交流牽引電機(jī)繞組絕緣狀態(tài)檢測(cè)方法的研究

田棟棟， 于建斌

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與信息工程系，陜西 渭南 714000；2.濟(jì)南鐵路局，山東 濟(jì)南 250000)

0 引 言

傳統(tǒng)上，對(duì)牽引電機(jī)的檢測(cè)一方面是定期卸下進(jìn)行全面的檢測(cè)。這種檢測(cè)方法是最有效、最可靠的，但必然會(huì)造成大量人力、物力的浪費(fèi)[1]；另一方面，對(duì)牽引電機(jī)的檢測(cè)采用指針式兆歐表檢測(cè)和交流耐壓試驗(yàn)。指針式兆歐表為了維持正常的輸出電壓，必須得保證以120 r/s的速度用手搖動(dòng)發(fā)電機(jī)，這樣必然會(huì)在實(shí)際檢測(cè)中無(wú)法輸出穩(wěn)定的電壓，而且刻度為非線性，測(cè)量誤差和讀數(shù)誤差都較大；交流耐壓試驗(yàn)是以是否通過(guò)耐壓試驗(yàn)作為檢驗(yàn)產(chǎn)品是否合格的判據(jù)，這種檢測(cè)方法受人為因素較大，所以不能作為對(duì)電機(jī)絕緣性能的準(zhǔn)確判據(jù)[2]。從而，對(duì)交流牽引電機(jī)繞組狀態(tài)的檢測(cè)方法進(jìn)行研究，提出一種快速準(zhǔn)確的檢測(cè)方法，對(duì)鐵路機(jī)務(wù)部門具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

交流牽引電機(jī)繞組絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)和檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。高壓脈沖電源主要實(shí)現(xiàn)的是提供檢測(cè)所需的電壓及不同電壓幅值的調(diào)節(jié)，從而滿足不同的牽引電機(jī)對(duì)檢測(cè)電壓的要求。檢測(cè)電路主要完成對(duì)檢測(cè)信號(hào)的采集和顯示。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 交流牽引電機(jī)絕緣檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 高壓脈沖電源的設(shè)計(jì)

在交流牽引電機(jī)定子匝間短路故障的檢測(cè)中，根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)對(duì)脈沖電壓(峰值)的規(guī)定，脈沖電壓(峰值) 與電機(jī)的額定電壓之間的關(guān)系為[3]：

UP=2UN+2.5

(1)

UP、UN的單位均為kV。

以HXD3電力機(jī)車的牽引電機(jī)為例，進(jìn)行高壓電源的設(shè)計(jì)，如圖2所示。HXD3電力機(jī)車的牽引電機(jī)采用了由日本TOSHIBA公司開(kāi)發(fā)的SEA-107型變頻異步牽引電機(jī)，其額定電壓為2 150 V，因此檢測(cè)所需的脈沖電壓為6 800 V。

圖2 高壓脈沖電源主電路

高壓脈沖電源主電路的工作原理：首先經(jīng)過(guò)反激變換器T1將110 V直流電壓升到330 V，然后通過(guò)電阻R9和電容C12組成的緩沖電路，使電路中的電壓達(dá)到穩(wěn)定，再通過(guò)脈沖變壓器T2將330 V的直流電壓變?yōu)?80 V的脈沖電壓，最后通過(guò)10個(gè)脈沖變壓器的原邊并聯(lián)、副邊串聯(lián)的形式，使得電壓達(dá)到檢測(cè)電機(jī)所需的6 800 V的脈沖高壓。

通過(guò)變壓器T2個(gè)數(shù)的增減來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同牽引電機(jī)對(duì)電壓的要求，這種高壓電源的設(shè)計(jì)具有通用性。

2.1 反激式變壓器的設(shè)計(jì)[4]

為了限制鐵芯體積，選擇日本TDK公司的PC40鐵氧體材料作為鐵芯，其飽和磁通密度大，居里溫度高。通過(guò)計(jì)算得到，原邊匝數(shù)為47匝，副邊繞組匝數(shù)為141匝；磁芯氣隙為0.63 mm；原邊可選取截面積為0.373 9 mm2的漆包線，其導(dǎo)線線徑為D1=0.69 mm，副邊可選取截面積為0.152 1 mm2的漆包線，其導(dǎo)線線徑為D2=0.44 mm。

2.2 脈沖變壓器的設(shè)計(jì)

選擇日本TDK公司的PC40鐵氧體材料作為鐵芯。經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，原邊繞組為93匝，副邊繞組為192匝；原邊可選取截面積為0.849 5 mm2的漆包線，其導(dǎo)線線徑為D1=1.04 mm；副邊可選取截面積為0.502 7 mm2的漆包線，其導(dǎo)線線徑為D2=0.8 mm。

2.3 功率器件的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路

由于反激變換器所需要的頻率高，而其工作電壓低的特點(diǎn)，故選擇MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管作為功率開(kāi)關(guān)管。開(kāi)關(guān)管V1選擇IRFP460 MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管，其最高耐壓為500 V，最大電流為20 A；開(kāi)關(guān)管V2選擇英飛凌的IGBT IHW40T120，其最高耐壓為1 200 V，最大電流為40 A，滿足電路的要求。功率器件的驅(qū)動(dòng)電路選擇美國(guó)IR公司生產(chǎn)的IR2110驅(qū)動(dòng)器，它兼有光耦隔離(體積小)和電磁隔離(速度快)的優(yōu)點(diǎn)。

2.4 高壓脈沖的控制電路

高壓電源的控制電路產(chǎn)生占空比和頻率可調(diào)的控制信號(hào)，來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路中MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通與關(guān)斷。在設(shè)計(jì)中，高壓電源的控制電路包括反激式變壓器的控制電路和脈沖變壓器的控制電路。

(1)反激式變壓器的控制電路采用SG3524電壓控制型芯片[5],如圖3所示。

圖3 SG3524外圍擴(kuò)展電路

通過(guò)對(duì)引腳6的振蕩電阻RT和引腳7的振蕩電容CT的設(shè)置，控制PWM輸出的頻率。設(shè)計(jì)中要求其輸出頻率為20 kHz，選用0.01 μF的振蕩電容，根據(jù) 求得振蕩電阻RT為5.5 kΩ。

(2)脈沖變壓器的控制電路

圖4 89C51的外圍結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)的脈沖高壓并不是以很高的頻率產(chǎn)生并施加給電機(jī)繞組，而是在一定的時(shí)間里產(chǎn)生一次脈沖，以此來(lái)檢測(cè)相應(yīng)電流的上升時(shí)間。所以選擇89C51單片機(jī)作為脈沖變壓器的控制電路[6]，如圖4所示。

3 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

3.1 電流信號(hào)采集電路

對(duì)電流信號(hào)的采集選用了LEM電流傳感器LT508-S6，其輸入輸出的電流轉(zhuǎn)換率為1:500 0。根據(jù)牽引電機(jī)絕緣檢測(cè)電路中的最大電流不到20 A，所以輸出最大電流為4 mA[7]。取采樣電阻RM為1 kΩ的精密電阻。因此，電流傳感器檢測(cè)的原邊電流在0 A～+20 A之間時(shí)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的輸出電壓為0 V～+4 V。

3.2 時(shí)間采集

通過(guò)89C51單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器對(duì)響應(yīng)電流的上升時(shí)間進(jìn)行精確的采集，如圖8。執(zhí)行絕緣狀態(tài)檢測(cè)子程序時(shí)，首先清T1溢出次數(shù)寄存器CT及脈沖檢測(cè)次數(shù)寄存器CP，在置高壓脈沖控制信號(hào)1→P3.7時(shí)，存儲(chǔ)脈沖發(fā)生時(shí)刻(T1→TK1)及溢出次數(shù)寄存器內(nèi)容(CT→CT1)。然后在執(zhí)行外部中斷服務(wù)程序時(shí)，存儲(chǔ)中斷時(shí)刻(T1→TK2)及溢出次數(shù)寄存器內(nèi)容(CT→CT2)。最后，計(jì)算響應(yīng)電流的上升時(shí)間T并存儲(chǔ)。直到脈沖檢測(cè)次數(shù)寄存器CP=20，結(jié)束檢測(cè)過(guò)程。響應(yīng)電流的上升時(shí)間T的計(jì)算公式為：

T=(TK2-TK1)+65 536(CT2-CT1)

(2)

對(duì)20次響應(yīng)電流的上升時(shí)間T求平均值，作為交流牽引電機(jī)在高壓脈沖的作用下響應(yīng)電流的上升到10 A時(shí)的時(shí)間。

3.3 顯示電路

交流牽引電機(jī)繞組絕緣檢測(cè)系統(tǒng)的顯示電路采用WGM-12864C液晶顯示模塊，它是一種圖形點(diǎn)陣模塊，主要由行驅(qū)動(dòng)器、列驅(qū)動(dòng)器及128×64全點(diǎn)陣液晶顯示器組成?？梢砸渣c(diǎn)陣方式完成圖形和漢字的顯示。模塊內(nèi)自帶-10V電壓，用于LCD的驅(qū)動(dòng)。與CPU接口采用了8位數(shù)據(jù)總線并行輸入輸出和8條控制線[8]。

3.4 電源模塊

交流牽引電機(jī)繞組絕緣檢測(cè)系統(tǒng)采用的是車輛輔助系統(tǒng)110 V直流輔助電源供電。檢測(cè)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、電壓電流傳感器、光電隔離電路和89C51單片機(jī)以及液晶顯示電路需要+5 V和±15 V電源。所以采用安時(shí)捷 DC-DC電源模塊，首先用電源模塊HDW30-96D15C3將110 V的工頻電壓轉(zhuǎn)換成±15 V，然后用電源模塊HDN5-15S05B1將+15 V轉(zhuǎn)換成+5 V，供檢測(cè)電路對(duì)電源的需求。

3.5 軟件的設(shè)計(jì)

如圖5、圖6所示，通過(guò)對(duì)主程序、絕緣檢測(cè)程序和中斷服務(wù)程序的軟件編程，完成單片機(jī)在高壓脈沖作用下響應(yīng)電流上升時(shí)間的采集。

圖5 中斷服務(wù)流程圖

圖6 主程序和絕緣檢測(cè)流程圖

4 交流牽引電機(jī)繞組絕緣狀態(tài)的檢測(cè)

交流牽引電機(jī)繞組絕緣檢測(cè)總電路圖，如圖7所示。該檢測(cè)系統(tǒng)不但可以實(shí)現(xiàn)文中所提出的檢測(cè)方法，也可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法。

圖7 電機(jī)絕緣檢測(cè)總電路圖

方法一(傳統(tǒng)的高壓脈沖法)

傳統(tǒng)的高壓脈沖法就是利用二階電路的零輸入響應(yīng)的欠阻尼原理。首先通過(guò)高壓直流給電容充電，然后通過(guò)電容放電，在電路中形成欠阻尼振蕩，通過(guò)與無(wú)故障電機(jī)波形圖的對(duì)比來(lái)判斷定子繞組有無(wú)絕緣故障。如圖8所示，利用所設(shè)計(jì)的高壓脈沖電源實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的檢測(cè)方法。

圖8 傳統(tǒng)的高壓脈沖檢測(cè)

方法二(直接加載高壓脈沖)

文中對(duì)交流牽引電機(jī)繞組絕緣狀態(tài)的檢測(cè)采用的是直接加載高壓脈沖的方法。高壓脈沖在電機(jī)繞組中產(chǎn)生的響應(yīng)電流經(jīng)電流傳感器，送到電壓比較器的反相輸入端，通過(guò)反相輸入端和正相輸入端(基準(zhǔn)電壓)的比較，輸出脈沖方波，再通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖方波躍變的時(shí)間采集，與電機(jī)繞組無(wú)故障時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間相比較，得出電機(jī)繞組有無(wú)絕緣故障，最后通過(guò)顯示器顯示電機(jī)繞組絕緣故障的類型。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)該檢測(cè)系統(tǒng)的高壓等級(jí)可調(diào)，能滿足不同電機(jī)對(duì)高壓脈沖的需要，以及通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)電壓源的調(diào)節(jié)來(lái)滿足不同電機(jī)在檢測(cè)電路中對(duì)基準(zhǔn)電壓的需要。所以，該檢測(cè)系統(tǒng)具有較寬的適用范圍。

(2)所提出的檢測(cè)方法是對(duì)電機(jī)繞組施加高壓脈沖，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)電機(jī)繞組中響應(yīng)電流上升到某一確定電流值時(shí)所需的時(shí)間，來(lái)判斷電機(jī)繞組絕緣狀態(tài)的好壞，提高了檢測(cè)精度，適于隨車檢測(cè)。

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