SVPWM電壓下變頻電機絕緣耐電暈壽命研究

王鵬，趙明，周群

(四川大學 電氣工程學院， 成都 610065)

0 引 言

變頻電機工作在具有陡上升沿的高頻脈沖電壓下，相較于工頻電機，其定子絕緣承受更加嚴酷的電應力。研究表明，導致定子絕緣過早失效的原因有：電機和連接電纜阻抗不匹配產生過電壓，引起匝間絕緣產生強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，使電機溫升提高加速絕緣老化[3-4]；空間電荷的積累導致介質內部電場出現畸變，加速絕緣材料劣化過程[5-6]。

相應的，可通過以下措施解決變頻電機絕緣過早失效問題：改善定子槽間、相間絕緣結構，提高電磁線質量及絕緣浸漆工藝，研發納米復合絕緣材料[7-8]；在電纜兩端增加阻抗匹配裝置抑制尖峰過電壓的產生[9]；研究重復脈沖方波電壓頻率、上升時間、占空比、脈沖極性等參數對局部放電、耐電暈壽命等特性的影響[10-13]。

然而，變頻電機定子端部實際承受的是變頻器輸出的脈沖寬度調制(Pulse Width Modulated，PWM)電壓，電壓脈沖的占空比、基波頻率、開關頻率動態變化。在電機的絕緣評估中，如果能在脈寬調制電壓下進行絕緣測試，并將實驗結果與重復脈沖方波下的測試結果進行對比分析，則評估結果會更加準確可靠[14]。

工業變頻器廣泛采用正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulated，SPWM)和空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulated，SVPWM)兩種調制方法。文中搭建了SVPWM電壓測試平臺，以聚酰亞胺薄膜為實驗對象開展耐電暈壽命實驗。測試了不同基波頻率、開關頻率SVPWM電壓下聚酰亞胺薄膜的耐電暈壽命，總結SVPWM電壓不同開關頻率和基波頻率對變頻電機絕緣耐電暈壽命的影響規律；并將實驗結果與50 %占空比重復脈沖方波電壓下聚酰亞胺薄膜耐電暈壽命測試結果進行對比，分析重復脈沖方波在絕緣評估中對SVPWM電壓的替代效果。

1 系統總體設計及參數選擇

實驗平臺系統框圖如圖1所示，該系統主要包括:基于現場可編程門陣列芯片(Field-Programmable Gate Array，FPGA)的SVPWM信號發生器和擊穿保護模塊、基于單片機的擊穿計時模塊、基于橋式推挽開關的高壓斬波器、寬頻帶示波器、1 000：1高壓探頭、溫濕度控制箱。

圖1 耐電暈壽命測試系統

測試對象為0.05 mm聚酰亞胺薄膜，在每組特定頻率下測試5個試樣。實驗在恒溫恒濕箱(40 ℃、25 RH)中進行，以減小環境濕度和溫度對實驗結果的干擾，測試前使用無水酒精對試樣表面進行清洗，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。據此，文中選擇基波頻率10 Hz、50 Hz、100 Hz、150 Hz、200 Hz，開關頻率6 kHz、12 kHz、18 kHz 的SVPWM電壓以及頻率為6 kHz、12 kHz、18 kHz的50 %占空比重復脈沖方波電壓為實驗電壓。實驗參數如表1所示。

表1 耐電暈壽命測試實驗參數

2 SVPWM波的產生

SVPWM 的理論基礎是平均值等效原理，即在一個開關周期內通過對基本電壓矢量的作用時間加以組合，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旋轉的等效電壓[17]。

圖2 SVPWM原理

將整個空間分為六個扇區，在某個時刻，合成電壓矢量旋轉到某個扇區中，可由該扇區的兩個相鄰非零矢量和零矢量在時間上的不同組合來得到。兩個矢量的作用時間在一個采樣周期內分多次施加，從而控制各個電壓矢量的作用時間，使電壓空間矢量接近按圓軌跡旋轉，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提供SVPWM觸發信號。FPGA產生SVPWM觸發信號過程如圖3所示。

圖3 FPGA產生SVPWM波觸發信號原理圖

其工作過程如下：

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

(2)通過按鍵設定開關頻率和基波頻率；

(3)根據設定的開關頻率和基波頻率計算每兩次取波形數值間的地址間隔；

(4)調用任意頻率發生器模塊，產生取波形數值的時鐘，在該時鐘下從ROM中取波形數字量；

(5)使用波形數值計算兩個相鄰電壓矢量的導通時間，圖4所示為SVPWM典型的馬鞍形調制波；

圖4 SVPWM馬鞍形調制波

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

(7)對三相電力電子開關導通時間進行調制，產生SVPWM觸發信號，使用該觸發信號驅動高壓推挽開關對直流電壓斬波，產生SVPWM電壓。圖5所示為中心對稱的7段式SVPWM脈沖波形。

圖5 中心對稱的7段式SVPWM脈沖波形

3 實驗結果與分析

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試結果如圖6～圖8所示。由圖6可以看出，在所有被測基波頻率下，耐電暈壽命均隨開關頻率的增加而降低，并且隨著開關頻率的增加，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，開關頻率較低時，不同基波頻下一個周期內主要脈沖的占空比差異較大，而隨著開關頻率的提高這種差異在逐漸減小，據此可以推測：PWM電壓下由于開關頻率和基波頻率變化導致的主要脈沖占空比變化是影響被測試樣耐電暈壽命的關鍵因素。

圖6 耐電暈壽命與SVPWM波開關頻率的關系

圖7 耐電暈壽命與SVPWM基波頻率的關系

圖8 擊穿所經歷脈沖次數

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

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

3.2 50 %占空比重復脈沖方波與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，在每一個被測頻率點處均具有最短的耐電暈壽命值，因此， 50%占空比重復脈沖方波可以用于模擬SVPWM波預測變頻電機絕緣的耐電暈壽命。隨著開關頻率的提高，50%占空比重復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 %占空比重復脈沖方波電壓模擬SVPWM電壓的耐電暈壽命測試中，開關頻率越高，50 %占空比重復脈沖方波電壓下對SVPWM電壓的替代效果越好。

圖9 重復脈沖方波與SVPWM電壓下

為了進一步分析50%占空比重復脈沖方波電壓和SVPWM電壓下聚酰亞胺薄膜耐電暈壽命數據的分散性，以每組實驗條件下的耐電暈壽命數據做箱線圖，如圖10所示。

圖10 不同開關頻率下耐電暈壽命統計特性

從圖10中可以看出：

(1)當開關頻率為6 kHz時，SVPWM電壓下耐電暈壽命數據的分散性隨著基波頻率的增大而增大，當基波頻率大于100 Hz時，使用50%占空比重復脈沖方波電壓已經不能準確反映SVPWM電壓下耐電暈壽命的分散性；

(2)開關頻率為12 kHz時，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 %占空比重復脈沖方波電壓下耐電暈壽命結果的分散性；

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

對比圖10(a)～圖10(c)可以看出，在使用50%占空比重復脈沖方波電壓模擬SVPWM電壓的耐電暈壽命實驗中，開關頻率越高， 50%占空比重復脈沖方波電壓越能更準確地反映SVPWM電壓下耐電暈壽命的分散性。

工業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：在此頻率區間內，五種不同基波頻率SVPWM電壓下耐電暈壽命數據的分散性均大于50%占空比重復脈沖方波電壓下耐電暈壽命數據的分散性，使用50%占空比重復脈沖方波并不能準確反應SVPWM電壓下耐電暈壽命結果的統計特性。這可以解釋某些變頻電機在重復脈沖方波電壓下按照IEC流程進行的耐電暈壽命時長測試中具有很好的性能表現，但是在實際使用中仍然會發生超出預期的絕緣過早失效的現象。

4 結束語

測試了不同基波頻率、開關頻率SVPWM電壓以及50%占空比重復脈沖方波電壓下聚酰亞胺薄膜的耐電暈壽命，并將實驗結果進行對比，得出SVPWM電壓下變頻電機絕緣的耐電暈壽命具有以下規律：

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

(2)50%占空比的重復脈沖方波可以用于代替SVPWM波預測耐電暈壽命的長短，并且開關頻率越高預測值越準確；

(3)開關頻率越低，不同基波頻率下耐電暈壽命分散性的波動越大；開關頻率越高，不同基波頻率下耐電暈壽命分散性的波動越小；

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