CN113189459A - 一种基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，包括在正弦电压下分别检测驱动电机主绝缘PDIV和相间绝缘PDIV制成曲线PG和曲线PP，在不同上升时间的重复脉冲电压下检测驱动电机匝间绝缘PDIV并结合上升时间拟合制成曲线TT，然后将三条曲线PG、PP、TT整合形成基于PDIV值与上升时间关联关系的对比模型，在实际检测驱动电机绝缘薄弱点时通过实际运行参数在对比模型中所处区域位置的直观比对，方便判断出驱动电机的绝缘薄弱点，为后续绝缘优化设计提供准确可靠的保证。并且本发明相较以往检测方法明显减少了绝缘PDIV测试的工作量，也使得驱动电机绝缘薄弱点的定位检测更加规范和可靠。

Description

一种基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法
技术领域
本发明涉及变频电机绝缘薄弱点测试及判别技术领域，具体地讲，是涉及一种基于三曲线的新能源汽车驱动电机绝缘薄弱点检测方法。
背景技术
近年来，由于全球能源危机加剧和气候恶化，世界各国已经投入大量的科学技术、资本对新能源汽车进行研究、开发和生产。新能源汽车驱动电机具有能效高、易调速、易启动等优点。与采用工频正弦电压驱动的传统的三相交流电机不同，新能源汽车驱动电机在工作时需要承受高频、快速变化的脉宽调制电压(PWM)，这对新能源汽车驱动电机的绝缘性能提出了更高的要求。
当新能源汽车驱动电机端部承受较短上升时间的重复脉冲电压时，电机端部将产生明显的过电压，这种过电压首先将直接作用于电机的相间绝缘和主绝缘。同时作为一种感性负载，新能源汽车驱动电机内部绕组的感性和容性参数分布将导致端部过电压在绕组内部不均匀分布，电机绕组匝间有可能会产生局部强电场。并且，如果新能源汽车驱动电机生产过程中在绕组内部留下气隙，在这种局部强电场的作用下，当绝缘系统局部电压高于局部放电起始放电电压(PDIV)时，电机内部将很可能发生放电，导致电机绝缘老化乃至失效。
随着电力电子技术的发展，电力电子装置的开断速度、能量转换效率将大幅提升。更高的开断频率和开断速度将导致新能源汽车驱动电机承受的脉宽调制电压的上升时间将缩短至纳秒级，更短的上升时间会使电机端部产生更高的过电压，并且过电压在绕组内的分布也将更加不均匀。这对新能源汽车驱动电机的绝缘性能提出了更高的要求。
在评估新能源汽车驱动电机的绝缘性能时，根据“木桶效应”需要将电机绝缘薄弱点作为评估电机绝缘可靠性的决定性参数。基于此，如何简单、方便、直观的定位绝缘薄弱部位，以此优化绝缘设计是提升新能源汽车驱动电机绝缘可靠性的关键。在现阶段，电机绝缘薄弱点的定位并没有规范高效的方法。通常需要大量重复的测试对不同绝缘位置的PDIV数据进行比对，再通过经验判断电机绝缘薄弱点，常规方式耗时费力，不能满足技术发展的高效率要求。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，能够方便、快捷、直观的判断定位新能源汽车驱动电机的绝缘薄弱部位，以便于针对性地优化设计提升新能源汽车驱动电机绝缘可靠性，保护设备和用户人身安全。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，包括以下步骤：
S1、在正弦电压下，检测驱动电机主绝缘的局部放电起始放电电压PDIV，根据获得的PDIV值制作用于表示主绝缘PDIV的第一曲线PG；
S2、在正弦电压下，检测驱动电机相间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV，根据获得的PDIV值制作用于表示相间绝缘PDIV的第二曲线PP；
S3、在不同上升时间的重复脉冲电压下，检测驱动电机匝间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV，根据获得的PDIV值与对应上升时间制作用于表示匝间绝缘PDIV与上升时间关系的第三曲线TT；
S4、建立基于PDIV值与上升时间的坐标系，并将三条曲线PG、PP、TT整合于坐标系中形成对比模型，在该对比模型中，根据三条曲线的交点基于上升时间形成有相应数量的对比区域；
S5、检测驱动电机的实际运行状态，获取实际运行状态中电源的上升时间参数，将该上升时间参数放入对比模型中判断其所在的对比区域位置；
S6、获取该上升时间参数所在的对比区域中PDIV值最低的曲线，该曲线所代表的绝缘类型即为在该实际运行状态下驱动电机的绝缘薄弱点，其中曲线所代表的绝缘类型为主绝缘、相间绝缘或匝间绝缘。
根据实际测试环境需要，所述正弦电压的范围可为5Hz～1000Hz；作为优选，所述正弦电压为50Hz正弦电压。
作为优选，所述重复脉冲电压的脉冲持续时间低于100us，以便于电源容量的选择和配置；根据脉冲持续时间公式(占空比/频率)，当优选为50Hz脉冲电压频率时，其占空比可配置为0.1％，也可根据实际检测需求进行脉冲电压频率和占空比的参数配置。
具体地，所述步骤S1中检测驱动电机主绝缘的局部放电起始放电电压PDIV时，分别检测三相主绝缘PDIV得到UUG,UVG,UWG，并检测并联三相后的主绝缘PDIV得到UUVWG，根据算式UGM＝Min{UUG,UVG,UWG,UUVWG}选择其中最小的电压值作为主绝缘PDIV值。
具体地，所述步骤S2中检测驱动电机相间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV时，分别检测驱动电机三相中每两相之间的相间绝缘PDIV得到UUV,UUW,UVW，根据算式UPPM＝Min{UUV,UUW，UVW}选择其中最小的电压值作为相间绝缘PDIV值。
具体地，所述步骤S3中检测驱动电机匝间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV时，分别检测驱动电机三相匝间绝缘PDIV得到UU，UV，UW，根据算式UTTM＝Min{UU,UV,UW}选择其中最小的电压值作为匝间绝缘PDIV值。
进一步地，所述步骤S3中测得至少四个不同上升时间下的匝间绝缘PDIV值，然后对数据点进行指数拟合，得到第三曲线TT。
具体地，所述步骤S4中对比区域以三条曲线的交点所对应的上升时间为分界线。
具体地，所述三条曲线PG、PP、TT具有两个交点，由此形成三个对比区域。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明先通过分别检测主绝缘PDIV、相间绝缘PDIV、匝间绝缘PDIV的数据进行图形化处理拟合，再将各曲线进行综合制成判别电机绝缘薄弱点的“三线图”数据模型，在实际检测中通过检测参数直接比对“三线图”数据模型，从而简单、直观地定位驱动电机绝缘的薄弱点，为后续绝缘优化设计提供准确可靠的保证。并且本发明相较以往检测方法明显减少了绝缘PDIV测试的工作量，也使得驱动电机绝缘薄弱点的定位检测更加规范和可靠，适宜在电机绝缘优化设计中应用。
(2)本发明采用图形化方式处理数据模型并呈现，可更为直观地反映实测参数情况，有效提高了结果对比的便捷性。
(3)本发明在检测多个PDIV值后以最小值方式选择最优的PDIV值，避免了测量误差，提高了安全裕度，以便更准确地判断驱动电机绝缘薄弱点。
附图说明
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明-实施例的一种流程示意图。
图3为本发明-实施例的一种对比模型示意图。
图4为本发明-实施例的另一种对比模型示意图。
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至图4所示，该基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，包括以下步骤：
S1、在正弦电压下，检测驱动电机主绝缘的局部放电起始放电电压PDIV，根据获得的PDIV值制作用于表示主绝缘PDIV的第一曲线PG；
S2、在正弦电压下，检测驱动电机相间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV，根据获得的PDIV值制作用于表示相间绝缘PDIV的第二曲线PP；
S3、在不同上升时间的重复脉冲电压下，检测驱动电机匝间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV，根据获得的PDIV值与对应上升时间制作用于表示匝间绝缘PDIV与上升时间关系的第三曲线TT；
S4、建立基于PDIV值与上升时间的坐标系，并将三条曲线PG、PP、TT整合于坐标系中形成对比模型，在该对比模型中，根据三条曲线的交点基于上升时间形成有相应数量的对比区域；
S5、检测驱动电机的实际运行状态，获取实际运行状态中电源的上升时间参数，将该上升时间参数放入对比模型中判断其所在的对比区域位置；
S6、获取该上升时间参数所在的对比区域中PDIV值最低的曲线，该曲线所代表的绝缘类型即为在该实际运行状态下驱动电机的绝缘薄弱点，其中曲线所代表的绝缘类型为主绝缘、相间绝缘或匝间绝缘。
本实施例中，正弦电压采用最易获取的50Hz正弦电压；重复脉冲电压的频率也采用50Hz，并将其占空比配置为0.1％。
具体来说，在步骤S1中检测驱动电机主绝缘的局部放电起始放电电压PDIV时，分别检测三相主绝缘PDIV得到UUG,UVG,UWG，并检测并联三相后的主绝缘PDIV得到UUVWG，根据算式UGM＝Min{UUG,UVG,UWG,UUVWG}选择其中最小的电压值作为主绝缘PDIV值；根据IEC相关标准，上升时间不影响主绝缘PDIV值，因此第一曲线PG是一条关于上升时间的直线。
在步骤S2中检测驱动电机相间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV时，分别检测驱动电机三相中每两相之间的相间绝缘PDIV得到UUV,UUW,UVW，根据算式UPPM＝Min{UUV,UUW,UVW}选择其中最小的电压值作为相间绝缘PDIV值；根据IEC相关标准，上升时间不影响相间绝缘PDIV值，因此第二曲线PP是一条关于上升时间的直线。
在步骤S3中检测驱动电机匝间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV时，分别检测驱动电机三相匝间绝缘PDIV得到UU,UV,UW，根据算式UTTM＝Min{UU，UV，UW}选择其中最小的电压值作为匝间绝缘PDIV值。并以该匝间绝缘PDIV值分别在至少四个不同的上升时间下做出匝间绝缘PDIV与上升时间的关系曲线，然后对不同上升时间下的关系曲线进行多项式拟合，得到第三曲线TT。具体来说，先测得至少四个不同上升时间下的匝间绝缘PDIV值，由于匝间绝缘PDIV值随上升时间的变化趋势类似于指数形式，因此采用V＝aebT形式的函数对测得的数据点进行拟合，拟合中将原始方程简化为In(V)＝In(a)+bT，采用最小二乘法将数据带入，得到参数a和b，将该函数作图，即可得到第三曲线TT。
本实施例中，根据实际数据处理情况，第一曲线PG和第二曲线PP通常在对比模型中形成平行的直线形式，第三曲线TT则呈渐升的曲线形式，因此三条曲线一般只有两个交点，并根据交点所对应的上升时间作为分界线划分出相应的三个对比区域。
在检测驱动电机主绝缘PDIV和相间绝缘PDIV后，可能存在主绝缘PDIV大于相间绝缘PDIV的情况，此时对比模型中第二曲线PP始终低于第一曲线PG，如图3，或可能存在相间绝缘PDIV大于主绝缘PDIV的情况，此时对比模型中第一曲线PG始终低于第二曲线PP，如图4所示。当主绝缘PDIV大于相间绝缘PDIV时(图3)，若实际运行电源的上升时间参数在第一对比区域，则驱动电机绝缘薄弱点为匝间绝缘；若实际运行电源的上升时间参数在第二对比区域或第三对比区域，则驱动电机绝缘薄弱点为相间绝缘。当相间绝缘PDIV大于主绝缘PDIV时(图4)，若实际运行电源的上升时间参数在第一对比区域，则驱动电机绝缘薄弱点为匝间绝缘；若实际运行电源的上升时间参数在第二对比区域或第三对比区域，则驱动电机绝缘薄弱点为主绝缘。
在步骤S5中将该上升时间参数放入对比模型中判断其所在的对比区域位置时，可以通过图形化方式直接展示该上升时间参数在对比模型中的位置，从而直观呈现出其所在的对比区域，进行判定；也可以根据实际运行状态的上升时间参数与对比区域的上升时间范围依次进行比对，即先判断上升时间参数是否落入第一对比区域，若是，则判定匝间绝缘为绝缘薄弱点，在后续的绝缘优化设计中重点关注匝间绝缘、其次关注相间绝缘或主绝缘，若否，则再判断上升时间参数是否落入第二对比区域，若是，则判定相间绝缘为绝缘薄弱点，在后续绝缘优化设计中重点关注相间绝缘、其次关注匝间绝缘，若否，则判定上升时间参数落入第三对比区域，在后续绝缘优化设计中重点关注相间绝缘(以主绝缘PDIV大于相间绝缘PDIV为例)。
本实施例还提供了以下结果验证试验。
通过耐电晕寿命测试方式，选择在50Hz正弦电压(固定上升时间)下测试电机主绝缘PDIV和相间绝缘PDIV，在脉冲持续时间为80ns的重复脉冲电压下测试电机匝间绝缘PDIV。使B电机U相引接线接高压，U相另一端、V相及机壳接地并加压击穿，外架电压峰峰值为3kV。通过判定击穿点与未击穿前所识别的绝缘薄弱点是否一致进行验证。
B电机击穿后，使用型号为HIOKI IR4057兆欧表在500V量程下测试各绝缘部位绝缘电阻值。发现红色测试线接U相，黑色测试线接V相时，蜂鸣器响起，测试值为0.001M，其余各相的相间绝缘及对地绝缘的绝缘电阻测试值都大于2000M，说明B电机的UV相间绝缘已经击穿。
只使用兆欧表无法判定匝间绝缘是否已击穿，选择倍频交流电源验证。若匝间绝缘的某一相已击穿，则电感线圈数必然降低。根据公式ΔX＝2πfΔL，若频率增大，减少的感抗量必然增大，击穿的一相电流必然大于其他两相的电流。
选择设备TH2828S数字电桥，电源输出设置为有效值20V的正弦交流电压，输出阻抗选择100Ω，在页面中打开电流监视值，测试频率分别选取50Hz、500Hz、1kHz、2kHz。使插头分别插入B电机同相的两端，下表为不同频率下记录的电流值。
频率/Hz I<sub>U</sub>/mA I<sub>V</sub>/mA I<sub>W</sub>/mA
50 139.8 139.8 139.7
500 54.38 54.50 54.48
1000 29.09 29.39 29.07
2000 15.09 15.41 14.98
频率为2kHz时，三相电流平均值为15.16mA，最大值与最小值的差值和平均值百分比仅约2.8％。证明高频下三相电流仍平衡，匝间绝缘并未击穿。
按照上述绝缘缺陷定位和耐电晕寿命测试，验证了电机绝缘薄弱点判定方法有效。通过本发明方法可在变频电机在线运行前得知其绝缘薄弱点位置，以针对性提高薄弱相的绝缘性能，保证电机长久运行。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而做出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在正弦电压下，检测驱动电机主绝缘的局部放电起始放电电压PDIV，根据获得的PDIV值制作用于表示主绝缘PDIV的第一曲线PG；
S2、在正弦电压下，检测驱动电机相间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV，根据获得的PDIV值制作用于表示相间绝缘PDIV的第二曲线PP；
S3、在不同上升时间的重复脉冲电压下，检测驱动电机匝间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV，根据获得的PDIV值与对应上升时间制作用于表示匝间绝缘PDIV与上升时间关系的第三曲线TT；
S4、建立基于PDIV值与上升时间的坐标系，并将三条曲线PG、PP、TT整合于坐标系中形成对比模型，在该对比模型中，根据三条曲线的交点基于上升时间形成有相应数量的对比区域；
S5、检测驱动电机的实际运行状态，获取实际运行状态中电源的上升时间参数，将该上升时间参数放入对比模型中判断其所在的对比区域位置；
S6、获取该上升时间参数所在的对比区域中PDIV值最低的曲线，该曲线所代表的绝缘类型即为在该实际运行状态下驱动电机的绝缘薄弱点，其中曲线所代表的绝缘类型为主绝缘、相间绝缘或匝间绝缘。
2.根据权利要求1所述的基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，其特征在于，所述正弦电压频率的范围为5Hz～1000Hz。
3.根据权利要求1所述的基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，其特征在于，所述重复脉冲电压的脉冲持续时间低于100us。
4.根据权利要求1所述的基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，其特征在于，所述步骤S1中检测驱动电机主绝缘的局部放电起始放电电压PDIV时，分别检测三相主绝缘PDIV得到UUG,UVG,UWG，并检测并联三相后的主绝缘PDIV得到UUVWG，根据算式UGM＝Min{UUG,UVG,UWG,UUVWG}选择其中最小的电压值作为主绝缘PDIV值。
5.根据权利要求1所述的基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，其特征在于，所述步骤S2中检测驱动电机相间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV时，分别检测驱动电机三相中每两相之间的相间绝缘PDIV得到UUV,UUW,UVW，根据算式UPPM＝Min{UUV,UUW,UVW}选择其中最小的电压值作为相间绝缘PDIV值。
6.根据权利要求1所述的基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，其特征在于，所述步骤S3中检测驱动电机匝间绝缘的局部放电起始放电电压PDIV时，分别检测驱动电机三相匝间绝缘PDIV得到UU,UV,UW，根据算式UTTM＝Min{UU,UV,UW}选择其中最小的电压值作为匝间绝缘PDIV值。
7.根据权利要求6所述的基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，其特征在于，所述步骤S3中测得至少四个不同上升时间下的匝间绝缘PDIV值，然后对数据点进行指数拟合，得到第三曲线TT。
8.根据权利要求1～7任一项所述的基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，其特征在于，所述步骤S4中对比区域以三条曲线的交点所对应的上升时间为分界线。
9.根据权利要求8所述的基于三曲线法的驱动电机绝缘薄弱点检测方法，其特征在于，所述三条曲线PG、PP、TT具有两个交点，由此形成三个对比区域。
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