正弦及雙極性脈沖電壓下變頻電機(jī)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(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

電機(jī)是驅(qū)動(dòng)新能源汽車的心臟，也是新能源汽車三大關(guān)鍵技術(shù)之一。新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接連接至變頻器，稱為變頻電機(jī)。變頻電機(jī)一般采用脈寬調(diào)制（pulse-width modulation，PWM）技術(shù)控制，運(yùn)行在高頻重復(fù)方波電壓下，絕緣系統(tǒng)承受較為嚴(yán)酷的電、熱應(yīng)力[1]。當(dāng)出現(xiàn)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(qiáng)集中時(shí)，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(jié)構(gòu)的新能源汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)，放電現(xiàn)象會(huì)破壞有機(jī)物大分子鏈結(jié)構(gòu)，造成變頻電機(jī)絕緣快速失效。

根據(jù)IEC相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4-5]，在設(shè)計(jì)、制造變頻電機(jī)前，應(yīng)在正弦和重復(fù)脈沖電壓下進(jìn)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(yùn)行電壓，以保證在全壽命周期內(nèi)不出現(xiàn)局部放電。此外，在新能源汽車的運(yùn)行過程中，存在機(jī)械、電、熱等眾多老化因素[6]，PDIV可能有所下降，因此實(shí)驗(yàn)所得PDIV相對于實(shí)際運(yùn)行電壓應(yīng)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(xiàn)象，雖然其工作在PWM電壓下，但可以采用正弦電壓進(jìn)行PDIV測試，測試所得的峰峰值作為評價(jià)主絕緣和相間絕緣的參數(shù)。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(shù)的影響下，變頻電機(jī)匝間絕緣實(shí)際承受的是持續(xù)時(shí)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(jī)絕緣實(shí)際承受的電應(yīng)力，需采用雙極性重復(fù)方波或脈沖電壓模擬脈寬調(diào)制電壓進(jìn)行匝間PDIV測試[8-9]。

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

本研究在頻率為50 Hz的正弦、雙極性重復(fù)方波和雙極性重復(fù)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(jì)特征及放電時(shí)頻域分布特性的影響規(guī)律，并結(jié)合放電物理過程提出機(jī)理解釋，以期為3種應(yīng)力下新能源汽車變頻電機(jī)匝間絕緣PDIV的評估提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和理論參考。

1 試驗(yàn)

1.1 測試平臺(tái)搭建

1.1.1 正弦電壓測試平臺(tái)

正弦電壓下變頻電機(jī)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(diào)的正弦電壓，該電壓再經(jīng)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(wǎng)絡(luò)接口將放電統(tǒng)計(jì)特性顯示在計(jì)算機(jī)上。正弦輸出電壓經(jīng)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(shù)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(tái)

雙極性重復(fù)脈沖電壓下變頻電機(jī)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(shù)如表1所示。

圖2 雙極性重復(fù)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(shù)Tab.1 Output parameter of bipolar pulse power

雙極性高壓重復(fù)脈沖電源輸出電壓峰峰值可達(dá)10 kV，頻率為50 Hz。產(chǎn)生的雙極性重復(fù)方波和雙極性重復(fù)短脈沖電壓的上升時(shí)間為150 ns，其中雙極性重復(fù)短脈沖電壓的脈寬時(shí)間持續(xù)可調(diào)。本研究采用脈寬為1、2、5 μs的短脈沖電壓和重復(fù)方波電壓作為電源輸出進(jìn)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(guān)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(shù)字示波器間加裝400 MHz的高通濾波器。輸出電壓的正負(fù)兩極經(jīng)差分高壓探頭差分后，以1 000∶1的比例顯示在數(shù)字示波器上。數(shù)字示波器與計(jì)算機(jī)相連，并執(zhí)行IEEE 488.2協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將放電結(jié)果和輸出電壓存入數(shù)據(jù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，每種絞線對繞制5個(gè)試樣。每個(gè)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(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的多點(diǎn)放電現(xiàn)象[4,10]。繞制時(shí)應(yīng)避免損傷漆包線的絕緣漆，以免造成短路影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

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

實(shí)驗(yàn)前，將所有漆包線試樣進(jìn)行統(tǒng)一處理：使用無水酒精清洗，并放入100℃溫度控制箱內(nèi)處理12 h，以保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果不受試樣表面可能存在的水分和污漬的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試樣固定在絕緣支架上，并放入溫濕度控制箱內(nèi)，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(fù)脈沖電源的拓?fù)鋱D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(guān)SW1、SW2和負(fù)載CL組成。控制高壓電力電子開關(guān)中A和B開關(guān)的開斷狀態(tài)，即可改變輸出在負(fù)載CL上脈沖的脈寬。本實(shí)驗(yàn)采用現(xiàn)場可編程門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）控制A、B開關(guān)的開斷，以控制輸出電壓。

圖4 雙極性高壓重復(fù)脈沖電源拓?fù)鋱DFig.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(fù)方波和雙極性重復(fù)短脈沖電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其中雙極性重復(fù)方波和雙極性重復(fù)短脈沖電壓由圖4的電源拓?fù)鋱D產(chǎn)生，產(chǎn)生的雙極性重復(fù)短脈沖電壓波形如圖5所示。并且電壓的上升時(shí)間為150 ns，雙極性重復(fù)短脈沖電壓脈寬設(shè)置1、2、5 μs，如圖6所示。

圖5 雙極性重復(fù)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(yàn)結(jié)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(jìn)行PDIV測試，分別統(tǒng)計(jì)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(xiàn)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(xiàn)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(jìn)行傅里葉變換，得到局部放電能量的時(shí)域和頻域分布[11-12]，如圖9所示。

圖9 局部放電的時(shí)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(shí)間為150 ns、頻率為50 Hz的雙極性短脈沖及方波電壓下進(jìn)行PDIV測試時(shí)，采用的特高頻天線應(yīng)在0.5～2.0 GHz內(nèi)有較高的增益，并且為消除電源產(chǎn)生的低頻段干擾，應(yīng)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(jì)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(jìn)行PDIV測試，不同電壓下的PDIV測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)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(xiàn)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(jī)匝間絕緣時(shí)，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(shí)地評估變頻電機(jī)匝間絕緣。

圖10 不同電壓下局部放電統(tǒng)計(jì)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(jī)和有機(jī)成分，使3種材料的介電常數(shù)發(fā)生改變，導(dǎo)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(nèi)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(fù)脈沖電壓下抑制電力電子強(qiáng)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(shù)變化而變化，分析脈沖參數(shù)對放電頻域能量分布的影響對傳感器設(shè)計(jì)和選擇尤為重要。圖9表明，當(dāng)重復(fù)脈沖持續(xù)時(shí)間在1～5 μs發(fā)生變化時(shí)，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(shí)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(jù)IEC TS 61934、IEC 60034-18-41等國際標(biāo)準(zhǔn)，采用特高頻法對絕緣系統(tǒng)進(jìn)行PDIV測試時(shí)，具有合適帶寬的傳感器應(yīng)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(gè)條件：①氣隙內(nèi)實(shí)際電場強(qiáng)度超過起始放電電場強(qiáng)度Einc；②出現(xiàn)激發(fā)電子崩的初始電子[14-16]。根據(jù)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(shí)際上，流注發(fā)展至完成放電需要一定時(shí)間，即當(dāng)氣隙內(nèi)實(shí)際電場強(qiáng)度大于起始放電的電場強(qiáng)度，且持續(xù)超過一定時(shí)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(xiàn)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(xiàn)放電?？赡苁且?yàn)槎堂}沖的持續(xù)時(shí)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(xiàn)相似結(jié)果。圖10中隨著短脈沖脈寬增加，PDIV呈現(xiàn)下降趨勢，也從側(cè)面驗(yàn)證了以上解釋。

而在正弦和方波電壓下，電壓持續(xù)時(shí)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(jī)絕緣系統(tǒng)評估，在全生命周期內(nèi)，滿足理論要求產(chǎn)生放電的PDIV最小值應(yīng)是絕緣設(shè)計(jì)最應(yīng)關(guān)注的保守值。因此，如采用正弦或方波電壓對絕緣進(jìn)行PDIV測試，得到的PDIV結(jié)果可保守評估變頻電機(jī)匝間絕緣性能。然而，當(dāng)通入重復(fù)短脈沖電壓時(shí)，很難在匝間絕緣形成持續(xù)時(shí)間較長的脈沖電應(yīng)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(jié)論

（1）在頻率相同的情況下，正弦和方波電壓下變頻電機(jī)匝間絕緣的PDIV幾乎相等。因此，在對絞線對等容性試樣進(jìn)行PDIV測試時(shí)，可用正弦電壓替代方波電壓進(jìn)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(xiàn)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(xiàn)絕緣中的潛在缺陷。

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