汽车行业解决方案
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Automotive Solutions变频电机是一种将控制电路与电机相结合的系统。将交流电源转换为直流电源,并通过高速开关控制转换后的直流电源来操纵电机的速度及电流等。这种系统的优点是比工频电源驱动的电机能源利用效率高。在对能效要求极高的今天,变频器被广泛应用于家用电器和汽车等各个领域。
然而,变频器的高速开关控制给电机施加的用电负荷可能会加速电机的老化。如图 1 所示,变频器的高速开关操作会产生浪涌。这些变频器浪涌的电压有时能达到变频器驱动电压的两倍左右。如果在电机绕组之间瞬间施加超过一定电压的高压,绕组涂层表面就会放电。这就是所谓的局部放电。
为什么会发生局部放电
如图 2 所示,变频电机的基本元件包括转子(Rotor,即旋转部分)和定子(Stator,即固定部分)。定子是通过将绕组插入定子铁芯而形成的。绕组的导体上覆盖着一层漆包线,导线之间相互绝缘。在电机生产阶段,绕了几圈的导线通过绝缘纸与定子铁芯绝缘。生产过程中绝缘纸的移位和破裂、绝缘膜破裂或挤压造成的导线之间的接触以及绕组与定子铁芯之间的接触等都会导致绝缘性能降低,从而发生局部放电。绝缘层中的空隙(由于气泡或杂质导致绝缘材料局部缺失的区域)和导体上的划痕也可能是导致局部放电的原因。
局部放电的危险
在以电动汽车为代表的高压变频电机中,发生局部放电的风险较高。一般来说,如果对没有妥善绝缘的绕组施加超过约350V即会发生局部放电。这意味着,不仅变频驱动电机,高压工业电机等也存在局部放电的风险。电机绕组内若存在绝缘低的地方就会发生局部放电,反复发生则会加速绝缘老化。局部放电导致的绝缘老化会因短路和绝缘击穿而引发严重事故(如火灾等)。
如何检测局部放电?
局部放电可以通过局部放电测试检测出来。如表1所示,局部放电测试有两种类型。由于可检测到绝缘不良的位置不同,所以两种测试都要进行。表1局部放电测试的种类
测试类型 | 说明 | 目的 |
AC 局部放电 (交流 PD) 测试 | 使用交流电压进行的局部放电测试。 由于使用的是 50 赫兹或 60 赫兹高压源(耐压测试仪),与脉冲局部放电测试相比,可以在更长的时间内向被测物施加更高的电压。因此,它适用于检测相间(Phaseto Phase)和绕组与定子铁芯间(Phase to Core)的局部放电。但是,很难检测匝间放电(Turn to Turn),只能在连接中性点后在定子铁芯之间进行测试(Phase toCore)。 | 检查内部电、沿面放电和混杂异物的测试。 |
脉冲局部放电 (脉冲 PD)测试 | 使用脉冲电压进行的脉冲局部放电测试。 无论是在中性点连接的前后,都可以在相与相之间(Phase to Phase)、绕组与定子铁芯之间(Phase to Core)以及同相绕组之间(Turn to Turn)的所有点进行测试。特别是,它还能检测相间绕组之间的放电(Turn to Turn),这在交流 PD 测试中很难做到,因此适用于检测绕组中的轻微故障。 | 对变频器浪涌电压的耐性测试。 |
局部放电会发生在以下场所:
1-同相绕组之间的电压差引起的放电(Turn to Turn)
2-不同相绕组之间的接触引起的放电(Phase to Phase)
3-绕组与定子铁芯之间的接触引起的放电(Phase to Core)
在传统的变频驱动电机生产线中,一直采用绝缘电阻测试、耐压测试和脉冲测试(层间短路测试)来检测电气性能劣化的原因。耐压测试和脉冲测试可以检测出已经发生绝缘击穿的不良产品,但无法检测绝缘击穿前轻微绝缘不良引起的微弱放电。因此,除了常规测试外,还需要具有高精度放电检测性能的局部放电检测仪。通过局部放电测试,在绝缘击穿之前检测出潜在故障,可以进一步提高电机的质量和可靠性。