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。     

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。     

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。     

大功率级联变频器中多路SPWM发生器的实现

采用载波相移SPWM技术原理,设计了基于现场可编程门阵列(FPGA)的多路PWM脉冲发生器.该脉冲发生器应用于一个电压级联型变频器,可提供96路PWM脉冲输出,解决了级联变频器多路脉冲同步触发的问题.通过实验证明,FPGA输出的PWM脉冲送入级联变频器模块,输出的电压波形正弦度好,电平阶数符合设计,且修改参数简单,有效...     

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。     

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。     

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.     

10kV全固态重复频率方波脉冲源研制

基于金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和Marx发生器电路,研制了一种在重复频率1~100 Hz下,最高输出脉冲电压10 kV、脉冲宽度从550ns到1μs可调的全固态方波脉冲源。设计中利用直流高压电源作为能源系统,采用MOSFET半导体固态开关替代气体火花隙开关作为放电主开关,用快恢复二极管取代充电电阻。由外部多功能触发器产生脉宽和频率均可调节的触发信号,通过驱动电路控制由MOSFET半导体固态开关构成的放电主开关,经脉冲放电回路在不同负载上实现输出所需的高压方波脉冲。通过实验验证了设计原理及方法的可行性,并给出了单次和重频信号触发下该固态方波脉冲源输出的实验结果。     

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。     

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.     

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.     

用于磁场定向矢量控制的空间电压矢量PWM

电流控制是异步电机磁场定向控制的核心问题之一。本文从力矩电流和励磁电流直流调节分析出发,将电流调节器的输出转化为逆变器的电压参考值,并通过空间电压矢量PWM方法实现电压输出和电流的跟踪控制。该方法在13kW电梯专用变频器上得到实现。理论分析和实验研究表明,SVPWM比SPWM具有更好的电流、电压控制效果。     

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。     

SPWM电源频率对DBD臭氧产生影响的试验研究

介质阻挡放电产生臭氧与工作频率关系密切,臭氧的产量、浓度与产率指标往往相互背离,研究工作频率对臭氧指标的综合影响有重要意义。SPWM电源与臭氧发生器负载的等效电路及仿真结果表明SPWM输出方波的基波为正弦波,幅值10%~95%可调,频率50~2 000 Hz可调,可方便地用于测试频率对臭氧产生性能的影响。搭建由145根放电单元组成的工业应用级臭氧发生器,设计单相三阶SPWM臭氧电源,试验结果表明：谐振频率点随调制度的改变、运行电压的高低会有些变化,当工作频率略低于谐振频率时,发生器性能指标较好,当工作频率大于谐振频率时,臭氧浓度、产率等性能指标出现较大幅度下降。该装置SPWM电源在三种不同的试验路径下,均可优选出合适的工作频率,其中一个优选工作频率为810 Hz,此时臭氧产量为2 095 g/h,臭氧浓度为150.7 g/m³,产率为135.1 g/（kW·h）。     

SVPWM控制技术在两相异步电动机中的应用

研究了两相逆变器供电异步电动机系统的SVPWM控制技术,该系统可广泛应用于小功率、宽调速范围运行的场合。推导并建立了两相异步电动机的数学模型,分析了两相逆变器驱动两相异步电动机的工作原理和空间矢量的时间分配原则。以一台小功率两相异步电动机为对象,进行了系统仿真,给出该电机采用SVPWM方式控制运行时的仿真波形。     

正弦和空间矢量PWM逆变器死区效应分析与补偿

给出了PWM逆变器死区效应引起的误差电压矢量,采用矢量合成的方法,推导了死区效应作用下电机绕组产生的合成电压矢量的幅值和相位计算公式,结合仿真分析了合成电压矢量的特征。为保证开关管实际开通时间与理想给定开通时间相等,提出了死区的时间补偿方法,结合SVPWM的特点,得到了简化算式。从消除误差电压矢量着手,提出了死区的电压补偿方法,根据SPWM和SVPWM调制方法不同,分别计算出在定子三相静止坐标系和两相静止坐标系内做死区电压补偿的算式。实验结果表明,所提出的补偿方法能使电机相电流波形正弦化,提高了逆变器输出性能。