用于变频电机绝缘测试的PWM电压发生器

在变频电机绝缘测试中,重复脉冲方波电压不能完全模拟变频器输出的PWM电压反映变频电机绝缘失效机理,并且同一实验中使用不同电源影响实验数据的一致性。该文章设计了一台直接输出式PWM电压发生器,既可以输出模拟变频器实际的SPWM电压和SVPWM电压用于绝缘测试,又可以输出重复脉冲方波电压开展对比实验。首先,设计了基于FPGA的脉冲信号发生器,产生基波频率、开关频率可调的SPWM、SVPWM触发脉冲以及频率、占空比可调的重复方波脉冲;然后,设计了基于固态推挽开关的斩波器,在脉冲信号的触发下输出对应的双极性高压脉冲;最后,使用该脉冲电压发生器开展了SPWM电压下变频电机绝缘局部放电实验,验证了系统的可靠性和实用性。     

一种绝缘寿命测试用高压方波脉冲电源的研制

高压变频驱动绝缘寿命脉冲电应力加速试验需要对称双极性高压方波脉冲电源,当前的高压脉冲电源尚不能完全满足需要,而现有的高速功率电子器件难以直接产生所需波形高压脉冲电源。本文通过光纤传输脉冲同步控制信号,使多个隔离电压达20kV,幅值1kV的对称双极性脉冲逆变电路模块同步工作,将多个这种方波脉冲模块级联构成脉冲峰峰值8kV以上高压脉冲电源。该文分析并给出了多H桥级联方式下脉冲上升时间的估算方法以及各独立模块电源隔离电压和容量的确定方法。该高压脉冲电源构成方法可通过改变级联模块数量灵活改变脉冲幅值电压等级,经测试可较好满足绝缘寿命加速老化试验对脉冲波形的要求。     

绝缘材料寿命评估用方波脉冲电源问题的探讨

探讨了有关变频电机绝缘材料寿命评估用方波脉冲电源性能和结构的一些问题,包括选择波形、提高峰峰值、加快上升时间以及频率、负载电容和功率的关系等,提出了解决问题的方法,并以研制8kV峰峰值双极性对称方波脉冲电源的实例,介绍了解决问题的一些具体措施。     

10kV重复频率方波脉冲源的研制

为进行绝缘材料在快前沿高压脉冲作用下的局部放电和绝缘老化的试验研究,研制了1台最高输出电压为10kV的重复频率高压方波脉冲发生器。该方波发生器采用可调直流高压电源和储能电容器作为能源系统,利用半导体固态开关作为主放电开关控制脉冲宽度和重复频率,通过脉冲放电回路在负载上形成所需的电压脉冲。其半导体固态开关采用具有低耦合电容的紧凑型快速高压金属氧化层半导体场效应晶体管(MOSFET)开关,通过复杂可编程逻辑控制器(CPLD)可编程逻辑电路实现开关通断控制。实测结果表明,该脉冲源可以产生脉冲上升沿约为80ns、最小脉冲宽度为320ns的高压准方波脉冲,最高输出幅值达到±10kV,脉冲重复频率的可调范围为1～3kHz,性能指标满足绝缘材料的局部放电以及绝缘老化试验的要求。     

变频电机用漆包线绝缘耐脉冲电压强度测试装置的研制

介绍了所研制的漆包线绝缘耐脉冲电压强度测试装置的工作原理和性能指标。根据脉冲宽度调制(PWM)电压波形的特性,确定了PWM模拟发生器的脉冲电压参数。该装置输出的脉冲方波幅值1．6～-1．6kV连续可调,频率20kHz．方波宽度20．15μs,方波电压上升时间空载16．2ns,满载25ns,可同时测量五个绞线对试样,还具有自动保护、自动记时功能。测试结果表明：测试装置的主要性能达到国际同类测试仪的先进指标,可以满足国内变频电机漆包线质量评定的需要。     

重复方波脉冲和短脉冲电压下变频电机匝间绝缘耐电晕特性对比研究

逆变器输出至变频电机端部的脉宽调制(PWM)电压为重复方波脉冲电压,但变频电机匝间绝缘实际承受持续时间为纳秒至微秒级的短脉冲电压。为研究两种电压下变频电机匝间绝缘性能的异同,测试分析了变频电机匝间绝缘在相同频率、电压峰峰值和上升时间的重复方波脉冲和短脉冲电压下的局部放电和耐电晕寿命。结果表明:重复方波脉冲电压在上升沿和下降沿的局部放电对称分布,而短脉冲电压在上升沿的局部放电特性与重复方波脉冲电压相似,在下降沿未检测到明显放电;重复方波脉冲电压下的频域能量主要分布在0.7～0.9 GHz,而短脉冲电压下的频域能量主要分布在0.9～1.1 GHz,且短脉冲电压下的局部放电持续时间比重复方波脉冲电压下短;短脉冲电压下漆包线的耐电晕寿命约为重复方波脉冲电压下的3倍。     

基于非平衡Blumlein型多层微带传输线的高压纳秒脉冲发生器

为制作生物医学用小型化、紧凑型ns脉冲发生器,结合非平衡Blumlein型多层微带传输线和固态开关技术,研制了一台基于非平衡Blumlein型传输线的全固态高压纳秒脉冲发生器。通过波传播过程分析非平衡Blumlein型多层微带传输线方波形成原理;介绍了相关固态开关的控制时序及其"截波"策略,以此实现50~100 ns的方波脉冲脉宽可调;阐释了非平衡Blumlein型多层微带传输线系统的负载阻抗可变的相关原理;并研制了一台小型纳秒脉冲发生器以进行相关性能测试。最终,在50Ω负载下的纳秒脉冲电压参数:幅值0~2 k V可调、脉宽50~100 ns可调、重复频率0~1 k Hz可调,上升时间约20 ns;此外,测试了500Ω负载下输出的纳秒脉冲电压幅值约为充电电压的2倍。     

一种用于脉冲绝缘老化试验的高压脉冲电源

为研究牵引逆变器输出脉冲电压对变频牵引电机绝缘的影响,基于高压脉冲电源,结合牵引逆变器的特点,研制了一种新型高压脉冲电源,脉冲电压峰峰值为0～10kV,频率为300Hz～20kHz,占空比为50%。试验结果表明,该高压脉冲电源上升沿2.95μs,输出功率1.5kW,完全满足变频牵引电机绝缘材料性能试验的要求。     

基于脉冲形成线的脉冲方波电源设计

为研究某种高压氧化锌(ZnO)陶瓷压敏电阻的特性,设计了用于该电阻测试所需的高压脉冲方波电源。利用脉冲形成开关和高压脉冲形成线网络相结合的原理,采用固体半导体开关器件来产生触发脉冲信号。运用场畸变火花开关作为脉冲形成开关,去控制由脉冲形成线网络构建的储能单元进行放电。再通过应用脉冲变压器进行传输与能量变换后,最终在这种高压ZnO陶瓷压敏电阻负载上,实现输出电压幅度不大于40 kV、脉冲宽度不小于4μs、脉冲前沿不大于1μs的高压脉冲方波信号。     

基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

Fuzzy Logic-based Electrothermal Life Model for Inverter-fed Induction Motor Insulation

Pulse width modulated adjustable speed drives used in industries lead to significant advantages in terms of performance, size, and efficiency. But, the output voltage and the current waveforms become non-sinusoidal leading to an increase in voltage and thermal stresses. This results into accelerated insulation aging and premature failure of the motors. With multiple stresses, the life models for insulating materials become complex and ambiguous. This article presents the fuzzy logic application to derive an electrothermal life model to investigate the synergic effects of voltage and thermal stresses on intrinsic aging of inverter-fed induction motor insulation. Three parameters, viz. voltage stress factor, waveform slope stress factor, and spike frequency factor, are proposed to describe the insulation stresses for pulse width modulated voltages. These parameters are computed from the experimental results at different switching frequencies and are used in fuzzy logic-based life estimation algorithms. The results of the fuzzy logic life model are verified by performing the accelerated aging test with the same pulse width modulated voltages on paper insulation. An electrothermal life model is derived from the fuzzy logic results, which can be directly used for the life estimation of any general purpose low-voltage inverter-fed induction motor insulation.     

Output filters for PWM drives with induction motors

When an induction motor is energized from a pulse width modulated (PWM) inverter, through long connecting cables, its insulation system can be severely stressed. The high dv/dt voltage pulses at the output of the inverter cause traveling waves in the connecting cable between the inverter and the motor. When the traveling wave reaches the motor, a large impedance mismatch is present which leads to a reflected voltage wave that, when added to the incoming incident wave, can reach two times the inverter output voltage. The resulting overvoltage at the motor terminals stresses the insulation system and can lead to reduced motor life. Various output filter arrangements can be used to condition the inverter output voltage before it is applied to the cable. The advantage of adding output filtering is that the dielectric stress on the motor insulation and the inverter cable charging current can both be reduced. The major disadvantages of adding filtering is that they represent extra cost, they require extra mounting space, and they introduce extra losses in the system. The most commonly used types of inverter output filters are: simple output line inductors; output limit filter; sine wave output filter; and motor termination filter. These filters are discussed     

基于介质损耗分析研究变频电机绝缘老化特性

变频牵引调速电机匝间绝缘承受来自逆变器的连续高压脉冲方波的作用,其老化机理与工频正弦电压作用下具有很大差异。笔者通过采用两种电压源对模拟变频电机匝间绝缘和对地绝缘的绞线对试样进行老化试验,测量了tanδ随老化时间的变化趋势,分析了电压形式对匝间绝缘和对地绝缘介质损耗产生和发展的作用机理。试验结果表明:脉冲电压下,匝间绝缘内部有放电发生时,放电与空间电荷协同作用使绝缘缺陷迅速增多;无放电时空间电荷反复注入和抽出造成绝缘损伤。交流电压下绝缘介质发热主要由局部放电造成,而脉冲电压下主要是由空间电荷所导致。对地绝缘由于其绝缘结构,呈现槽放电现象,空间电荷的引入大大加速了绝缘的老化。     

一种新型逆变电解电源的研制

设计了一款输出频率从10Hz到100Hz可变的电解电源,提供了完整的设计实现方案。其输出电流为100安培,采用了函数发生器芯片ICL8038和脉宽调制芯片SG3525进行控制,可输出正弦波、三角波、方波以及梯形波等多种波形,用于电解电容中铝箔制造工艺的优化选择。     

SVPWM电压下变频电机绝缘耐电晕寿命研究

实验研究了空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulated,SVPWM)电压开关频率(6 kHz、12 kHz、18 kHz)和基波频率(10 Hz、50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz)对变频电机绝缘材料耐电晕寿命的影响,并与相同开关频率50 %占空比重复脉冲方波电压下的耐电晕寿命进行对比。实验表明：开关频率越低,耐电晕寿命越长,耐电晕寿命的时长和分散性在不同基波频率下的波动越大;开关频率越高,耐电晕寿命越短,耐电晕寿命的时长和分散性在不同基波频率下的波动越小。50 %占空比重复脉冲方波能够用于替代SVPWM波预测变频电机绝缘的耐电晕寿命,但在开关频率较低时不能准确反映其统计特性;开关频率越高,50 %占空比重复脉冲方波对SVPWM电压下变频电机绝缘耐电晕寿命时长和分散性的预测越准确。研究结果有望为变频电机绝缘性能实验评估提供理论和实验依据。     

直流下油纸绝缘中局部放电脉冲典型波形及其参数提取

笔者介绍了直流下局部放电脉冲波形测量系统的组建以及测量电阻的校验。利用该试验系统对模拟换流变压器油纸绝缘的5种典型缺陷模型进行了局放脉冲波形测量。试验结果表明:直流下油纸绝缘中缺陷放电稳定,脉冲波形无振荡分量和过冲,且不随电压变化而发生畸变。在对典型脉冲波形进行预处理的前提下,使用形状参数法、自相关函数法、AR模型参数法以及Renvi信息量进行了波形特征参数提取。所得结果为深入研究直流下油纸绝缘中局部放电机理、局放在线监测系统的频率特性以及放电类型的波形识别提供了实验依据。     

双馈式风力发电机变流器脉冲电压对绝缘寿命的影响

为了研究变流器输出频率比较高时,其直流重复脉冲电压对电机绝缘系统寿命的影响,对双馈式风力发电机定子进行了模拟试验。试验结果证明:与工频50Hz交流电压相比,开断频率为1kHz时的脉冲电压作用下的绝缘寿命相差约20倍;决定绝缘寿命的主要因素是局部放电,变流器输出频率越高,则绝缘寿命越短。     

脉冲电压下聚酰亚胺空间电荷行为及其机理研究

电力电子装备长期处于高重复频率、陡上升时间脉冲电压运行工况,绝缘更容易发生劣化和早期失效。为探究脉冲电压下绝缘失效的微观机理,对ns级别下的脉冲边沿前后空间电荷分布情况进行研究对比,探究了电场强度、硅油对脉冲边沿时刻电荷振动波形的影响。通过分析不同脉冲上升时间下的电荷振动波形及电压波形频谱、电荷积聚特性,阐明了脉冲电压边沿时刻电荷振动机理以及ns脉冲下电荷行为对绝缘劣化影响机理。研究发现,ns脉冲上升沿和下降沿前后电荷分布特性存在差异,在脉冲边沿处发现了特殊的空间电荷迁移行为;电场强度会影响异极性电荷的积累速度及积累量,从而影响电荷振动波形的形状;电极与试样之间涂敷硅油会影响电荷振动波形的极性;5×10⁶~1×10⁷ Hz频段的电压分量对空间电荷振动起主要作用;ns脉冲电压下电荷积聚导致电场畸变更加严重。