李丹,劉冠芳,吉永紅,叢嘯桀,張曉強(qiáng)
(中車永濟(jì)電機(jī)廠,陜西 西安 710000)*
脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)在電力機(jī)車組牽引系統(tǒng)及風(fēng)電控制系統(tǒng)得到普遍應(yīng)用,PWM脈沖波會(huì)在變頻電機(jī)端子上引起過(guò)電壓,加重繞組絕緣的損壞,為了分析電機(jī)絕緣損壞的具體位置,開展PWM脈沖電壓在電機(jī)繞組上的分布特性研究是必要的[1-4].本文從電機(jī)本身參數(shù)特性出發(fā),研究自身電容、電感參數(shù)對(duì)自身過(guò)電壓的影響,并給出了相應(yīng)的仿真結(jié)果,具有一定的參考價(jià)值.
變頻電機(jī)輸入PWM脈沖電壓對(duì)應(yīng)的等效上限頻率達(dá)到 MHz 數(shù)量級(jí),此時(shí)脈沖電壓對(duì)應(yīng)陡上升沿時(shí)間內(nèi)含有的高頻分量.為了分析陡上升沿電壓作用下繞組匝間的暫態(tài)電壓分布,定子繞組的等效電路需要考慮高頻效應(yīng).單支線圈等效電路模型如圖1所示.
電機(jī)繞組內(nèi)部集中參數(shù)主要有:匝電阻R、匝自感L、各匝間互感M、匝間電容C(n-1)-n和匝對(duì)地電容Cn等參數(shù).
圖1 單支線圈等效電路模型
不同線圈在不同的鐵芯槽中,可以忽略相鄰槽中導(dǎo)體間及各線圈之間的耦合.同時(shí),同一定子鐵芯槽中,不同層間的鄰近導(dǎo)體匝間存在相互耦合.另外,集膚效應(yīng)作用使得線圈導(dǎo)體的損耗增加,等效電阻值增大到不容忽視的程度.繞組電阻在考慮集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)的條件下,利用下列解析公式計(jì)算獲得[5-7]:
(1)
式中,R為繞組導(dǎo)體電阻,ld為導(dǎo)體長(zhǎng)度,α為導(dǎo)體截面周長(zhǎng),σ為銅的電導(dǎo)率,δ為集膚深度,定義為:
(2)
式中,μ0和μr為真空磁導(dǎo)率和導(dǎo)體相對(duì)磁導(dǎo)率,頻率f為對(duì)應(yīng)頻率.
在高頻脈沖波作用下,磁通的透深為微米數(shù)量級(jí),渦流效應(yīng)使得定子鐵芯對(duì)磁通具有良好的屏蔽作用,因此可忽略相鄰槽中各線圈之間的耦合[11-13].本文同一支線圈內(nèi)部每匝的自感和互感,以每匝對(duì)地電容和匝間電容.
(3)
式中,C為電容參數(shù),ε為極板間介電常數(shù),S為極板正對(duì)面積,k是靜電力常量,d為極板間距離.
(4)
式中,L為電感參數(shù),μ為磁導(dǎo)率,κ為長(zhǎng)岡系數(shù),N為繞線匝數(shù),S為線圈的橫截面積,I為線圈的軸長(zhǎng).
由式(3)、(4)可知,電感和電容和線圈本身的一些參數(shù)有關(guān),可以通過(guò)有限元分析靜態(tài)磁場(chǎng)和靜態(tài)電場(chǎng)得出電感和電容分布參數(shù),從而可進(jìn)行電路計(jì)算得出容抗與感抗在電路中產(chǎn)生電磁振蕩響應(yīng).
假設(shè)脈沖電壓在線圈上的傳輸看做無(wú)損傳播.L0、C0為單位長(zhǎng)度上的電容、電感.u為距離線端x處的電壓值.根據(jù)電壓、電流公式可得[8-9]:
(5)
(6)
由式(5) 、(6)得出:
(7)
(8)
將上式寫成微積分形式:
u(x,t)?U(x,p),i(x,t)?I(x,p)
(9)
方程(9)的通解為:
U(x,p)=Aeλx+Be-λx
(10)
目前多數(shù)電機(jī)繞組為星型連接,且繞組阻抗比電纜大很多,因此可以將繞組的中心點(diǎn)作為電壓參考點(diǎn)進(jìn)行電壓分布分析.假設(shè)作用于電機(jī)端的脈沖波幅值為U0長(zhǎng)直角波,單相繞組長(zhǎng)為l0.邊界條件為:x=0,u=U0x=l,i=0
將邊界條件帶入式(9)及其導(dǎo)數(shù)式可得:
(11)
式(11)的原函數(shù)為:
(12)
式中,wk為振蕩角頻率,μk為空間諧波幅值.從式(12)中可以看出,電機(jī)繞組電壓與該點(diǎn)位置、輸入波形幅值以及時(shí)間有關(guān).電壓分布是一個(gè)振蕩過(guò)程,且振蕩過(guò)程與繞組中的脈沖上升沿有直接關(guān)系,上升沿越陡,振蕩越劇烈,電壓分布越不均勻.
以某種500 kW電機(jī)為例,通過(guò)有限元分析得出以下等效參數(shù):R=0.022 Ω,C1=142 pF,L=197 μH,C(n-1)-n=1 706 pF,C=68 pF.
對(duì)500 kW該型電機(jī)波形測(cè)試得出電源電壓幅值為2 700 V,電壓幅值變化上升沿時(shí)間約3~5 μs.圖2為試驗(yàn)測(cè)試相對(duì)地最大電壓分布曲線圖,其中最大電壓值為3 120 V.
圖2 試驗(yàn)測(cè)試相對(duì)地最大電壓分布曲線
圖3 仿真分析相對(duì)地最大電壓分布曲線
由于電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)受各種損耗與外部環(huán)境的影響,實(shí)際測(cè)試電壓振蕩過(guò)程與仿真有一定差異,但對(duì)振蕩幅值的影響相對(duì)較小.根據(jù)試驗(yàn)條件進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖3所示,仿真結(jié)果顯示相對(duì)地最大電壓值為3280kV,仿真分析結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合.
以往對(duì)電機(jī)內(nèi)部電壓分布分析時(shí),只考慮一相繞組內(nèi)部電壓分布,普遍采用梯形或者直角脈沖波形作為輸入載荷,以此分析脈沖上升沿各項(xiàng)參數(shù)對(duì)電壓分布的影響.本文根據(jù)實(shí)際測(cè)量電機(jī)波形,并同時(shí)對(duì)三相繞組輸入一定相位差的三相波形,以考察每相之間的相互影響.表1為兩種輸入方式和試驗(yàn)檢測(cè)得出的最大電壓值數(shù)據(jù).
表1 仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果 V
由表1可知,三相輸入產(chǎn)生的對(duì)地電壓幅值最大達(dá)到3 280 V,匝間最大電壓值為85.8V.仿真結(jié)果顯示,三相繞組中最大電壓峰值在W相脈沖上升至峰值電壓時(shí)產(chǎn)生的.每相脈沖上升沿的到來(lái)都會(huì)對(duì)另外兩項(xiàng)繞組電壓產(chǎn)生一個(gè)沖擊,且三相繞組都會(huì)在某一項(xiàng)上升沿到來(lái)后產(chǎn)生高頻過(guò)電壓.通過(guò)對(duì)單相繞組仿真分析得出,最大對(duì)地電壓峰值達(dá)到4.64kV,超出脈沖給定電壓的80%,顯然跟實(shí)際工況不符,因此在對(duì)電壓分布仿真分析時(shí)盡量考慮三相繞組之間的影響.
每相上升沿對(duì)其他兩項(xiàng)都有一定沖擊,同時(shí)也會(huì)對(duì)其他兩相上升沿有一定鉗制作用.每相最大對(duì)地電壓幅值發(fā)生在脈沖波的第三次沖擊處,即W相脈沖波上升沿在W相產(chǎn)生脈沖幅值.脈沖波繞組中波形不盡相同,U和V相基本一致,W相由于沖擊波的輸入而區(qū)別較大,最大電壓幅值在W相第6支線圈上.
電機(jī)分布電容對(duì)包括對(duì)地電容和匝間電容兩部分,其中對(duì)地電容對(duì)電壓分布影響稍大,不利于電壓均勻分布,匝間電容則有利于電壓均勻分布,因此對(duì)電壓分布影響相對(duì)較小,本文通過(guò)輸入不同首匝對(duì)地電容和中間各匝對(duì)地電容來(lái)分析繞組內(nèi)部電壓分析.匝對(duì)地電容越小越有利于匝間電壓的均勻分布,隨著匝對(duì)地電容減小,匝間電壓幅值也會(huì)相應(yīng)減小,同時(shí)隨著脈沖上升沿時(shí)間增加,匝間電壓分布越均勻.由于第一二匝線圈匝間承受相對(duì)較大的電壓,其余各匝間電壓分布相對(duì)均勻,因此本文只對(duì)最大匝間電壓與對(duì)地電壓分布情況進(jìn)行分析.
圖4 首匝電容不同時(shí)最大電壓變化趨勢(shì)圖
圖4為首匝電容不同時(shí)最大電壓變化趨勢(shì)圖,分析擬合圖中變化趨勢(shì)得出,匝間最大電壓峰值隨著電容的增加呈線性增加,三相對(duì)應(yīng)的線性方程式分別如下:
U相:y=0.073 5x+89.207
V相:y=0.086 5x+68.41
W相:y=0.061 1x+68.168
隨著首匝對(duì)地電容增大,匝間最大電壓呈線性增加.因?yàn)樵验g最大電壓一般分布在首末匝匝間,首匝對(duì)地電容增大,首匝阻抗增大,首匝在整支線圈的阻抗比例增加,因此首匝壓降增大.但隨著電容的增大,V相匝間電壓峰值增速較快,其次是U相,最后是W相;但是在電容允許范圍內(nèi),三相首匝匝間電壓大小是U>V>W.
在C1~10C1(C1為某電機(jī)繞組首匝對(duì)地電容值)范圍內(nèi),對(duì)地電壓峰值隨著電容的增加呈冪函數(shù)趨勢(shì)增加:
U相:y=2.657 5x0.0392
V相:y=2.680 7x0.0375
W相:y=2.736x0.0345
首匝電容較小時(shí),W相起始對(duì)地電壓較大,U和V對(duì)地電壓相當(dāng),隨著首匝電容的增加,三相對(duì)地電壓增加趨勢(shì)基本一致.匝間最大電壓一般分布在首匝匝間,三相對(duì)地最大電壓值一般分布在4~7號(hào)線圈之間,其中70%分布都分布在在6號(hào)線圈,其次是5號(hào)、7號(hào)、4號(hào)線圈.
考察除首匝外其余各匝電容對(duì)電壓分布影響時(shí),假設(shè)首匝電容不變,以便分析其余各匝對(duì)地電
容對(duì)繞組電壓分布特性影響,圖5為各匝對(duì)地電容對(duì)最大電壓分布趨勢(shì)圖.
圖5 各匝對(duì)地電容不同時(shí)最大電壓變化趨勢(shì)圖
為區(qū)分于首匝對(duì)電壓分布的影響,假設(shè)首匝電容不變.隨著除首匝外的其余各匝對(duì)地線圈的電容值的增加,匝間電壓的增加幅度較大,呈冪函數(shù)增加:
U相:y=18.194x0.482 7
V相:y=13.373x0.508 5
W相:y=15.396x0.482 2
在各匝電容在C~20C(C為某電機(jī)繞組匝間電容值)變化范圍內(nèi),匝間最大電壓分布仍是U>V>W;但隨著電容增加,V相匝間電壓峰值增速稍快,U相與W相增速相當(dāng),因此在電容增加的過(guò)程中,W相匝間電壓最小.
在對(duì)地電容增加時(shí),對(duì)地電壓值呈波動(dòng)式增加,變化的波動(dòng)點(diǎn)處基本都存在線圈號(hào)的跳變,且最大值線圈分散性較大,3~8號(hào)線圈都存在最大電壓分布,其中發(fā)生5號(hào)線圈處占38%,4號(hào)、7號(hào)、8號(hào)各占17%.電容為設(shè)計(jì)值時(shí),W相6號(hào)線圈對(duì)地最大電壓最大,U和V大小相基當(dāng);隨著電容的增至7C,W相增速最快,其次是U、V;電容繼續(xù)增至15C時(shí),W相峰值電壓不增反降,U、V對(duì)地電壓峰值繼續(xù)增加,V相增速較U相更快.
繞組線圈自感使得脈沖上升沿電流有抑制作用,造成脈沖很難往后傳播,使得第一匝承受較大壓降,互感會(huì)將一部分電流耦合在后面各匝上,有利于后面各匝電壓的建立,互感更有利于繞組內(nèi)電壓的均勻分布,為便于分析,每匝電感值設(shè)為相同,不考慮互感作用,從而得出圖6電感對(duì)電壓影響分布趨勢(shì)圖.
圖6 電感不同時(shí)最大電壓變化趨勢(shì)圖
通過(guò)圖6可知,每匝線圈電感在0.5L~5L(L為某電機(jī)繞組電感值)的范圍內(nèi)變化時(shí),可以得出匝間電壓隨著電感增大呈冪函數(shù)增加,擬合度都達(dá)到0.998,具體函數(shù)式如下所示:
U相:y=10.299x0.4922
V相:y=6.9128x0.5413
W相:y=4.5946x0.5939
由冪函數(shù)性質(zhì)可知,隨著自變量增加,函數(shù)導(dǎo)數(shù)逐漸趨于0;隨著電感的增加,匝間最大電壓三相繞組保持U>V>W,三相匝間電壓增幅越小,電感越小三相匝間最大電壓差值越小.電感對(duì)地電壓影響不明顯,其中U相平均對(duì)地最大電壓值為3.396 kV,V相平均對(duì)地電壓值為3.398 kV,W相平均最大對(duì)地電壓為4 kV;在電感增加過(guò)程中,對(duì)地電壓變化在1.3%~1.6%之間,幅值分布較為集中,主要在5號(hào)~7號(hào)線圈.電感的特性是在電壓變化時(shí)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì),以此阻止變化的電流通過(guò),因此電感越大,越不以利于上升沿波形往后傳播,首匝承受的壓差越大,匝間電壓分布越不均勻;電感越小,匝間電壓分布越均勻;電感越大,產(chǎn)生的方向電動(dòng)勢(shì)越大,上升沿電壓波形振蕩越困難,越有利于對(duì)地電壓的分布,每支線圈上對(duì)地電壓分布越均勻,波形振蕩越緩和.
該變頻電機(jī)內(nèi)部三相繞組最大對(duì)地電壓位于W相,三相繞組相互作用直接影響對(duì)地電壓幅值;只考慮一相或兩相電源輸入顯然已不能滿足實(shí)際需求.電容對(duì)電壓幅值影響較大,其中首匝電容對(duì)匝間電壓影響呈線性增加,對(duì)地電壓影響相對(duì)較小;其余各匝電容對(duì)匝間電壓影響較為明顯,呈冪函數(shù)增加,相比首匝電容增速較快,對(duì)地電壓波動(dòng)式增加,對(duì)地電壓負(fù)載分布較為分散; 電感對(duì)匝間電壓影響同樣呈冪函數(shù)增加,對(duì)地電壓幅值集中分布在5~7號(hào)線圈,幅值上下浮動(dòng)1.3%~1.6%.