CN103492889B - 相间绝缘部分放电检查方法和相间绝缘部分放电检查装置 - Google Patents

Abstract

相间绝缘部分放电检查装置具备：对旋转电机（2）施加满足式“tr>（τ_coil·V_max）/（PDIV）”的电压上升时间tr的脉冲电压的脉冲电源（1）；计测对旋转电机（2）施加脉冲电压时发生的部分放电的计测部（12）；和在由计测部（12）没有计测到部分放电的情况下判定相间绝缘性能为合格的判定部（15）。其中，τ_coil是旋转电机绕组的一线圈的浪涌电压传播时间，PDIV是绕组匝间的部分放电开始电压，V_max是相间绝缘的部分放电试验电压的峰值。

Description

相间绝缘部分放电检查方法和相间绝缘部分放电检查装置

技术领域

本发明涉及逆变器驱动的旋转电机(特别是额定电压700Vrms以下的逆变器驱动旋转电机)、和该旋转电机的相间绝缘部分放电检查方法以及相间绝缘部分放电检查装置。

背景技术

近年来，从节能化的观点出发，使用逆变器的旋转电机的可变速运转正在盛行。但是，在利用逆变器驱动旋转电机的情况下，存在在旋转电机的绝缘部发生各种问题的状况(非专利文献1)。例如，存在因逆变器内部的开关元件ON/OFF而产生的急剧电压(逆变器浪涌电压)在线缆中传播并到达旋转电机端时，因线缆与旋转电机的浪涌阻抗不匹配，在旋转电机端电压急剧上升至逆变器输出电压的两倍的大小的状况。

此外，存在急剧的逆变器浪涌电压进入旋转电机内部时，旋转电机绕组的引出侧的线圈、其内部的绕组匝之间分担了较大的电压等状况。因此，在逆变器驱动的旋转电机中，需要对旋转电机进行绝缘设计使其能够承受这些逆变器浪涌电压，并且检查所制造的旋转电机是否具有规定的耐绝缘性。

此外，一般而言，在700Vrms以下的低压旋转电机中，使用有机类的绝缘材料。这些有机类绝缘材料对部分放电(PartialDischarge(PD))的耐性较低，所以在发生部分放电的条件下使用旋转电机的情况下，有时在较短时间内达到绝缘破坏。因此，在现有700Vrms以下的低压旋转电机中，采用运转中不发生部分放电的绝缘设计。

具体而言，使绝缘厚度增厚而使旋转电机的绕组匝间、相间、对地间的各绝缘部的部分放电开始电压（PartialDischargeInceptionVoltage（PDIV））比运转时对旋转电机的各绝缘部施加的电压更高，对旋转电机进行绝缘设计使其不发生部分放电。此外，在对于这样制造的旋转电机的检查中，施加正弦波电压或脉冲电压，确认在绕组匝间、相间、对地间绝缘的任意一个绝缘部位均不发生部分放电。这样的绝缘设计和检查方法，例如公开有非专利文献2。此外，此时使用的部分放电计测法例如公开有专利文献1等。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2009-115505号公报

非专利文献

非专利文献1：日本电气学会技术报告第739号，p.12～20

非专利文献2：IEC60034-18-41

发明内容

发明要解决的问题

近年来，随着逆变器的开关元件的高速化，逆变器输出电压的上升时间tr逐渐缩短。因此，对逆变器驱动旋转电机的绕组匝间的电压分担增大，产生了绕组匝间发生部分放电的可能性。在这样的情况下也不允许发生相间绝缘中的部分放电，但是没有不受绕组匝间的部分放电的影响地适当检查相间绝缘的部分放电的方法。

用于解决问题的技术方案

根据本发明的第一方面，逆变器驱动旋转电机设定旋转电机绕组的一线圈的浪涌电压传播时间τ_coil和绕组匝间的部分放电开始电压PDIV，使得在施加具有满足下式（A1）的电压上升时间tr和电压峰值V_max的脉冲电压的情况下也不发生部分放电，

tr＞（τ_coil·V_max）/（PDIV）…（A1）。

根据本发明的第二方面，在第一方面的逆变器驱动旋转电机中，优选脉冲电压是具有振荡频率f的振荡电压，电压上升时间tr被设定为满足下式（A2）：

tr≤1/（4f）…（A2）。

根据本发明的第三方面，在第二方面的逆变器驱动旋转电机中，优选脉冲电压是具有振荡频率f和时间常数K的衰减振荡电压，振荡频率f被设定为满足下式（A3）：

$-1/(2K\·\ln ((V_{\mathrm{test}}/V_{\max })-1)\≤f\≤1/\left(2\sqrt{\mathrm{}}(L\·C)\right)...\left(A3\right).$

根据本发明的第四方面，在第一至三方面的任意一项的逆变器驱动旋转电机中，优选额定电压被设定为700Vrms以下。

根据本发明的第五方面，逆变器驱动旋转电机的相间绝缘部分放电检查方法包括：对旋转电机施加满足下式（A1）的电压上升时间tr的脉冲电压的工序；确认是否发生了部分放电的工序；和在没有确认出发生部分放电的情况下判定旋转电机的相间绝缘性能为合格的工序。其中，τ_coil是旋转电机绕组的一线圈的浪涌电压传播时间，PDIV是绕组匝间的部分放电开始电压，V_max是相间绝缘的部分放电试验电压的峰值，

tr＞（τ_coil·V_max）/（PDIV）…（A1）。

根据本发明的第六方面，在第五方面的相间绝缘部分放电检查方法中，优选脉冲电压是具有振荡频率f的振荡电压，电压上升时间tr被设定为满足下式（A2）：

tr≤1/（4f）…（A2）。

根据本发明的第七方面，在第六方面的相间绝缘部分放电检查方法中，优选脉冲电压是具有振荡频率f和时间常数K的衰减振荡电压，

振荡频率f被设定为满足下式（A3）：

$-1/(2K\·\ln ((V_{\mathrm{test}}/V_{\max })-1)\≤f\≤1/\left(2\sqrt{\mathrm{}}(L\·C)\right)...\left(A3\right).$

根据本发明的第八方面，逆变器驱动旋转电机的相间绝缘部分放电检查装置包括：脉冲电源，其对旋转电机施加满足下式（A1）的电压上升时间tr的脉冲电压；计测部，其计测对旋转电机施加脉冲电压时发生的部分放电；和判定部，其在由计测部没有计测到部分放电的情况下判定相间绝缘性能为合格。其中，τ_coil是旋转电机绕组的一线圈的浪涌电压传播时间，PDIV是绕组匝间的部分放电开始电压，V_max是相间绝缘的部分放电试验电压的峰值，

tr＞（τ_coil·V_max）/（PDIV）…（A1）。

根据本发明的第九方面，在第八方面的相间绝缘部分放电检查装置中，优选脉冲电压是具有振荡频率f的振荡电压，电压上升时间tr被设定为满足下式（A2）：

tr≤1/（4f）…（A2）。

根据本发明的第十方面，在第九方面的相间绝缘部分放电检查装置中，优选脉冲电压是具有振荡频率f和时间常数K的衰减振荡电压，振荡频率f被设定为满足下式（A3）：

$-1/(2K\·\ln ((V_{\mathrm{test}}/V_{\max })-1)\≤f\≤1/\left(2\sqrt{\mathrm{}}(L\·C)\right)...\left(A3\right).$

发明效果

根据本发明，能够提供具有适当的绝缘性能并且允许部分放电的发生的逆变器驱动旋转电机。

附图说明

图1是表示绝缘检查装置1的图。

图2是表示电动机相间绝缘检查时的检查电路的一例的图。

图3是表示相间绝缘检查时的施加电压波形的图。

图4是表示绕组匝间分担电压V_coil相对于脉冲电压上升时间tr的变化的图。

图5是说明绕组匝间不发生部分放电（PD）的试验电压V_max必要条件的图。

图6是说明电压上升时间tr是低速的情况的图。

图7是说明旋转电机绕组内部的驻波的产生条件的图。

图8是表示脉冲电压衰减振荡的情况下的试验电压波形的图。

图9是表示使用本发明和现有的脉冲电压波形的情况下的相间绝缘PDIV测定值和电动机绝缘材料的PDIV的图。

图10是表示对旋转电机施加现有的脉冲电压时的部分放电测定例的图。

具体实施方式

如上所述，近年来，随着逆变器的开关元件的高速化，逆变器输出电压的上升时间tr逐渐缩短，因此，对逆变器驱动旋转电机的绕组匝间的电压分担增大，在绕组匝间产生发生部分放电的可能性。

对于这样的问题，开发了对于部分放电具有一定的耐性、具有绝缘寿命的延长效果的耐部分放电漆包线（一般称为耐电晕漆包线、耐逆变器浪涌电压电线等），存在允许部分放电产生的可能性。此外，即使不使用耐部分放电漆包线的情况下，与现有的一般工业用低压电动机相比仅运转较短时间的电动车（EV）、混合动力车（HEV）等使用的汽车用电动机中，只要满足规定的要求寿命，也存在能够允许部分放电发生的可能性。像这样，近年来，低压旋转电机也存在在部分放电的发生条件下能够运转的可能性。

然而，一旦允许部分放电的发生时，在检查中，不得不区别是从可以发生部分放电的绝缘部发生的部分放电，还是从不能发生部分放电的绝缘部位发生的部分放电。但是，此前，在低压旋转电机中确认绕组匝间、相间、对地间绝缘的任意一个绝缘部位均不发生部分放电对产品进行绝缘检查，所以在现有的方法中不能进行允许部分放电发生的旋转电机的绝缘检查。

特别是，在使逆变器驱动旋转电机的相间绝缘的部分放电检查在中性点连接之后的情况下，一般使用高频的脉冲电压。此时，同时也对绕组匝间施加电压，所以存在不能区分发生的部分放电是在能够允许发生部分放电的绕组匝间发生的、还是在不能发生部分放电的相间绝缘中发生的问题。其结果是，不能提供绝缘可靠性高的旋转电机。

以下，参照附图说明用于实施本发明的方式。图1是表示利用本发明的相间绝缘部分放电检查方法检查旋转电机的绝缘检查装置的一例的图。绝缘检查装置1具备脉冲电源部11、部分放电计测器12、配线切换机构13、数据收集存储部14、合格与否判定处理部15、显示部16。2是作为检查对象的逆变器驱动用的低压旋转电机，以下仅称为电动机。

电动机2具备生成旋转磁场的定子线圈5、收纳定子线圈5的定子4和因旋转磁场旋转的转子6。其中，在电动机2为感应电动机的情况下在转子6中将二次绕组插入8的位置，在电动机为永磁体同步电动机的情况下将磁体插入8的位置。电动机2的转子6和定子4被收纳在框架7中。此外，图1中表示插入有转子6的状态的电动机2，但因为检查的对象是定子线圈5，所以在没有插入转子6的状态下也能够检查。

脉冲电源11通过部分放电计测器12与配线切换机构13连接。电动机2与配线切换机构13连接。配线切换机构13将部分放电计测器12的输出配线划分为电动机2的U、V、W的三相。在数据收集存储部14中，记录由脉冲电源11对电动机2施加的试验电压的大小、和由部分放电计测器12计测的部分放电脉冲信号。其中，关于部分放电的计测方法，例如能够使用非专利文献1、2和日本特开2007-232517号公报等记载的周知的方法。合格与否判定处理部15，在规定试验电压下没有产生部分放电脉冲信号时判定为合格，在产生部分放电脉冲信号的情况下判定为不合格。显示部16是液晶显示器或CRT，显示电动机2的绝缘检查的合格与否判定结果。

图2表示电动机相间绝缘检查时的试验电路的一例。对电动机2的定子绕组U、V、W三相中、作为检查对象的相间施加脉冲的电压21。此时，其它相与电动机框架7为浮动电位。

图3表示图1的相间绝缘检查所使用的脉冲电压波形。本发明中，如图3所示，首先，在电压上升时间tr中上升，之后，使用衰减振荡的脉冲电压。如以下所说明的方式，通过使用这样的电压波形能够抑制施加于旋转电机绕组匝间的电压。此外，能够抑制旋转电机绕组内部产生高频的驻波而产生异常电压。

图4表示使脉冲电压的上升时间tr变化时的绕组匝间电压Vcoil。可知能够用图4所示的式“Vcoil=（τcoil/tr）ΔV”表示对于对电动机绕组施加急剧的电压上升时间的脉冲电压的情况下的绕组匝间产生的电压Vcoil努力研究的结果。此处，τcoil是电动机绕组的一线圈的浪涌电压传播时间，tr和ΔV是脉冲电压的上升时间和急剧电压变化量。急剧电压变化量ΔV是上升时间tr期间的电压变化量。

接着，设绕组匝间的部分放电开始电压是PDIV，使用图4求出使电动机绕组匝之间不发生部分放电（PD）的脉冲试验电压的条件时，该条件是图5中施加了斜线的区域。

图5表示边界的曲线表示绕组匝间电压V_coil（=（τcoil/tr）·ΔV）与部分放电开始电压PDIV相等的情况。在施加有阴影的区域中，绕组匝间电压V_coil比部分放电开始电压PDIV小，能够抑制电动机绕组匝间发生部分放电。即，使用该阴影区域中所包括的电压上升时间tr和峰值V_max的脉冲电压时，能够抑制电动机绕组匝间发生部分放电。因此，Tr和V_max需要满足下式（1）。

V_max<PDIV（motor-t-t）=PDIV/（τ_coil/tr）…（1）

从而，当检查相间绝缘部分放电时，设脉冲电压的峰值是V_max的情况下，生成满足下式（2）的电压上升时间tr的脉冲电压，将其施加于电动机。这样，能够在抑制绕组匝间发生的部分放电的同时进行相间绝缘的部分放电试验。即，图1的合格与否判定处理部15在确认即使施加满足下式（2）的电压上升时间tr的脉冲电压、也不发生部分放电的情况下，对于相间绝缘判定为合格。

tr＞（τ_coil·V_max）/（PDIV）…（2）

根据式（2），为了抑制绕组匝间发生的部分放电的同时进行相间绝缘的部分放电试验，使脉冲电压的上升时间tr变长即可。图6表示在图3中使脉冲电压的上升时间tr变长的情况下的脉冲试验电压波形。但是，如图6所示，使脉冲电压的上升时间tr变长时，不再发生伴随阶跃响应的脉冲电压振荡。即，图6所示的波形不能实际地生成。这样，脉冲电压的上升时间tr具有上限，设脉冲电压振荡波的频率是f时，上升时间tr需要满足下式（3）。

tr≤1/（4f）…（3）

图7表示在电动机绕组中对电动机绕组施加有高频振荡电压时的驻波的发生例。U相和V相均由X个线圈构成。对于高频振荡电压，电动机绕组由线圈的电感71与线圈和铁芯（接地）之间的静电电容72连接而成的分布常数电路表示。在创作本发明时，努力研究的结果，发现对这样的分布常数电路施加高频振荡电压时，存在内部产生驻波而产生异常电压的情况。

通常，对U-V间施加有电压的情况下，电压从U相的引出侧（高压侧）向V相（低压侧）呈直线状地分布。但是，在高频振荡电压的频率较高时，如虚线73所示，U相与V相的中间部分的中性点N附近出现驻波的波腹，产生异常电压。

然而，当实际驱动逆变器时，在电动机绕组内部不发生这样的电压分布。因此，在这样的频率的高频振荡电压下进行相间绝缘的部分放电试验的情况下，会成为错误的检查结果。从而，需要使用不产生驻波的频率的脉冲振荡波。为了不产生驻波的条件，在设电动机绕组的一个相的线圈数量为X的情况下，如下式（4）所示。

λ/2＞2X…（4）

此外，设一线圈的电感为I，静电电容为c的情况下，振荡的速度v满足下式（5），所以关于频率f能够得出式（6）这样的条件。

$v=f\&CenterDot;\mathrm{\&lambda;}=1/\sqrt{\mathrm{}}(I\&CenterDot;c)...\left(5\right)$

$f<1/\left(4X\sqrt{\mathrm{}}(I\&CenterDot;c)\right)...\left(6\right)$

此处，设U-V绕组的整体的电感为L，绕组-铁芯间的整体的静电电容为C时，下式（7）、（8）成立，所以式（6）如下式（9）所示。即，通过满足式（9）能够防止产生驻波。从而，可知本实施方式中，脉冲电压振荡波需要满足式（9）。

L=2X·I…（7）

C=2X·c…（8）

$f<1/\left(2\sqrt{\mathrm{}}(L\&CenterDot;C)\right)...\left(9\right)$

图8表示脉冲电压进行衰减振荡的情况下的试验电压波形。一般而言，脉冲电源能够瞬间产生能量，但是不能持续地产生振荡波。即，只要不持续从外部供给能量，如图8所示，电压峰值逐渐衰减。因此，衰减振荡的频率f过低时，产生负极性侧的峰值电压降低的问题。

设K为衰减时常数时，利用下式（10）赋予负极性侧的峰值电压，所以正极性侧的peak-to-peak电压如下式（11）所示。

V_max·exp（-（1/2f）/K）…（10）

V_max[1+exp（-（1/2f）/K）]…（11）

但是，因为电动机的相间绝缘被施加交流电压，所以在相间绝缘的检查中必须施加规定大小的交流电压。因此，设交流电压的peak-to-peak电压的大小为V_test的情况下，图8的脉冲电压必须满足下式（12）。其结果是，频率f存在下式（13）表示的下限。

V_max[1+exp（-（1/2f）/K）]≥Vtest…（12）

-1/（2K·In（（V_test/V_max）-1）≤f…（13）

如上所述，明确了用于进行允许绕组匝间发生部分放电的逆变器驱动低压旋转电机的相间绝缘检查的条件。图9表示对电动机的相间绝缘的部分放电开始电压（PDIV）的计测，使用本实施方式的电压波形的脉冲电压进行计测的情况和使用图10所示的现有的急剧的脉冲电压进行计测的情况下的计测结果。此外，图9中也表示了电动机绕组匝间、相间、对地绝缘所使用的绝缘材料的PDIV。

本发明的实施例的情况下，相间绝缘的部分放电开始电压PDIV为3.6kVp-p。其为相间绝缘所使用的绝缘材料的部分放电开始电压PDIV即1.8kVo-p的2倍，表示能够正确地计测电动机的相间绝缘的部分放电。

另一方面，在使用现有的脉冲电压的情况下，相间绝缘的部分放电开始电压PDIV为2.3kVp-p，测定为比原有的相间绝缘的部分放电开始电压PDIV（1.8kVo-p（3.6kVp-p））更低。现有例的电压的正极性峰值电压为1.3kVo-p，其为线圈间绝缘的部分放电开始电压PDIV=0.65kVo-p的2倍。由此，能够考虑现有例中在相间绝缘的部分放电试验时在绕组匝间发生了部分放电的可能性。这一点也可以从以下得到印证。

图10表示使用现有的急剧的脉冲电压计测电动机相间绝缘的部分放电时的电压波形和部分放电信号波形的例子。该情况下，仅在急剧的电压上升部分产生部分放电脉冲信号91。此外，因为部分放电脉冲信号的极性在急剧的电压上升部分的范围内反转，所以暗示了因急剧的电压变化分担电压急剧上升、之后立刻降低的绕组匝间电压引起这样的波形的可能性。即，能够考虑可能在绕组匝间发生了部分放电。

如上所述，通过使用本实施方式的相间绝缘检查方法，在允许绕组匝间发生部分放电的逆变器驱动低压旋转电机中，能够使绕组匝间不发生部分放电、并且可靠地对相间绝缘施加试验电压地检查相间绝缘的部分放电特性。

此外，当设计旋转电机时，以施加具有满足式“tr>（τ_coil·V_max）/（PDIV）”的电压上升时间tr和电压峰值V_max的脉冲电压的情况下、在旋转电机中也不发生部分放电的方式，设定旋转电机绕组的一线圈的浪涌电压传播时间τ_coil和绕组匝间的部分放电开始电压PDIV。由此，能够提供允许绕组匝间发生部分放电的逆变器驱动的旋转电机，特别是700Vrms以下的低压旋转电机。

以上，说明了各种实施方式和变形例，而各实施方式可以分别单独使用，或者也可以组合使用。这是因为各个实施方式的效果能够单独或协同实现。此外，只要不损害本发明的特征，本发明就不限定于上述实施方式。在本发明的技术思想的范围内能够考虑的其它方式也包括在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种逆变器驱动旋转电机的相间绝缘部分放电检查方法，其特征在于，包括：

对旋转电机施加满足下式(A1)的电压上升时间tr的脉冲电压的工序；

确认是否发生了部分放电的工序；和

在没有确认出发生部分放电的情况下判定所述旋转电机的相间绝缘性能为合格的工序，

其中，τ_coil是旋转电机绕组的一线圈的浪涌电压传播时间，PDIV是绕组匝间的部分放电开始电压，V_max是相间绝缘的部分放电试验电压的峰值，

tr＞(τ_coil·V_max)/(PDIV)…(A1)。

2.如权利要求1所述的逆变器驱动旋转电机的相间绝缘部分放电检查方法，其特征在于：

所述脉冲电压是具有振荡频率f的振荡电压，

所述电压上升时间tr被设定为满足下式(A2)：

tr≤1/(4f)…(A2)。

3.如权利要求2所述的逆变器驱动旋转电机的相间绝缘部分放电检查方法，其特征在于：

所述脉冲电压是具有振荡频率f和时间常数K的衰减振荡电压，

所述振荡频率f被设定为满足下式(A3)：

其中，V_test是相间绝缘的部分放电试验电压的峰间电压的大小，L是所述旋转电机的三相绕组中的两相绕组的整体的电感，C是所述两相绕组的绕组-铁芯间的整体的静电电容。

4.一种逆变器驱动旋转电机的相间绝缘部分放电检查装置，其特征在于，包括：

脉冲电源，其对旋转电机施加满足下式(A1)的电压上升时间tr的脉冲电压；

计测部，其计测对旋转电机施加所述脉冲电压时发生的部分放电；和

判定部，其在由所述计测部没有计测到部分放电的情况下判定相间绝缘性能为合格，

其中，τ_coil是旋转电机绕组的一线圈的浪涌电压传播时间，PDIV是绕组匝间的部分放电开始电压，V_max是相间绝缘的部分放电试验电压的峰值，

tr＞(τ_coil·V_max)/(PDIV)…(A1)。

5.如权利要求4所述的逆变器驱动旋转电机的相间绝缘部分放电检查装置，其特征在于：

所述脉冲电压是具有振荡频率f的振荡电压，

所述电压上升时间tr被设定为满足下式(A2)：

tr≤1/(4f)…(A2)。

6.如权利要求5所述的逆变器驱动旋转电机的相间绝缘部分放电检查装置，其特征在于：

所述脉冲电压是具有振荡频率f和时间常数K的衰减振荡电压，

所述振荡频率f被设定为满足下式(A3)：

其中，V_test是相间绝缘的部分放电试验电压的峰间电压的大小，L是所述旋转电机的三相绕组中的两相绕组的整体的电感，C是所述两相绕组的绕组-铁芯间的整体的静电电容。