CN1661384A

CN1661384A - 一种绝缘脉冲耐电强度测试装置

Info

Publication number: CN1661384A
Application number: CN 200410073133
Authority: CN
Inventors: 屠德民; 王霞
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2004-10-09
Filing date: 2004-10-09
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2024-10-09
Also published as: CN100359332C

Abstract

本发明公开了一种绝缘脉冲耐电强度测试装置，该装置主要由可调直流电源、驱动电路、±1600V、25ns脉冲发生器和试样、保护、计时电路四大部分构成，用于测量变频电机用漆包线或变频电机线圈匝间绝缘耐电强度，它模拟PWM变频电机驱动电压的波形，通过提高电压上升时间，加速绝缘老化，以便在较短的时间内测定漆包线或线圈匝间绝缘的耐电强度。装置可同时测量五个漆包线试样(或变频电机的线圈的匝间绝缘)，总负载不超过160PF，当五组试样之一击穿时装置具有自动切断高频方波电源，并自动计时。

Description

一种绝缘脉冲耐电强度测试装置

技术领域

本发明涉及一种测试装置，特别涉及一种用于测量变频电机用漆包线或变频电机线圈匝间绝缘耐电强度的绝缘脉冲耐电强度测试装置，用于测定变频电机漆包线绝缘和变频电机线圈匝间绝缘承受脉冲电压的能力，测量绝缘在PWM脉冲电压作用下的寿命，评定变频电机漆包线绝缘和线圈匝间绝缘的质量。

背景技术

随着工业生产的自动化、交通工具现代化和家用电器的高效化，变频电机的使用范围日益广泛，在脉冲宽度调制(PWM)电压代替了传统使用的正弦波后，变频电机的绝缘寿命大大缩短，脉冲的陡峭波形是绝缘损坏的主要原因，损坏的机理是局部放电、电荷的注入，在绝缘中形成空间电荷，和高频损耗引起的发热，因此衡量变频电机漆包线绝缘的质量、改进漆包线绝缘的配方已成为国内外的研究热点。为了正确评定这种漆包线的质量，迫切需要研制国产的绝缘脉冲耐电强度测试装置。限于国内高电压IGBT或MOSFET器件缺乏及器件本身电容、电路电感的影响，研制电压高速上升的、高重复率方波发生器十分困难。

IGBT的开关频率在20kHz或以上，电压上升时间≥20ns，一般为100ns，这种开关电压经Fouries变换后，频谱超过15MHz。在脉冲电压上升时间0.1μs的情况下，加在电机绕组上的电压80％降在首二匝线圈上的，在电压瞬变期间，电压的频率分量分布在几个MHz到几百MHz的范围内。

在电机通过电缆馈电的情况下，反射波使电机端电压上升，线圈在脉冲尖峰的作用下，电压分布极不均匀，线圈匝间绝缘的电场强度可比额定计算值高10倍。众所皆知，绝缘的耐电强度与电压上升速度(kV/μs)有关，设PWM波的电压峰值为646V和上升时间为250ns，则电压的上升速度为2.58kV/μs，当电压升高10倍而波形不变时，线圈匝间绝缘上电压上升速度变成25.8kV/μs，显然这相当于电压幅值646V、而电压上升时间25ns，因此取脉冲电压上升时间为25ns。

加速绝缘老化希望加速因子在百倍以上，在相当短的时间，测定绝缘寿命。选择脉冲上升时间25ns可大大缩短绝缘寿命测定时间。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种绝缘脉冲耐电强度测试装置，用于测量变频电机用漆包线或变频电机线圈匝间绝缘耐电强度。

一般来说加速绝缘老化有三种途径：1.提高电压，2.提高脉冲上升时间，3.提高脉冲的重复频率。由于实际变频电机使用的脉冲频率已很高，再提高脉冲重复率，对缩短绝缘寿命的作用不大；提高试验电压，引起强烈的局部放电，而正常情况下，漆包线绞线试样的局部放电起始电压为850V左右，大幅度提高试验电压将导致绝缘破坏机理的改变，产生对绝缘质量评定的误导。因此，在1600V以下，提高脉冲的上升时间是一种可行的、符合实际使用情况的加速绝缘老化的方法。

研制±1600V、25ns、20kHz脉冲发生器至少需要单只耐压6400V的绝缘栅晶体管或功率MOS管，这在国内市场无法获得的，此外，快速二极管的导通时间最快只有35ns，研制脉冲时间25ns的发生器的技术难度很高。

实现上述发明目的的技术解决方案是一种绝缘脉冲耐电强度测试装置，其特征在于，该装置的电路部分包括：

可调直流电源，用于提供电路中所需的可变直流电压；其中包括由三相桥式整流电路，半桥开关电源电路和三只并联的高频变压器分别获得三组正负直流高压，供三个脉冲形成电路所用；还获得有8组直流20V电源和一组直流12V电源；

驱动电路，用于产生驱动信号，驱动可调直流电源中半桥开关电源的绝缘栅晶体管或功率场效应管，通过改变脉冲方波宽度，调节开关电源直流输出电压的幅度；并设有在直流输出电压为零的状态下才能接通三相电源的防止非零电压合闸电路；

±1600V、25ns脉冲发生器，用于产生±1600V、25ns、20kHz高压脉冲方波；其电路包括开关电源集成控制器输出的方波信号及其陡化电路和串联的多级脉冲形成电路；

开关电源集成控制器输出多路的方波，经陡化电路的大功率陡化，得到具有多路同步的陡上升时间的驱动信号，该驱动信号由串联的多级脉冲形成电路形成±1600V、25ns、20kHz高压脉冲方波；

试样、保护、计时电路，用于试样测试及其电路保护和计时；该电路由试样、机械断开、计时和控制电路和保护信号、电子停振信号、机械断开信号和自动复位电路两部分；

驱动电路与可调直流电源连接，可调直流电源与±1600V、25ns脉冲发生器连接，±1600V、25ns脉冲发生器与试样、保护、计时电路连通。

本发明的绝缘脉冲耐电强度测试装置可同时测量五个漆包线试样，总负载不超过160PF，当五组试样之一击穿时装置具有自动切断高频方波电源，并自动计时。

附图说明

图1是装置的可调直流源电原理图。

图2是装置的驱动电路原理图。

图3是±1600V、25ns脉冲发生器的电路原理图。

图4是保护、计时工作原理。

图4-1是试样、机械断路、计时和控制电路原理图。

图4-2是保护信号提取、电子停振信号、机械断开信号和自动复位的电路原理图。

图5是在负载160pC下，脉冲的电压上升的波形。

图6是重复频率20kHz下脉冲的波形。

图7是电路结构框图。

以下结合附图和装置的工作原理对本发明作进一步详述描述。

具体实施方式

本发明的绝缘脉冲耐电强度测试装置主要包括可调直流电源、驱动电路、±1600V、25ns脉冲发生器和试样、保护、计时电路，以下对各个电路进行详细介绍。

参见图1，可调直流电源用于提供电路中所需的可变直流电压；该电路包括，整流二极管D1～D6和电容C₀组成的整流滤波电路，高频变压器T1、T2、T3和开关管Q_m1、Q_m2及电容C₁、C₂组成的半桥开关电源，手动开关S1，还有接触器K，“合”和“分”按钮；

滤波电路的输出端连接由串联开关管Q_m1、Q_m2和电容C₁、C₂，组成的电桥，高频变压器T1、T2、T3并联后其副边的一端接在电容C₁、C₂之间，另一端连接在串联开关管Q_m1、Q_m2的中点，开关管Q_m1和Q_m2的交替导通在高频变压器T1、T2、T3的三个副边获得高频电压，经整流后获得三组直流电压源，供三个脉冲形成电路，并通过另一个开关电源获得8组直流20V和一组12V电源；

开关变流器的直流是由图1中三相电压经三相桥式整流器D1到D6整流获得的，三相电源的接通和开断除手动开关S1外，还有接触器K，“合”和“分”按钮控制着接触器的接通和开断。从图可见，半桥开关电源电路是由开关管Q_m1、Q_m2和电容C₁、C₂组成一个电桥，开关管Q_m1和Q_m2的交替导通在高频变压器的三个副边获得高频电压，经整流后获得三组直流电压源，供三个脉冲形成电路。图1下端也示出了由另一只开关源获得的8组直流20V和一组12V电源，各组低压直流电源分别连接到图1-4的电源插头中。

图2是可调直流电源中的驱动电路，用于产生驱动信号和对可调直流源中开关管Q_m1和开关管Q_m2(图1中)的驱动和调节其脉冲宽度，并防止非零电压合闸，用于零电压保护。

驱动信号由开关电源集成控制器UD1(T494)，与非门U1A和与非门U1D，倒相器U1B和倒相器U1C，晶体管Q₂₁和晶体管Q₃₁，兩只光耦P2和P3，兩只市售驱动集成电路EXB841及偏置电压和稳压管保护电路组成；与非门UD1交替发生二组占空比固定的方波电压，分别由脚9和10输出，经与非门、倒相器和放大器放大后，输入驱动集成电路模块EXB841，EXB841输出的驱动方波通过保护电阻R22和R23，分别与插头J60和J61脚2相连。偏置电压由电阻R31、稳压管D33和电容器C21串、並联电路组成，保护电路由稳压管D21和稳压管D22反串联组成。当集成电路模块EXB841脚9与脚6之间测得功率管Q1(见图1)的管压降超过7V时，光耦P2导通，电阻R24的高电位端变成低电位，开关电源集成控制器UD1因脚15变成低电位而停振，达到了保护作用。调节电位器R改变开关电源集成控制器UD1脚4电位，改变方波宽度，调节直流电源的电压。

驱动信号由开关晶体管集成电路控制器UD1(TL494)产生，经两级与非门U1A和与非门U1D(4011)后到达三极管Q₂₁放大后，进入驱动集成电路模块Q₂(EXB841)，Q₂的脚3输出幅值20伏的方波，串联电阻100欧，接至图1中开关管Q_m1的G极，G极偏置电压由图2中稳压管D₃₃、电容C₂₁和电阻R₂₁组成的电路上获得，为了防止开关过电压对驱动电路的影响，把稳压管D₂₁(15V)和D₂₂(5V)的串联钳位电路接在集成电路模块EXB841的方波输出和偏压电容器之间。集成电路模块EXB841的6脚接至图2中晶体管Q_m1的集电极，当晶体管Q_m1过载时，管压降超过7伏，图2中光耦P₂发光结电流急增，光敏结电阻急降，导致二极管D₂₄的2端出现低电位、TL494脚15变成低电位，EXB841立即停振，开关电路停止工作，保护了晶体管Q_m1。

电压的调节是通过改变方波宽度来实现的，改变TL494脚4的电位可达到此目的，调节图2中电位器R，当脚4处于高电位时，没方波输出，相反，处于低电位时，输出方波宽度最大，因而可调直流电源的输出电压最高。

试验时试验电压必须从零以一定速度升高到规定值。为了防止在接通三相电源时，脉冲发生器输出不希望的高电压，图2中增加了防止非零电压合闸电路，UD1方波信号输出之一(脚10)接到电压比较器U₂，如果电位器R不在高电位，也就是UD1有方波输出的情况下，U₂输出高电位，经放大器U₃、U₄和三极管Q₆放大后，由射极跟随器Q₅使继电器SPDT触头K7开路，由于插头J66与图1中J66相连，断开了三相电源的合闸的控制迴路，无法接通三相电源；相反，如果电位器R在高电位，K7闭合，可接通三相电源，调节电位器，高压脉冲幅度从零增加。

防止非零电压合闸电路由芯片U2、U3、U4和三极管Q6、Q5的电路组成。芯片U2和U3组成一个功能相当电压比较器，U4和三极管Q6是两级放大器，Q5是PNP三极管作射极跟隨器，控制着继电器SPDT的常闭触头K7。图中插头J66与图1中J66相连，只有当UD1无输出信号时，触头K7闭合，三相电源才能合闸。

图3是±1600V、25ns脉冲发生器的电路图，用于产生±1600V、25ns、20kHz高压脉冲方波；把图1中接头J30、J31和J32分别与图3中接头J30、J31和J32相连，图3中绝缘栅晶体管Q₁、Q₂和Q₃用来产生脉冲，Q₁、Q₂和Q₃产生的脉冲经电路串联，相互叠加。

从图3可见，高脉冲发生器的原始驱动信号来自集成电路控制器UD2(TL494)，UD2输出的交替方波信号经三极管T22放大后，分别驱动三只光耦P4、P5和P6，光耦使低电位的驱动信号与高电位的开关电路隔离。只要耐压2kV以上的光耦都可使用。

开关电源集成控制器输出的方波在驱动绝缘栅大功率晶体管或MOS场效应管时，因功率管极间电容较大，为200-5000pC，方波上升时大大降低，选择功率较大的晶体管T39～T44陡化方波上升时间，使驱动方波的电压上升时间达到25ns。

由驱动电路中等效电容与电阻可计算电压上升时间：

t＝RC

式中：R—驱动电路的输出等效电阻，C-功率管绝缘栅的对发射极的等效电容。

为了保证绝缘栅晶体管CT60AM(也可用相当的MOSFET)可靠的开断，T39-T44的输出信号叠加在偏置电压上，偏置电压由电阻、稳压管和电容组成，例如：图3中R157，Z28和C84。偏置电压-5V，过电压保护由两串相反串联的稳压管组成，例如：Z16和Z17。

图3示出三级脉冲形成电路串联获得高压脉冲的电路，同样的电路也可用于3级以上脉冲形成电路的串联。

电路包括两部分：1.普通开关电源集成控制器输出的方波信号及其陡化电路，2.串联的多级脉冲形成电路。

普通开关电源集成控制器输出的方波信号及其陡化电路由一只开关电源集成控制器TL494，三极管9013放大器，三只光耦P4-P6，三路方波陡化放大器和偏置电压、稳压器保护电路组成。三只光耦由同一三极管9013驱动，保证了信号同步(见图3)。

三路信号处理的方式、方法相同，以其中一路说明之，由光耦输出的方波信号经两只9013和一只T39组成的复合放大器放大后，使方波上升时间提高到25ns，大功率管T39输出的驱动方波经保护电阻R141接到绝缘栅晶体管Q1，Q1的栅极，发射极与电阻R157、稳压管Z28和电容C84组成的偏置电压电路相连。

串联的多级脉冲形成电路：以三个脉冲形成电路串联为例(见图3)，三线连接插头J30、J31、J32分别是可调直流电源(图1)中同号的三线连接插头相连，绝缘栅晶体管Q1、电阻R201与电源1(通过插头J30)；绝缘栅晶体管Q2、电阻R202与电源2(通过插头J31)；绝缘栅晶体管Q3、电阻R203与电源3(通过插头J32)分别构成三个单端开关电路。绝缘栅晶体管Q1、Q2和Q3的栅极分别通过保护电阻R141、R142和R143和三组驱动信号输出管T39、T41和T41的发射极相连。第一组脉冲发生电路的正负电源的中性点，也就是插头J30脚2与第二组晶体管Q2的发射极相连；同理，插头J31脚2与第三组晶体管Q3的发射极相连，±1600V、25ns从晶体管Q1的发射极输出。

试样、保护、计时电路参见图4，该电路用于试样测试及其电路的保护和计时。

试样、机械断开、计时和控制电路由高电压接触器ZJ、继电器Z11和合、分按钮组成(见图4-1)。由±1600V、25ns高压脉冲发生器产生的脉冲电压接到接触器ZJ的接头J33上，J33的另一端接试样C_x及其串联2Ω电阻，2Ω电阻提取短路保护信号由连接插头PL2输出到保护信号处理电路。继电器的触头J38和J45作为接触器ZJ的辅助触头，为手动控制电路和指示灯Lamp所用；继电器的触头J43和J44分别作电子钟自动计时和自动停止所用。

保护信号、电子停振信号、机械断开信号和自动复位的电路(图4-2)，由下列部份组成：芯片OP37组成的放大器，两个芯片LM311分别组成的正、负电压比较器，芯片U52A做成一只倒相器，两个芯片U52A(4011)组成的双稳多谐振荡器，三极管Q52组成的射极跟随器和三极管D52组成自动复位电路。

短路信号由连接插头PL2输入后，经放大器OP37放大、超过6V，正极性或负极性放大信号分别通过两只LM311组成的比较器，比较器输出高电位，经倒相器U52A变成低电位，低电位输入双稳多谐振荡器脚1，使为双稳多谐振荡器翻转，双稳多谐振荡器脚4变成低电位，此电位又使三极管Q52截止，继电器Z8触头J51打开，通过连接插头PL1开断了图4-1中接触器ZJ的电源，达到了机械断开高压脉冲电源和停止计时的目的。

机械断开高压脉冲电源速度慢，为了有效保护发生器，双稳多谐振荡器脚4的低电位信号通过二极管D7和接头J18接到高压脉冲发生器中的接头K18(图3)，使TL494的脚15变成低电位，而立即停止振荡，高压脉冲开关管T39-T41截止。同时，插头J18也接到图2的J18，使直流电源无输出。在双稳多谐振器输出停振和机械断开信号时，继电器Z8的触头J50的闭合，使三极管D52其基极通过电容CAP和电阻RES的积分电路获得高电位，D52导通，双稳多谐振荡器脚6上的电容C52放电，双稳多谐振荡器复位，图4-1中接触器ZJ一端恢复供电，当换掉击穿试样后，电路通过合按钮可重新加压试验。

为了说明电路的工作原理和表示清楚起见，以图4中一路试样、保护和计时电路为例，分别示于图4-1和图4-2中，其他四路电路完全一样。

(1)图4-1是机械接触器、试样、保护信号提取和计时电路。把图3输出的高压脉冲与图4-1高压脉冲的接口相连(J33)，如图4-1所示，J33另一个触头与试样Cx相连，J33接触器由12伏的电路控制，以手动进行接通和断开的。过载信号是通过图4-2电路，切断接口PL1上的12V电源，使接触器J33触头开断的。

图4-1中示出计时的电子钟，把电子钟接口J45和电路的J45相连，当合上接触器ZJ和继电器Z11时，接触器触头J33和继电器触头J44闭合，电子钟开始记录时间，当试样击穿，继电器Z11动作，触头J44打开、J43闭合，电子钟停上计时，并保持已记录的时间，闭合按钮K11电子钟清除记录时间。

(2)图4-2是保护信号的工作电路。把图4-1中接口PL2与图4-2的PL2相连，当图4-1中试样Cx击穿时，在与试样串联的2欧电阻上获得一短路信号，短路信号经图4-2中OP37放大后，正负短路信号分别到达电压比较器，比较器输出高电位，迫使双稳多谐振荡器翻转，脚4变为低电位，通过插头J18与图3和图2中J18相连，使直流电源无输出，使TL494停振，另一路低电位使三极管Q52载止，断电器Z8动作，触头J51由闭合变成断开，由于接口PL1图4-1中PL1相连，接触器ZJ和继电器Z11断电，触头J33开路，试样与高压脉冲源断路。

从图4-2也可见，当继电器触头J50因过载而闭合后，电源+12V通过10k电阻向三极管9013的基极充电，充电到一定时间(0.6秒)后，三极管9013导通，双稳多谐振荡器6脚上的电容器放电，双稳多谐振荡器翻转，恢复原来状态。

图5是在负载160pC下，脉冲的电压上升的波形图，高压脉冲的上升时间，从负值到正值，上升时间50.45ns，一般定义上升时间是从零值到正值的时间，因此脉冲上升时间为25ns。一般漆包线绞线试样的电容量约25pC，五个试样的总电容量约125pC，因此，图5代表高压脉冲发生器在全负载下的输出波形。根据脉冲上升时间的定义，是脉冲幅度从10％上升到90％的时间，因此脉冲上升时间是图5中示波器自动测量值的二分之一，即25ns。

图6是重复频率20kHz下脉冲的波形图，如图可见在空载下的脉冲上升时间。

本发明以多级幅值较低的脉冲发生器相互串联形成高幅值的脉冲；以普通开关电源集成控制器发生的方波，经过陡化电路后形成上升时间为25ns、重复频率20kHz的方波，经多路光电耦合形成多路同步方波，作为多级脉冲发生器中功率管的驱动信号；以半桥开关电路和以三(或多)只高频变压器并联或一组原边、三(或多)组付边的一只高频变压器，实现直流-高频-直流的变流技术，供多级脉冲发生器所用，调节开关电源集成控制器输出方法的宽度，进行输出直流电压的调节；以快速停振脉冲发生器和机械断开脉冲电路两种方式，防止试样击穿给电路帶来的损坏；以加压和机械断开电路分别控制计时钟的起动和停止，实现自动计时功能；以机械断开电路连动放电电路，实现快速停振电路的自动复位。

Claims

1.一种绝缘脉冲耐电强度测试装置，其特征在于，该装置的电路部分包括：

可调直流电源，用于提供电路中所需的可变直流电压；其中包括由三相桥式整流电路，半桥开关电源电路和三只并联的高频变压器分别获得三组正负直流高压，供三个脉冲形成电路所用；还有8组直流20V电源和一组直流12V电源；

2.如权利要求1所述的种绝缘脉冲耐电强度测试装置，其特征在于，所述半桥开关电源电路由至少三个高频变压器和开关管Q_m1、开关管Q_m2及电容C₁、电容C₂组成，开关管Q_m1和开关管Q_m2的交替导通在三个高频变压器的三个副边获得高频电压。

3.如权利要求1所述的种绝缘脉冲耐电强度测试装置，其特征在于，所述开关电源集成控制器输出的方波信号及其陡化电路由开关电源集成控制器、三极管、三只光耦、三路方波陡化放大器和偏置电压、稳压器保护电路组成，三只光耦P4-P6由同一三极管驱动，以保证信号同步。