基于介电参量研究变频电机的绝缘老化机理

为研究变频调速牵引电机的绝缘老化机理,采用高压方波脉冲对变频电机匝间绝缘绞线对试样进行加速老化试验,通过分析不同老化时间下绞线对的电容值和介质损耗因数(tanδ),对绞线对在高压方波脉冲条件下的绝缘老化机理进行研究。结果表明:随着老化时间的延长,试样电容值逐渐减小,介质损耗逐渐增大。低频时绞线对的介电温度谱在125℃出现一个明显的损耗吸收峰,高频时在85℃出现一个损耗低谷。30℃时绞线对的介电频率谱在10~100 k Hz频率段出现损耗峰,峰值随老化时间延长而增大,而在80℃和150℃损耗峰消失,同时tanδ逐渐减小。老化后绞线对绝缘膜的有机相被烧蚀,留下颗粒状的不连续团簇物。     

变频电机用电磁线绝缘电老化性能分析和表征

通过对变频电机用绝缘电磁线进行高频脉冲电老化试验,研究了绝缘电磁线的电老化寿命及其变化规律。采用电子能谱仪和显微镜对绝缘电磁线表面在电老化过程中的析出物进行了成分分析和形貌表征。结果表明:绝缘电磁线在施加一定电压条件下会出现局部放电,其寿命随施加电压的增加呈指数式衰减,在电老化过程中电磁线绝缘表面有白色析出物质,对试样表面析出物进行能谱分析发现C、O、Mg、Si、Ca增加较多,击穿点周围C、F、Cu元素含量大幅度增加。新试样表面平坦且没有杂质,而经过电老化后的电磁线试样表面团聚物堆积、凹凸不平。     

变频牵引电机定子绕组电磁线寿命特性的研究

为研究变频调速牵引电机绝缘过早失效的机理,进行了定子绕组电磁线多因子联合作用绝缘寿命试验,利用一元二参数Weibull分布统计分析了不同电压幅值、频率和温度下的绝缘寿命试验数据,并研究了电磁线。提出了高频脉冲条件下多因子联合老化寿命模型,比较3种条件下的寿命模型与实验结果得出其相关系数均>0.89,验证了模型的正确性,可为变频调速牵引电机的设计提供理论依据。     

中压变频电机匝间绝缘优化研究

研究了3.0~3.3 k V中压变频电机定子绕组减薄匝间绝缘结构的介质损耗、冲击耐压和工频耐压等电性能。采用绝缘减薄的电磁线制作了绞线对,然后进行高频脉冲电老化试验,并将试验结果与基准结构进行对比。结果表明:中压变频电机定子绕组匝间绝缘双边厚度可由0.70 mm优化到0.50 mm。     

高频连续脉冲作用下电机绝缘局部放电信号的提取

局部放电是引起PWM变频电机绝缘在高频连续脉冲条件下发生老化的重要因素之一,严重时将导致电机绝缘的击穿.由于高频连续脉冲的上升时间为ns级且幅值为kV级,既加剧了电机绝缘的老化程度,也对局部放电检测系统提出了高要求.为了有效提取局部放电信号,本文提出一种新型的脉冲电流传感器(ICS).基于该传感器建立了一套局部放电测试系统,以牵引电机电磁线绞线对为试样进行局部放电测试.测量结果表明该测试系统能有效提取平顶区域的局部放电信号,对研究脉冲电压作用下的局部放电对绝缘老化的影响具有重要价值.     

纳米TiO2填料对变频电机耐电晕电磁线绝缘性能的影响

测试和分析了某型耐电晕电磁线绝缘漆中无机填料的化学组成和微观形貌,并测试该电磁线绝缘漆的紫外-可见光吸收谱.从无机填料效用的角度研究了纳米TiO2在绝缘破坏过程中的电、光及热效应.纳米TiO2填充改性绝缘的电磁线遭受电晕破坏时,析出的纳米TiO2微粉层可以改善电场分布,提高热传导能力,并在绝缘表面形成电子和紫外线屏障,捕获电晕放电产生的电荷,吸收紫外线.这些研究可为开发变频电机用耐电晕电磁线提供理论参考依据.     

变频电机电磁线绝缘膜电树枝化击穿机理研究

阐述了调速牵引电机中电磁线绝缘破坏的问题及电树产生和发展的机理。以完好的和含有杂质的变频电机用电磁线为试样,在高压下老化直至击穿,对击穿点进行扫描电镜和能谱分析。试验结果表明,两试样的击穿均为树枝状击穿,金属杂质的存在降低了绝缘膜的电气强度。     

局部放电作用对变频电机匝间纳米复合绝缘的损伤机理研究

局部放电是变频电机匝间绝缘过早失效的主要原因之一。在双极性连续方波脉冲电压下对变频电机匝绝缘试样进行老化试验,测试了不同老化阶段的局部放电次数及平均放电幅值,采用扫描电镜观察了不同老化阶段试样绝缘介质表面的微观形貌变化规律及击穿点特征。研究结果表明:老化过程中,平均放电幅值及放电次数与老化时间的关系比较复杂,但总体上呈上升趋势;局部放电对纳米复合材料的侵蚀主要是造成聚合物基体降解,无机纳米填料因为其较强的键能而残留在介质表面上并建立起一层无机绝缘层,从而有效阻止局部放电对介质的进一步侵蚀,纳米复合绝缘介质表面生成的团絮物及孔洞将加速绝缘降解,最终导致绝缘寿命终止。     

高频方波脉冲下变频电机绞线对的局部放电特性分析

基于脉冲电流传感器建立了一套方波脉冲下的局部放电测试系统,并对模拟变频电机匝间绝缘的绞线对试样进行局部放电试验。测试并分析了脉冲电压的频率和上升时间对局部放电起始放电电压、平均放电量和放电次数的影响,探讨了绞线对在方波脉冲电压下的局部放电机理,为更深入地研究方波脉冲电压下绝缘老化机理打下了坚实的基础。     

方波脉冲电压频率对变频牵引电机绞线对绝缘特性的影响

测试了不同频率方波脉冲电压下牵引电机绞线对的电热联合老化寿命、介质损耗因数（tanδ）及局部放电平均放电量,测试结果表明：方波脉冲电压频率升高,使局部放电平均放电量增大,局部放电对绞线对绝缘的破坏作用加强,使绞线对的老化寿命缩短;方波脉冲电压频率升高,使绞线对老化程度加深,陷阱密度增大,降低了自由载流子浓度,使局部放电起始放电电压（PDIV）增大,从而使介质损耗因数曲线转折点电压升高.     

脉冲电压对电机定子绝缘影响的试验研究

变频电机定子绝缘承受来自逆变器的连续高压脉冲方波,其失效机理同工频正弦电压作用下具有很大的差异.本文以匝间绝缘用的电磁线为试验对象,研究了脉冲电压幅值、脉冲上升沿时间、脉冲频率、占空比以及温度对绝缘失效时间的影响.结果指出:高频正弦电压下的电晕老化绝缘失效机理并不适合于连续高压脉冲下的失效.脉冲电压造成电磁线表面变色的针孔状损伤或者大面积的炭化是导致绝缘失效的直接原因.在高频下,脉冲陡上升沿加速了绝缘的失效.     

变频牵引电机绞线对介质损耗的研究

分析了变频牵引电机绞线对经热老化、电老化及电热联合老化后的3条介损-电压曲线(tanδ-U曲线),与其在高温下的tanδ-U曲线进行对比,并比较了绞线对在不同老化程度下的tanδ-U曲线。结果表明:绞线对经热老化及电热联合老化后测得的第1条tanδ-U曲线的转折点对应的电压明显比后2条tanδ-U曲线的高;经验证该转折电压为绞线对的局部放电起始放电电压(PDIV);随着老化程度的加深,测得的第1条tanδ-U曲线的转折点电压增大。     

冷热循环老化对变频调速电机电磁线绝缘电性能影响的研究

为研究冷热循环老化对变频调速电机电磁线绝缘电性能的影响,通过对电磁线进行冷热循环试验,测试分析了冷热循环次数对电磁线绝缘电性能的影响规律。结果表明:电磁线试样的介质损耗因数(tanδ)、电阻(R)、电容(C)随冷热循环次数的增加而有所减小,击穿电压随循环次数的增加而变化不明显。tanδ随着电压的增大而减小,可能是由于该绝缘材料具有非线性效应。     

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.     

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。     

缺陷和机械应力对变频牵引电机绝缘性能的影响

以JD116型变频牵引电机用电磁线为研究对象,该电磁线绝缘薄膜为美国杜邦公司开发的耐电晕聚酰亚胺KaptonCR薄膜。试验研究了①含有肉眼可见的气泡;②掺入金属杂质;③与地电极接触不好(存在气隙);④表面磨损4种不同缺陷类型试样的局部放电特性和电气强度,并与完好试样的试验结果进行了对比。试验表明:缺陷和机械应力会大大降低绝缘的性能。     

方波脉冲电压下聚酰亚胺材料的老化特性

为研究变频电机的匝间绝缘特性,在方波脉冲电压下,采用电热联合法对100HN绞线对和100CR绞线对进行老化试验,测试了各老化阶段其介质损耗特性和局部放电(PD)参量。试验结果表明:随着老化时间的增加,2种绞线对的介质损耗都增大,且局部放电的平均放电量和放电次数也都随之增大。但由于100CR中的纳米粒子周围形成了大量含有浅陷阱的界面区域,这些区域对电荷的输运能力较强,因此同一老化条件下,与100CR绞线对相比,100HN绞线对的介质损耗较大,局部放电的放电次数较多,平均放电量较小。此外,纳米粒子的协同效应有助于保护聚酰亚胺基体,延长100CR绞线对的绝缘寿命。     

高压脉冲方波下聚酰亚胺薄膜电老化寿命模型

逆变器输出的高压脉冲方波会导致变频调速牵引电机绝缘过早损坏,其老化机理与工频交流电压下不同.利用一种高压脉冲绝缘老化试验系统模拟变频器对变频调速牵引电机定子绕组绝缘的老化作用,以聚酰亚胺薄膜为试验对象,研究了脉冲方波幅值、频率对绝缘寿命的影响,提出了高压脉冲方波下绝缘材料的电老化寿命模型.     

高压方波脉冲波形参数对局部放电的影响

研究了变频电机定子用绝缘绞线对在方波脉冲下的局部放电行为。对不同频率及不同电压上升时间下局部放电的放电次数、平均放电量及放电的相位分布进行了研究和分析。结果表明,随频率的升高及电压上升时间的缩短,累积空间电荷形成的反向电场增强,局部放电行为加剧,从而导致绝缘的老化更为严重;随频率的升高,初始电子延迟会使单个周期内放电次数减少,而相同时间间隔内局部放电次数会有所增加;在不同电压上升时间下,放电次数的增加量不与电压上升率的变化成正比,而取决于单次放电时间td。     

重复脉冲频率对变频电机绝缘PDIV及PDEV影响研究

重复脉冲电压下局部放电起始放电电压(PDIV)及局部放电熄灭电压(PDEV)是评估低压变频电机绝缘性能的重要参数。为研究重复脉冲频率对变频电机绝缘PDIV及PDEV的影响规律,利用上升时间为100ns、持续时间为200 ns的正极性重复脉冲,在5 Hz～5 kHz内对变频电机匝间绝缘的PDIV及PDEV进行了大量测试。结果表明:随着重复脉冲频率的增加,产生初始电子的概率增大,PDIV和PDEV均呈减小趋势。放电产生后绝缘表面局部温度升高及表面电荷衰减,可能是PDEV随频率增加而减小的重要原因。据此,在重复脉冲电压下进行变频电机绝缘的PDIV及PDEV测试时,适当提升脉冲频率有利于激发绝缘薄弱点放电,进而得到更为客观的测试结果。