正弦脉宽调制电压下聚酰亚胺绝缘寿命研究

赵 明，周 群，王 鹏，陈 波，陈君强，吴 琦

（四川大学 电气工程学院，四川 成都 610065）

0 引言

变频电机因其优越的性能和经济性，被广泛应用于高速铁路、舰艇驱动、新能源汽车、工业生产等领域[1-2]。然而，相比传统电机，变频电机工作在高频、快速变化的脉冲电压下，绝缘系统遭受更加严酷的电应力，导致在变频电机实际运行过程中绝缘系统异常而过早失效的现象时有发生[3-4]。

为评估变频电机绝缘性能，国际电工委员会(IEC)建议在重复脉冲电压下对变频电机绝缘系统进行耐电晕寿命测试，作为评估电机绝缘性能的基本依据之一[5-6]。

目前的研究主要集中在重复方波电压参数(频率[7]、上升时间[8-9]、占空比[10]、极性[11-12])对耐电晕寿命的影响，然而在变频电机实际运行时，定子端部承受的是变频器输出的脉宽调制(pulse width modulated，PWM)波电压，PWM波的载波频率和调制波频率随电机工况的变化而不断变化，相应地，电压脉冲的占空比也处在动态的变化之中[13]。对于关键领域的变频电机，为了更准确地评估电机绝缘系统寿命，除了按照IEC和国家标准推荐的流程进行绝缘测试之外，还应该尽可能地使用与变频电机实际运行时一致的PWM波进行绝缘测试，将两种测试结果进行对比分析，得到更加准确可靠的电机绝缘评估结果[14]。

聚酰亚胺薄膜具有优良的耐高低温性能、电气绝缘性能以及力学性能，广泛应用于变频电机的匝间绝缘和槽绝缘，但电机端部过电压产生的电晕放电会导致绝缘材料快速老化，导致绝缘过早失效[15]。

本研究搭建正弦脉宽调制波测试平台，在不同载波频率和调制波频率的SPWM波电压以及占空比为10%、50%的重复脉冲方波电压下对聚酰亚胺薄膜的耐电晕寿命进行测试，并将SPWM波下和重复方波脉冲下的耐电晕寿命测试结果进行对比，分析SPWM波不同开关频率和基波频率对变频电机绝缘耐电晕寿命的影响规律，以及用重复方波脉冲来代替SPWM波进行绝缘评估的可行性，为更加准确地评估变频电机的绝缘寿命提供理论和实验依据。

1 实验平台与实验条件

变频电机绝缘耐电晕寿命测试系统如图1所示，该系统主要由高压脉冲发生器、SPWM触发信号发生器、击穿保护模块、击穿计时模块、示波器、高压探头、温湿度控制箱和试样等组成。

工业变频器输出的PWM波根据调制方式的不同分为正弦脉宽调制波(SPWM)和空间矢量脉宽调制波，电力电子器件的开断速度在0～20 kHz，为了避免3次谐波，变频器载波频率均为3的倍数。据此，本实验选取SPWM波作为测试波形，载波频率分别为 6、12、18 kHz ，调制波频率分别为10、50、100、150、200 Hz。此外，为了考查不同占空比的重复脉冲方波在绝缘评估中对于SPWM波的模拟效果，测试占空比为10%、50%，频率为6、12、18 kHz的重复脉冲方波电压下的耐电晕寿命，系统参数如表1所示。

图1 耐电晕寿命测试系统Fig.1 Corona resistance lifetime test system

表1 耐电晕寿命测试系统参数Tab.1 Corona resistance lifetime test system parameters

为模拟单个接触点并产生沿面放电，测试试样采用非耐电晕聚酰亚胺薄膜，薄膜厚度为0.05 mm。为了避免实验结果的偶然性，每组特定频率测试5个试样。为防止试样表面污垢影响实验结果，在实验前需用无水酒精清洗试样表面，并提前将试样置于40℃烘箱中干燥2 h，以清除试样表面水分。测试时，将试样置于恒温恒湿箱（40℃、25% RH）中，以排除环境温度和湿度对实验结果产生干扰。

2 SPWM波的产生

本研究中，根据直接数字合成法原理[16]，使用ALTERA公司的EP4CE15F23C8现场可编程门阵列芯片(field-programmable gate array，FPGA)产生SPWM波触发信号。产生SPWM波形的基本原理是比较三角载波和正弦调制波的幅值大小，如果三角波幅值大于正弦波则输出低电平，反之，则输出高电平[17]。在FPGA中，是正弦波和三角波离散数据的比较，事先将一个周期的正弦波和三角波进行数字化离散后存放在FPGA的只读存储器(readonly memory，ROM)中，工作时根据三角波频率和正弦波频率从ROM中循环取值进行比较，输出相应的SPWM波[18]。每个波形数据用8位二进制数来表示，其取值范围从00到FF，每个波形周期用256个点来表示，因此，地址也是8位的，其取值范围也是从00到FF。FPGA产生SPWM波触发信号原理的如图2所示。

图2 FPGA产生SPWM波触发信号原理图Fig.2 Schematic diagram of SPWM wave generated by FPGA

其工作过程如下：

（1）通过按键设定调制波频率和载波频率值。

（2）分别计算取正弦波和三角波数据的频率。因为在FPGA中一个周期的三角波和正弦波用256个离散数据表示，所以取数据的频率为正弦波和三角波频率的256倍。

（3）调用任意频率发生器模块，根据正弦波和三角波取数据的频率分别产生相应的时钟。

（4）在上述时钟的驱动下分别从正弦波和三角波的ROM区取各自的波形数据。图3为FPGA产生的正弦波和三角波波形。

图3 FPGA产生的正弦波和三角波波形Fig.3 Sine and triangle waveforms generated from FPGA

（5）将上述波形数据进行比较，产生SPWM波触发信号，并将触发信号输出到固态推挽开关驱动其工作，产生双极性SPWM波电压。图4为高压脉冲发生器输出的双极性SPWM波电压，其中，载波频率为6 kHz，调制波频率为100 Hz。

图4 高压脉冲发生器输出的SPWM电压Fig.4 SPWM voltage output by high voltage pulse generator

3 实验结果与分析

3.1 SPWM波下的耐电晕寿命

聚酰亚胺薄膜在SPWM波下的耐电晕寿命测试结果如图5和图6所示。

图5 耐电晕寿命与SPWM波开关频率的关系Fig.5 Relationship between corona resistance lifetime and SPWM wave switching frequency

图6 耐电晕寿命与SPWM基波频率的关系Fig.6 Relationship between corona resistance lifetime and SPWM wave fundamental frequency

由图5可以看出，在每一个基波频率下，耐电晕寿命均随开关频率的增加而降低。开关频率越低，不同基波频率下的耐电晕寿命差异越大，开关频率越高，不同基波频率下的耐电晕寿命差异越小。

由图6可以看出，在3个开关频率下耐电晕寿命均以基波频率100 Hz为转折点：在100 Hz以下，耐电晕寿命随基波频率的增加而下降，下降曲线较为平坦；在100 Hz以上，耐电晕寿命随基波频率的增加而上升，上升曲线较为陡峭。不同基波频率下耐电晕寿命整体随开关频率的增加而降低，降低的速度随开关频率的增加而放缓；在开关频率较低时，耐电晕寿命较长但波动性较大，在开关频率较高时，耐电晕寿命较短但波动性较小。

3.2 10%占空比重复脉冲方波与SPWM波下耐电晕寿命的比较

图7为10%占空比重复脉冲方波与不同基波频率SPWM波下耐电晕寿命随开关频率变化的曲线。

图710 %占空比重复脉冲方波与SPWM波下的耐电晕寿命对比Fig.7 Comparison of the corona resistance lifetime under 10% of duty cycle repetitive pulse square wave and SPWM wave

由图7(a)可以看出，当基波频率小于100 Hz时，在开关频率为18 kHz时，10%占空比重复脉冲方波下的耐电晕寿命与基波频率分别为10、50、100 Hz时的耐电晕寿命几乎相等；当开关频率为12 kHz时，10%占空比重复脉冲方波下的耐电晕寿命小于基波频率为10 Hz、50 Hz时的耐电晕寿命，但大于基波频率为100 Hz时的耐电晕寿命；当开关频率为6 kHz时，10%占空比重复脉冲方波下的耐电晕寿命大于基波频率为10、50、100 Hz时的耐电晕寿命。

由图7(b)可以看出，当基波频率大于100 Hz时，10%占空比重复脉冲方波下各频率点处的耐电晕寿命均小于SPWM波下相应频率点处的耐电晕寿命。

由以上分析可知，10%占空比重复脉冲方波在开关频率小于12 kHz时不能用于模拟SPWM波预测变频电机绝缘的耐电晕寿命。

3.3 50%占空比重复脉冲方波与SPWM波下耐电晕寿命的比较

图8为50%占空比重复脉冲方波与不同基波频率SPWM波下耐电晕寿命随开关频率变化的曲线。

图850 %占空比重复脉冲方波与SPWM波下耐电晕寿命均值的对比Fig.8 Comparison of the corona resistance lifetime under 50% of duty cycle repetitive pulse square wave and SPWM wave

由图8可以看出，50%占空比重复脉冲方波下的耐电晕寿命曲线与基波频率为100 Hz时的耐电晕寿命曲线几乎重合，在每一个开关频率处，50%占空比重复脉冲方波下的耐电晕寿命均最短，5种基波频率下的耐电晕寿命曲线均在50%占空比重复脉冲方波下耐电晕寿命曲线的上侧，因此，50%占空比重复脉冲方波可以用于模拟SPWM波预测变频电机绝缘的耐电晕寿命。

为了进一步分析不同开关频率、基波频率SPWM下以及50%占空比重复脉冲方波下聚酰亚胺薄膜耐电晕寿命结果的分散性，将每组实验条件下的耐电晕寿命结果作箱线图，结果如图9所示。

图9 不同开关频率下耐电晕寿命统计特性Fig.9 Statistical characteristics of corona resistance lifetime at different switching frequencies

从图9中可以看出：（1）在同一个开关频率下，5种不同基波频率SPWM波下耐电晕寿命数据的分散性均大于50%占空比重复脉冲方波电压下耐电晕寿命数据的分散性，说明50%占空比重复脉冲方波并不能准确地反映SPWM下耐电晕寿命结果的统计特性。这就能解释为什么有的变频电机在重复脉冲方波电压下按照IEC流程进行绝缘测试中具有很好的性能表现，但是在实际使用中仍然会发生超出预期的绝缘过早失效现象。

（2）在相同的开关频率下，当基波频率小于等于100 Hz时，耐电晕寿命结果具有较大的分散性，而当基波频率大于100 Hz时，耐电晕寿命结果具有较小的分散性。

（3）在3种不同的开关频率下，在基波频率为100 Hz处，耐电晕寿命结果均具有较大的分散性。

（4）对于基波频率10 Hz、50 Hz而言，当开关频率为6 kHz时，耐电晕寿命最长但分散性也最大；当开关频率为12 kHz时，耐电晕寿命次之但是具有最好的集中性。

（5）对于基波频率150 Hz、200 Hz而言，当开关频率为6 kHz时，耐电晕寿命不仅最长而且具有很好的集中性。

变频电机运行中，基波频率小于50 Hz对应的是电机的恒转矩运行阶段，基波频率大于50 Hz对应的是电机的恒功率运行阶段[19]。根据以上分析，变频电机在实际运行中可以综合考虑绝缘系统耐电晕寿命的长短和分散性，结合对变频器的设置来尽量提高绝缘系统的综合性能：减少在其基波频率转折点附近运行的时间；在恒转矩运行阶段，使开关频率为12 kHz；在恒功率运行阶段，使基波频率大于150 Hz。

4 基波频率转折点产生原因

与重复脉冲方波电压相比，SPWM电压最大的变化是占空比不固定，在SPWM电压基波的每个半周期中，电压脉冲的占空比先从小到大，再从大到小逐渐变化。在开关频率固定的情况下，不同基波频率下每个基波周期内包含的脉冲数不一样，每个基波周期内电压脉冲的占空比主要成分也不同。图10(a)为开关频率为6 kHz、基波频率为50 Hz时，半个基波周期内的SPWM电压脉冲；图10(b)为开关频率为6 kHz、基波频率为200 Hz时，半个基波周期内的SPWM电压脉冲。由图10(a)和10(b)可以看出，当基波频率为50 Hz时电压脉冲的占空比较低，而基波频率为200 Hz时电压脉冲的占空比较高。文献[10]研究表明，脉冲电压占空比会影响局部放电特性，因此可以推断耐电晕寿命出现基波频率拐点的原因可能为：基波频率变化引起脉冲占空比变化，脉冲占空比会变化引起局部放电特性变化，局部放电特性变化引起聚酰亚胺薄膜电老化速率的变化，从而导致耐电晕寿命发生波动。为了验证此推断，使用红外热成像仪测量了各频率点处试样与电极接触点的温度，结果如图11所示，此温升主要由局部放电能量引起。

图10 不同基波频率下的SPWM电压脉冲Fig.10 SPWM voltage pulse at different fundamental frequency

图11 电极放电点处温度与基波频率的关系Fig.11 Relationship between temperature and fundamental frequency at discharge point of electrode

由图11可以看出，温度随基波频率变化的趋势与图6中耐电晕寿命随基波频率变化的趋势大致对称，证明基波频率的变化引起了局部放电能量的变化。

5 结论

在不同开关频率和基波频率的SPWM波电压以及不同占空比的重复脉冲方波电压下对聚酰亚胺薄膜的耐电晕寿命进行测试，并将测试结果进行对比，得出以下结论：

（1）耐电晕寿命随开关频率的增加而下降。

（2）耐电晕寿命具有基波频率转折点，在转折点处耐电晕寿命最短且耐电晕寿命结果分散性最大。因此，对于关键领域的变频电机，应在与其驱动波形一致的PWM波下进行绝缘测试，确定其基波频率转折点，在实际运行过程中尽量减少在其基波频率转折点附近运行的时间。

（3）50%占空比的重复脉冲方波可以用于代替SPWM波预测耐电晕寿命的长短，但不能准确反映其统计特性。

（4）变频电机在实际运行中可以尝试通过限定不同运行阶段变频器开关频率和基波频率的范围，以获得绝缘性能和动力性能的最佳平衡。