正弦及雙極性脈沖電壓下變頻電機匝間絕緣PDIV對比分析

師 洋，王 鵬，劉新霆，程馳宙，郭厚霖，Shakeel AKRAM

（四川大學 電氣工程學院，四川 成都 610065）

0 引言

電機是驅動新能源汽車的心臟，也是新能源汽車三大關鍵技術之一。新能源汽車驅動電機直接連接至變頻器，稱為變頻電機。變頻電機一般采用脈寬調制（pulse-width modulation，PWM）技術控制，運行在高頻重復方波電壓下，絕緣系統(tǒng)承受較為嚴酷的電、熱應力[1]。當出現端部過電壓、電壓分布不均、工藝浸漬不良等原因造成絕緣局部場強集中時，局部放電（partial discharge，PD）發(fā)生的概率較大[2-3]。特別是對于廣泛采用低壓散繞結構的新能源汽車驅動電機，放電現象會破壞有機物大分子鏈結構，造成變頻電機絕緣快速失效。

根據IEC相關標準[4-5]，在設計、制造變頻電機前，應在正弦和重復脈沖電壓下進行測試，以判斷絕緣系統(tǒng)的局部放電起始電壓（PDIV）是否高于其正常運行電壓，以保證在全壽命周期內不出現局部放電。此外，在新能源汽車的運行過程中，存在機械、電、熱等眾多老化因素[6]，PDIV可能有所下降，因此實驗所得PDIV相對于實際運行電壓應留有較大裕度。

新能源汽車主絕緣和相間絕緣一般不存在電壓分布不均勻的現象，雖然其工作在PWM電壓下，但可以采用正弦電壓進行PDIV測試，測試所得的峰峰值作為評價主絕緣和相間絕緣的參數。然而，在端部過電壓、電壓繞組不均勻分布、繞組感性及容性分布參數的影響下，變頻電機匝間絕緣實際承受的是持續(xù)時間為納秒至微秒級的高頻雙極性短脈沖電壓[7]。因此，為模擬變頻電機絕緣實際承受的電應力，需采用雙極性重復方波或脈沖電壓模擬脈寬調制電壓進行匝間PDIV測試[8-9]。

不同于傳統(tǒng)直流及正弦電壓，重復脈沖不同電壓參數（如上升時間、占空比、基波頻率等）對變頻電機絕緣PDIV的影響不可忽視[4-5]。不同波形參數對變頻電機匝間絕緣的PDIV影響雖有報道，但研究多采用重復方波和正弦電壓進行對比，少部分研究采用單極性重復短脈沖電壓[7-8]，而雙極性重復短脈沖電壓（匝間絕緣實際承受的電應力）對變頻電機匝間絕緣的PDIV影響尚未見報道。

本研究在頻率為50 Hz的正弦、雙極性重復方波和雙極性重復短脈沖電壓下，對比分析不同波形電壓對3種典型新能源汽車匝間絕緣PDIV統(tǒng)計特征及放電時頻域分布特性的影響規(guī)律，并結合放電物理過程提出機理解釋，以期為3種應力下新能源汽車變頻電機匝間絕緣PDIV的評估提供實驗依據和理論參考。

1 試驗

1.1 測試平臺搭建

1.1.1 正弦電壓測試平臺

正弦電壓下變頻電機匝間絕緣的PDIV測試系統(tǒng)如圖1所示。信號發(fā)生器輸入50 Hz的正弦信號，功率放大器將該輸入信號放大2 000倍，得到連續(xù)可調的正弦電壓，該電壓再經限流水電阻向試樣輸出。去除端部絕緣的絞線對一端接正弦輸出，另一端接地。使用耦合阻抗傳感器和TechImp PDCheck采集放電，并通過網絡接口將放電統(tǒng)計特性顯示在計算機上。正弦輸出電壓經高壓探頭，按1 000∶1的比例顯示在最大采樣率為20 GS/s、帶寬為2.5 GHz的數字示波器上，以讀取正弦輸出電壓的峰峰值。

圖1 正弦電壓PDIV測試系統(tǒng)Fig.1 Sinusoidal voltage PDIV test system

1.1.2 雙極性脈沖電壓測試平臺

雙極性重復脈沖電壓下變頻電機匝間絕緣PDIV測試系統(tǒng)如圖2所示，雙極性脈沖電源輸出參數如表1所示。

圖2 雙極性重復脈沖電壓PDIV測試系統(tǒng)Fig.2 Bipolar repetitive impulsive voltage PDIV test system

表1 雙極性脈沖電源輸出參數Tab.1 Output parameter of bipolar pulse power

雙極性高壓重復脈沖電源輸出電壓峰峰值可達10 kV，頻率為50 Hz。產生的雙極性重復方波和雙極性重復短脈沖電壓的上升時間為150 ns，其中雙極性重復短脈沖電壓的脈寬時間持續(xù)可調。本研究采用脈寬為1、2、5 μs的短脈沖電壓和重復方波電壓作為電源輸出進行PDIV測試。

特高頻天線用于采集放電信號。為減小高頻電力電子開關器件引起的干擾（干擾信號的頻譜能量主要分布在300～400 MHz），將特高頻天線固定于距離試樣10 cm處，并且在特高頻天線和數字示波器間加裝400 MHz的高通濾波器。輸出電壓的正負兩極經差分高壓探頭差分后，以1 000∶1的比例顯示在數字示波器上。數字示波器與計算機相連，并執(zhí)行IEEE 488.2協議進行數據傳輸，將放電結果和輸出電壓存入數據庫以便后期處理分析。

1.2 測試試樣

研究采用的3種典型新能源汽車絞線對試樣由聚酰胺-酰亞胺樹脂浸漬而成，漆包線在顯微鏡下觀測得到的直徑分別為0.65、0.66、0.69 mm，分別記為a試樣、b試樣、c試樣。為保證實驗結果的可靠性，每種絞線對繞制5個試樣。每個試樣統(tǒng)一繞制10匝，使漆包線兩端的夾角為60°（如圖3所示），用于模擬變頻電機運行過程中出現的多點放電現象[4,10]。繞制時應避免損傷漆包線的絕緣漆，以免造成短路影響實驗結果。

圖3 漆包絞線對試樣Fig.3 Enameled twisted pair sample

實驗前，將所有漆包線試樣進行統(tǒng)一處理：使用無水酒精清洗，并放入100℃溫度控制箱內處理12 h，以保證實驗結果不受試樣表面可能存在的水分和污漬的影響。實驗時，將試樣固定在絕緣支架上，并放入溫濕度控制箱內，控制溫度恒定為25℃、濕度恒定為60%RH，以排除環(huán)境因素的影響。

1.3 測試波形

圖2中的雙極性高壓重復脈沖電源的拓撲圖如圖4所示，該全橋電路由穩(wěn)壓電容C1，正極性高壓直流電源+HV，限流電阻R1、R2，高壓電力電子開關SW1、SW2和負載CL組成。控制高壓電力電子開關中A和B開關的開斷狀態(tài)，即可改變輸出在負載CL上脈沖的脈寬。本實驗采用現場可編程門陣列（field programmable gate array，FPGA）控制A、B開關的開斷，以控制輸出電壓。

圖4 雙極性高壓重復脈沖電源拓撲圖Fig.4 Topology diagram of bipolar high voltage repetitive pulse power supply

采用頻率均為50 Hz的正弦、雙極性重復方波和雙極性重復短脈沖電壓進行實驗，其中雙極性重復方波和雙極性重復短脈沖電壓由圖4的電源拓撲圖產生，產生的雙極性重復短脈沖電壓波形如圖5所示。并且電壓的上升時間為150 ns，雙極性重復短脈沖電壓脈寬設置1、2、5 μs，如圖6所示。

圖5 雙極性重復短脈沖電壓波形Fig.5 Bipolar repetitive short impulsive voltage waveform

圖6 不同脈寬的測試電壓波形Fig.6 Test voltage waveforms with different pulse widths

2 試驗結果

2.1 放電分布特性

在正弦電壓和雙極性脈沖電壓下對絞線對進行PDIV測試，分別統(tǒng)計不同波形下的局部放電相位譜圖（phase resolved partial discharge pattern,PRP‐DP）。圖7為正弦電壓下的局放放電譜圖。從圖7可以看出，在正弦電壓下的局部放電主要分布在0°～90°和180°～270°相位，在其余相位出現放電的概率較小。

圖7 正弦電壓下的局部放電譜圖Fig.7 PD spectra under sinusoidal voltage

圖8為不同脈寬的雙極性短脈沖及方波電壓下的局部放電譜圖。從圖8可以看出，在雙極性方波及短脈沖電壓下的放電在上升沿和下降沿附近出現概率較大，并且放電幅值集中在400～600 mV。

圖8 不同脈寬的雙極性短脈沖及方波電壓下局部放電譜圖Fig.8 PD spectra under different pulse width bipolar short pulse and square wave voltage

對雙極性短脈沖及方波電壓下的局部放電波形進行傅里葉變換，得到局部放電能量的時域和頻域分布[11-12]，如圖9所示。

圖9 局部放電的時域分布及頻域分布Fig.9 Time-domain and frequency-domain distribution of partial discharge

從圖9可以看出，雙極性短脈沖及方波電壓的頻域能量主要分布在0.5～0.9 GHz，部分放電在1.1、1.3、1.9 GHz也存在能量分布，少部分放電在2.1 GHz存在能量分布（如圖9(b)所示），其余頻段的能量分布較少。因此在上升時間為150 ns、頻率為50 Hz的雙極性短脈沖及方波電壓下進行PDIV測試時，采用的特高頻天線應在0.5～2.0 GHz內有較高的增益，并且為消除電源產生的低頻段干擾，應在天線輸出端使用高通濾波器，以提高信噪比。

2.2 PDIV統(tǒng)計特性

采用正弦電壓及不同脈寬的雙極性脈沖電壓對3種典型絞線對進行PDIV測試，不同電壓下的PDIV測試結果統(tǒng)計特性如圖10所示。從圖10可以看出，每種絞線對在方波電壓下和正弦波電壓下測得的PDIV大致相同，在雙極性短脈沖電壓下測得的PDIV隨著脈寬的增加呈現下降的趨勢，并且雙極性短脈沖下的PDIV略高于方波下的PDIV。具體地，脈寬為1 μs的雙極性短脈沖下的PDIV與方波下的PDIV相比，a試樣從2.38 kV下降至1.97 kV，下降了約17%；b試樣從2.08 kV下降至1.68 kV，下降了約19%；c試樣從2.39 kV下降至1.74 kV，下降了約27%。圖10(d)展示了3種典型絞線對的PDIV隨電壓波形的變化趨勢，可以看出在使用方波和正弦波電壓評估變頻電機匝間絕緣時，所得到的絕緣性能較為保守，而雙極性短脈沖電壓能更真實地評估變頻電機匝間絕緣。

圖10 不同電壓下局部放電統(tǒng)計特性Fig.10 Statistical characteristics of PD under different voltages

一般來講，絕緣的PDIV隨絕緣尺寸改變而改變。由于a、b、c試樣添加有不同的無機和有機成分，使3種材料的介電常數發(fā)生改變，導致圖10中PDIV并未隨漆包線直徑增大形成統(tǒng)一規(guī)律。因此，本研究并未考慮0.65～0.69 mm直徑范圍內絕緣尺寸改變對PDIV的影響。

3 討論分析

采用具有一定帶寬的特高頻傳感器提取放電高頻能量是重復脈沖電壓下抑制電力電子強烈開斷干擾、提升PDIV測試靈敏度的重要方法[13]。然而，由于放電能量分布可能隨高頻脈沖參數變化而變化，分析脈沖參數對放電頻域能量分布的影響對傳感器設計和選擇尤為重要。圖9表明，當重復脈沖持續(xù)時間在1～5 μs發(fā)生變化時，脈沖激發(fā)的放電頻域能量主要分布在0.5～0.9 GHz，并且脈沖持續(xù)時間的變化并未明顯改變放電的頻域能量分布特性。說明依據IEC TS 61934、IEC 60034-18-41等國際標準，采用特高頻法對絕緣系統(tǒng)進行PDIV測試時，具有合適帶寬的傳感器應適合于所有占空比（即不同脈寬）的測試。

在絞線對模型中，放電主要發(fā)生在漆包線之間的氣隙。由氣體放電的流注理論可知，形成流注需滿足兩個條件：①氣隙內實際電場強度超過起始放電電場強度Einc；②出現激發(fā)電子崩的初始電子[14-16]。根據圖10，隨著脈沖寬度的增加，PDIV逐漸降低，并且方波和正弦電壓下PDIV最低。實際上，流注發(fā)展至完成放電需要一定時間，即當氣隙內實際電場強度大于起始放電的電場強度，且持續(xù)超過一定時間后，才能完成放電過程。以圖10(a)中a試樣為例，在雙極性短脈沖電壓下，絞線對兩端施加峰峰值為2 kV的電壓，并未出現放電，而在方波和正弦波條件下施加相同幅值的電壓則出現放電。可能是因為短脈沖的持續(xù)時間過短，在測試過程中未能形成流注，因此需要更高的電壓（約2.4 kV）以滿足流注放電條件，其余試樣呈現相似結果。圖10中隨著短脈沖脈寬增加，PDIV呈現下降趨勢，也從側面驗證了以上解釋。

而在正弦和方波電壓下，電壓持續(xù)時間較長，相對較低電壓即可滿足流注放電的條件，所得PDIV均低于短脈沖下的PDIV。對于變頻電機絕緣系統(tǒng)評估，在全生命周期內，滿足理論要求產生放電的PDIV最小值應是絕緣設計最應關注的保守值。因此，如采用正弦或方波電壓對絕緣進行PDIV測試，得到的PDIV結果可保守評估變頻電機匝間絕緣性能。然而，當通入重復短脈沖電壓時，很難在匝間絕緣形成持續(xù)時間較長的脈沖電應力，得到的PDIV很可能大于正弦和方波電壓下測得的保守值。

4 結論

（1）在頻率相同的情況下，正弦和方波電壓下變頻電機匝間絕緣的PDIV幾乎相等。因此，在對絞線對等容性試樣進行PDIV測試時，可用正弦電壓替代方波電壓進行測試。

（2）在雙極性短脈沖電壓下，隨著脈寬的增加，匝間絕緣PDIV呈現下降趨勢，說明較短脈沖不能完全激發(fā)絕緣中的流注放電，從而不能發(fā)現絕緣中的潛在缺陷。

（3）正弦和方波電壓下PDIV比雙極性重復短脈沖下低約20%，說明在對容性匝間絕緣進行PDIV測試時，正弦和方波電壓是較為保守評估絕緣性能的測試電壓。