王鵬，趙明，周群

(四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 成都 610065)

0 引 言

變頻電機(jī)工作在具有陡上升沿的高頻脈沖電壓下，相較于工頻電機(jī)，其定子絕緣承受更加嚴(yán)酷的電應(yīng)力。研究表明，導(dǎo)致定子絕緣過早失效的原因有：電機(jī)和連接電纜阻抗不匹配產(chǎn)生過電壓，引起匝間絕緣產(chǎn)生強(qiáng)烈局部放電是主要原因[1-2]；高頻電壓脈沖和高頻諧振加重了定子銅損、鐵損、渦流損耗、磁滯損耗，使電機(jī)溫升提高加速絕緣老化[3-4]；空間電荷的積累導(dǎo)致介質(zhì)內(nèi)部電場(chǎng)出現(xiàn)畸變，加速絕緣材料劣化過程[5-6]。

相應(yīng)的，可通過以下措施解決變頻電機(jī)絕緣過早失效問題：改善定子槽間、相間絕緣結(jié)構(gòu)，提高電磁線質(zhì)量及絕緣浸漆工藝，研發(fā)納米復(fù)合絕緣材料[7-8]；在電纜兩端增加阻抗匹配裝置抑制尖峰過電壓的產(chǎn)生[9]；研究重復(fù)脈沖方波電壓頻率、上升時(shí)間、占空比、脈沖極性等參數(shù)對(duì)局部放電、耐電暈壽命等特性的影響[10-13]。

然而，變頻電機(jī)定子端部實(shí)際承受的是變頻器輸出的脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulated，PWM)電壓，電壓脈沖的占空比、基波頻率、開關(guān)頻率動(dòng)態(tài)變化。在電機(jī)的絕緣評(píng)估中，如果能在脈寬調(diào)制電壓下進(jìn)行絕緣測(cè)試，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與重復(fù)脈沖方波下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，則評(píng)估結(jié)果會(huì)更加準(zhǔn)確可靠[14]。

工業(yè)變頻器廣泛采用正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulated，SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulated，SVPWM)兩種調(diào)制方法。文中搭建了SVPWM電壓測(cè)試平臺(tái)，以聚酰亞胺薄膜為實(shí)驗(yàn)對(duì)象開展耐電暈壽命實(shí)驗(yàn)。測(cè)試了不同基波頻率、開關(guān)頻率SVPWM電壓下聚酰亞胺薄膜的耐電暈壽命，總結(jié)SVPWM電壓不同開關(guān)頻率和基波頻率對(duì)變頻電機(jī)絕緣耐電暈壽命的影響規(guī)律；并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與50 %占空比重復(fù)脈沖方波電壓下聚酰亞胺薄膜耐電暈壽命測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析重復(fù)脈沖方波在絕緣評(píng)估中對(duì)SVPWM電壓的替代效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)框圖如圖1所示，該系統(tǒng)主要包括:基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)的SVPWM信號(hào)發(fā)生器和擊穿保護(hù)模塊、基于單片機(jī)的擊穿計(jì)時(shí)模塊、基于橋式推挽開關(guān)的高壓斬波器、寬頻帶示波器、1 000：1高壓探頭、溫濕度控制箱。

圖1 耐電暈壽命測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)試對(duì)象為0.05 mm聚酰亞胺薄膜，在每組特定頻率下測(cè)試5個(gè)試樣。實(shí)驗(yàn)在恒溫恒濕箱(40 ℃、25 RH)中進(jìn)行，以減小環(huán)境濕度和溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的干擾，測(cè)試前使用無水酒精對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗，并提前在40 ℃溫度箱中干燥2 h，以清除試樣表面的水分。

工業(yè)變頻器輸出PWM電壓的基波頻率一般在0 ～ 200 Hz之間，電力電子器件的開斷速度一般在0 ～ 20 kHz之間且均為3的倍數(shù)。據(jù)此，文中選擇基波頻率10 Hz、50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz，開關(guān)頻率6 kHz、12 kHz、18 kHz 的SVPWM電壓以及頻率為6 kHz、12 kHz、18 kHz的50 %占空比重復(fù)脈沖方波電壓為實(shí)驗(yàn)電壓。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 耐電暈壽命測(cè)試實(shí)驗(yàn)參數(shù)

2 SVPWM波的產(chǎn)生

SVPWM 的理論基礎(chǔ)是平均值等效原理，即在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)通過對(duì)基本電壓矢量的作用時(shí)間加以組合，使其平均值與給定電壓矢量相等[15-16]。圖2所示為空間矢量脈寬調(diào)制的基本原理，將變頻器輸出的三相電壓在空間上視為一個(gè)旋轉(zhuǎn)的等效電壓[17]。

圖2 SVPWM原理

將整個(gè)空間分為六個(gè)扇區(qū)，在某個(gè)時(shí)刻，合成電壓矢量旋轉(zhuǎn)到某個(gè)扇區(qū)中，可由該扇區(qū)的兩個(gè)相鄰非零矢量和零矢量在時(shí)間上的不同組合來得到。兩個(gè)矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，從而控制各個(gè)電壓矢量的作用時(shí)間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉(zhuǎn)，從而形成PWM波形[18]。

文中使用某公司的 EP4CE15F23C8型FPGA芯片為高壓推挽開關(guān)提供SVPWM觸發(fā)信號(hào)。FPGA產(chǎn)生SVPWM觸發(fā)信號(hào)過程如圖3所示。

圖3 FPGA產(chǎn)生SVPWM波觸發(fā)信號(hào)原理圖

其工作過程如下：

(1)首先在FPGA的ROM中保存一個(gè)周期的正弦波和余弦波的數(shù)字量，一個(gè)周期用3 600個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)表示；

(2)通過按鍵設(shè)定開關(guān)頻率和基波頻率；

(3)根據(jù)設(shè)定的開關(guān)頻率和基波頻率計(jì)算每?jī)纱稳〔ㄐ螖?shù)值間的地址間隔；

(4)調(diào)用任意頻率發(fā)生器模塊，產(chǎn)生取波形數(shù)值的時(shí)鐘，在該時(shí)鐘下從ROM中取波形數(shù)字量；

(5)使用波形數(shù)值計(jì)算兩個(gè)相鄰電壓矢量的導(dǎo)通時(shí)間，圖4所示為SVPWM典型的馬鞍形調(diào)制波；

圖4 SVPWM馬鞍形調(diào)制波

(6)判斷是否過調(diào)制，如果發(fā)生過調(diào)制則做等比例變換，將合成矢量拉回到空間矢量正六邊形的內(nèi)切圓以內(nèi)；

(7)對(duì)三相電力電子開關(guān)導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行調(diào)制，產(chǎn)生SVPWM觸發(fā)信號(hào)，使用該觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)高壓推挽開關(guān)對(duì)直流電壓斬波，產(chǎn)生SVPWM電壓。圖5所示為中心對(duì)稱的7段式SVPWM脈沖波形。

圖5 中心對(duì)稱的7段式SVPWM脈沖波形

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 SVPWM電壓下的耐電暈壽命

SVPWM電壓下聚酰亞胺薄膜耐電暈壽命測(cè)試結(jié)果如圖6～圖8所示。由圖6可以看出，在所有被測(cè)基波頻率下，耐電暈壽命均隨開關(guān)頻率的增加而降低，并且隨著開關(guān)頻率的增加，不同基波頻率間耐電暈壽命值的差異在不斷減小。由于不同開關(guān)頻率和基波頻率的組合最終影響的是輸出脈沖的占空比，開關(guān)頻率較低時(shí)，不同基波頻下一個(gè)周期內(nèi)主要脈沖的占空比差異較大，而隨著開關(guān)頻率的提高這種差異在逐漸減小，據(jù)此可以推測(cè)：PWM電壓下由于開關(guān)頻率和基波頻率變化導(dǎo)致的主要脈沖占空比變化是影響被測(cè)試樣耐電暈壽命的關(guān)鍵因素。

圖6 耐電暈壽命與SVPWM波開關(guān)頻率的關(guān)系

圖7 耐電暈壽命與SVPWM基波頻率的關(guān)系

圖8 擊穿所經(jīng)歷脈沖次數(shù)

由圖7可以看出，同一基波頻率下，耐電暈壽命隨開關(guān)頻率的增加而降低，開關(guān)頻率越高，耐電暈壽命降幅越大。在開關(guān)頻率較低時(shí)，不同基波頻率間耐電暈壽命值的波動(dòng)較大；在開關(guān)頻率較高時(shí)，不同基波頻率間耐電暈壽命值的波動(dòng)較小。

從圖7、圖8可以看出：相同開關(guān)頻率下，擊穿所需脈沖次數(shù)隨基波頻率變化的趨勢(shì)與耐電暈壽命隨基波頻率變化的趨勢(shì)相同；但相同基波頻率下，擊穿所需脈沖次數(shù)隨基波頻率變化的趨勢(shì)與耐電暈壽命隨基波頻率變化的趨勢(shì)相反；當(dāng)基波頻率為50 Hz時(shí)，不同開關(guān)頻率下具有相同的擊穿脈沖次數(shù)。

3.2 50 %占空比重復(fù)脈沖方波與SVPWM電壓下耐電暈壽命的比較

從圖9中可以看出： 50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓下的耐電暈壽命曲線處于圖形最下方，在每一個(gè)被測(cè)頻率點(diǎn)處均具有最短的耐電暈壽命值，因此， 50%占空比重復(fù)脈沖方波可以用于模擬SVPWM波預(yù)測(cè)變頻電機(jī)絕緣的耐電暈壽命。隨著開關(guān)頻率的提高，50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓下和不同基波頻率SVPWM電壓下耐電暈壽命值的差異在不斷減小，說明在使用50 %占空比重復(fù)脈沖方波電壓模擬SVPWM電壓的耐電暈壽命測(cè)試中，開關(guān)頻率越高，50 %占空比重復(fù)脈沖方波電壓下對(duì)SVPWM電壓的替代效果越好。

圖9 重復(fù)脈沖方波與SVPWM電壓下

為了進(jìn)一步分析50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓和SVPWM電壓下聚酰亞胺薄膜耐電暈壽命數(shù)據(jù)的分散性，以每組實(shí)驗(yàn)條件下的耐電暈壽命數(shù)據(jù)做箱線圖，如圖10所示。

圖10 不同開關(guān)頻率下耐電暈壽命統(tǒng)計(jì)特性

從圖10中可以看出：

(1)當(dāng)開關(guān)頻率為6 kHz時(shí)，SVPWM電壓下耐電暈壽命數(shù)據(jù)的分散性隨著基波頻率的增大而增大，當(dāng)基波頻率大于100 Hz時(shí)，使用50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓已經(jīng)不能準(zhǔn)確反映SVPWM電壓下耐電暈壽命的分散性；

(2)開關(guān)頻率為12 kHz時(shí)，不同基波頻率SVPWM電壓下耐電暈壽命分散性的差異較小，但均大于50 %占空比重復(fù)脈沖方波電壓下耐電暈壽命結(jié)果的分散性；

(3)開關(guān)頻率為18 kHz時(shí)，不同基波頻率SVPWM電壓下耐電暈壽命分散性的差異已經(jīng)很小，而且與50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓下耐電暈壽命結(jié)果的分散性相當(dāng)接近。

對(duì)比圖10(a)～圖10(c)可以看出，在使用50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓模擬SVPWM電壓的耐電暈壽命實(shí)驗(yàn)中，開關(guān)頻率越高， 50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓越能更準(zhǔn)確地反映SVPWM電壓下耐電暈壽命的分散性。

工業(yè)變頻器中電力電子器件主要工作在3 kHz ～12 kHz，但是從圖10(a)、圖10(b)中可以看出：在此頻率區(qū)間內(nèi)，五種不同基波頻率SVPWM電壓下耐電暈壽命數(shù)據(jù)的分散性均大于50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓下耐電暈壽命數(shù)據(jù)的分散性，使用50%占空比重復(fù)脈沖方波并不能準(zhǔn)確反應(yīng)SVPWM電壓下耐電暈壽命結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特性。這可以解釋某些變頻電機(jī)在重復(fù)脈沖方波電壓下按照IEC流程進(jìn)行的耐電暈壽命時(shí)長(zhǎng)測(cè)試中具有很好的性能表現(xiàn)，但是在實(shí)際使用中仍然會(huì)發(fā)生超出預(yù)期的絕緣過早失效的現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

測(cè)試了不同基波頻率、開關(guān)頻率SVPWM電壓以及50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓下聚酰亞胺薄膜的耐電暈壽命，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出SVPWM電壓下變頻電機(jī)絕緣的耐電暈壽命具有以下規(guī)律：

(1)相同基波頻率下，耐電暈壽命隨開關(guān)頻率的增加而下降；相同開關(guān)頻率下，開關(guān)頻率越低，不同基波頻率下耐電暈壽命值的波動(dòng)越大；

(2)50%占空比的重復(fù)脈沖方波可以用于代替SVPWM波預(yù)測(cè)耐電暈壽命的長(zhǎng)短，并且開關(guān)頻率越高預(yù)測(cè)值越準(zhǔn)確；

(3)開關(guān)頻率越低，不同基波頻率下耐電暈壽命分散性的波動(dòng)越大；開關(guān)頻率越高，不同基波頻率下耐電暈壽命分散性的波動(dòng)越??；

(4)開關(guān)頻率較低時(shí)， 50%占空比的重復(fù)脈沖方波不能準(zhǔn)確反映SVPWM電壓下耐電暈壽命的分散性；開關(guān)頻率越高， 50%占空比重復(fù)脈沖方波電壓下耐電暈壽命測(cè)試結(jié)果的分散性與SVPWM電壓下耐電暈壽命的分散性越接近。