具等用具上。

但變頻器的高速開關控制會對馬達造成電氣負擔,也會有加速劣化的可能性。如同圖1所顯示的變頻器高速開關動作,會導致脈衝電壓產生。這種脈衝電壓,會產生比一般變頻器約兩倍的電壓。
在馬達繞組間施加瞬間高電壓外,超過一定的電壓就會在線圈被覆表面發生放電。這就稱為部分放電。

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圖1 高速開關所導致脈衝電壓產生

為何會引起部分放電呢?

如圖2所示,變頻器驅動馬達的基本要素為轉子(旋轉子)與定子(固定子)。定子是將繞組插入定子鐵芯內所形成。繞組的導體由搪瓷被覆層所覆蓋,形成各線間絕緣的狀態。在馬達生產階段,導體被繞成術圈,並使用絕緣紙使其與定子絕緣。但在製造過程中,絕緣紙的位移與破損、皮膜的破損與壓傷,都會導致線與線的接觸,或者是繞組與定子鐵芯接觸而導致絕緣功能低下,也是造成部分放電的因素。
絕緣層內的裂痕(絕緣層內因氣泡或雜質所導致缺損的部位)與導體的損傷也是會造成部分放電的原因。

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圖2 變頻器驅動馬達一般構造

部分放電的危險性

電動車所代表的高電壓變頻器驅動的馬達,出現部分放電的風險更高。一般來說,沒有良好絕緣的繞組被施加超過350V的電壓就會產生部分放電。不僅僅是變頻器驅動馬達,連高電壓產業用馬達也會有部分放電的風險。馬達繞組內若存在絕緣性低下的地方,就會發生部分放電,長期下來就會導致絕緣劣化。這個部分放電所導致的絕緣劣化,會造成短路、絕緣破壞甚至導致起火等重大事故的原因。

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要如何檢測出部分放電?

部分放電可透過部分放電測試檢測。部分放電測試,如下表1所顯示的有兩種類型。
兩種測試可以找出的絕緣不良場所有所不同,所以兩種都必須要進行測試。

表1 部分放電測試的種類

測試的種類 說明 目的
AC部分放電
(AC PD)測試

使用交流電壓的部分放電測試。
由於使用 50 Hz 或 60 Hz 的高電壓電源(耐電壓試驗器),相比脈衝局部放電試驗,可以在更長時間內將高電壓施加到被測物(DUT)。因此,適合檢測相間(Phase to Phase)以及繞組與定子鐵芯之間(Phase to Core)的局部放電。然而,在同一相內的繞線之間進行放電檢測(Turn to Turn)較困難,並且在中性點接線後,只能進行定子鐵芯間(Phase to Core)的試驗。

內部放電、表面放電、確認是否有混入異物的測試

脈衝部分放電
(脈衝 PD)測試

使用脈衝電壓的脈衝部分放電測試。
不論在中性點連接前後,可在相間(Phase to Phase),繞組與定子鐵芯間(Phase to Core)、同相的繞組內(Turn to Turn)等所有的場所都能進行測試。
特別是AC PD測試中難以測試的同相的繞組內(Turn to Turn)也能檢測出部分放電。適用於繞組內輕微的不良檢測。
確認對於變頻器脈衝電壓的耐性測試

 

部分放電會發生在以下場所:

  1. 同相內的線間所產生的電壓差導致的放電(Turn to Turn)
  2. 不同相間的線間接觸所導致放電(Phase to Phase)
  3. 線間與定子鐵芯間接處所導致放電(Phase to Core)

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以往的變頻器驅動馬達的製造產線中,為了檢測出電氣的劣化原因,會進行絕緣電阻測試、耐電壓測試、脈衝電壓測試(層間短路測試)等等的測試。透過耐電壓測試與脈衝測試可以輕鬆發現絕緣破壞所導致的不良品,但以上測試無法檢測出在絕緣破壞前因絕緣不良所導致的微小放電。
因此,必須在過往的測試中加入能夠高精度檢測出部分放電的部分放電檢測。透過檢測部分放電可以找出潛在不良品,並提升馬達品質與信賴性。

 

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