CN112904161B - 一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法及拓扑结构 - Google Patents

一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法及拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测试低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法，包括：S1输入0～220V交流电压，并对其进行调压；S2将调压后的电压信号进行升压；S3经升压处理后的电压信号经共用高压母线传输，并通过改变切换继电器的状态来切换测试支路；S4当测试匝间绝缘时，将产生的高频脉冲信号对变频电机绕组进行加压，利用脉冲信号测试匝间绝缘；当测试主绝缘时，将共用高压母线传输的正弦电压信号对变频电机绕组进行加压，并将电机外壳接地，利用正弦信号测试主绝缘。本发明还提供了测试低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的拓扑结构。本发明通过共用高压母线，能够实现在同一测试系统共同测试主绝缘和匝间绝缘，并减少实验步骤和实验设备，大幅提高了实验效率。

Description

一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法及拓扑结构
技术领域
本发明涉及变频电机技术领域，具体地说，是涉及一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法及拓扑结构。
背景技术
作为动力来源，变频电机广泛应用于风力发电、高速铁路、新能源汽车和舰船驱动等领域。变频电机定子承受高频、快速变化的脉宽调制电压，在定子绕组分布电感、电容参数的作用下，绝缘系统易产生电压集中，当电压超过局部放电起始放电电压(PDIV)时，绕组中出现局部放电，从而加速绝缘老化，导致绝缘早期失效。同时，电机定子铜耗、磁滞损耗和涡流损耗以及电机绕组温升会加速绝缘热老化，也是引起电机绝缘早期失效的重要原因。
驱动电动汽车的变频电机采用由有机绝缘和无机绝缘组成的低压散绕结构，部分绝缘结构无耐电晕能力，当局部放电存在时，电老化将使绝缘快速失效。因此，国际电工委员会(IEC)提出电机运行前应在正弦和脉冲电压下测试绝缘系统PDIV。具有低压散绕绕组结构的变频电机局部放电可能存在于匝间、相间及对地主绝缘，联合使用正弦及重复脉冲电压对三种情况的PDIV进行检测，检测结果与电机的设计参数进行比较，在一定的安全裕度下，保证电机运行电压高于PDIV，可以确保电机在整个服役期内，没有局部放电出现。可见，PDIV和耐电晕特性是评估变频电机绝缘系统电性能的最重要指标。
目前国内外对联合检测变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法研究较少，多为单独检测变频电机主绝缘或匝间绝缘，而已有的绝缘性能检测方法对变频电机的匝间、相间及对地主绝缘进行完整检测时，其步骤过多、操作繁琐、测试时间过长。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法及拓扑结构，主要解决现有技术存在不能运用同一套系统共同测试低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的问题，并且解决在对变频电机的匝间和对地主绝缘进行完整检测时，步骤过多、操作繁琐、测试时间过长等问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种测试低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法，包括以下步骤：
(S1)输入0～220V交流电压，并对其进行调压；
(S2)将调压后的电压信号进行升压，使输出电压有效值可达5000V；
(S3)经升压处理后的正弦电压信号经共用高压母线传输，并在共用高压母线上通过配置切换继电器来切换测试支路，当切换至主绝缘测试支路时，执行步骤(S5)进行主绝缘测试，当切换至匝间绝缘测试支路时，执行步骤(S4)进行匝间绝缘测试；
(S4)将正弦电压信号依次做整流、逆变处理后得到高频脉冲电压信号，并施加在变频电机的三个绕组上，通过开关绕组上配置的三个切换继电器来测试不同绕组的匝间绝缘；
(S5)将升压处理后的正弦电压信号正极施加在变频电机的三个绕组上，将正弦电压信号负极接电机定子外壳并接地，通过开关绕组上配置的三个切换继电器来测试不同绕组的主绝缘。
具体地，所述测试低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法，还包括：
当测试变频电机主绝缘时，利用高压探头将共用高压母线引出的正弦信号按1000:1缩小并进行信号采集，以同步相位，同时通过主绝缘测试支路配置的检测放大电路采集并检测电机放电情况。
当测试变频电机匝间绝缘时，利用高压探头将高频脉冲电压信号按1000:1缩小并进行信号采集，以同步相位，同时通过匝间绝缘测试支路配置的超高频天线和滤波检波模块采集并检测电机放电情况。
基于上述方法，本发明还提供了一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的拓扑结构，应用于低压散绕绕组结构的变频电机，包括高压正弦电压发生模块，传输正弦电压信号的共用高压母线，通过匝间测试切换继电器接入共用高压母线的匝间绝缘测试支路，通过主测试切换继电器接入共用高压母线的主绝缘测试支路，用于获取主绝缘测试支路和匝间绝缘测试支路的反馈信号的采集处理模块，以及配置于变频电机绕组接入点的通断切换继电器；当测试主绝缘时，所述主绝缘测试支路正极通过通断切换继电器接变频电机绕组，负极接变频电机外壳并接地，通过来自共用高压母线的正弦电压信号测试主绝缘；当测试匝间绝缘时，所述匝间绝缘测试支路通过通断切换继电器向变频电机绕组输入高频脉冲电压信号，并检测脉冲电压下的局部放电，通过脉冲信号测试匝间绝缘。
具体地，所述高压正弦电压发生模块包括用于输入0～220V交流电压的电源，与电源连接用于调压的单相变压器，以及与单相变压器连接用于实现升压使得输出的电压有效值可达到5000V的升压变压器；所述升压变压器产生的正弦电压信号由共用高压母线输出。
进一步地，所述单相变压器采用步进电机机械驱动。
具体地，所述匝间绝缘测试支路包括由依次连接的整流单元和逆变模块构成的高频脉冲信号发生模块，用于检测脉冲电压下的变频电机绕组局部放电的UHF天线，以及与UHF天线连接用于实现滤波和检波的滤波检波模块，其中，所述整流单元通过匝间测试切换继电器接共用高压母线，所述逆变模块经通断切换继电器接变频电机绕组，所述滤波检波模块接采集处理模块。
作为优选，所述滤波检波模块的频域带宽为0.5GHz-1.5GHz。
具体地，所述主绝缘测试支路包括通过主测试切换继电器接共用高压母线正极的保护电阻，与保护电阻连接的用于检测正弦电压下变频电机绕组局部放电的检测放大电路，其中，检测放大电路正极连接保护电阻并通过通断切换继电器接变频电机绕组，检测放大电路负极接变频电机外壳并通过主测试切换继电器接共用高压母线负极并接地，检测放大电路输出端接采集处理模块。
具体地，所述采集处理模块包括用于检测变频电机绕组上施加的正弦电压信号或高频脉冲电压信号的高压探头，用于接收高压探头、匝间绝缘测试支路和主绝缘测试支路的反馈信号的采集单元，与采集单元连接的控制单元，以及与控制单元连接的保护单元。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过调压、升压，输出最高5000V的电压，并采用共用高压母线，该共用高压母线所得正弦电压正极经切换继电器和保护电阻接低压散绕变频电机的绕组进行加压，负极接地并接低压散绕变频电机外壳，利用正弦信号测试主绝缘；通过改变切换继电器状态，产生高频脉冲电压信号并通过切换继电器接低压散绕变频电机绕组进行加压，利用脉冲信号测试匝间绝缘。如此一来，由于正弦电压是通过共用产生高频脉冲信号的交流母线产生，因而不仅能共同测试低压散绕变频电机的主绝缘和匝间绝缘，而且也减少了所需实验设备。本发明相比已有的检测方法更简便，所需的实验步骤更少，操作更方便，获取实验结果的时间更短。
(2)本发明还具有以下功能：当测试变频电机主绝缘时，高压探头将共用高压母线引出的正弦信号按1000:1缩小并接入采集单元，其目的是同步相位，检测放大电路接入采集单元，其目的是检测电机放电情况；当测试变频电机匝间绝缘时，高压探头将高频脉冲信号发生模块的脉冲信号按1000:1缩小并接入采集单元，其目的是同步相位，超高频天线经滤波检波模块接入采集单元，其目的是检测电机放电情况。为评估变频电机绝缘系统电性能提供基础。
(3)本发明测试完整，操作流程和结构设计也非常简单，具有很高的实用价值和推广价值。
附图说明
图1为本发明-实施例的流程示意图。
图2为本发明-实施例所采用的一种拓扑结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
实施例
如图1和2所示，本实施例提供了一种测试低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的拓扑结构，包括高压正弦电压发生模块，传输正弦电压信号的共用高压母线，通过匝间测试切换继电器接入共用高压母线的匝间绝缘测试支路，通过主测试切换继电器接入共用高压母线的主绝缘测试支路，用于获取主绝缘测试支路和匝间绝缘测试支路的反馈信号的采集处理模块，以及配置于变频电机绕组接入点的通断切换继电器。其中，主测试切换继电器为连接于共用高压母线正极与主绝缘测试支路之间的切换继电器1和连接于共用高压母线负极与主绝缘测试支路的切换继电器2，匝间测试切换继电器为连接于共用高压母线与匝间绝缘测试支路之间的切换继电器3和切换继电器4，通断切换继电器为切换继电器5。
具体地，所述高压正弦电压发生模块包括用于输入0～220V交流电压的电源，与电源连接用于调压的单相变压器(采用步进电机机械驱动)，以及与单相变压器连接用于实现升压使得输出的电压有效值可达到5000V的升压变压器；所述升压变压器产生的正弦电压信号由共用高压母线输出。
具体地，所述匝间绝缘测试支路包括由依次连接的整流单元和逆变模块构成的高频脉冲信号发生模块，用于检测脉冲电压下的变频电机绕组局部放电的UHF天线(超高频天线)，以及与UHF天线连接用于实现滤波和检波的滤波检波模块，其中，所述整流单元通过切换继电器3和切换继电器4接共用高压母线，所述逆变模块经切换继电器5接变频电机绕组，所述滤波检波模块接采集处理模块。作为优选，所述滤波检波模块的频域带宽为0.5GHz-1.5GHz。由共用高压母线输出的正弦电压信号，经整流、逆变处理后，输出为高频脉冲电压信号，对变频电机绕组进行加压，从而利用脉冲信号测试匝间绝缘；在测试匝间绝缘期间，利用UHF天线可以检测脉冲电压下的变频电机绕组局部放电，其后端通过0.5GHz-1.5GHz带宽的频域滤波并采集信号。
具体地，所述主绝缘测试支路包括通过切换继电器1接共用高压母线正极的保护电阻，与保护电阻连接的用于检测正弦电压下变频电机绕组局部放电的检测放大电路，其中，检测放大电路包含检测阻抗、耦合电容及放大器，检测阻抗并联于放大器的正负输入端，耦合电容连接于检测阻抗与保护电阻之间，保护电阻另一端通过切换继电器5接变频电机绕组，检测放大电路负极接变频电机外壳并通过切换继电器2接共用高压母线负极并接地，检测放大电路的放大器输出端接采集处理模块。
具体地，所述采集处理模块包括用于检测变频电机绕组上施加的正弦电压信号或高频脉冲电压信号的高压探头，用于接收高压探头、匝间绝缘测试支路和主绝缘测试支路的反馈信号的采集单元，与采集单元连接的控制单元，以及与控制单元连接的保护单元。所述高压探头将主绝缘测试时的正弦电压信号或匝间绝缘测试时的高频脉冲电压信号按1000:1缩小并接入采集单元，实现同步相位；检测放大电路接入采集单元，实现主绝缘测试时检测电机放电情况；UHF天线经滤波检波模块接入采集单元，实现匝间绝缘测试时检测电机放电情况。
基于上述构造，本实施例提供的测试方法，可以实现低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的共同测试，主要包括以下步骤：
(S1)输入0～220V交流电压，并对其进行调压；
(S2)将调压后的电压信号进行升压，使输出电压有效值可达5000V；
(S3)经升压处理后的正弦电压信号经共用高压母线传输，并在共用高压母线上通过配置切换继电器(切换继电器1-4)来切换测试支路，当切换至主绝缘测试支路时，执行步骤(S5)进行主绝缘测试，当切换至匝间绝缘测试支路时，执行步骤(S4)进行匝间绝缘测试；
(S4)当测试变频电机匝间绝缘时，切断切换继电器1和2，开通切换继电器3、4和5，将正弦电压信号依次做整流、逆变处理后得到高频脉冲电压信号，该高频脉冲电压信号经切换继电器5施加在变频电机的三个绕组上，通过开关绕组上的三个切换继电器来测试不同绕组的匝间绝缘；
(S5)当测试变频电机主绝缘时，切断切换继电器3、4，开通切换继电器1、2和5，将步骤(S2)中的正弦电压信号正极经共用高压母线、切换继电器1、保护电阻、切换继电器5施加在变频电机的三个绕组上，电机定子外壳经切换继电器2接正弦信号负极并接地，通过开关绕组上的三个切换继电器来测试不同绕组的主绝缘。
并且，当测试变频电机主绝缘时，高压探头将共用高压母线引出的正弦信号按1000:1缩小并接入采集单元，其目的是同步相位，检测放大电路接入采集单元，其目的是检测电机放电情况。当测试变频电机匝间绝缘时，高压探头将高频脉冲信号发生模块的脉冲信号按1000:1缩小并接入采集单元，其目的是同步相位，超高频天线经滤波检波模块接入采集单元，其目的是检测电机放电情况；采集电压信号和观测放电情况时，保护电路还对绝缘测试系统进行电压、电流保护。
本发明看似简单，实则不易想到，这需要付出创造性的劳动，方能设计出解决问题的方案。应当说，本发明只需通过共用高压母线，结合脉冲信号和正弦信号，即可针对低压散绕变频电机的主绝缘和匝间绝缘进行共同测试，并且结合UHF天线、滤波检波模块、检测放大电路、采集单元、高压探头等设备和器件后，还能观测变频电机的放电情况。因此，本发明设计上非常巧妙，不仅能共同测试低压散绕变频电机的主绝缘和匝间绝缘，突破现有技术的限制，而且测试完整，操作流程和结构设计也非常简单，大幅提高了实验效率。
综上，与现有技术相比，本发明所获得的技术效果是突出的，其技术进步十分明显，具有突出的实质性特点和显著的进步。
上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，但凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种测试低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法，其特征在于，包括以下步骤：
（S1）输入0~220V交流电压，并对其进行调压；
（S2）将调压后的电压信号进行升压，使输出电压有效值最高达到5000V；
（S3）经升压处理后的正弦电压信号经共用高压母线传输，并在共用高压母线上通过配置切换继电器来切换测试支路，其中，共用高压母线通过匝间测试切换继电器连接匝间绝缘测试支路，共用高压母线通过主测试切换继电器连接主绝缘测试支路，所述主测试切换继电器为连接于共用高压母线正极与主绝缘测试支路之间的第一切换继电器和连接于共用高压母线负极与主绝缘测试支路的第二切换继电器，所述匝间测试切换继电器为连接于共用高压母线与匝间绝缘测试支路之间的第三切换继电器和第四切换继电器，
当切换至主绝缘测试支路时，执行步骤（S5）进行主绝缘测试，当切换至匝间绝缘测试支路时，执行步骤（S4）进行匝间绝缘测试；
（S4）将正弦电压信号依次做整流、逆变处理后得到高频脉冲电压信号，并施加在变频电机的三个绕组上，通过开关绕组上配置的三个切换继电器来测试不同绕组的匝间绝缘；
（S5）将升压处理后的正弦电压信号正极施加在变频电机的三个绕组上，将正弦电压信号负极接电机定子外壳并接地，通过开关绕组上配置的三个切换继电器来测试不同绕组的主绝缘。
2.根据权利要求1所述的一种测试低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法，其特征在于，还包括：当测试变频电机主绝缘时，利用高压探头将共用高压母线引出的正弦信号按1000:1缩小并进行信号采集，以同步相位，同时通过主绝缘测试支路配置的检测放大电路采集并检测电机放电情况。
3.根据权利要求1所述的一种测试低压散绕变频电机主绝缘和匝间绝缘的方法，其特征在于，还包括：当测试变频电机匝间绝缘时，利用高压探头将高频脉冲电压信号按1000:1缩小并进行信号采集，以同步相位，同时通过匝间绝缘测试支路配置的超高频天线和滤波检波模块采集并检测电机放电情况。
4.一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的系统，应用于低压散绕绕组结构的变频电机，其特征在于，包括高压正弦电压发生模块，传输正弦电压信号的共用高压母线，通过匝间测试切换继电器接入共用高压母线的匝间绝缘测试支路，通过主测试切换继电器接入共用高压母线的主绝缘测试支路，用于获取主绝缘测试支路和匝间绝缘测试支路的反馈信号的采集处理模块，以及配置于变频电机绕组接入点的通断切换继电器；当测试主绝缘时，所述主绝缘测试支路正极通过通断切换继电器接变频电机绕组，负极接变频电机外壳并接地，通过来自共用高压母线的正弦电压信号测试主绝缘；当测试匝间绝缘时，所述匝间绝缘测试支路通过通断切换继电器向变频电机绕组输入高频脉冲电压信号，并检测脉冲电压下的局部放电，通过脉冲信号测试匝间绝缘；所述主测试切换继电器为连接于共用高压母线正极与主绝缘测试支路之间的第一切换继电器和连接于共用高压母线负极与主绝缘测试支路的第二切换继电器，所述匝间测试切换继电器为连接于共用高压母线与匝间绝缘测试支路之间的第三切换继电器和第四切换继电器。
5.根据权利要求4所述的一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的系统，其特征在于，所述高压正弦电压发生模块包括用于输入0~220V交流电压的电源，与电源连接用于调压的单相变压器，以及与单相变压器连接用于实现升压使得输出的电压有效值可达到5000V的升压变压器；所述升压变压器产生的正弦电压信号由共用高压母线输出。
6.根据权利要求5所述的一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的系统，其特征在于，所述单相变压器采用步进电机机械驱动。
7.根据权利要求4所述的一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的系统，其特征在于，所述匝间绝缘测试支路包括由依次连接的整流单元和逆变模块构成的高频脉冲信号发生模块，用于检测脉冲电压下的变频电机绕组局部放电的UHF天线，以及与UHF天线连接用于实现滤波和检波的滤波检波模块，其中，所述整流单元通过匝间测试切换继电器接共用高压母线，所述逆变模块经通断切换继电器接变频电机绕组，所述滤波检波模块接采集处理模块。
8.根据权利要求7所述的一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的系统，其特征在于，所述滤波检波模块的频域带宽为0.5GHz-1.5GHz。
9.根据权利要求4所述的一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的系统，其特征在于，所述主绝缘测试支路包括通过主测试切换继电器接共用高压母线正极的保护电阻，与保护电阻连接的用于检测正弦电压下变频电机绕组局部放电的检测放大电路，其中，检测放大电路正极连接保护电阻并通过通断切换继电器接变频电机绕组，检测放大电路负极接变频电机外壳并通过主测试切换继电器接共用高压母线负极并接地，检测放大电路输出端接采集处理模块。
10.根据权利要求4-9任一项所述的一种测试变频电机主绝缘和匝间绝缘的系统，其特征在于，所述采集处理模块包括用于检测变频电机绕组上施加的正弦电压信号或高频脉冲电压信号的高压探头，用于接收高压探头、匝间绝缘测试支路和主绝缘测试支路的反馈信号的采集单元，与采集单元连接的控制单元，以及与控制单元连接的保护单元。
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