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.     

正弦和重复方波电压下变频电机绝缘局部放电特性对比

为对比研究正弦和重复脉冲电压下变频电机绝缘的局部放电特性,基于超高频测试技术搭建了两种电压条件下电机绝缘的局部放电测试平台。利用该平台,分别在正弦及200 ns上升时间的重复脉冲电压下,对低压变频电机漆包绝缘单点放电模型进行了局部放电测试,对比分析了正弦和重复脉冲电压下的局部放电单个脉冲的时频幅值、相位分布及频域能量分布、多个脉冲的统计谱图等特性,研究结果发现:对于相同峰峰值和频率的重复方波和正弦电压,重复方波电压下变频电机绝缘局部放电幅值及耐电晕寿命分别约为正弦电压下的10倍及1/3,且相位、时频域统计特性存在明显差异,在基于国际电工委员会标准对变频电机绝缘系统进行评估时,必须依据重复方波脉冲对放电特性及耐电晕寿命影响规律,重新考虑局部放电测试及耐电晕系统的设计。     

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。     

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。     

PWM脉冲电压下变频电机匝间绝缘研究

定子绕组匝间绝缘失效是导致变频电机损坏的主要原因。以湘电1 650 V变频电机匝间绝缘结构为研究对象,对匝间绝缘用FMB-40线对和耐电晕FCRMB-40线对进行高频方波脉冲老化试验,分析两者老化前后介质损耗与局部放电的变化。结果表明:施加幅值2.0 k V、频率20 k Hz的方波脉冲电压老化1 000 h后,两种结构都通过了老化试验。其中耐电晕FCRMB-40线对的表现较优,用于1 650 V变频电机匝间绝缘具有更佳的电气可靠性。     

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.     

高频脉冲下牵引电机绝缘的局部放电特性

变频牵引电机定子绝缘承受来自变流器的连续高压方波脉冲,可能导致绝缘过早失效,其老化机理与工频交流电压作用下差异很大。局部放电是导致变频调速牵引电机绝缘失效的主要原因之一。研究高频方波脉冲下的局部放电特性为牵引电机绝缘材料的改进和优化提供理论基础,试验分析了普通和聚酰亚胺纳米复合薄膜制成的电磁线寿命,结果发现纳米试样的寿命得到很大提高。针对普通和聚酰亚胺纳米复合薄膜研究了不同脉冲频率、上升时间和温度对放电起始电压、平均放电量和放电次数的影响。结果表明,频率的增加、上升时间的缩短和温度的增加加剧了局部放电活动,普通薄膜试样的局部放电活动更强,其原因是纳米粒子的添加导致纳米复合薄膜存在大量界面区和电导率增加,电荷的迁移速率增大,空间电荷累积效应减弱。     

盐雾老化对重复脉冲下NKN绝缘纸耐电晕性能的影响

芳纶纸是海上风力发电机的常用绝缘材料,在重复脉冲条件下研究盐雾环境老化对其绝缘性能的影响,对保证海上风力发电机绝缘系统的可靠性至关重要。本文在高频重复脉冲条件下,研究了不同盐雾老化时间对NKN绝缘纸耐电晕寿命及局部放电统计特性的影响。结果表明:经过48 h和96 h盐雾老化后,重复脉冲下NKN绝缘纸的耐电晕寿命分别缩短了15%和20%,绝缘击穿点周围腐蚀情况逐渐加重,且平均局部放电幅值有所增加。因此,在设计评估海上双馈风力发电机绝缘系统时,需要考虑盐雾环境对绝缘的影响,以提升绝缘耐电晕寿命的裕度。     

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。     

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.     

基于介电特征参量分析的变频电机匝间绝缘老化特性研究

连续高压双极性脉冲方波电压幅值、频率和工作温度与变频调速牵引电机匝间绝缘的寿命有着密切关系.本文对模拟变频电机匝间绝缘的绞线对试样在不同电压幅值、频率、温度下进行加速老化试验,测试其介质损耗角正切值和试样电容随电压的变化特性.通过介质损耗产生机理分析和方波脉冲作用机理研究,结果表明:老化初期,局部放电起始放电电压随电压升高而升高,基本上不受频率的影响,其与空间电荷积累有关.温度在稍微变化(变大)的情况下对绝缘的影响都是很大的.脉冲方波幅值、频率和外界温度具有协同效应,一种因素的增强和减弱都会改变其他因素对绝缘影响的趋势.     

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。     

重复短脉冲下相对湿度对变频电机绝缘局部放电及耐电晕寿命影响研究

在上升时间为10 ns、电压幅值为3.5 kV、频率为5 kHz的重复单极性短脉冲下,实验研究了相对湿度分别为30%、50%、70%、90%时变频电机匝间绝缘的局部放电及耐电晕特性。结果表明:随着相对湿度的增加,试样的耐电晕寿命逐渐缩短,局部放电幅值先减小至某临界值后明显增大。这是由于随着相对湿度增加,电荷驻留效应减弱导致局部放电幅值减小,但当湿度超过某临界值后,微水聚集增强了局部电场,局部放电幅值增加。同时,微水的附着使试样的介电常数增加,从而使气隙间电场强度增大,这可能是其耐电晕寿命缩短的原因。     

变频电机绝缘失效机理及测试技术研究现状

以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带电力电子器件的使用将进一步提升未来电力电子装置的效率和功率密度,使电力转换更加灵活可控.电机驱动是电力电子应用最早和最成功的领域,变频器和交流电机组成的变频电机系统已成为当代电力驱动的主流.然而,未来宽禁带器件的使用,将使变频电机绝缘系统承受更高频率、更快变换速度、更高电压的高频脉冲电压冲击,给现有较多的成型绝缘系统带来严峻挑战,传统正弦和直流电压下的绝缘检测、评估及预测技术不再适用于变频电机绝缘系统.本文首先对变频电机绝缘失效机理进行了总结,着重阐述了PWM电压应力及环境参数对变频电机绝缘局部放电统计特性及耐电晕绝缘寿命的影响规律;然后,结合IEC相关标准讨论了国内外行业关注的低压散绕电机PDIV测试及耐电晕寿命评估技术;最后,针对未来电力电子技术对变频电机绝缘系统的挑战,对现行标准存在的问题进行反思,并展望了未来变频电机绝缘领域应关注的重点.     

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。