正弦脈寬調(diào)制電壓下聚酰亞胺絕緣壽命研究

趙 明，周 群，王 鵬，陳 波，陳君強(qiáng)，吳 琦

（四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

變頻電機(jī)因其優(yōu)越的性能和經(jīng)濟(jì)性，被廣泛應(yīng)用于高速鐵路、艦艇驅(qū)動(dòng)、新能源汽車、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[1-2]。然而，相比傳統(tǒng)電機(jī)，變頻電機(jī)工作在高頻、快速變化的脈沖電壓下，絕緣系統(tǒng)遭受更加嚴(yán)酷的電應(yīng)力，導(dǎo)致在變頻電機(jī)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中絕緣系統(tǒng)異常而過(guò)早失效的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[3-4]。

為評(píng)估變頻電機(jī)絕緣性能，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)建議在重復(fù)脈沖電壓下對(duì)變頻電機(jī)絕緣系統(tǒng)進(jìn)行耐電暈壽命測(cè)試，作為評(píng)估電機(jī)絕緣性能的基本依據(jù)之一[5-6]。

目前的研究主要集中在重復(fù)方波電壓參數(shù)(頻率[7]、上升時(shí)間[8-9]、占空比[10]、極性[11-12])對(duì)耐電暈壽命的影響，然而在變頻電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，定子端部承受的是變頻器輸出的脈寬調(diào)制(pulse width modulated，PWM)波電壓，PWM波的載波頻率和調(diào)制波頻率隨電機(jī)工況的變化而不斷變化，相應(yīng)地，電壓脈沖的占空比也處在動(dòng)態(tài)的變化之中[13]。對(duì)于關(guān)鍵領(lǐng)域的變頻電機(jī)，為了更準(zhǔn)確地評(píng)估電機(jī)絕緣系統(tǒng)壽命，除了按照IEC和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)推薦的流程進(jìn)行絕緣測(cè)試之外，還應(yīng)該盡可能地使用與變頻電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)一致的PWM波進(jìn)行絕緣測(cè)試，將兩種測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得到更加準(zhǔn)確可靠的電機(jī)絕緣評(píng)估結(jié)果[14]。

聚酰亞胺薄膜具有優(yōu)良的耐高低溫性能、電氣絕緣性能以及力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于變頻電機(jī)的匝間絕緣和槽絕緣，但電機(jī)端部過(guò)電壓產(chǎn)生的電暈放電會(huì)導(dǎo)致絕緣材料快速老化，導(dǎo)致絕緣過(guò)早失效[15]。

本研究搭建正弦脈寬調(diào)制波測(cè)試平臺(tái)，在不同載波頻率和調(diào)制波頻率的SPWM波電壓以及占空比為10%、50%的重復(fù)脈沖方波電壓下對(duì)聚酰亞胺薄膜的耐電暈壽命進(jìn)行測(cè)試，并將SPWM波下和重復(fù)方波脈沖下的耐電暈壽命測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，分析SPWM波不同開關(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，以及用重復(fù)方波脈沖來(lái)代替SPWM波進(jìn)行絕緣評(píng)估的可行性，為更加準(zhǔn)確地評(píng)估變頻電機(jī)的絕緣壽命提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)條件

變頻電機(jī)絕緣耐電暈壽命測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由高壓脈沖發(fā)生器、SPWM觸發(fā)信號(hào)發(fā)生器、擊穿保護(hù)模塊、擊穿計(jì)時(shí)模塊、示波器、高壓探頭、溫濕度控制箱和試樣等組成。

工業(yè)變頻器輸出的PWM波根據(jù)調(diào)制方式的不同分為正弦脈寬調(diào)制波(SPWM)和空間矢量脈寬調(diào)制波，電力電子器件的開斷速度在0～20 kHz，為了避免3次諧波，變頻器載波頻率均為3的倍數(shù)。據(jù)此，本實(shí)驗(yàn)選取SPWM波作為測(cè)試波形，載波頻率分別為 6、12、18 kHz ，調(diào)制波頻率分別為10、50、100、150、200 Hz。此外，為了考查不同占空比的重復(fù)脈沖方波在絕緣評(píng)估中對(duì)于SPWM波的模擬效果，測(cè)試占空比為10%、50%，頻率為6、12、18 kHz的重復(fù)脈沖方波電壓下的耐電暈壽命，系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

圖1 耐電暈壽命測(cè)試系統(tǒng)Fig.1 Corona resistance lifetime test system

表1 耐電暈壽命測(cè)試系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Corona resistance lifetime test system parameters

為模擬單個(gè)接觸點(diǎn)并產(chǎn)生沿面放電，測(cè)試試樣采用非耐電暈聚酰亞胺薄膜，薄膜厚度為0.05 mm。為了避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性，每組特定頻率測(cè)試5個(gè)試樣。為防止試樣表面污垢影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)前需用無(wú)水酒精清洗試樣表面，并提前將試樣置于40℃烘箱中干燥2 h，以清除試樣表面水分。測(cè)試時(shí)，將試樣置于恒溫恒濕箱（40℃、25% RH）中，以排除環(huán)境溫度和濕度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生干擾。

2 SPWM波的產(chǎn)生

本研究中，根據(jù)直接數(shù)字合成法原理[16]，使用ALTERA公司的EP4CE15F23C8現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列芯片(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)產(chǎn)生SPWM波觸發(fā)信號(hào)。產(chǎn)生SPWM波形的基本原理是比較三角載波和正弦調(diào)制波的幅值大小，如果三角波幅值大于正弦波則輸出低電平，反之，則輸出高電平[17]。在FPGA中，是正弦波和三角波離散數(shù)據(jù)的比較，事先將一個(gè)周期的正弦波和三角波進(jìn)行數(shù)字化離散后存放在FPGA的只讀存儲(chǔ)器(readonly memory，ROM)中，工作時(shí)根據(jù)三角波頻率和正弦波頻率從ROM中循環(huán)取值進(jìn)行比較，輸出相應(yīng)的SPWM波[18]。每個(gè)波形數(shù)據(jù)用8位二進(jìn)制數(shù)來(lái)表示，其取值范圍從00到FF，每個(gè)波形周期用256個(gè)點(diǎn)來(lái)表示，因此，地址也是8位的，其取值范圍也是從00到FF。FPGA產(chǎn)生SPWM波觸發(fā)信號(hào)原理的如圖2所示。

圖2 FPGA產(chǎn)生SPWM波觸發(fā)信號(hào)原理圖Fig.2 Schematic diagram of SPWM wave generated by FPGA

其工作過(guò)程如下：

（1）通過(guò)按鍵設(shè)定調(diào)制波頻率和載波頻率值。

（2）分別計(jì)算取正弦波和三角波數(shù)據(jù)的頻率。因?yàn)樵贔PGA中一個(gè)周期的三角波和正弦波用256個(gè)離散數(shù)據(jù)表示，所以取數(shù)據(jù)的頻率為正弦波和三角波頻率的256倍。

（3）調(diào)用任意頻率發(fā)生器模塊，根據(jù)正弦波和三角波取數(shù)據(jù)的頻率分別產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)鐘。

（4）在上述時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下分別從正弦波和三角波的ROM區(qū)取各自的波形數(shù)據(jù)。圖3為FPGA產(chǎn)生的正弦波和三角波波形。

圖3 FPGA產(chǎn)生的正弦波和三角波波形Fig.3 Sine and triangle waveforms generated from FPGA

（5）將上述波形數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，產(chǎn)生SPWM波觸發(fā)信號(hào)，并將觸發(fā)信號(hào)輸出到固態(tài)推挽開關(guān)驅(qū)動(dòng)其工作，產(chǎn)生雙極性SPWM波電壓。圖4為高壓脈沖發(fā)生器輸出的雙極性SPWM波電壓，其中，載波頻率為6 kHz，調(diào)制波頻率為100 Hz。

圖4 高壓脈沖發(fā)生器輸出的SPWM電壓Fig.4 SPWM voltage output by high voltage pulse generator

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 SPWM波下的耐電暈壽命

聚酰亞胺薄膜在SPWM波下的耐電暈壽命測(cè)試結(jié)果如圖5和圖6所示。

圖5 耐電暈壽命與SPWM波開關(guān)頻率的關(guān)系Fig.5 Relationship between corona resistance lifetime and SPWM wave switching frequency

圖6 耐電暈壽命與SPWM基波頻率的關(guān)系Fig.6 Relationship between corona resistance lifetime and SPWM wave fundamental frequency

由圖5可以看出，在每一個(gè)基波頻率下，耐電暈壽命均隨開關(guān)頻率的增加而降低。開關(guān)頻率越低，不同基波頻率下的耐電暈壽命差異越大，開關(guān)頻率越高，不同基波頻率下的耐電暈壽命差異越小。

由圖6可以看出，在3個(gè)開關(guān)頻率下耐電暈壽命均以基波頻率100 Hz為轉(zhuǎn)折點(diǎn)：在100 Hz以下，耐電暈壽命隨基波頻率的增加而下降，下降曲線較為平坦；在100 Hz以上，耐電暈壽命隨基波頻率的增加而上升，上升曲線較為陡峭。不同基波頻率下耐電暈壽命整體隨開關(guān)頻率的增加而降低，降低的速度隨開關(guān)頻率的增加而放緩；在開關(guān)頻率較低時(shí)，耐電暈壽命較長(zhǎng)但波動(dòng)性較大，在開關(guān)頻率較高時(shí)，耐電暈壽命較短但波動(dòng)性較小。

3.2 10%占空比重復(fù)脈沖方波與SPWM波下耐電暈壽命的比較

圖7為10%占空比重復(fù)脈沖方波與不同基波頻率SPWM波下耐電暈壽命隨開關(guān)頻率變化的曲線。

圖710 %占空比重復(fù)脈沖方波與SPWM波下的耐電暈壽命對(duì)比Fig.7 Comparison of the corona resistance lifetime under 10% of duty cycle repetitive pulse square wave and SPWM wave

由圖7(a)可以看出，當(dāng)基波頻率小于100 Hz時(shí)，在開關(guān)頻率為18 kHz時(shí)，10%占空比重復(fù)脈沖方波下的耐電暈壽命與基波頻率分別為10、50、100 Hz時(shí)的耐電暈壽命幾乎相等；當(dāng)開關(guān)頻率為12 kHz時(shí)，10%占空比重復(fù)脈沖方波下的耐電暈壽命小于基波頻率為10 Hz、50 Hz時(shí)的耐電暈壽命，但大于基波頻率為100 Hz時(shí)的耐電暈壽命；當(dāng)開關(guān)頻率為6 kHz時(shí)，10%占空比重復(fù)脈沖方波下的耐電暈壽命大于基波頻率為10、50、100 Hz時(shí)的耐電暈壽命。

由圖7(b)可以看出，當(dāng)基波頻率大于100 Hz時(shí)，10%占空比重復(fù)脈沖方波下各頻率點(diǎn)處的耐電暈壽命均小于SPWM波下相應(yīng)頻率點(diǎn)處的耐電暈壽命。

由以上分析可知，10%占空比重復(fù)脈沖方波在開關(guān)頻率小于12 kHz時(shí)不能用于模擬SPWM波預(yù)測(cè)變頻電機(jī)絕緣的耐電暈壽命。

3.3 50%占空比重復(fù)脈沖方波與SPWM波下耐電暈壽命的比較

圖8為50%占空比重復(fù)脈沖方波與不同基波頻率SPWM波下耐電暈壽命隨開關(guān)頻率變化的曲線。

圖850 %占空比重復(fù)脈沖方波與SPWM波下耐電暈壽命均值的對(duì)比Fig.8 Comparison of the corona resistance lifetime under 50% of duty cycle repetitive pulse square wave and SPWM wave

由圖8可以看出，50%占空比重復(fù)脈沖方波下的耐電暈壽命曲線與基波頻率為100 Hz時(shí)的耐電暈壽命曲線幾乎重合，在每一個(gè)開關(guān)頻率處，50%占空比重復(fù)脈沖方波下的耐電暈壽命均最短，5種基波頻率下的耐電暈壽命曲線均在50%占空比重復(fù)脈沖方波下耐電暈壽命曲線的上側(cè)，因此，50%占空比重復(fù)脈沖方波可以用于模擬SPWM波預(yù)測(cè)變頻電機(jī)絕緣的耐電暈壽命。

為了進(jìn)一步分析不同開關(guān)頻率、基波頻率SPWM下以及50%占空比重復(fù)脈沖方波下聚酰亞胺薄膜耐電暈壽命結(jié)果的分散性，將每組實(shí)驗(yàn)條件下的耐電暈壽命結(jié)果作箱線圖，結(jié)果如圖9所示。

圖9 不同開關(guān)頻率下耐電暈壽命統(tǒng)計(jì)特性Fig.9 Statistical characteristics of corona resistance lifetime at different switching frequencies

從圖9中可以看出：（1）在同一個(gè)開關(guān)頻率下，5種不同基波頻率SPWM波下耐電暈壽命數(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，說(shuō)明50%占空比重復(fù)脈沖方波并不能準(zhǔn)確地反映SPWM下耐電暈壽命結(jié)果的統(tǒng)計(jì)特性。這就能解釋為什么有的變頻電機(jī)在重復(fù)脈沖方波電壓下按照IEC流程進(jìn)行絕緣測(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(guò)早失效現(xiàn)象。

（2）在相同的開關(guān)頻率下，當(dāng)基波頻率小于等于100 Hz時(shí)，耐電暈壽命結(jié)果具有較大的分散性，而當(dāng)基波頻率大于100 Hz時(shí)，耐電暈壽命結(jié)果具有較小的分散性。

（3）在3種不同的開關(guān)頻率下，在基波頻率為100 Hz處，耐電暈壽命結(jié)果均具有較大的分散性。

（4）對(duì)于基波頻率10 Hz、50 Hz而言，當(dāng)開關(guān)頻率為6 kHz時(shí)，耐電暈壽命最長(zhǎng)但分散性也最大；當(dāng)開關(guān)頻率為12 kHz時(shí)，耐電暈壽命次之但是具有最好的集中性。

（5）對(duì)于基波頻率150 Hz、200 Hz而言，當(dāng)開關(guān)頻率為6 kHz時(shí)，耐電暈壽命不僅最長(zhǎng)而且具有很好的集中性。

變頻電機(jī)運(yùn)行中，基波頻率小于50 Hz對(duì)應(yīng)的是電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行階段，基波頻率大于50 Hz對(duì)應(yīng)的是電機(jī)的恒功率運(yùn)行階段[19]。根據(jù)以上分析，變頻電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中可以綜合考慮絕緣系統(tǒng)耐電暈壽命的長(zhǎng)短和分散性，結(jié)合對(duì)變頻器的設(shè)置來(lái)盡量提高絕緣系統(tǒng)的綜合性能：減少在其基波頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近運(yùn)行的時(shí)間；在恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行階段，使開關(guān)頻率為12 kHz；在恒功率運(yùn)行階段，使基波頻率大于150 Hz。

4 基波頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)產(chǎn)生原因

與重復(fù)脈沖方波電壓相比，SPWM電壓最大的變化是占空比不固定，在SPWM電壓基波的每個(gè)半周期中，電壓脈沖的占空比先從小到大，再?gòu)拇蟮叫≈饾u變化。在開關(guān)頻率固定的情況下，不同基波頻率下每個(gè)基波周期內(nèi)包含的脈沖數(shù)不一樣，每個(gè)基波周期內(nèi)電壓脈沖的占空比主要成分也不同。圖10(a)為開關(guān)頻率為6 kHz、基波頻率為50 Hz時(shí)，半個(gè)基波周期內(nèi)的SPWM電壓脈沖；圖10(b)為開關(guān)頻率為6 kHz、基波頻率為200 Hz時(shí)，半個(gè)基波周期內(nèi)的SPWM電壓脈沖。由圖10(a)和10(b)可以看出，當(dāng)基波頻率為50 Hz時(shí)電壓脈沖的占空比較低，而基波頻率為200 Hz時(shí)電壓脈沖的占空比較高。文獻(xiàn)[10]研究表明，脈沖電壓占空比會(huì)影響局部放電特性，因此可以推斷耐電暈壽命出現(xiàn)基波頻率拐點(diǎn)的原因可能為：基波頻率變化引起脈沖占空比變化，脈沖占空比會(huì)變化引起局部放電特性變化，局部放電特性變化引起聚酰亞胺薄膜電老化速率的變化，從而導(dǎo)致耐電暈壽命發(fā)生波動(dòng)。為了驗(yàn)證此推斷，使用紅外熱成像儀測(cè)量了各頻率點(diǎn)處試樣與電極接觸點(diǎn)的溫度，結(jié)果如圖11所示，此溫升主要由局部放電能量引起。

圖10 不同基波頻率下的SPWM電壓脈沖Fig.10 SPWM voltage pulse at different fundamental frequency

圖11 電極放電點(diǎn)處溫度與基波頻率的關(guān)系Fig.11 Relationship between temperature and fundamental frequency at discharge point of electrode

由圖11可以看出，溫度隨基波頻率變化的趨勢(shì)與圖6中耐電暈壽命隨基波頻率變化的趨勢(shì)大致對(duì)稱，證明基波頻率的變化引起了局部放電能量的變化。

5 結(jié)論

在不同開關(guān)頻率和基波頻率的SPWM波電壓以及不同占空比的重復(fù)脈沖方波電壓下對(duì)聚酰亞胺薄膜的耐電暈壽命進(jìn)行測(cè)試，并將測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）耐電暈壽命隨開關(guān)頻率的增加而下降。

（2）耐電暈壽命具有基波頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在轉(zhuǎn)折點(diǎn)處耐電暈壽命最短且耐電暈壽命結(jié)果分散性最大。因此，對(duì)于關(guān)鍵領(lǐng)域的變頻電機(jī)，應(yīng)在與其驅(qū)動(dòng)波形一致的PWM波下進(jìn)行絕緣測(cè)試，確定其基波頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中盡量減少在其基波頻率轉(zhuǎn)折點(diǎn)附近運(yùn)行的時(shí)間。

（3）50%占空比的重復(fù)脈沖方波可以用于代替SPWM波預(yù)測(cè)耐電暈壽命的長(zhǎng)短，但不能準(zhǔn)確反映其統(tǒng)計(jì)特性。

（4）變頻電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中可以嘗試通過(guò)限定不同運(yùn)行階段變頻器開關(guān)頻率和基波頻率的范圍，以獲得絕緣性能和動(dòng)力性能的最佳平衡。