Pruebas de sobretensión del motor y dV/dt: Protección de los devanados contra transitorios de conmutación del inversor de SiC

Por qué los inversores de SiC están cambiando los requisitos de aislamiento de los devanados

Los semiconductores de potencia de carburo de silicio cambian entre 2 y 10 veces más rápido que sus predecesores IGBT de silicio. Un MOSFET de SiC en un inversor EV de 400 V u 800 V cambia en menos 100 nanosegundos - un dV/dt (tasa de aumento de voltaje) de 5 a 30 kV/μs en los terminales del motor. El devanado del motor nunca vio este tipo de frente de onda de voltaje en la era de los variadores IGBT convencionales., y el sistema de aislamiento nunca fue diseñado para resistirlo indefinidamente.

El resultado es un modo de falla bien documentado.: La sobretensión hace que el campo eléctrico a través de las primeras vueltas de la primera ranura de la bobina alcance valores de ruptura muy superiores a la clasificación de clase de aislamiento del motor.. Las espiras no fallan inmediatamente: fallan por erosión progresiva de descarga parcial., eventualmente desarrollando cortocircuitos entre espiras que se convierten en cascada en fallas a tierra. El momento del fracaso puede ser 50,000 horas a dV/dt moderado o menos de 1,000 horas a velocidades de conmutación extremas con cables largos entre el inversor y el motor.

Las pruebas de sobretensión del motor y la caracterización dV/dt son las herramientas de validación preventiva que detectan este modo de falla antes de que un motor de producción se envíe a una aplicación de campo..

La física detrás del daño por sobretensión en los devanados del motor

• Distribución de voltaje en bobinas devanadas aleatoriamente.: Cuando llega un pulso de voltaje rápido al terminal del motor, El voltaje no se distribuye uniformemente entre todas las espiras de una bobina.. La primera vuelta, en el extremo de la línea de la bobina, capta hasta el 50-80 % de la amplitud total del pulso en los primeros nanosegundos., mientras las ultimas vueltas no ven casi nada. Esta distribución no uniforme depende de la relación entre la capacitancia entre espiras y la inductancia entre espiras, un parámetro de geometría del devanado que es esencialmente invisible para cualquier prueba de aislamiento de CC o de baja frecuencia..
• Inicio de descarga parcial: Una vez que el voltaje entre espiras excede el voltaje de inicio de descarga parcial (PDIV), Las avalanchas de electrones comienzan a erosionar la superficie del aislamiento.. La descarga parcial no rompe inmediatamente el aislamiento: lo carboniza y lo degrada progresivamente.. En cada borde de conmutación del inversor, ocurre un evento de EP; en 20 Frecuencia de conmutación kHz con SiC, eso es 40,000 Eventos de EP por segundo.
• Amplificación de reflexión de cable: Un cable de motor largo (encima 10 medidores) entre el inversor y el motor actúa como una línea de transmisión. La falta de coincidencia de impedancia en los terminales de entrada del motor hace que el pulso refleje, duplicar efectivamente el voltaje máximo en los terminales del motor en relación con el voltaje de salida del inversor. Este fenómeno de reflexión es la razón por la que los motores con sistemas de aislamiento idénticos pueden fallar rápidamente en instalaciones con cables largos pero sobrevivir indefinidamente en aplicaciones con cables cortos..

Elementos de prueba principales para pruebas de sobrevoltaje de motor y dV/dt

1. Prueba de resistencia a picos de tensión (CEI 60034-18-41)

Un generador de prueba de sobretensión aplica un impulso de alto voltaje, generalmente 1.2 tiempo de subida, 50 Cola μs: entre espiras adyacentes o entre secciones de bobina. El voltaje máximo aplicado está definido por IEC 60034-18-41 basado en el voltaje nominal del motor y la categoría de confiabilidad objetivo. Para un motor de 690V, el nivel de resistencia estándar para el Tipo I (no apto para accionamiento inversor) es 1,300 pico V; Tipo II (Apto para inversor) requiere soportar hasta 2,000 V pico durante cinco pulsos consecutivos sin descarga repentina ni actividad excesiva de PD.

Métricas clave: tensión máxima soportada (V), número de pulsos sin flashover, voltaje umbral de descarga visual (V), PDIV (V).

2. Voltaje de inicio y extinción de descarga parcial (PDIV / PDEV)

Un voltaje de CA aumenta lentamente desde cero mientras un detector de PD (calibrado según IEC 60270) monitorea el terminal de entrada para detectar pulsos de carga. El voltaje al que aparecen por primera vez los eventos de descarga repetibles es el PDIV.; el voltaje al que dejan de disminuir es el PDEV. Para motores destinados a usarse con inversores de SiC en plataformas EV de 800 V, un PDIV arriba 1,600 V a la frecuencia de prueba (normalmente 50-200 Hz) proporciona un margen adecuado. PDIV es muy sensible a la presión del aire: las aplicaciones aeroespaciales requieren mediciones de PDIV en altitud (4 kPa, equivalente a 25 km de altitud según IEC 60034-18-42).

Métricas clave: PDIV (V), PDEV (V), Magnitud de carga PD a voltaje operativo nominal (ordenador personal), PDIV a presión reducida si corresponde (V en 10 kPa).

3. Prueba de resistencia dV/dt

El motor es impulsado por el sistema inversor real. (o un inversor de prueba programado para replicar la velocidad de conmutación objetivo) con carga nominal durante un período prolongado, normalmente entre 500 y 2000 horas, según la categoría de prueba. La resistencia de aislamiento se mide al inicio y en intervalos definidos.. Se registra la resistencia del devanado para detectar el desarrollo de giros cortos.. La prueba se realiza a temperatura elevada. (normalmente 20 °C por encima del límite de clase de temperatura nominal) acelerar los mecanismos de degradación sin cambiar su física.

Métricas clave: resistencia de aislamiento en 0 h, 250 h, 500 h (MΩ); cambio de resistencia del devanado (%); tiempo hasta la resistencia de aislamiento por debajo 1 MΩ (criterio de falla).

4. Prueba de reflexión de longitud del cable

Los terminales del motor están conectados al inversor de prueba a través de longitudes de cable representativas, generalmente 1 metro (base), 10 metro, y 30 m — con la impedancia característica del cable adaptada al cable de producción. La tensión máxima en los terminales del motor se mide con una sonda diferencial de gran ancho de banda. (≥100MHz) en cada longitud de cable mientras el inversor conmuta a dV/dt nominal. La relación entre el voltaje terminal pico y el voltaje de salida del inversor da el coeficiente de reflexión, un resultado anterior 1.8 indica una falta de coincidencia excesiva que requiere terminación de cable, filtro dv/dt, o rediseño de la clase de resistencia a sobretensiones del motor.

Métricas clave: voltaje terminal pico en cada longitud de cable (V), coeficiente de reflexión, dV/dt en terminales del motor (kV/μs), amplitud de voltaje en modo común (V).

5. Prueba de impulso entre vueltas para el control de calidad de la producción

En pruebas de línea de producción., Las bobinas individuales se prueban con un generador de sobretensión de baja energía. (Probador tipo Ecotest) que aplica un impulso de 500 a 2000 V a una bobina mientras monitorea la forma de onda de caída oscilatoria. Una bobina con una entre espiras corta produce una curva de amortiguación característicamente diferente a la de una bobina sana: la frecuencia de resonancia cambia y la caída es más rápida.. Los límites estadísticos de control del proceso se establecen a partir de mediciones de referencia de bobinas en buen estado.. Esta prueba dura menos de un segundo por bobina y es compatible con la integración de la línea de producción totalmente automatizada..

Métricas clave: desviación de la frecuencia resonante desde la línea base (%), coeficiente de correlación de forma de onda versus referencia, sensibilidad de detección de giros cortos (1 vuelta en cortocircuito en N vueltas totales).

Creación de una estrategia de aislamiento de motores para aplicaciones de SiC

No existe una única prueba de sobretensión que reemplace a todas las demás.. Un programa completo de calificación de aislamiento para un motor destinado a ser utilizado con inversores de SiC combina: CEI 60034-18-41 resistencia a sobretensiones para calificación básica, Prueba PDIV para confirmar el margen sobre el dV/dt operativo real, Pruebas de resistencia dV/dt para validar la vida útil en la frecuencia de conmutación objetivo, y pruebas de impulso entre vueltas en cada unidad de producción como puerta de entrada a la calidad de fabricación..

El banco de pruebas debe manejar todo el rango de voltaje: mediciones de PDIV de bajo voltaje en 100 V para pruebas de resistencia a sobretensiones en 3,000+ V — con velocidades de conmutación de hasta 10 kV/μs, y debe descargar de forma segura la energía almacenada entre pruebas. Interbloqueos de seguridad de alto voltaje, Electrónica de detección de PD calibrada., y el software de comparación automatizada de formas de onda son los requisitos funcionales que distinguen una estación de prueba de sobretensiones con capacidad de producción de un generador de impulsos de laboratorio..

Si está calificando un sistema de bobinado de motor para su uso con inversores de SiC, o necesita actualizar las pruebas de aislamiento de su línea de producción desde hipot CA convencional a pruebas con capacidad de sobretensión, habla con nuestro equipo de ingeniería sobre la configuración de prueba adecuada para su clase de voltaje y volumen de producción.