重复方波上升时间对变频电机耐电晕寿命影响研究

为研究重复方波电压上升时间对变频电机绝缘耐电晕寿命的影响规律,搭建了具有不同重复脉冲电压上升时间的耐电晕测试系统。根据IEC TS 60034-18-42,分别测试了Ⅰ类和Ⅱ类电机绝缘模型在不同重复方波电压上升时间下的耐电晕寿命,并对比了相同幅值和频率下正弦电压测试结果。结果表明:脉冲电压上升时间对匝间绝缘耐电晕寿命及局部放电时域和频域统计特性的影响显著。因此,根据相关标准测试变频电机的耐电晕寿命时,应考虑上升时间对电机耐电晕寿命的影响。     

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。     

非对称重复方波电压对局部放电统计特性及耐电晕寿命的影响

为研究非对称重复方波电压对变频电机匝间绝缘局部放电和耐电晕寿命的影响规律,在对称和非对称重复方波电压下对变频绝缘单点放电模型的局部放电及耐电晕寿命进行了对比测试。结果表明:在非对称重复方波电压上升沿和下降沿产生的局部放电呈非对称分布特性,上升沿附近的放电幅值较大,而下降沿放电幅值较小。非对称重复方波电压下匝间绝缘试样的平均耐电晕寿命约为对称重复方波电压下的2倍。因此,当采用重复方波电压评估变频电机绝缘性能时,不仅要注意上升时间的影响,还要考虑下降时间的作用。     

重复方波极性对聚酰亚胺耐电晕性能影响研究

利用极性可控的重复方波发生器,在具有6 kV峰峰电压、150 ns上升时间和下降时间、50%占空比的重复方波电压下,研究了正、负极性和双极性重复方波对聚酰亚胺耐电晕性能的影响。结果表明:重复方波极性对聚酰亚胺耐电晕和局部放电统计特性无显著影响,但对测试结果的分散性影响明显。不同电压下的耐电晕寿命和局部放电幅值的分散性由大到小依次为正极性、负极性和双极性。结合重复方波电压下大量局部放电统计数据,认为放电产生并建立起表面电荷积累后,极性反转瞬间的阶跃电压幅值是影响放电幅值和电晕破坏过程的主要因素。根据研究结果,采用双极性的重复方波电压执行变频电机绝缘耐电晕性能测试,有益于减小数据分散性,得到绝缘耐电晕性能的客观判据。     

重复短脉冲及方波电压频率对变频电机绝缘局部放电统计特性影响

为研究重复短脉冲及方波电压频率对局部放电统计特性的影响规律,采用不同频率的重复短脉冲及方波电压对变频电机漆包线绞线对进行测试,得到了两种电压条件下频率对局部放电幅值及相位的影响规律。结果表明:在重复短脉冲及方波电压下,频率升高造成表面积累电荷衰减减小,促使初始电子出现概率增加,从而导致局部放电幅值减小;放电相位随频率变化可能会受到电压极性的影响,在高频重复短脉冲电压下放电相位延迟,在高频重复方波电压下放电相位提前;在重复方波电压下的放电幅值为0.2~2 V,高于重复短脉冲下的放电幅值。根据研究结论,在依据国际标准对变频电机绝缘性能进行检测时,为提高信噪比,推荐采用频率较小的重复方波电压。     

正弦及双极性脉冲电压下变频电机匝间绝缘PDIV对比分析

在频率为50 Hz的正弦、双极性方波和双极性短脉冲电压下,采用新能源汽车3种典型的具有耐电晕特性的匝间绝缘绞线对,研究了3种电压对其局部放电起始电压(PDIV)特性的影响规律。结果表明:频域滤波后的有效带宽内,双极性重复短脉冲及方波电压下的放电频域能量主要分布在0.5~0.9 GHz;保持其他测试环境不变,正弦及双极性重复方波电压下的PDIV几乎相等,而正弦和方波电压下的PDIV比双极性重复短脉冲下的PDIV低约20%,并且随着脉宽的增加,双极性重复短脉冲电压下的PDIV呈下降趋势。根据研究结果,在对匝间绝缘进行PDIV测试时,正弦和方波电压是较为保守评估变频电机匝间绝缘PDIV的测试电压;在对绞线对等容性试样进行PDIV测试时,可考虑采用正弦电压替代脉冲电压。     

重复方波频率对聚酰亚胺耐电晕寿命影响研究

为研究重复方波电压频率对聚酰亚胺耐电晕寿命的影响规律,搭建了双极性方波测试平台,测试不同频率下聚酰亚胺的耐电晕寿命和局部放电统计特性.结果表明:聚酰亚胺的耐电晕寿命随频率的增加而减小,趋势逐渐变缓,这是因为随着重复方波频率的增加,发生在上升沿和下降沿处的放电幅值和相位都逐渐减小,致使单个周期内放电产生的电老化作用减弱.据此,对绝缘采用提高方波电压频率来加速老化时,需考虑上述特性.     

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。     

重复脉冲上升时间对变频电机绝缘局部放电特征的影响

为研究重复脉冲电压上升时间对变频电机绝缘的局部放电特征影响规律,基于超高频天线、检波技术和宽带、高速数据采集和传输技术设计了重复脉冲电压下变频电机绝缘局部放电检测系统。研究了变频电机匝间绝缘在不同上升时间重复脉冲电压下的局部放电统计特性并对其机理进行了分析。结果表明:在微秒级的上升时间下,脉冲电压极性快速翻转导致变频电机绝缘薄弱处空间电荷电场和外部电场叠加,易超过局部放电起始电压,从而产生次数较多的小幅值放电,且放电幅值随着上升时间的减小而增大,但单个周期放电总量逐渐减少。因此设计耦合传感器时应根据重复脉冲上升时间和局部放电脉冲频域能量分布特点,设计高频响应较好的传感器,避免脉冲电源干扰使测试灵敏度降低,从而得到准确反映电机绝缘水平的PDIV和RPDIV。     

脉冲频率及环境温度对变频电机绝缘耐电晕寿命影响研究

为研究脉冲频率及环境温度对变频电机绝缘耐电晕寿命的影响,在低频50 Hz和高频10 k Hz、上升时间和下降时间固定为25 ns的双极性对称重复脉冲电压及不同环境温度下,对变频电机匝间绝缘进行耐电晕寿命实验,研究不同重复脉冲电压频率下环境温度对变频电机耐电晕性能的影响规律。结果表明:相同环境温度下,电压频率的升高对放电试样有明显的温升效应;低频下,放电发生后,试样放电点表面温度随着环境温度的改变而改变;高频下,放电发生后,试样放电点表面温度在环境温度基础上有明显的温升效应。耐电晕测试结果中的放电能量统计显示,常温下局部放电主导的电老化可能是变频电机绝缘失效的主要原因,而高温高频下绝缘破坏是电热联合老化作用的结果。     

重复脉冲占空比对变频电机匝间绝缘耐电晕寿命影响研究

为研究重复脉冲占空比对变频电机匝间绝缘耐电晕寿命的影响规律,搭建了占空比可调的重复脉冲耐电晕寿命测试系统。采用Ⅰ型变频电机匝间绝缘漆包线单点接触试样,在频率为10 kHz、占空比不同的双极性重复脉冲下进行耐电晕寿命测试。结果表明:耐电晕寿命随占空比的增加而缩短,50%占空比下的耐电晕寿命比5%占空比下的短20%。在占空比低于50%时,脉冲上升沿与下降沿的局部放电分布特性不对称。因此,在根据相关标准对变频电机匝间绝缘进行耐电晕寿命评估时,为缩短实验周期和减小测试结果的分散性,建议采用占空比为50%的双极性对称重复脉冲电压。     

重复方波电压频率对变频电机匝间绝缘放电的统计特性影响

采用电磁检测方法借助重复脉冲电压参数可调的高压脉冲电源构建脉冲电压下的绝缘局部放电检测平台,研究重复方波电压的频率变化对变频电机单点和多点匝间绝缘放电模型局部放电统计特性的影响规律.结果表明:随着频率增加,绝缘单点和多点放电幅值均显著减小,这可能是由放电后绝缘表面残留电荷分布特性发生改变、激发初始电子概率增加及表面温升增加等综合因素引起.根据研究结果,在进行电机绝缘放电检测时应仔细考虑方波脉冲电压频率对局部放电脉冲的影响,选择合适的电压频率以提升测试灵敏度和准确性.     

适用于变频电机绝缘测试的脉冲方波发生器

为合理评估变频电机绕组的绝缘性能,IEC建议采用脉冲方波电压开展测试并且选择合适的脉冲参数以减小电压波形带来的测试偏差。通过对脉冲电源波形参数选择的分析,研制了一台基于桥式固态开关器件的直接输出式脉冲方波电源,给出了脉冲变换主回路暂态参数的设计方法。波形测试结果表明该脉冲方波电源能够输出具有对称脉冲边沿特性的脉冲方波,通过控制半导体固态开关和调节充放电参数能得到最短脉冲边沿时间20 ns、最大重复频率20 kHz、最高电压幅值10 kV的对称脉冲波形,耐电晕寿命测试结果与相关研究结论一致。该脉冲电源运行可靠、结构简单,输出波形稳定,可用于开展脉冲电压条件下变频电机绝缘性能评估工作。     

重复脉冲电压上升时间对变频电机绝缘局部放电起始电压影响研究

重复脉冲电压下绝缘局部放电起始电压(PDIV)测试是评估低压变频电机绝缘性能的主要手段。为得到客观的PDIV测试结果,必须研究重复脉冲参数对PDIV的影响规律。利用重复脉冲电压下的局部放电测试系统,研究了20 ns、40 ns、60 ns和1μs 4种上升时间下变频电机匝间绝缘PDIV的统计特性。结果表明:重复脉冲上升时间处的过电压是PDIV测试结果偏高的主要原因,20 ns上升时间下测得的PDIV比基本无过电压的重复脉冲PDIV测试结果高约30%,这是因为持续时间较短的过电压幅值虽超过了实际PDIV,但由于缺少激发电子崩的初始电子,未发生局部放电。在对变频电机绝缘进行PDIV测试时,应充分考虑重复脉冲上升时间处过电压对测试结果的影响。     

重复短脉冲上升时间对变频电机绝缘局部放电统计特性的影响

重复脉冲电压下的局部放电起始放电电压测试是评估低压变频电机绝缘性能的主要手段。为提高测试灵敏度,研究重复脉冲电压波形参数对局部放电统计特性的影响,设计了可产生最短上升时间为10 ns的重复短脉冲发生装置,并利用超高频及紫外测试方法,在10～100 ns上升时间的重复短脉冲电压下研究了变频电机匝间绝缘的局部放电统计特性。结果表明:随着重复短脉冲上升时间的增加,局部放电的幅值减小、相位增大;紫外光子数则先减小并在上升时间从80 ns变化至100 ns时增加,研究认为随着上升时间的增大,多个放电点产生放电的重叠机率减小,检测得到的放电重复率反而有可能增大。     

重复脉冲占空比对变频电机绝缘局部放电统计特性的影响

研究脉冲电压参数对局部放电(partial discharge,PD)统计特性的影响规律,有利于I型变频电机绝缘性能评估时得到客观结论。该文采用漆包线单点试样,通过双极性脉冲电压下的大量实验,研究了占空比(0.005%~50%)对PD统计特性的影响规律,并根据脉冲电压下的局部放电机制分析了占空比对局部放电幅值和相位作用机制。研究表明:电压持续时间小于100μs时,局部放电发生概率较低,放电幅值较小,放电不对称,下降沿附近干扰信号严重,导致PD信号提取信噪比降低,影响了变频电机绝缘性能测试的准确性。当脉冲持续时间大于100μs时,PD统计特性基本对称。因此,根据相关标准进行变频电机绝缘检测时,宜采用持续时间超过100μs的重复脉冲电压。     

正弦脉宽调制电压下聚酰亚胺绝缘寿命研究

在正弦脉宽调制(sinusoidal pulse width modulated,SPWM)电压下,实验研究了不同开关频率(6、12、18 kHz)和基波频率(10、50、100、150、200 Hz)对聚酰亚胺绝缘耐电晕寿命的影响,并与相同开关频率和不同占空比(10%、50%)重复脉冲方波下的耐电晕寿命进行对比。结果表明:50%占空比的重复脉冲方波可以用来代替SPWM波预测变频电机绝缘的耐电晕寿命,但不能准确反映其统计特性;耐电晕寿命随开关频率的增加而减少;100 Hz是耐电晕寿命的基波频率转折点,当基波频率小于100 Hz时耐电晕寿命随基波频率的增加而减少,当基波频率大于100 Hz时耐电晕寿命随基波频率的增加而增加。     

重复脉冲参数对变频电机绝缘PDIV测试信噪比影响研究

为研究强电磁干扰环境下复杂脉冲电压参数对局部放电起始放电电压(partial discharge inception voltage,PDIV)测试信噪比的影响,基于特高频检测法,在不同重复脉冲电压上升时间、频率和占空比下进行变频电机绝缘PDIV测试,并分析放电信号的时域和频域特性。研究表明,脉冲上升时间对0.5GHz以上高频放电能量影响显著,高频能量随上升时间增加而衰减,在不同上升时间下频域滤波会削弱放电能量,造成测试信噪比降低;脉冲频率升高,放电幅值减小且高频放电能量微弱,放电更易淹没于残余电力电子器件干扰中;具有较小占空比的脉冲电压下(如占空比为0.03%),下降沿处出现统计时延较短的小幅值放电,此时检测上升沿放电可适当提高PDIV测试信噪比。在执行低压散绕变频电机绝缘PDIV测试时,以上结果有望为重复脉冲电压参数选择和测试信噪比的提高提供参考依据,从而提升变频电机绝缘评估准确度。     

重复脉冲电压下温度对变频电机绝缘局部放电统计特性影响研究

为研究温度对变频电机绝缘局部放电统计特性的影响规律,在不同温度条件下采用上升时间为25 ns的双极性对称重复脉冲电压对变频电机漆包绝缘进行测试,分析温度对局部放电起始电压、局部放电谱图、放电相位、放电幅值及放电次数等特征参量的影响规律。结果表明:在漆包线耐热等级155℃内,局部放电对称出现在重复脉冲电压的上升沿和下降沿,局部放电起始电压随温度升高而下降,放电相位随温度升高而减小,放电幅值随温度升高而增大,半周期内的放电次数随温度升高而减少。温度会影响绝缘材料的相对介电常数、表面电导率及用于激发电子崩初始电子的产生概率,并改变表面电场和空间电荷积累效应,最终导致局部放电起始电压和局部放电特性发生改变。     

重复方波死区时间对变频电机绝缘性能影响研究

为研究电力电子脉宽调制(PWM)算法中死区时间对变频电机绝缘性能的影响,首先利用全桥固态开关和高速实时控制技术,搭建了死区时间在2～10 μs可调的重复脉冲发生器.在峰峰电压为4 kV、频率为5 kHz双极性重复脉冲电压下,借助特高频测试方法,通过变频电机匝间绝缘试验,研究了重复方波电压死区时间对变频电机绝缘放电统计特征和耐电晕寿命的影响规律.结果 表明:增加死区时间可以显著增大重复脉冲方波上升沿和下降沿处的表面电荷衰减效应,减弱了放电过程中表面电荷反向电场对放电过程的抑制作用,从而增加了放电数量,加速绝缘电老化,使变频电机匝间绝缘的耐电晕寿命显著降低.对此,在设计电力电子系统,加入死区时间保护功率器件的同时,必须考虑死区时间对变频电机绝缘系统的加速老化作用,以适当提高绝缘裕度.