用于變頻電機(jī)絕緣測(cè)試的PWM電壓發(fā)生器

趙明，周群，王鵬，余鐵鈔，吳天強(qiáng)

(四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，成都 610065)

0 引 言

變頻電機(jī)工作在經(jīng)電力電子器件斬波的高頻脈沖電壓下，絕緣過(guò)早失效的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生[1-2]。目前，在變頻電機(jī)絕緣評(píng)估中大多使用重復(fù)脈沖方波電壓模擬變頻器輸出的PWM電壓，研究重復(fù)脈沖方波上升時(shí)間[3-4]、占空比[5-6]、頻率[7-9]等參數(shù)對(duì)變頻電機(jī)絕緣的影響。但是變頻電機(jī)在實(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)制電壓，脈寬調(diào)制電壓的開關(guān)頻率、基波頻率、脈沖占空比動(dòng)態(tài)變化，如果能在脈寬調(diào)制電壓下開展變頻電機(jī)絕緣評(píng)估實(shí)驗(yàn)，可以得到更加貼近實(shí)際的評(píng)估結(jié)果[10]。

為了研究變頻電機(jī)絕緣過(guò)早失效的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛采用的方法是在與變頻器輸出電壓類似的脈沖電源下開展與變頻電機(jī)絕緣相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，其中部分學(xué)者直接使用工業(yè)變頻器作為脈沖電源進(jìn)行試驗(yàn)[11-12]，以模擬變頻電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的電應(yīng)力，然而工業(yè)變頻器直流母線電壓固定，開關(guān)頻率與正弦波頻率比值固定不能任意調(diào)節(jié)，難以滿足實(shí)驗(yàn)需要。而直接輸出式脈沖電源通過(guò)控制MOSFET、IGBT等電力電子器件的開關(guān)狀態(tài)直接輸出高壓脈沖，具有參數(shù)調(diào)節(jié)范圍大、技術(shù)原理成熟、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

研究設(shè)計(jì)了一臺(tái)基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)和高速固態(tài)推挽開關(guān)的直接輸出式PWM脈沖電壓發(fā)生器，該脈沖電壓發(fā)生器既可以輸出模擬實(shí)際的正弦脈寬調(diào)制(Sinusoidal Pulse Width Modulated，SPWM)電壓和空間矢量脈寬調(diào)制(Space Vector Pulse Width Modulated，SVPWM)電壓以開展PWM電壓下的變頻電機(jī)絕緣評(píng)估實(shí)驗(yàn)和型式鑒定實(shí)驗(yàn)，又可以輸出重復(fù)脈沖方波電壓以便和PWM電壓下的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及參數(shù)選擇

用于變頻電機(jī)絕緣測(cè)試的直接輸出式PWM電壓發(fā)生器原理如圖1所示。脈沖電源工作過(guò)程為：從正負(fù)高壓直流電源+HVDC、-HVDC輸出的直流高壓經(jīng)過(guò)濾波電容C1、C2，均壓電阻R1、R2后為高速固態(tài)推挽開關(guān)提供雙極性高壓直流電源；基于FPGA的脈沖信號(hào)發(fā)生器為固態(tài)推挽開關(guān)提供SPWM、SVPWM和重復(fù)脈沖方波觸發(fā)信號(hào)；固態(tài)推挽開關(guān)在觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下對(duì)正負(fù)直流高壓斬波輸出雙極性高壓脈沖；1 000:1高壓探頭為示波器提供采樣信號(hào)，同時(shí)也為試樣擊穿保護(hù)模塊提供監(jiān)控信號(hào)；基于FPGA的擊穿保護(hù)模塊實(shí)時(shí)監(jiān)控來(lái)自高壓探頭的電壓信號(hào)，如果發(fā)生試樣擊穿則停止輸出推挽開關(guān)觸發(fā)信號(hào)并斷開KA1、KA2、KA3切斷推挽開關(guān)的高壓直流電源和工作電源。

圖1 PWM脈沖電源工作原理

低壓變頻器大都采用正弦脈寬調(diào)制或者空間矢量脈寬調(diào)制，電力電子器件的開斷速度一般在0 ～ 20 kHz之間，基波頻率一般在0 ～ 200 Hz之間，線電壓大多為380 V或660 V。據(jù)此，本設(shè)計(jì)選擇SPWM和SVPWM兩種脈寬調(diào)制方式，PWM波基波頻率0 ～ 200 Hz、開關(guān)頻率0 ～ 20 kHz、脈沖幅值0～3 kV，脈沖電源參數(shù)如表1所示。

表1 脈沖電源主要參數(shù)指標(biāo)

2 PWM脈沖電壓發(fā)生器的搭建

2.1 SPWM電壓的產(chǎn)生

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，在FPGA中是正弦波和三角波離散幅值的比較[13-14]。本研究中，根據(jù)直接數(shù)字合成法原理產(chǎn)生SPWM觸發(fā)信號(hào)，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(Read-Only 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[15-16]。圖2為FPGA中產(chǎn)生SPWM觸發(fā)信號(hào)的程序模塊視圖。

圖2 產(chǎn)生SPWM觸發(fā)信號(hào)代碼模塊視圖

SPWM電壓產(chǎn)生過(guò)程如下：

(1)通過(guò)按鍵設(shè)定基波頻率、開關(guān)頻率、調(diào)制深度;

(2)計(jì)算取波形數(shù)據(jù)的頻率。調(diào)用時(shí)鐘發(fā)生器模塊，產(chǎn)生取正弦波和三角波波形數(shù)據(jù)的時(shí)鐘，時(shí)鐘脈沖如圖3所示;

圖3 尋址波形數(shù)據(jù)的時(shí)鐘

(3)根據(jù)設(shè)置調(diào)制深度調(diào)節(jié)正弦波的幅值，正弦波幅值的調(diào)節(jié)如圖4所示;

圖4 經(jīng)過(guò)0.7倍幅值變換的正弦波

(4)在取正弦波數(shù)據(jù)時(shí)鐘和取三角波數(shù)據(jù)時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，從各自的ROM區(qū)中取波形數(shù)據(jù)，生成期望頻率的正弦波和三角波。圖5所示為對(duì)波形離散數(shù)據(jù)的讀取;

圖5 波形離散數(shù)據(jù)的讀取

(5)比較正弦波和三角波幅值，產(chǎn)生SPWM觸發(fā)信號(hào)，如果三角波幅值小于正弦波則輸出高電平，反之，則輸出低電平。SPWM信號(hào)的產(chǎn)生如圖6所示;

圖6 SPWM信號(hào)的產(chǎn)生

(6)固態(tài)推挽開關(guān)在觸發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下輸出雙極性SPWM電壓。圖7所示為一個(gè)調(diào)制周期的SPWM電壓。

圖7 一個(gè)調(diào)制周期的SPWM電壓

2.2 SVPWM電壓的產(chǎn)生

SVPWM 調(diào)制以伏秒平衡原理為理論基礎(chǔ)，即通過(guò)對(duì)相鄰電壓矢量作用時(shí)間的調(diào)制，使其等效平均值與合成電壓矢量相等[17-18]。將變頻器輸出的三相電壓等效為一個(gè)空間上的旋轉(zhuǎn)電壓，整個(gè)矢量空間由六個(gè)扇區(qū)組成，任意扇區(qū)中的合成電壓，均可視為是零矢量和該扇區(qū)兩個(gè)非零矢量在時(shí)間上的不同組合。兩個(gè)非零矢量的作用時(shí)間在一個(gè)采樣周期內(nèi)分多次施加，合成電壓矢量在空間上按接近圓形軌跡旋轉(zhuǎn)[19]。電壓矢量的合成如圖8所示。

圖8 電壓矢量的合成

SVPWM電壓產(chǎn)生過(guò)程如下：

(1)首先將一個(gè)周期的正弦波和余弦波分別離散為3 600個(gè)8位二進(jìn)制數(shù)，保存在FPGA的ROM中;

(2)設(shè)定所需SVPWM電壓的載波頻率、調(diào)制波頻率、調(diào)制深度，根據(jù)所設(shè)定的載波頻率和調(diào)制波頻率計(jì)算取波形數(shù)據(jù)的頻率以及每?jī)纱稳≈甸g的地址增量。頻率值的設(shè)定及地址增量的計(jì)算如圖9所示。

圖9 頻率值的設(shè)定及地址增量的計(jì)算

(3)調(diào)用任意頻率發(fā)生器產(chǎn)生取波形數(shù)值的時(shí)鐘，在該時(shí)鐘下從ROM中取正、余弦值。圖10所示為對(duì)擴(kuò)大10 000倍的正余弦值的尋址;

圖10 對(duì)正、余弦數(shù)值的尋址

(4)在每個(gè)開關(guān)周期使用正余弦值計(jì)算決策因子|X|、|Y|、|Z|的值，并判斷合成電壓矢量所處的扇區(qū)，計(jì)算結(jié)果如圖11所示;

圖11 |X|、|Y|、|Z|及扇區(qū)N的計(jì)算

(5)計(jì)算扇區(qū)基本矢量導(dǎo)通時(shí)間t1、t2，并判斷是否發(fā)生過(guò)調(diào)制，如果發(fā)生過(guò)調(diào)制則做等比例變換，使合成矢量回到空間矢量正六邊形的內(nèi)切圓內(nèi);

(6)使用t1、t2計(jì)算三相開關(guān)的切換點(diǎn)時(shí)間TCMPA、TCMPB、TCMPC，其仿真波形如圖12所示，從圖12中可見TCMPA、TCMPB、TCMPC為SVPWM典型的馬鞍形調(diào)制波。

圖12 TCMPA、TCMPB、TCMPC仿真波形

(7)固態(tài)推挽開關(guān)在SVPWM觸發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下對(duì)直流電壓斬波，輸出SVPWM電壓脈沖。圖13所示為高壓脈沖發(fā)生器所輸出的SVPWM電壓。

2.3 重復(fù)脈沖方波電壓的產(chǎn)生

為了便于開展國(guó)際電工委員會(huì)(International Electrotechnical Commission，IEC)針對(duì)Ⅰ型(散嵌繞組)變頻電機(jī)的絕緣系統(tǒng)提出的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60034-18-41下的實(shí)驗(yàn)，將PWM電壓下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和重復(fù)脈沖方波電壓下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并盡量提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，本研究設(shè)計(jì)的PWM脈沖電壓發(fā)生器同時(shí)具有輸出重復(fù)脈沖方波電壓的功能，輸出脈沖占空比1%～99%可調(diào)、脈沖頻率1 kHz～20 kHz可調(diào)。

調(diào)節(jié)占空比的原理是在每個(gè)開關(guān)周期使用門限值對(duì)直角三角波進(jìn)行調(diào)制，F(xiàn)PGA中產(chǎn)生重復(fù)脈沖方波觸發(fā)信號(hào)程序模塊如圖14所示。

圖14 重復(fù)脈沖方波觸發(fā)信號(hào)的產(chǎn)生

參數(shù)可調(diào)的重復(fù)脈沖方波電壓產(chǎn)生過(guò)程如下;

(1)通過(guò)按鍵設(shè)置脈沖方波的頻率和占空比;

(2)根據(jù)設(shè)定的脈沖頻率計(jì)算產(chǎn)生直角三角波所需時(shí)鐘頻率，直角三角波的幅值變化為1～100，所以所需時(shí)鐘頻率為100倍脈沖頻率;

(3)調(diào)用任意頻率發(fā)生器產(chǎn)生所需時(shí)鐘;

(4)在(3)所述時(shí)鐘下產(chǎn)生直角三角波，在每一個(gè)時(shí)鐘上升沿三角波幅值加一，若幅值到達(dá)100則清零重新累加;

(5)根據(jù)設(shè)定的脈沖占空比設(shè)定調(diào)制門限值，門限值與所需占空比相等，例如期望脈沖占空比為45%，則門限值為45；

(6)在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)使用門限值對(duì)直角三角波調(diào)制，當(dāng)三角波的值大于門限值時(shí)輸出為0，反正輸出為1。門限電壓對(duì)直角三角波的調(diào)制如圖15所示；

圖15 門限電壓對(duì)直角三角波的調(diào)制

(7)固態(tài)推挽開關(guān)在(6)中所述觸發(fā)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)下對(duì)正負(fù)直流高壓斬波，輸出頻率和占空比可變的雙極性重復(fù)脈沖方波電壓。

3 SPWM電壓下的局部放電測(cè)試

使用該脈沖電壓發(fā)生器開展了變頻電機(jī)電磁線在SPWM電壓下的局部放電測(cè)試，實(shí)驗(yàn)硬件還包括示波器、高頻脈沖電流傳感器、PDcheck局部放電檢測(cè)儀。實(shí)驗(yàn)中使用圖4 所示SPWM電壓，使用高頻脈沖電流傳感器提取局部放電信號(hào)。圖16為一個(gè)調(diào)制波周期內(nèi)檢測(cè)到的脈沖電流信號(hào)相位-幅值圖。

圖16 SPWM波下局放檢測(cè)相位模式圖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：受推挽開關(guān)開斷的影響，在每一個(gè)脈沖的上升沿和下降沿都會(huì)在傳感器中耦合出一個(gè)干擾信號(hào)，如圖17所示。

圖17 干擾和局部放電信號(hào)

圖18為脈沖信號(hào)的時(shí)頻聚類圖，從圖19中可以看出干擾信號(hào)在整個(gè)頻域內(nèi)均有分布，而局部放電信號(hào)主要集中在高頻區(qū)間，這與文獻(xiàn)[4]中研究結(jié)果一致。圖19為去除開關(guān)開斷干擾后的局部放電相位模式圖，由圖19中可見電磁線局部放電主要發(fā)生在每個(gè)調(diào)制波周期的90°和270°附近，即脈沖持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)的部分，并且放電幅值和次數(shù)具有對(duì)稱性。

圖18 SPWM波下局放檢測(cè)時(shí)間-頻率模式圖

圖19 去除開關(guān)開斷干擾后的局放檢測(cè)相位模式圖

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于變頻電機(jī)絕緣測(cè)試的直接輸出式PWM脈沖電壓發(fā)生器，能夠輸出工業(yè)變頻器廣泛使用的SPWM電壓和SVPWM電壓,以及目前絕緣測(cè)試中廣泛使用的重復(fù)脈沖方波電壓，有利于拓寬變頻電機(jī)絕緣研究的范圍、提高絕緣評(píng)估的準(zhǔn)確性和測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性。

(1)設(shè)計(jì)了以FPGA為核心的脈沖信號(hào)發(fā)生器，輸出載波頻率、調(diào)制波頻率可調(diào)的SPWM波和SVPWM波以及頻率、占空比可調(diào)的重復(fù)脈沖方波;

(2)以高速固態(tài)推挽開關(guān)為核心搭建了脈沖電源的強(qiáng)電回路，在來(lái)自脈沖信號(hào)發(fā)生器的觸發(fā)信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，輸出相應(yīng)的PWM電壓或者重復(fù)脈沖方波電壓;

(3)使用該脈沖電壓發(fā)生器開展了SPWM電壓下變頻電機(jī)絕緣局部放電實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該脈沖電壓發(fā)生器的實(shí)用性和可靠性。