用于变频电机绝缘测试的PWM电压发生器

赵明，周群，王鹏，余铁钞，吴天强

(四川大学 电气信息学院，成都 610065)

0 引 言

变频电机工作在经电力电子器件斩波的高频脉冲电压下，绝缘过早失效的现象时有发生[1-2]。目前，在变频电机绝缘评估中大多使用重复脉冲方波电压模拟变频器输出的PWM电压，研究重复脉冲方波上升时间[3-4]、占空比[5-6]、频率[7-9]等参数对变频电机绝缘的影响。但是变频电机在实际运行时，定子端部承受的是变频器输出的脉宽调制电压，脉宽调制电压的开关频率、基波频率、脉冲占空比动态变化，如果能在脉宽调制电压下开展变频电机绝缘评估实验，可以得到更加贴近实际的评估结果[10]。

为了研究变频电机绝缘过早失效的机理，国内外学者广泛采用的方法是在与变频器输出电压类似的脉冲电源下开展与变频电机绝缘相关的实验，其中部分学者直接使用工业变频器作为脉冲电源进行试验[11-12]，以模拟变频电机实际运行时的电应力，然而工业变频器直流母线电压固定，开关频率与正弦波频率比值固定不能任意调节，难以满足实验需要。而直接输出式脉冲电源通过控制MOSFET、IGBT等电力电子器件的开关状态直接输出高压脉冲，具有参数调节范围大、技术原理成熟、控制系统简单等优点，得到越来越广泛的应用。

研究设计了一台基于现场可编程门阵列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA)和高速固态推挽开关的直接输出式PWM脉冲电压发生器，该脉冲电压发生器既可以输出模拟实际的正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulated，SPWM)电压和空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulated，SVPWM)电压以开展PWM电压下的变频电机绝缘评估实验和型式鉴定实验，又可以输出重复脉冲方波电压以便和PWM电压下的测试结果进行对比。

1 系统总体设计及参数选择

用于变频电机绝缘测试的直接输出式PWM电压发生器原理如图1所示。脉冲电源工作过程为：从正负高压直流电源+HVDC、-HVDC输出的直流高压经过滤波电容C1、C2，均压电阻R1、R2后为高速固态推挽开关提供双极性高压直流电源；基于FPGA的脉冲信号发生器为固态推挽开关提供SPWM、SVPWM和重复脉冲方波触发信号；固态推挽开关在触发信号驱动下对正负直流高压斩波输出双极性高压脉冲；1 000:1高压探头为示波器提供采样信号，同时也为试样击穿保护模块提供监控信号；基于FPGA的击穿保护模块实时监控来自高压探头的电压信号，如果发生试样击穿则停止输出推挽开关触发信号并断开KA1、KA2、KA3切断推挽开关的高压直流电源和工作电源。

图1 PWM脉冲电源工作原理

低压变频器大都采用正弦脉宽调制或者空间矢量脉宽调制，电力电子器件的开断速度一般在0 ～ 20 kHz之间，基波频率一般在0 ～ 200 Hz之间，线电压大多为380 V或660 V。据此，本设计选择SPWM和SVPWM两种脉宽调制方式，PWM波基波频率0 ～ 200 Hz、开关频率0 ～ 20 kHz、脉冲幅值0～3 kV，脉冲电源参数如表1所示。

表1 脉冲电源主要参数指标

2 PWM脉冲电压发生器的搭建

2.1 SPWM电压的产生

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，在FPGA中是正弦波和三角波离散幅值的比较[13-14]。本研究中，根据直接数字合成法原理产生SPWM触发信号，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(Read-Only 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[15-16]。图2为FPGA中产生SPWM触发信号的程序模块视图。

图2 产生SPWM触发信号代码模块视图

SPWM电压产生过程如下：

(1)通过按键设定基波频率、开关频率、调制深度;

(2)计算取波形数据的频率。调用时钟发生器模块，产生取正弦波和三角波波形数据的时钟，时钟脉冲如图3所示;

图3 寻址波形数据的时钟

(3)根据设置调制深度调节正弦波的幅值，正弦波幅值的调节如图4所示;

图4 经过0.7倍幅值变换的正弦波

(4)在取正弦波数据时钟和取三角波数据时钟的驱动下，从各自的ROM区中取波形数据，生成期望频率的正弦波和三角波。图5所示为对波形离散数据的读取;

图5 波形离散数据的读取

(5)比较正弦波和三角波幅值，产生SPWM触发信号，如果三角波幅值小于正弦波则输出高电平，反之，则输出低电平。SPWM信号的产生如图6所示;

图6 SPWM信号的产生

(6)固态推挽开关在触发信号的驱动下输出双极性SPWM电压。图7所示为一个调制周期的SPWM电压。

图7 一个调制周期的SPWM电压

2.2 SVPWM电压的产生

SVPWM 调制以伏秒平衡原理为理论基础，即通过对相邻电压矢量作用时间的调制，使其等效平均值与合成电压矢量相等[17-18]。将变频器输出的三相电压等效为一个空间上的旋转电压，整个矢量空间由六个扇区组成，任意扇区中的合成电压，均可视为是零矢量和该扇区两个非零矢量在时间上的不同组合。两个非零矢量的作用时间在一个采样周期内分多次施加，合成电压矢量在空间上按接近圆形轨迹旋转[19]。电压矢量的合成如图8所示。

图8 电压矢量的合成

SVPWM电压产生过程如下：

(1)首先将一个周期的正弦波和余弦波分别离散为3 600个8位二进制数，保存在FPGA的ROM中;

(2)设定所需SVPWM电压的载波频率、调制波频率、调制深度，根据所设定的载波频率和调制波频率计算取波形数据的频率以及每两次取值间的地址增量。频率值的设定及地址增量的计算如图9所示。

图9 频率值的设定及地址增量的计算

(3)调用任意频率发生器产生取波形数值的时钟，在该时钟下从ROM中取正、余弦值。图10所示为对扩大10 000倍的正余弦值的寻址;

图10 对正、余弦数值的寻址

(4)在每个开关周期使用正余弦值计算决策因子|X|、|Y|、|Z|的值，并判断合成电压矢量所处的扇区，计算结果如图11所示;

图11 |X|、|Y|、|Z|及扇区N的计算

(5)计算扇区基本矢量导通时间t1、t2，并判断是否发生过调制，如果发生过调制则做等比例变换，使合成矢量回到空间矢量正六边形的内切圆内;

(6)使用t1、t2计算三相开关的切换点时间TCMPA、TCMPB、TCMPC，其仿真波形如图12所示，从图12中可见TCMPA、TCMPB、TCMPC为SVPWM典型的马鞍形调制波。

图12 TCMPA、TCMPB、TCMPC仿真波形

(7)固态推挽开关在SVPWM触发信号的驱动下对直流电压斩波，输出SVPWM电压脉冲。图13所示为高压脉冲发生器所输出的SVPWM电压。

2.3 重复脉冲方波电压的产生

为了便于开展国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)针对Ⅰ型(散嵌绕组)变频电机的绝缘系统提出的检测标准IEC 60034-18-41下的实验，将PWM电压下的实验结果和重复脉冲方波电压下的实验结果进行对比，并尽量提高实验数据的一致性，本研究设计的PWM脉冲电压发生器同时具有输出重复脉冲方波电压的功能，输出脉冲占空比1%～99%可调、脉冲频率1 kHz～20 kHz可调。

调节占空比的原理是在每个开关周期使用门限值对直角三角波进行调制，FPGA中产生重复脉冲方波触发信号程序模块如图14所示。

图14 重复脉冲方波触发信号的产生

参数可调的重复脉冲方波电压产生过程如下;

(1)通过按键设置脉冲方波的频率和占空比;

(2)根据设定的脉冲频率计算产生直角三角波所需时钟频率，直角三角波的幅值变化为1～100，所以所需时钟频率为100倍脉冲频率;

(3)调用任意频率发生器产生所需时钟;

(4)在(3)所述时钟下产生直角三角波，在每一个时钟上升沿三角波幅值加一，若幅值到达100则清零重新累加;

(5)根据设定的脉冲占空比设定调制门限值，门限值与所需占空比相等，例如期望脉冲占空比为45%，则门限值为45；

(6)在每个开关周期内使用门限值对直角三角波调制，当三角波的值大于门限值时输出为0，反正输出为1。门限电压对直角三角波的调制如图15所示；

图15 门限电压对直角三角波的调制

(7)固态推挽开关在(6)中所述触发信号的驱动下对正负直流高压斩波，输出频率和占空比可变的双极性重复脉冲方波电压。

3 SPWM电压下的局部放电测试

使用该脉冲电压发生器开展了变频电机电磁线在SPWM电压下的局部放电测试，实验硬件还包括示波器、高频脉冲电流传感器、PDcheck局部放电检测仪。实验中使用图4 所示SPWM电压，使用高频脉冲电流传感器提取局部放电信号。图16为一个调制波周期内检测到的脉冲电流信号相位-幅值图。

图16 SPWM波下局放检测相位模式图

实验结果表明：受推挽开关开断的影响，在每一个脉冲的上升沿和下降沿都会在传感器中耦合出一个干扰信号，如图17所示。

图17 干扰和局部放电信号

图18为脉冲信号的时频聚类图，从图19中可以看出干扰信号在整个频域内均有分布，而局部放电信号主要集中在高频区间，这与文献[4]中研究结果一致。图19为去除开关开断干扰后的局部放电相位模式图，由图19中可见电磁线局部放电主要发生在每个调制波周期的90°和270°附近，即脉冲持续时间最长的部分，并且放电幅值和次数具有对称性。

图18 SPWM波下局放检测时间-频率模式图

图19 去除开关开断干扰后的局放检测相位模式图

4 结束语

设计了一台用于变频电机绝缘测试的直接输出式PWM脉冲电压发生器，能够输出工业变频器广泛使用的SPWM电压和SVPWM电压,以及目前绝缘测试中广泛使用的重复脉冲方波电压，有利于拓宽变频电机绝缘研究的范围、提高绝缘评估的准确性和测试数据的一致性。

(1)设计了以FPGA为核心的脉冲信号发生器，输出载波频率、调制波频率可调的SPWM波和SVPWM波以及频率、占空比可调的重复脉冲方波;

(2)以高速固态推挽开关为核心搭建了脉冲电源的强电回路，在来自脉冲信号发生器的触发信号驱动下，输出相应的PWM电压或者重复脉冲方波电压;

(3)使用该脉冲电压发生器开展了SPWM电压下变频电机绝缘局部放电实验，验证了该脉冲电压发生器的实用性和可靠性。