梁敬哲，張曉鋒

艦船單相變頻調(diào)速電機繞組的絕緣在線監(jiān)測的研究

梁敬哲，張曉鋒

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

由于艦船環(huán)境相對復(fù)雜，傳統(tǒng)的在線絕緣監(jiān)測手段大多無法良好適用于艦船電力系統(tǒng)中變頻調(diào)速電機，這個問題嚴重影響了變頻調(diào)速電機的可靠性，從而制約了變頻調(diào)速電機在現(xiàn)有艦船上的應(yīng)用。本文針對變頻調(diào)速電機，基于雙頻注入信號法，設(shè)計了一種在線測定變頻調(diào)速電機絕緣電阻及對地電容的方法，并對其預(yù)先調(diào)試做出了分析。通過Matlab對該方法的仿真，驗證了此方法的正確性。

變頻調(diào)速電機 艦船電力系統(tǒng) 注入信號法 電路仿真 絕緣檢測

0 引言

隨著電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對電力設(shè)備絕緣故障診斷技術(shù)的要求也越來越高。相比于陸地電力系統(tǒng)，艦船電力系統(tǒng)安全運行的可靠性更為關(guān)鍵。陸地電力系統(tǒng)的絕緣故障通常不會突然發(fā)生，且按照相關(guān)運行規(guī)定，系統(tǒng)存在一定程度絕緣裕度。與此相比，艦船電力系統(tǒng)有可能發(fā)生較大的突發(fā)性絕緣故障，且一旦絕緣故障發(fā)生，會對艦船電力系統(tǒng)造成較大的沖擊。同時對艦船的運行安全以及人員的生命安全造成較大的威脅。因此，艦船電力系統(tǒng)對于絕緣在線監(jiān)測的需求更遠超過陸地電力系統(tǒng)。

近些年，我國艦船電力系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，中壓直流輸電也已廣泛應(yīng)用于艦船電力系統(tǒng)[1-3]。同時，變頻調(diào)速電機的使用日益增多。不同于傳統(tǒng)電機，變頻調(diào)速電機在使用過程中必然會引入高頻PWM逆變器。此時，使用傳統(tǒng)的在線監(jiān)測手法將無法得到準確的結(jié)論。因此，提出一種有效的艦船變頻調(diào)速電機繞組的在線絕緣監(jiān)測方法是十分必要的。本課題基于此種目的，主要解決在線監(jiān)測單相變頻調(diào)速電機繞組對地絕緣的問題。

1 絕緣在線監(jiān)測的基本原理

本文進行的有關(guān)單相變頻調(diào)速電機繞組的絕緣在線監(jiān)測的研究主要基于傳統(tǒng)雙頻信號監(jiān)測在絕緣故障中的應(yīng)用。

雙頻法的基本工作原理為，絕緣監(jiān)測裝置先后向電網(wǎng)與地間發(fā)出兩個頻率不同的正弦波信號[4-6]。通過測量絕緣線路上的漏電流以確定絕緣電阻與分布電容的具體數(shù)值，如測量值與標準值之間有較大的差距，則說明電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了絕緣故障，其具體原理見圖1。圖中E表示直流發(fā)電機電動勢，為電動機繞組對地的相對電容，為電動機繞組的絕緣電阻，為電動機繞組。

由于絕緣電阻與對地電容的大小遠大于電動機的內(nèi)阻抗，因此電動機的內(nèi)阻抗在進行分析時可忽略不計。從而，可以將圖1中的電路簡化為如圖2所示的等效電路。

當輸入頻率為1的注入信號時，絕緣電阻與分布電容的對地電壓為U1，漏電流為I1；當輸入頻率為2的注入信號時，絕緣電阻與分布電容的對地電壓為U2，漏電流為I2。分別列出以上兩種情況的電路方程：

由此求得電動機繞組的對地絕緣電阻的大?。?/p>

同時可以求得電動機繞組的對地分布電容的大小[7]：

當計算出的絕緣電阻或分布電容的值與設(shè)定值有較大差距時，說明此電動機出現(xiàn)了絕緣故障。

然而，變頻調(diào)速電機的輸電線路中必然存在高頻PWM逆變器，在這種情形下，使用傳統(tǒng)的雙頻法，將無法正確得出絕緣電阻及分布電容的值。因此，有必要對這種情況下絕緣電阻或分布電容的測定進行進一步的研究。

圖1 雙頻法原理示意圖

2 絕緣電阻及分布電容的測定方法

在進行單相變頻調(diào)速電機繞組的絕緣測定時，由于工程上的原因，注入信號難以從高頻PWM逆變器與電機繞組之間輸入，只能將注入信號在高頻PWM逆變器之前輸入，高頻PWM逆變器必然會對注入信號產(chǎn)生干擾，傳統(tǒng)的雙頻法無法適用于這種情況。因此為完成變頻調(diào)速電機絕緣電阻及分布電容的測定，首先要解決三個主要問題，即：工頻電壓影響的排除；注入信號的選擇；絕緣電阻及分布電容的計算方法。

2.1 工頻電壓影響的排除

由于交流電網(wǎng)中存在工頻信號，當在直流側(cè)輸入頻率為的注入信號時，傳統(tǒng)方法中的電流傳感器檢測出電流為工頻電網(wǎng)電源與注入信號源共同疊加的結(jié)果。為了排除工頻信號的干擾，可以采取將霍爾傳感器安裝在電機繞組的兩根引出線上，如圖3所示。

圖3 利用霍爾傳感器測定絕緣線路漏電流

圖中霍爾電流傳感器測得的電流值為兩根引出線上電流的矢量和1+2，根據(jù)基爾霍夫電流定律可知，此時測出的電流大小等于漏電流I。從而達到了排除工頻信號干擾的目的。

2.2 注入信號的選擇

由于絕緣支路中存在分布電容，且需要對分布電容的大小進行測定，因此注入信號仍需要選擇交流信號。為確定注入信號的頻率，需要對單相變頻調(diào)速電機的輸電線路進行分析。

構(gòu)建如圖4(a)所示的電力系統(tǒng)，由于絕緣電阻與對地電容的大小遠大于電動機的內(nèi)阻抗，因此電動機的內(nèi)阻抗可忽略不計。得到如圖4(b)所示的簡化電路。

圖4 單相變頻調(diào)速電機的輸電線路分析

分析注入信號單獨作用在電路上時的等效電路。當T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷時可得到如圖5(a)所示的等效電路。當T1、T2、T3、T4同時導(dǎo)通時可得到如圖5(b)所示的等效電路。當T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷時可得到如圖5(c)所示的等效電路。

圖5 注入信號單獨作用在電路上時的等效電路

經(jīng)分析，在這三種導(dǎo)通情況下，IGBT的存在不影響注入信號傳輸至絕緣線路。然而當T1、T2、T3、T4全部關(guān)斷時，形成了如圖5(d)所示的等效電路，由于續(xù)流二極管的存在，當注入信號原產(chǎn)生的電壓大于0時，回路可正常導(dǎo)通，而當注入信號原產(chǎn)生的電壓小于0時，回路將無法導(dǎo)通，此時霍爾電流傳感器測得的電流值為0。

為了便于絕緣電阻與分布電容的計算，預(yù)期得到的絕緣線路上通過的電流信號應(yīng)為一個周期函數(shù)。為使絕緣線路上通過的電流信號為一個周期函數(shù)，需要保證注入信號周期為高頻PWM逆變器的周期的整數(shù)倍，即注入信號的頻率應(yīng)為高頻PWM逆變器頻率的1/2。

2.3 絕緣電阻及分布電容的計算

通過向絕緣線路輸入頻率為高頻PWM逆變器頻率1/2的注入信號，可以得到為一個周期函數(shù)的電流信號。使用Matlab對這種情況進行仿真，如圖6所示。

圖6 Matlab仿真圖

圖6中AC1是頻率為50 Hz，幅值為1000 V工頻交流電源，交流電源通過不控整流向輸電網(wǎng)絡(luò)輸出直流電，再經(jīng)由高頻PWM逆變器轉(zhuǎn)換為交流電傳導(dǎo)至電機繞組，是阻值為2×106Ω的絕緣電阻，是容抗為1×10-6F的分布電容。對電動機的兩根引出線上的電流做加法運算來對霍爾電流傳感器進行仿真。逆變器采取單脈沖調(diào)制原理，且逆變器的頻率為50 Hz。令注入信號源AC2在直流輸電網(wǎng)絡(luò)上輸入頻率為12.5 Hz，幅值為20 V的交流電壓信號。觀察示波器波形，如圖7所示。

圖7 仿真中測定的電流波形

其波形與預(yù)先分析的結(jié)果基本相同。其波形中的尖峰是由于RC諧振所導(dǎo)致的，由于絕緣電阻及分布電容極大，因此產(chǎn)生的震蕩時間極小，對于電流的測量影響極小可忽略不計。仿真結(jié)果顯示檢測到的電流信號為一周期函數(shù)，為測定絕緣線路的參數(shù)，現(xiàn)列出電路方程，將電流信號的有效值表示為與及相關(guān)的函數(shù)，任取一信號周期，可列出下述方程：

此后將注入信號改為頻率為6.25 Hz，幅值為20 V的交流電壓信號，重復(fù)以上仿真過程?？闪谐鱿率龇匠蹋?/p>

計算出的電流有效值與仿真結(jié)果相同。

多次改變信號頻率進行仿真，根據(jù)規(guī)律可確定當注入信號的頻率為高頻PWM逆變器頻率的1/2，且的取值大于1，幅值為U時，可整理出對于任意的取值均適用的通用方程?？闪谐鱿率龇匠蹋?/p>

式中代表高頻PWM逆變器頻率，為測出電流的有效值。

分別將的兩個不同的的取值帶入上述方程，聯(lián)立即可求得絕緣線路的絕緣電阻與分布電容。

3 絕緣檢測裝置的調(diào)試方法

在上述絕緣電阻及分布電容的測定中，要求高頻PWM逆變器的頻率已知，但在實際工程中，由于各種原因，難以直接得知高頻PWM逆變器的頻率，這就使得對絕緣檢測裝置的調(diào)試有所要求。對于絕緣檢測裝置的調(diào)試主要分為兩方面：確定高頻PWM逆變器的頻率；確定高頻PWM逆變器的相位。

3.1 高頻PWM逆變器頻率的確定

在注入信號源處輸入直流信號，當T1、T2導(dǎo)通，T3、T4關(guān)斷；或T1、T2、T3、T4同時導(dǎo)通；或T3、T4導(dǎo)通，T1、T2關(guān)斷時，霍爾電流傳感器檢測到的電流均為正常的直流信號。當T1、T2、T3、T4同時關(guān)斷時，霍爾電流傳感器檢測到的電流為0。由于高頻PWM逆變器采取單脈沖調(diào)制原理，以上四種導(dǎo)通情況按順序交替進行。因此，霍爾電流傳感器檢測到的電流為一個周期信號，且該信號的周期與高頻PWM逆變器的周期相同，這就為高頻PWM逆變器頻率的測定提供了方法。

對調(diào)試過程進行仿真，在注入信號源處輸入20 V的直流信號，并對霍爾電流傳感器測量到的電流信號進行傅里葉分析，可以比較清晰的得出電流信號的周期T，這個周期同時也是高頻PWM逆變器的周期，從而計算出高頻PWM逆變器的頻率。

3.2 高頻PWM逆變器相位的確定

在上文的仿真中已經(jīng)對高頻PWM逆變器的頻率進行了測定，為方便計算，須將注入信號的相位與高頻PWM逆變器的保持一致，即注入信號的上升過零點與高頻PWM逆變器從T1、T2、T3、T4同時關(guān)斷的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門1、T2導(dǎo)通，T3、T4關(guān)斷的工作狀態(tài)的瞬間保持一致。

在測定高頻PWM逆變器的頻率，在霍爾電流傳感器檢測到電流信號由0變?yōu)? A的瞬間即為高頻PWM逆變器從T1、T2、T3、T4同時關(guān)斷的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門1、T2導(dǎo)通，T3、T4關(guān)斷的工作狀態(tài)的瞬間，因此可以檢測電流信號的上升沿，并通過上升沿觸發(fā)注入信號源輸入預(yù)先設(shè)定好的交流信號，并同時停止直流信號的輸入。

通過上述的調(diào)試方法，對絕緣檢測裝置進行預(yù)先調(diào)試，即可達到較為簡單的計算出絕緣電阻及分布電容的目的。

4 結(jié)論

本文從注入信號法的基本原理入手，分析了高頻PWM逆變器對注入信號的干擾，提出了利用雙頻法進行單相變頻調(diào)速電機繞組的絕緣在線監(jiān)測的具體手段，通過多組理論計算與仿真分析，行之有效地完成了對絕緣線路絕緣電阻及分布電容的測定，并得出以下結(jié)論：

1）本文設(shè)計的絕緣監(jiān)測手法可以解決傳統(tǒng)雙頻注入信號法無法解決的單相變頻調(diào)速電機繞組絕緣在線監(jiān)測問題。

2）相較于利用其他物理參數(shù)（如噪聲，溫度等）進行絕緣監(jiān)測，本方法對環(huán)境的要求較低，不會因空間有限、環(huán)境嘈雜、溫度濕度變化產(chǎn)生誤差，更適用于艦船電力系統(tǒng)。

3）本方法無需在系統(tǒng)中增加過多一次設(shè)備，且在檢測過程中不會對電力系統(tǒng)的正常運作造成不良影響，同時也避免了工頻信號對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。

4）本方法的計算量小，在預(yù)先進行調(diào)試后，可較為簡單地計算出絕緣線路的絕緣電阻及分布電容。

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On-line Insulation Detection of Ship Single Phase Frequency Speed Regulating Motor Windings

Liang Jingzhe, Zhang Xiaofeng

（Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM245

A

1003-4862（2019）02-052-05

2018-08-28

梁敬哲（1993-），男，碩士研究生。研究方向：艦船電力系統(tǒng)及其自動化。E-mail: 623746155@qq.com