IGBT PWM逆变器供电异步电动机定子绕组中电压应力的分析

设计・研究

ＩＧＢＴ　ＰＷＭ　逆变器供电异步电动机

定子绕组中电压应力的分析

ＤＯＮ－ＨＡ　ＨＷＡＮＧ等（韩国）

【摘要】使用ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器供电时，逆变器和电动机之间阻抗不匹配和高频开关而引起的高电压上升率（ｄｖ／ｄｔ）会造成定子绕组绝缘击穿和电压分布不均匀。

本文研究了ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器驱动的异步电动机定子绕组中电压分布。为了分析定子绕组的不均匀电压，使用有限元法（ＦＥＭ）计算高频参数。从这些参数得到了由分布电容、电感和电阻构成的等效电路。然后使用该等效电路仿真以预测线匝和线圈中的电压分布。还介绍了逆变器上升时间和电缆长度变化对电压分布的影响。为了试验，制造了一台带有一相分接头的３７ｋＷ异步电动机和开关浪涌发生器来分析电压分布。

关键词：ＰＷＭ逆变器；异步电动机；定子绕组；电压分布

中图分类号：ＴＭ３４６＋．２文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－８４１０（２００４）０４－０００８－０５

１引言

绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）器件进行高频开关，不仅提高了效率和改善了高载流子频率产生的电流波形，而且降低了噪声。但逆变器和电动机之间由于阻抗不匹配和高频开关引起的高电压上升率（ｄｖ／ｄｔ）会造成定子绕组绝缘击穿和电压分布不均匀，定子绕组中的这些陡脉冲和不均匀电压将导致局部放电，最后过早击穿。

本文研究了ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器驱动的异步电动机定子绕组每匝中的电压分布。为了计算参数，即定子绕组匝间电阻、电感和电容，提出了逆变器－电缆－电动机的高频等效电路模型，并用二维电磁场分析软件进行分析。根据频率变化，还计算了电阻、电感和电容，以此分析高频开关对定子绕组电压分布的影响。此外，使用电磁程序（ＥＭＴＰ）模拟了ＰＷＭ逆变器驱动的异步电动机定子绕组整个系统。运用了通过开关浪涌发生器具有不同上升时间的各种脉幅和各种长度电缆。

最后，为了测量电压分布，构建和分析了作为脉冲电压源的开关浪涌发生器和一相５匝线圈分接的异步电动机。

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｓｔｒｅｓｓ　ｉｎ　Ｓｔａｔｏｒ　Ｗｉｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ＩＧＢＴ　ＰＷＭ

Ｉｎｖｅｒｔｅｒ－Ｆｅｄ　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　Ｍｏｔｏｒ　Ｓｙｓｔｅｍｓ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：　ＩＧＢＴ　ＰＷＭ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｃｏｎｃｅｒｎｅｄ　ｔｈａｔ　ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ａｎｄ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｎ　ｓｔａｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｄｕｅｔｏ　ｈｉｇｈ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｒｉｓｅ（ｄｖ／ｄｔ）ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｉｍｐｅｄａｎｃｅ　ｍｉｓｍａｔｃｈ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｍｏｔｏｒ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｓｔａｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ　ｄｒｉｖｅｎ　ｂｙ　ＩＧＢＴ　ＰＷＭ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ．　Ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅｉｒｒｅｇｕｌａｒ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｓｔａｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ，　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｉｓ　ｃｏｍｐｕｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｅｔｈｏｄ（ＦＥＭ）．Ａｎ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ　ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｓ，　ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ，　ａｎｄ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｉｓ　ｄｅｒｉｖｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅｓｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．　Ｔｈｉｓ　ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｉｓ　ｔｈｅｎ　ｕｓｅｄ　ｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｒｅｄｉｃｔ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ｔｕｒｎｓ　ａｎｄ　ｃｏｉｌｓ．　Ｔｈｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　ｒｉｓｉｎｇ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ａｎｄ　ｃａｂｌｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，　ａｎ　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ，　５０　ＨＰ，　ｗｉｔｈ　ｔａｐｓ　ｆｒｏｍ　ｏｎｅ　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ａｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｓｕｒｇｅ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ｗｅｒｅ　ｂｕｉｌｔ　ｔｏ　ｃｏｎｓｉｄｅｒ　ｔｈｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ＰＷＭ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ；　ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｍｏｔｏｒ；　ｓｔａｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ　；　ｖｏｌｔａｇｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ

变流技术与电力牵引４／２００４９

ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器供电异步电动机定子绕组中电压应力的分析

２

ＩＧＢＴ　ＰＷＭ　逆变器供电的异步电动机系统

２．１

定子绕组的绝缘系统

异步电动机定子绕组的绝缘系统主要由主绝缘、相间绝缘和匝间绝缘构成。主绝缘或称槽绝缘将绕组与定子铁心隔离，相绝缘使各相有不同的电位。线圈内相邻各匝间的匝绝缘由漆包线和浸渍树脂或清漆组成（图１）。

由于低压异步电动机散绕绕组和大型电机的线圈通常由几根平行导线绕制，很有可能一个线圈匝的始端匝和末端匝相邻。因此整个线圈电压将出现在２根相邻的导线之间。在恶劣的情况下，匝绝缘甚至要承受多个线圈或线圈组的电压降。

２．２ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器供电驱动的电压波形

　　　　图２和图３分别表示ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器驱动异步电动机系统的典型结构和它的电压波形，图３（ａ）表示三相输入交流电源（ＶＲＳ）。电压型逆变器中间电路的直流环节电压（ＵＤ）由电流侧整流器供给，如图３（ｂ）所示。

在逆变器输出端产生电压脉冲，其幅值相应于直流回路电压，如图３（ｃ）所示。由于有电压降，直流环节电压取决于负载条件，并根据功率流向，可以超过或低于其额定值。逆变器输出时电压脉冲的短时上升在电动机电缆上引起行波。如图３（ｄ）所示，电动机电缆两端多次反射在电动机端子上产生振荡的脉冲电压。电动机端电压已转变成电压上升率（ｄｖ／ｄｔ）很

高的过电压。此外，由于电缆漏感和耦合电容（Ｌ－Ｃ）的

分布特性，长电缆有助于破坏电动机端子上的高频阻尼振荡，导致过电压和更大的电动机绝缘应力。

３

高频区异步电动机参数计算

本文采用３７ｋＷ三相鼠笼异步电动机。为了计算电

动机分布的高频参数，使用ＡＮＳＯＦＴ软件包分析电磁场。

为计算匝电阻和电感，使用了ＡＮＳＯＦＴ软件包中有用的涡流电流解算器，为计算电容矩阵，使用了静电分析。这是因为电容值随频率改变不大。在涡流分析中，规定每个导体为一个电流源，在静电分析中，规定每个导体为一个电压源。

３．１３７ｋＷ异步电动机的槽建模

为了分析ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器供电的低压异步电动机定子绕组中电压分布，采用３７ｋＷ　３８０Ｖ异步电动机。

模拟了４８个定子槽中的单个槽，该槽内部由１．２ｍｍ×３和１．１ｍｍ×１导线组成，并联连接。其它相同的线也并联连接，因此导体的总数为９６个。

为精确计算该模型，槽绝缘垫片和顶部槽楔如图４所示。把第１匝到第５匝的电阻值计算为平均值。其

图３ＩＧＢＴ　ＰＷＭ

逆变器供电的驱动系统的电压波形

图１

定子绕组绝缘系统

图２ＩＧＢＴ　ＰＷＭ

逆变器供电驱动系统框图

１０

变流技术与电力牵引４／２００４

ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器供电异步电动机定子绕组中电压应力的分析它匝由匝数乘以平均值计算，因为该值几乎不变，与位置无关。

图５表示用各种频率计算的参数。由此可知，由于集肤效应引起频率上升，电阻相应增加，电感下降。

为了计算导体对地电容，１Ｖ电压源必须用可以计算的导体代替，０Ｖ电压源由其它导体、定子和转子代替。３．２包括电缆的高频等效电路

当ＰＷＭ逆变器供电的异步电动机处于瞬态时，频率非常高，并且由于快速开关，槽内的线圈布置是不规则的。因此，定子模型等效电路应表达成分布的参数电路（见图４）。将第１～５匝模拟成分布参数电路，并将Ａ相和Ｂ相的其它匝模拟成集总电路。分布参数电路由电阻、自感、互感和电容构成。

图６表示第１匝到第５匝运用分布参数的等效电路。因漏电导很小，可忽略不计。导体和地之间的互电容很小，也可忽略不计。但很邻近的导体互电容很高，不能忽略。对电容影响最大的不是频率，而是导体的位置。

和２００ｎｓ，电缆长度为５ｍ，１０ｍ，３０ｍ，５０ｍ和１００ｍ。

采用ＥＭＴＰ得到定子绕组匝对地的电压分布如图８所示。匝对地电压指定子匝和槽之间的电压，类似于逆变器的输出电压。

图９匝间电压幅值（上升时间２００

ｎｓ）

图７ＥＭＴＰ

分析系统模型

变流技术与电力牵引４／２００４１１

ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器供电异步电动机定子绕组中电压应力的分析

５试验结果

为了对定子绕组电压分布进行试验，制造了３７ｋＷ的异步电动机。定子绕组用标准清漆浸渍绝缘。一相的第１匝到第５匝分接头，用来测量电压分布，如图１０所示。引出的５根导线为０．２ｍｍ２单线，引出的接头采用焊接制造。为了防止焊接部分绝缘击穿，使用绝缘特性在２００℃以上的ＫＡＰＴＯＮ绝缘。

图１１

按电缆长度的电压分布

　　　图１２

按上升时间的电压分布

图１１表示相应３００ｎｓ上升时间和５ｋＨｚ开关频率时绕组线匝中试验电压分布与电缆长度变化的关系。当电缆长度为５ｍ时，第１匝的电压与逆变器输出电压非常相似。不过第１匝的电压幅值高于逆变器输出电压１．３倍，如图１２（ｂ）所示。浪涌电压发生在波形的初始部分。

１２

变流技术与电力牵引４／２００４

ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器供电异步电动机定子绕组中电压应力的分析当上升时间为１μｓ（图１２（ａ））的第１匝峰间电压约７２０Ｖ，与逆变器输出电压幅值非常类似，图１２（ｂ）表示高浪涌电压。当逆变器输出电压仍约为７００Ｖ时，第１匝的浪涌电压的峰间幅值为８４０Ｖ。该过电压因逆变器、电缆和电动机中阻抗不匹配而引起电压反射现象。该浪涌电压导致ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器驱动的异步电动机过早失效。

图１３表示按开关频率变化的电压分布。开关频率的影响不大。

６结语

本文分析了ＩＧＢＴ　ＰＷＭ逆变器驱动的低压异步电动机定子绕组中的电压分布。为了分析电压分布，提出了一个线圈的槽模型和等效电路。在异步电动机中设有电压测量接头。仿真和试验的电压分布特性表明，

第１匝的电压一般比其它匝高，且当上升时间快时，电压幅值增加。如果线圈第１匝和出线端的最后一匝在槽中互相靠得很近（这可能在散绕电机上出现），则在隔离２匝线圈的薄涂层上瞬间产生的电压应力可能引起一段时间内的介质击穿，继而降低绝缘系统的寿命。

此外，随着逆变器和电动机之间电缆长度的增加，异步电动机电压也增加。当考虑到这些结果时，要求能承受浪涌电压的异步电动机。

（参考文献１０篇略）

译自《Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｘｔｈ　ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｍａｃｈｉｎｅｓ　ａｎｄ

ｓｙｓｔｅｍ》２００３，Ｖｏｌ．Ⅱ译者：谭兴进校者：姚永康

加拿大Ｂａｃｈ－Ｓｉｍｐｓｏｎ　公司最近开发了一种新的被称为　“黑匣子”的５４０００型数据记录装置。从其功能来看，它类似于飞机上用的黑匣子，但却是为铁路运输专门研制的。

５４０００型数据记录装置用来存储列车运行过程、所消耗的燃料或电能、车载设备的状态等相关数据。此外，它还可以监控所有车载系统的工作情况。为此，安装了ＷｉｎＤＡＳ　软件。该软件还能对数据进行处理和图解分析。

用磁盘或者ＰＣ卡作为信息存储器。利用存储器，可以将车载设备的有关数据传给技术检查站或机务段，以便及时做好采取必要预防或修理措施前的准备。为远程传输数据，存储器还设有带无线电通信系统的接口。

全套数据记录装置包括对司机来说必不可少的模

加拿大研制出一种新的铁路运输用“黑匣子”

拟和数字显示的仪器仪表，例如位于司机台上速度表、电流表、电压表和压力表等，以及与这些及其他一些仪表连接的外部设备。作为一种完善的数据记录装置，它可以与全球卫星定位系统（ＧＰＳ）兼容，不间断地给出列车在线路上实际所处位置的信息，并与运行图中预先设定的当时的数据进行比较。

此外，数据记录装置还集成了报警信号系统（ＰＡＳ）和司机警觉性监控装置（ＴＭＳ）。报警信号系统能在设备参数接近极限值时发出报警信号，而司机警觉性监控装置可以防止与人为因素相关的误操作，并投入紧急制动。这种数据记录装置具有防振性能好、工作温度范围宽等优点，因而能适应铁路机车车辆上的使用条件。

　谭学斌译自《Желез．дор．мира》２００４，№３

Ｂｏｍｂａｒｄｉｅｒ公司与俄罗斯Ｎｏｗｏｃｈｅｒｋａｓｓｋ机车厂

（ＮＥＶＺ）签订了一项合同，即为继续生产的ＥＰ１０客运双流制电力机车提供电气设备和传动技术。该项合同是在第一台ＥＰ１０机车在俄罗斯铁路上成功通过试验后签订的，合同额约为２２００万欧元。这批机车在Ｎｏｗｏｃｈｅｒｋａｓｓｋ机车厂制造，将于２００４￣２００５年交付俄罗斯铁路。它们将既用于直流制线路，也用于交流制线路。

２００３年５月Ｂｏｍｂａｒｄｉｅｒ公司与俄罗斯机车制造工业达成协议，开发干线机车。其目的是在俄罗斯合作生

产三相交流传动机车。

Ｂｏｍｂａｒｄｉｅｒ公司与Ｎｏｗｏｔｓｃｈｅｒｋａｓｓｋ电力机车科学研究设计所合作设计了ＥＰ１０型电力机车。第一台机车在俄罗斯铁路上经过一年的试运，证实了其可靠性。它即可在３ｋＶ直流线路上，也可在２５ｋＶ５０Ｈｚ交流线路上运行。该机车是俄罗斯唯一采用现代三相交流传动技术的双流制系列机车。ＥＰ１０型机车的设计应用了４轴和６轴机车家族的模块式设计平台。

张文茂译自《ｅｂ》２００４，№１／２

Ｂｏｍｂａｒｄｉｅｒ　公司为俄罗斯提供机车设备