SVPWM电压下变频电机绝缘耐电晕寿命研究
时间：2023-03-04 19:55:04 来源：千叶帆 本文已影响人
王鹏，赵明，周群
(四川大学 电气工程学院， 成都 610065)
变频电机工作在具有陡上升沿的高频脉冲电压下，相较于工频电机，其定子绝缘承受更加严酷的电应力。研究表明，导致定子绝缘过早失效的原因有：电机和连接电缆阻抗不匹配产生过电压，引起匝间绝缘产生强烈局部放电是主要原因[1-2]；
高频电压脉冲和高频谐振加重了定子铜损、铁损、涡流损耗、磁滞损耗，使电机温升提高加速绝缘老化[3-4]；
空间电荷的积累导致介质内部电场出现畸变，加速绝缘材料劣化过程[5-6]。
相应的，可通过以下措施解决变频电机绝缘过早失效问题：改善定子槽间、相间绝缘结构，提高电磁线质量及绝缘浸漆工艺，研发纳米复合绝缘材料[7-8]；
在电缆两端增加阻抗匹配装置抑制尖峰过电压的产生[9]；
研究重复脉冲方波电压频率、上升时间、占空比、脉冲极性等参数对局部放电、耐电晕寿命等特性的影响[10-13]。
然而，变频电机定子端部实际承受的是变频器输出的脉冲宽度调制(Pulse Width Modulated，PWM)电压，电压脉冲的占空比、基波频率、开关频率动态变化。在电机的绝缘评估中，如果能在脉宽调制电压下进行绝缘测试，并将实验结果与重复脉冲方波下的测试结果进行对比分析，则评估结果会更加准确可靠[14]。
工业变频器广泛采用正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulated，SPWM)和空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulated，SVPWM)两种调制方法。文中搭建了SVPWM电压测试平台，以聚酰亚胺薄膜为实验对象开展耐电晕寿命实验。测试了不同基波频率、开关频率SVPWM电压下聚酰亚胺薄膜的耐电晕寿命，总结SVPWM电压不同开关频率和基波频率对变频电机绝缘耐电晕寿命的影响规律；
并将实验结果与50 %占空比重复脉冲方波电压下聚酰亚胺薄膜耐电晕寿命测试结果进行对比，分析重复脉冲方波在绝缘评估中对SVPWM电压的替代效果。
实验平台系统框图如图1所示，该系统主要包括:基于现场可编程门阵列芯片(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的SVPWM信号发生器和击穿保护模块、基于单片机的击穿计时模块、基于桥式推挽开关的高压斩波器、宽频带示波器、1 000：1高压探头、温湿度控制箱。
图1 耐电晕寿命测试系统
测试对象为0.05 mm聚酰亚胺薄膜，在每组特定频率下测试5个试样。实验在恒温恒湿箱(40 ℃、25 RH)中进行，以减小环境湿度和温度对实验结果的干扰，测试前使用无水酒精对试样表面进行清洗，并提前在40 ℃温度箱中干燥2 h，以清除试样表面的水分。
工业变频器输出PWM电压的基波频率一般在0 ～ 200 Hz之间，电力电子器件的开断速度一般在0 ～ 20 kHz之间且均为3的倍数。据此，文中选择基波频率10 Hz、50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz，开关频率6 kHz、12 kHz、18 kHz 的SVPWM电压以及频率为6 kHz、12 kHz、18 kHz的50 %占空比重复脉冲方波电压为实验电压。实验参数如表1所示。
表1 耐电晕寿命测试实验参数
SVPWM 的理论基础是平均值等效原理，即在一个开关周期内通过对基本电压矢量的作用时间加以组合，使其平均值与给定电压矢量相等[15-16]。图2所示为空间矢量脉宽调制的基本原理，将变频器输出的三相电压在空间上视为一个旋转的等效电压[17]。
图2 SVPWM原理
将整个空间分为六个扇区，在某个时刻，合成电压矢量旋转到某个扇区中，可由该扇区的两个相邻非零矢量和零矢量在时间上的不同组合来得到。两个矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，从而控制各个电压矢量的作用时间，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，从而形成PWM波形[18]。
文中使用某公司的 EP4CE15F23C8型FPGA芯片为高压推挽开关提供SVPWM触发信号。FPGA产生SVPWM触发信号过程如图3所示。
图3 FPGA产生SVPWM波触发信号原理图
其工作过程如下：
(1)首先在FPGA的ROM中保存一个周期的正弦波和余弦波的数字量，一个周期用3 600个8位二进制数表示；
(2)通过按键设定开关频率和基波频率；
(3)根据设定的开关频率和基波频率计算每两次取波形数值间的地址间隔；
(4)调用任意频率发生器模块，产生取波形数值的时钟，在该时钟下从ROM中取波形数字量；
(5)使用波形数值计算两个相邻电压矢量的导通时间，图4所示为SVPWM典型的马鞍形调制波；
图4 SVPWM马鞍形调制波
(6)判断是否过调制，如果发生过调制则做等比例变换，将合成矢量拉回到空间矢量正六边形的内切圆以内；
(7)对三相电力电子开关导通时间进行调制，产生SVPWM触发信号，使用该触发信号驱动高压推挽开关对直流电压斩波，产生SVPWM电压。图5所示为中心对称的7段式SVPWM脉冲波形。
图5 中心对称的7段式SVPWM脉冲波形
3.1 SVPWM电压下的耐电晕寿命
SVPWM电压下聚酰亚胺薄膜耐电晕寿命测试结果如图6～图8所示。由图6可以看出，在所有被测基波频率下，耐电晕寿命均随开关频率的增加而降低，并且随着开关频率的增加，不同基波频率间耐电晕寿命值的差异在不断减小。由于不同开关频率和基波频率的组合最终影响的是输出脉冲的占空比，开关频率较低时，不同基波频下一个周期内主要脉冲的占空比差异较大，而随着开关频率的提高这种差异在逐渐减小，据此可以推测：PWM电压下由于开关频率和基波频率变化导致的主要脉冲占空比变化是影响被测试样耐电晕寿命的关键因素。
图6 耐电晕寿命与SVPWM波开关频率的关系
图7 耐电晕寿命与SVPWM基波频率的关系
图8 击穿所经历脉冲次数
由图7可以看出，同一基波频率下，耐电晕寿命随开关频率的增加而降低，开关频率越高，耐电晕寿命降幅越大。在开关频率较低时，不同基波频率间耐电晕寿命值的波动较大；
在开关频率较高时，不同基波频率间耐电晕寿命值的波动较小。
从图7、图8可以看出：相同开关频率下，击穿所需脉冲次数随基波频率变化的趋势与耐电晕寿命随基波频率变化的趋势相同；
但相同基波频率下，击穿所需脉冲次数随基波频率变化的趋势与耐电晕寿命随基波频率变化的趋势相反；
当基波频率为50 Hz时，不同开关频率下具有相同的击穿脉冲次数。
3.2 50 %占空比重复脉冲方波与SVPWM电压下耐电晕寿命的比较
从图9中可以看出：
50%占空比重复脉冲方波电压下的耐电晕寿命曲线处于图形最下方，在每一个被测频率点处均具有最短的耐电晕寿命值，因此， 50%占空比重复脉冲方波可以用于模拟SVPWM波预测变频电机绝缘的耐电晕寿命。随着开关频率的提高，50%占空比重复脉冲方波电压下和不同基波频率SVPWM电压下耐电晕寿命值的差异在不断减小，说明在使用50 %占空比重复脉冲方波电压模拟SVPWM电压的耐电晕寿命测试中，开关频率越高，50 %占空比重复脉冲方波电压下对SVPWM电压的替代效果越好。
图9 重复脉冲方波与SVPWM电压下
为了进一步分析50%占空比重复脉冲方波电压和SVPWM电压下聚酰亚胺薄膜耐电晕寿命数据的分散性，以每组实验条件下的耐电晕寿命数据做箱线图，如图10所示。
图10 不同开关频率下耐电晕寿命统计特性
从图10中可以看出：
(1)当开关频率为6 kHz时，SVPWM电压下耐电晕寿命数据的分散性随着基波频率的增大而增大，当基波频率大于100 Hz时，使用50%占空比重复脉冲方波电压已经不能准确反映SVPWM电压下耐电晕寿命的分散性；
(2)开关频率为12 kHz时，不同基波频率SVPWM电压下耐电晕寿命分散性的差异较小，但均大于50 %占空比重复脉冲方波电压下耐电晕寿命结果的分散性；
(3)开关频率为18 kHz时，不同基波频率SVPWM电压下耐电晕寿命分散性的差异已经很小，而且与50%占空比重复脉冲方波电压下耐电晕寿命结果的分散性相当接近。
对比图10(a)～图10(c)可以看出，在使用50%占空比重复脉冲方波电压模拟SVPWM电压的耐电晕寿命实验中，开关频率越高， 50%占空比重复脉冲方波电压越能更准确地反映SVPWM电压下耐电晕寿命的分散性。
工业变频器中电力电子器件主要工作在3 kHz ～12 kHz，但是从图10(a)、图10(b)中可以看出：在此频率区间内，五种不同基波频率SVPWM电压下耐电晕寿命数据的分散性均大于50%占空比重复脉冲方波电压下耐电晕寿命数据的分散性，使用50%占空比重复脉冲方波并不能准确反应SVPWM电压下耐电晕寿命结果的统计特性。这可以解释某些变频电机在重复脉冲方波电压下按照IEC流程进行的耐电晕寿命时长测试中具有很好的性能表现，但是在实际使用中仍然会发生超出预期的绝缘过早失效的现象。
测试了不同基波频率、开关频率SVPWM电压以及50%占空比重复脉冲方波电压下聚酰亚胺薄膜的耐电晕寿命，并将实验结果进行对比，得出SVPWM电压下变频电机绝缘的耐电晕寿命具有以下规律：
(1)相同基波频率下，耐电晕寿命随开关频率的增加而下降；
相同开关频率下，开关频率越低，不同基波频率下耐电晕寿命值的波动越大；
(2)50%占空比的重复脉冲方波可以用于代替SVPWM波预测耐电晕寿命的长短，并且开关频率越高预测值越准确；
(3)开关频率越低，不同基波频率下耐电晕寿命分散性的波动越大；
开关频率越高，不同基波频率下耐电晕寿命分散性的波动越小；
(4)开关频率较低时， 50%占空比的重复脉冲方波不能准确反映SVPWM电压下耐电晕寿命的分散性；
开关频率越高， 50%占空比重复脉冲方波电压下耐电晕寿命测试结果的分散性与SVPWM电压下耐电晕寿命的分散性越接近。
