CN110501622A - 漆包线耐电晕测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了漆包线耐电晕测试装置及测试方法，测试装置包括恒温烘箱、IGBT系统、通信系统、控制系统以及电源，测试时将线对的两脚插在恒温烘箱中的样品插座上；控制系统控制恒温烘箱开设工作，并实时检测恒温烘箱的工作温度，当检测到的温度达到设定值时，控制系统控制IGBT系统工作；IGBT系统产生高频高压电压，并将该高频高压电压施加到恒温烘箱内待测的两根漆包线线对上，进行测试；控制系统实时记录测试时间，并根据IGBT系统工作信号的变化来判断耐电晕漆包线击穿时间点，并对测试时间和温度进行记录；完成测试，控制系统控制恒温烘箱和IGBT系统停止工作。本发明提供的方案稳定可靠，测试效率高、精度高、显示明确直观，操作简便快捷。

Description

漆包线耐电晕测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及漆包线耐电晕测试技术，具体涉及漆包线耐电晕测试的装置以及相应的测试方法。

背景技术

漆包线在通入高频变化电压工作时，其表面和导线内部会产生不均匀电场，在不均匀的强电场作用下，曲率半径小的导体电极对周围气体放电，会导致气体局部游离，这种现象称为电晕。

游离后的离子、电子又冲击高分子链，加上放电而产生的臭氧的作用和局部发热现象，将使漆层表面高分子材料产生裂解而导致变脆以至龟裂，最终导致绝缘漆层击穿。漆包线漆层抵抗电晕作用而保持使用特性的能力，称为耐电晕性。

对于应用于高频电场作用下的绝缘材料，耐电晕性的高低比介电强度的大小更有意义，因为许多绝缘材料的介电强度可能差别不大，而耐电晕性却有成千上万倍的差别。

绝大多数电机由于采用有电力电子器件组成的变频电源后，其输出电压波形参数受到输出端到电动机输入端“连接长度”等因素的影响。特别是绝缘栅双极晶体管(IGBT)变频器的应用，在电动机输入端会产生附加的脉冲电压和“上冲”。据有关资料报道，电压“上冲”峰值通常为电动机额定输入电压的 2～3倍或更高。脉冲附加电压和“上冲”实际施加到电动机定子绕组上，造成相邻绕组漆包线间隙间的局部放电和绝缘介质加热。在这些综合因素的作用下，最终造成漆包线绝缘介质的过早老化损坏，因此应该对作为电动机主要构件的漆包线进行研究，以期改进对上述有害因素的耐受能力；其中，耐电晕性可以检测漆包线漆在高压高频的作用下的耐老化性能和寿命，是考察漆包线性能的重要参数。

目前中国市场上的耐电晕测试仪基本依靠进口，而且基于实际使用情况和常用电源频率，基本是正弦波加压，即使使用方波，其上升沿也比较长，测试环境对样品的考验不够严苛，需要较长时间测试，造成效率低下，而且测试精度较低，数据重复性较差，这样对于漆包线耐疲劳寿命验证非常不准确，容易对产品的使用期限造成误判，形成浪费或失效风险。

发明内容

本发明针对现有漆包线耐电晕测试技术基于实际使用情况和常用电源频率，所存在的测试效率和测试精度都较低的问题，而提供一种漆包线耐电晕测试装置。该装置通过模拟变频电源输出脉冲电压条件，以期快速试验已有漆包线产品的耐高频脉冲性能，并可确定在绝缘材料、结构、工艺等方面经过改进的漆包线产品的耐高频脉冲性能是否符合有关标准的要求。

基于上述测试装置，本发明还提供一种漆包线耐电晕测试方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

漆包线耐电晕测试装置，所述测试装置包括：

恒温烘箱，所述恒温烘箱内设置有若干待测试样品插座；

IGBT系统，所述IGBT系统产生高频高压电压，并通过高压引线连接到恒温烘箱内的样品插座；

通信系统，所述通信系统实现恒温烘箱、IGBT系统与控制系统之间的数据通信；

控制系统，所述控制系统通过通信系统控制恒温烘箱和IGBT系统，通过实时获取恒温烘箱和IGBT系统的工作状态信息来进行漆包线耐电晕的测试；

电源，所述电源为恒温烘箱、IGBT系统以及控制系统提供稳定的工作电源。

在本发明的优选实例中，所述IGBT系统包括IGBT管以及驱动连接IGBT管的驱动模块，所述IGBT管的栅极连接有保护栅极的二极管和限流电阻，IGBT管的源级和漏级连接有4个用于保护IGBT的TVS二极管和两个散热器。

进一步的，IGBT系统中保护栅极的二极管和限流电阻分别为两个。

进一步的，所述IGBT系统产生的高频高压电压为双极性对称方波脉冲电压，其频率为从2kHZ到20kHZ连续可调，电压范围为-1500kV-+1500kV。

进一步的，所述控制系统由第二单片机和相应的外围电路组成。

进一步的，所述测试装置还包括一上位机，所述上位机与控制系统之间通信相接。

作为本发明的第二目的，漆包线耐电晕测试方法，基于上述的测试装置实施，其包括如下步骤：

(1)将两根漆包线加工形成测试用的线对，并将该线对的两脚插在恒温烘箱中的样品插座上；

(2)控制系统控制恒温烘箱开设工作，并实时检测恒温烘箱的工作温度，当检测到的温度达到设定值时，控制系统控制IGBT系统工作；

(3)IGBT系统根据控制系统的控制要求产生高频高压电压，并将该高频高压电压施加到恒温烘箱内待测的两根漆包线线对上，进行测试；

(4)控制系统实时记录测试时间和采集IGBT系统的工作信号，根据IGBT系统工作信号的变化来判断耐电晕漆包线击穿时间点，并对测试时间和温度进行记录；

(5)完成测试，控制系统控制恒温烘箱和IGBT系统停止工作。

在测试方法方案的优选实例中，所述(3)中控制系统控制IGBT系统产生高频高压电压的加压范围、加压频率、上升沿时间、占空比。

进一步的，所述控制系统在2kHZ-20kHZ范围内连续调节IGBT系统产生的高频高压电压的频率，在-1500kV-+1500kV范围内调节IGBT系统产生的高频高压电压的电压值。

本发明提供的方案新颖，方便，能够自主设定测试环境，而且可以同时测试3-5组不同规格样品的漆包线耐电晕测试装置，该装置具有从2kHZ到 20kHZ的连续可调加压频率，加压范围宽至3kV(±1500kV),而且可以任意设定，以满足不同性能漆包线测试要求。

此漆包线耐电晕测试装置选择高性能的可靠的核心元件IGBT管，使得高压稳定电源设计下的高频高压脉冲的上升沿时间有效缩短，各项技术指标及精确度已经历长时间连续运行考验，经过试验结果表明该设备性能稳定可靠，显示明确直观，操作简便快捷。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明提供的漆包线耐电晕测试装置的结构框图；

图2为本发明提供的漆包线耐电晕测试装置的原理图；

图3为本发明提供的漆包线耐电晕测试方法的流程图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明结合电机的结构设计和制造，提供了一种能够自主设定测试条件、可以同时测试3-5组试样、圆扁线共用的，并接有外部操作系统，操作方便而且可以直接输出测试结果的漆包线耐电晕测试装置。

该漆包线耐电晕测试装置通过在实验室中模拟变频电源输出脉冲电压条件，以期快速试验已有漆包线产品的耐高频脉冲性能，并可确定在绝缘材料、结构、工艺等方面经过改进的漆包线产品的耐高频脉冲性能是否符合有关标准的要求。

基于上述原理，本发明提供的漆包线耐电晕测试装置100，如图1所示，主要包括：恒温烘箱101、IGBT系统102、控制系统103、通信系统104以及电源105。

其中，恒温烘箱101用于存放待测试的漆包线，对其进行恒温加热，用于模拟漆包线在实际使用过程中的温度环境。

为此，该恒温烘箱101中设置有若干待测试样品插座，用于安插待测试的漆包线的样品；对于样品插座组数一般为3-5组，这样能够实现同时对三个样品进行测试。同时恒温烘箱101内设置有恒温的加热系统。

IGBT系统102形成脉冲电源，用于模拟变频电源输出脉冲电压条件。 IGBT系统102的输出端通过高压引线从内部连接到恒温烘箱101内的样品插座。IGBT系统102能够产生双极性对称方波脉冲电压，并将其施加到样品插座上的漆包线样品，实现对漆包线样品的测试。

为了满足不同性能漆包线测试要求，本发明中IGBT系统102对产生的双极性对称方波脉冲电压的频率和电压值能够进行调节，其中频率可在2kHZ到 20kHZ范围内连续可调，电压值可在-1500kV-+1500kV范围内任意调整。

整个IGBT系统102基于核心元件IGBT管实现，使得产生的高频高压脉冲的上升沿时间有效缩短。

作为本发明的一个举例，上述的IGBT系统102包括IGBT管及其驱动模块、在每个IGBT管的栅极有保护栅极的二极管两个，限流电阻两个；在其源级和漏级有4个用于保护IGBT的TVS二极管4个，两个散热器。其中散热器通过两个大电阻接地，还有两个输出端子，直接连接负载。

对于IGBT系统102其在实际设计中，在主回路中和高压电源的输出端增加限流电阻，同时增加IGBT管的驱动功率，使得IGBT管能够快速彻底的开通和关断，抑制瞬间大电流对IGBT管的冲击；使IGBT管工作寿命有效提升，降低了烧坏的风险。

控制系统103为整个装置的控制中心，控制和监控恒温烘箱101和IGBT 系统102的工作状态，由此来实现任意设定测试环境，具体包括控制恒温烘箱101内温度范围、IGBT系统102产生高频高压电压的加压范围、加压频率、上升沿时间、占空比，以适应不同规格，不同要求的样品。同时，控制系统 103中还设有相应的数据库用于存储相应的测试数据，如测试结果、试样的名称、型号、线径、炉温、炉号、生产日期等参数。

在本发明中，该控制系统103包括第二单片机和相应的外围电路，该第二单片机中嵌入相应的工作程序。具体的控制系统103中的第二单片机通过时基电路控制IGBT系统102的输出电压的频率和信号采集频率；同时第二单片机通过通信电路以及输出信号放大电路对控制板、电源板及其采样模块进行测试工作程序控制。

通信系统104用于实现控制系统103与恒温烘箱101和IGBT系统102 之间的数据通信，实现控制系统103对恒温烘箱101和IGBT系统102实时工控制。其具体可以由相应的485通信模块组成。

电源105用于为整个装置的各个部件提供稳定的工作电源。

参见图2，其所示为基于上述方案形成的漆包线耐电晕测试装置的一个具体实例原理图。

整个漆包线耐电晕测试仪主要由脉冲电源部分200和电热型的恒温烘箱 300两部分组成，并可设计成一个柜式整体。

在该实例中，脉冲电源部分200包括三组脉冲电源组：第一脉冲电源组 201、第二脉冲电源组202、第三脉冲电源组203，分别与恒温烘箱内300的三组样品插座对应相接。对于脉冲电源组的数量并不限于3个，其与恒温烘箱内300的样品插座相对应。

三组脉冲电源组的结构相同，为便于说明，此处以第一脉冲电源组201 来说明脉冲电源组的组成结构。

由图可知，第一脉冲电源组201由电源板201a、高压板201b、控制板201c 以及风扇201d组成。

其中电源板201a为该电源组中的其他部件提供工作电源，并且负责控制高压及返回电信号的数据采样。其为高压板201b提供直流高压，为控制板 201c、风扇201d提供直流工作电源。该电源板201a上设置有3芯插头201a1、 DB9插孔201a2以及4芯插头201a3，3芯插头201a1与高压板201b上的3 芯插座201b1相连，为其提供高1500V的电压；DB9插孔201a2与控制板201c 上的DB9插针201c2相连，为提供控制板工作直流电；4芯插头201a3与控制板201c上的4芯插座201c1相连，用于实现控制高压频率并且采集返回信息。

高压板201b由上述的IGBT系统形成，具体为全桥电路的主电路，负责将直流电压转换成双极性对称方波脉冲电压。其上设置有用于接收电源的3 芯插座201b1。

控制板201c为控制中心，由第一单片机和相应的脉冲信号放大器组成，其分别控制高压板201b和风扇201d，其上的第一单片机为脉冲信号放大器、风扇、高压板提供控制指令，使其按照既定程序工作。为了便于连接和数据的传输，该控制板201c上设置有4芯插座201c1、DB9插针201c2、2芯插座 201c3以及2芯插头201c4。4芯插座201c1和DB9插针201c2的功能如上所说，此处不加以赘述。2芯插座201c3和2芯插头201c4用于实现不同控制板 201c之间的串接，即本控制板通过自身上2芯插头连接其他控制板上的2芯插座，由此依次连接实现不同控制板之间的串接。

风扇201d用于对控制板201c和高压板201b进行散热降温。

为了实现漆包线耐电晕测试仪与上位机之间的通信，便于使用者操作，本实例还设有一与上位机通信连接的通信装置400，该装置由一485通信隔离模块401和一四路集线式485转232转换模块402组成。其中485通信隔离模块401分别与脉冲电源部分200中三个控制板通信相接，同时与四路集线式485转232转换模块402通信相接。四路集线式485转232转换模块402 与恒温烘箱内300通信相接，同时与上位机相接。

该上位机中设置有相应的测试软件系统，该测试软件系统可以任意设定测试环境，包括温度范围、加压范围、加压频率、上升沿时间、占空比，以适应不同规格，不同要求的样品。

上述的具体实例中，电源电路之间采取隔离屏蔽的措施，并合理的布局各单元模块之间的装配，有效地降低了高频高压脉冲对低压控制电路的干扰。

参见图3，其所示为本发明基于漆包线耐电晕测试装置进行漆包线耐电晕测试的流程示意图。利用漆包线耐电晕测试装置进行测试的具体过程如下：

第1步，首先将样品漆包线加工成绞线对，若为圆线漆包线绞拧成麻花状，若为扁线漆包线则需要用特制模具模压成背靠背的X型。将加工好的线对两脚插在测试装置中恒温烘箱内的特制测试插座上，关闭烘箱箱门。将测试装置(或者测试仪)与上位机通信相接，根据试样的特征，在上位机中输入相应试样的名称、型号、线径、炉温、炉号、生产日期等参数。

第2步，同时根据测试的要求，直接在上位机中设定相应的测试环境参数，这些测试环境参数通过通信装置传至控制系统(如上述的控制板)中，控制系统中的第二单片机接收到数据后完成相应测试环境参数的设定，如测试温度、相应的脉冲电压条件等；其中控制系统可在2kHZ-20kHZ范围内连续调节IGBT系统(如上述的高压板)产生的高频高压电压(即双极性对称方波脉冲电压)的频率，在-1500kV-+1500kV范围内调节IGBT系统产生的高频高压电压的电压值。控制系统根据设定的参数形成相应的控制信号，首先将温度控制信号通过通信装置传至恒温烘箱。

第3步，恒温烘箱内加热系统接收到控制信号后开始工作加热，并实时将恒温烘箱内的工作温度值信息通过相应的通信装置传至控制系统，控制系统将接收到的温度值信息与开始的设定温度值进行对比，若没达到设定时的温度继续控制恒温烘箱工作；若达到设定时，则控制IGBT系统工作。

第4步，IGBT系统根据控制系统设定的参数值通过全电桥电路产生相应的高频高压电压，并将该高频高压电压施加到恒温烘箱内待测的两根漆包线线对上，进行测试。

第5步，在IGBT系统对漆包线线对进行加压测试过程中，控制系统实时记录测试时间和采集IGBT系统的工作信号，并根据IGBT系统工作信号的变化来判断耐电晕漆包线击穿时间点，并对测试时间和温度进行记录。由于当漆包线被击穿时，整个测试回路的结构将会发生变化，继而会使产生高频高压电压的IGBT系统的工作信号发生变化，因此通过检测IGBT系统的工作信号即可判断漆包线是否被击穿。

第6步，完成测试，控制系统控制恒温烘箱和IGBT系统停止工作，并进行冷却，测试数据自动存储在系统数据库中。该测试数据上传至上位机，上位机可根据测试前输入、保存的试样名称、型号、线径、炉温、炉号、生产日期等参数生成报告进行打印。

在上述的测试过程中，控制系统所采集的数据和计算得到的数据都实时传至上位机，并由上位机显示出来，这样便于使用者直观的了解测试的过程和结果。

由上可知本发明提供的漆包线耐电晕测试装置通过自主设定测试条件，如模拟变频电源输出脉冲电压条件和测试温度，以期快速试验已有漆包线产品的耐高频脉冲性能，并且能够确定在绝缘材料、结构、工艺等方面经过改进的漆包线产品的耐高频脉冲性能是否符合有关标准的要求。经过试验结果表明该装置性能稳定可靠，测试效率高、精度高、显示明确直观，操作简便快捷。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.漆包线耐电晕测试装置，其特征在于，所述测试装置包括：

恒温烘箱，所述恒温烘箱内设置有若干待测试样品插座；

脉冲电源部分，所述脉冲电源部分包括第一脉冲电源组，所述第一脉冲电源组与恒温烘箱的样品插座对应相接；

通信系统，所述通信系统实现恒温烘箱、IGBT系统与控制系统之间的数据通信，所述数据通信采用通信装置，所述通信装置包括485通信隔离模块和四路集线式485转232转换模块，所述隔离模块分别与脉冲电源中三个控制板通信相接，同时与四路集线式485转232转换模块通信相接，四路集线式485转232转换模块与所述恒温烘箱通信相接，同时与上位机相接；

其中，所述第一脉冲电源组包括电源板、高压板、控制板以及风扇；电源板为高压板提供直流高压，为控制板、风扇提供直流工作电源；所述电源板上设置有3芯插头、DB9插孔以及4芯插头，3芯插头与高压板上的3芯插座相连；DB9插孔与控制板上的DB9插针相连；4芯插头与控制板上的4芯插座相连；高压板由IGBT系统形成，所述IGBT系统将直流电压转换成双极性对称方波脉冲电压，形成脉冲电源，以模拟变频电源输出脉冲电压条件，并通过高压引线连接到恒温烘箱内的样品插座；所述IGBT系统基于IGBT管来有效缩短产生的高频高压脉冲的上升沿时间；所述IGBT系统包括IGBT管及其驱动模块、在每个IGBT管的栅极有保护栅极的二极管两个，限流电阻两个；在主回路中和高压电源的输出端增加限流电阻，同时增加IGBT管的驱动功率，使得IGBT管能够快速彻底的开通和关断，抑制瞬间大电流对IGBT管的冲击；在其源级和漏级有4个用于保护IGBT的TVS二极管4个，两个散热器，其中散热器通过两个大电阻接地，还有两个输出端子，直接连接负载；控制板由第一单片机和相应的脉冲信号放大器组成，其分别控制高压板和风扇，所述第一单片机为脉冲信号放大器、风扇、高压板提供控制指令，所述控制板上设置有4芯插座、DB9插针、2芯插座以及2芯插头；

还包括，

控制系统，所述控制系统通过通信装置控制所述恒温烘箱和所述IGBT系统，通过实时获取恒温烘箱和IGBT系统的工作状态信息来进行漆包线耐电晕的测试；控制系统由第二单片机和相应的外围电路组成，所述第二单片机通过时基电路控制IGBT系统的输出电压的频率和信号采集频率；同时第二单片机通过通信电路以及输出信号放大电路对控制板、电源板及其采样模块进行测试工作程序控制；

电源，所述电源为恒温烘箱、IGBT系统以及控制系统提供稳定的工作电源。

2.根据权利要求1所述的漆包线耐电晕测试装置，其特征在于，所述IGBT系统产生的高频高压电压为双极性对称方波脉冲电压，其频率为从2kHZ到20kHZ连续可调，电压范围为-1500kV-+1500kV。

3.根据权利要求1所述的漆包线耐电晕测试装置，其特征在于，所述测试装置还包括一上位机，所述上位机与控制系统之间通信相接。

4.漆包线耐电晕测试方法，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：

(1)将两根漆包线加工形成测试用的线对，圆线漆包线绞拧成麻花状，扁线漆包线则需要用特制模具模压成背靠背的X型，并将该线对的两脚插在恒温烘箱中的样品插座上，测试装置与上位机通信相接，根据试样的特征，在上位机中输入相应试样的名称、型号、线径、炉温、炉号、生产日期等参数；

(2)直接在上位机中设定相应的测试环境参数，这些测试环境参数通过通信装置传至控制系统中，控制系统中的第二单片机接收到数据后完成相应测试环境参数的设定，其中控制系统可在2kHZ-20kHZ范围内连续调节IGBT系统产生的双极性对称方波脉冲电压的频率，在-1500kV-+1500kV范围内调节IGBT系统产生的高频高压电压的电压值；控制系统根据设定的参数形成相应的控制信号，首先将温度控制信号通过通信系统传至恒温烘箱；

(3)恒温烘箱内加热系统接收到控制信号后开始工作加热，并实时将恒温烘箱内的工作温度值信息通过相应的通信装置传至控制系统，控制系统将接收到的温度值信息与开始的设定温度值进行对比，若没达到设定时的温度继续控制恒温烘箱工作；若达到设定时，则控制IGBT系统工作；控制系统控制恒温烘箱开设工作，并实时检测恒温烘箱的工作温度，当检测到的温度达到设定值时，控制系统控制IGBT系统工作；

(4)IGBT系统根据控制系统的控制要求将直流电压转换成双极性对称方波脉冲电压，形成脉冲电源，以模拟变频电源输出脉冲电压条件，并将该双极性对称方波脉冲电压施加到恒温烘箱内待测的两根漆包线线对上，进行测试；

(5)控制系统实时记录测试时间和采集IGBT系统的工作信号，当漆包线被击穿时，整个测试回路的结构将会发生变化，继而会使产生高频高压电压的IGBT系统的工作信号发生变化，通过检测IGBT系统的工作信号，并根据IGBT系统工作信号的变化来判断耐电晕漆包线击穿时间点，并对测试时间和温度进行记录；

(6)完成测试，控制系统控制恒温烘箱和IGBT系统停止工作，并进行冷却，测试数据自动存储在系统数据库中，所述测试数据上传至上位机，上位机可根据测试前输入、保存的试样名称、型号、线径、炉温、炉号、生产日期等参数生成报告进行打印。

5.根据权利要求4所述的漆包线耐电晕测试方法，其特征在于，所述(3)中控制系统控制IGBT系统产生高频高压电压的加压范围、加压频率、上升沿时间、占空比。

6.根据权利要求4所述的漆包线耐电晕测试方法，其特征在于，所述控制系统在2kHZ-20kHZ范围内连续调节IGBT系统产生的高频高压电压的频率，在-1500kV-+1500kV范围内调节IGBT系统产生的高频高压电压的电压值。