Test di sovratensione del motore e test dV/dt: Protezione degli avvolgimenti dai transitori di commutazione dell'inverter SiC

Perché gli inverter SiC stanno cambiando i requisiti di isolamento degli avvolgimenti

I semiconduttori di potenza in carburo di silicio commutano 2-10 volte più velocemente rispetto ai loro predecessori IGBT in silicio. Un MOSFET SiC in un inverter EV da 400 V o 800 V si attiva 100 nanosecondi: un dV/dt (velocità di aumento della tensione) di 5–30 kV/μs ai terminali del motore. L'avvolgimento del motore non ha mai visto questo tipo di fronte d'onda di tensione nell'era dei tradizionali azionamenti IGBT, e il sistema di isolamento non è mai stato progettato per resistere indefinitamente.

Il risultato è una modalità di errore ben documentata: la sovratensione fa sì che il campo elettrico attraverso le prime spire della prima fessura della bobina raggiunga valori di rottura molto superiori alla classe di isolamento del motore. Le svolte non falliscono immediatamente: falliscono per progressiva erosione da scarica parziale, eventualmente sviluppando cortocircuiti turn-to-turn che si riversano in guasti a terra. Il momento del fallimento può essere 50,000 ore con dV/dt moderato o inferiore a 1,000 ore a velocità di commutazione estreme con cavi lunghi tra inverter e motore.

Il test della sovratensione del motore e la caratterizzazione dV/dt sono gli strumenti di convalida preventiva che rilevano questa modalità di guasto prima che un motore di produzione venga spedito in un'applicazione sul campo.

La fisica dietro i danni da sovratensione negli avvolgimenti del motore

• Distribuzione della tensione in bobine avvolte casualmente: Quando un impulso di tensione veloce arriva al terminale del motore, la tensione non si distribuisce uniformemente su tutte le spire di una bobina. La prima spira, all'estremità della linea della bobina, rileva fino al 50–80% dell'intera ampiezza dell'impulso nei primi nanosecondi, mentre alle ultime svolte non si vede quasi nulla. Questa distribuzione non uniforme dipende dal rapporto tra la capacità tra spire e l'induttanza tra spire, un parametro della geometria dell'avvolgimento che è essenzialmente invisibile a qualsiasi test di isolamento CC o a bassa frequenza.
• Avvio della scarica parziale: Una volta che la tensione da svolta a svolta supera la tensione di inizio scarica parziale (PDIV), valanghe di elettroni iniziano a erodere la superficie isolante. Lo scarico parziale non distrugge immediatamente l'isolamento, ma lo carbonizza e lo degrada progressivamente. Ad ogni fronte di commutazione dell'inverter, si verifica un evento PD; A 20 Frequenza di commutazione kHz con SiC, questo è 40,000 Eventi PD al secondo.
• Amplificazione della riflessione del cavo: Un lungo cavo motore (Sopra 10 metri) tra inverter e motore funge da linea di trasmissione. Il disadattamento di impedenza sui terminali di ingresso del motore provoca la riflessione dell'impulso, raddoppiando efficacemente la tensione di picco sui terminali del motore rispetto alla tensione di uscita dell'inverter. Questo fenomeno di riflessione è il motivo per cui i motori con sistemi di isolamento identici possono guastarsi rapidamente su installazioni con cavi lunghi ma sopravvivere indefinitamente su applicazioni con cavi corti.

Elementi di test fondamentali per la tensione di picco del motore e il test dV/dt

1. Test di resistenza alle sovratensioni (CEI 60034-18-41)

Un generatore per test di sovratensione applica un impulso ad alta tensione, in genere 1.2 tempo di salita in μs, 50 Coda μs: tra spire adiacenti o tra sezioni della bobina. La tensione di picco applicata è definita dalla IEC 60034-18-41 in base alla tensione nominale del motore e alla categoria di affidabilità target. Per un motore da 690 V, il livello di resistenza standard per il Tipo I (non adatto per azionamento con inverter) È 1,300 Picco V; Tipo II (adatto all'inverter) richiede resistere fino a 2,000 Picco V per cinque impulsi consecutivi senza flashover o attività PD eccessiva.

Metriche chiave: tensione di picco di tenuta (V), numero di impulsi senza flashover, tensione di soglia del flashover visivo (V), PDIV (V).

2. Tensioni di Innesco ed Estinzione delle Scarica Parziali (PDIV / PDEV)

Una tensione CA viene lentamente aumentata da zero mentre un rilevatore PD (calibrato secondo IEC 60270) monitora il terminale di ingresso per gli impulsi di carica. La tensione alla quale compaiono per la prima volta eventi di scarica ripetibili è il PDIV; la tensione alla quale cessano di scendere è la PDEV. Per motori destinati all'uso con inverter SiC su piattaforme EV da 800 V, un PDIV sopra 1,600 V alla frequenza di prova (tipicamente 50–200 Hz) fornisce un margine adeguato. Il PDIV è altamente sensibile alla pressione atmosferica: le applicazioni aerospaziali richiedono la misurazione PDIV in quota (4 kPa, equivalente a 25 km di altitudine secondo IEC 60034-18-42).

Metriche chiave: PDIV (V), PDEV (V), Entità della carica PD alla tensione operativa nominale (pc), PDIV a pressione ridotta, se applicabile (V a 10 kPa).

3. Test di resistenza dV/dt

Il motore è azionato dall'effettivo sistema inverter (o un inverter di prova programmato per replicare la velocità di commutazione target) al carico nominale per una durata estesa, in genere 500–2.000 ore a seconda della categoria di prova. La resistenza di isolamento viene misurata all'inizio e ad intervalli definiti. La resistenza dell'avvolgimento viene registrata per rilevare lo sviluppo di sterzate brevi. Il test viene condotto a temperatura elevata (tipicamente 20°C sopra il limite della classe di temperatura nominale) per accelerare i meccanismi di degrado senza modificarne la fisica.

Metriche chiave: resistenza di isolamento a 0 H, 250 H, 500 H (Mω); variazione della resistenza dell'avvolgimento (%); tempo per la resistenza di isolamento inferiore 1 Mω (criterio di fallimento).

4. Test di riflessione sulla lunghezza del cavo

I terminali del motore sono collegati all'inverter di prova tramite lunghezze di cavo rappresentative, in genere 1 M (linea di base), 10 M, E 30 m — con l'impedenza caratteristica del cavo adattata al cavo di produzione. La tensione di picco ai terminali del motore viene misurata con una sonda differenziale a larghezza di banda elevata (≥100 MHz) a ciascuna lunghezza del cavo mentre l'inverter commuta al dV/dt nominale. Il rapporto tra la tensione di picco del terminale e la tensione di uscita dell'inverter fornisce il coefficiente di riflessione: il risultato sopra riportato 1.8 indica un disadattamento eccessivo che richiede la terminazione di uno dei cavi, Filtro du/dt, o riprogettazione della classe di resistenza alle sovratensioni del motore.

Metriche chiave: tensione di picco al terminale per ciascuna lunghezza del cavo (V), coefficiente di riflessione, dV/dt ai terminali del motore (kV/μs), ampiezza della tensione di modo comune (V).

5. Test a impulsi turno per turno per il controllo qualità della produzione

Test sulla linea di produzione, le singole bobine vengono testate con un generatore di picchi a bassa energia (Tester di tipo Ecotest) che applica un impulso da 500–2.000 V a una bobina monitorando la forma d'onda di decadimento oscillatorio. Una bobina con un'interspira corta produce una curva di smorzamento caratteristicamente diversa da una bobina sana: la frequenza di risonanza cambia e il decadimento è più veloce. I limiti di controllo statistico del processo vengono stabiliti in base alle misurazioni di base della bobina in buone condizioni. Questo test richiede meno di un secondo per bobina ed è compatibile con l'integrazione della linea di produzione completamente automatizzata.

Metriche chiave: deviazione della frequenza di risonanza dalla linea di base (%), coefficiente di correlazione della forma d'onda rispetto al riferimento, sensibilità di rilevamento cortocircuito (1 giro in cortocircuito in N giri totali).

Costruire una strategia di isolamento del motore per applicazioni SiC

Non esiste un singolo test di sovratensione che sostituisca tutti gli altri. Un programma completo di qualificazione dell'isolamento per un motore destinato all'uso con mietitrebbie SiC: CEI 60034-18-41 resistenza alle sovratensioni per la qualificazione di base, Test PDIV per confermare il margine sul dV/dt operativo effettivo, Test di resistenza dV/dt per convalidare la durata alla frequenza di commutazione target, e test impulsivi turno per turno su ogni unità di produzione come punto di riferimento per la qualità della produzione.

Il banco di prova deve gestire l'intero intervallo di tensione: misurazioni PDIV a bassa tensione a 100 V per resistere alle prove di sovratensione a 3,000+ V — con velocità di commutazione fino a 10 kV/μs, e deve scaricare in sicurezza l'energia immagazzinata tra un test e l'altro. Interblocchi di sicurezza ad alta tensione, elettronica di rilevamento PD calibrata, e un software di confronto automatico delle forme d'onda sono i requisiti funzionali che distinguono una stazione di prova di sovratensione adatta alla produzione da un generatore di impulsi da laboratorio.

Se si sta qualificando un sistema di avvolgimento motore per l'uso con inverter SiC, o hai bisogno di aggiornare i test di isolamento della tua linea di produzione dal convenzionale hipot AC ai test con capacità di sovratensione, parla con il nostro team di ingegneri sulla configurazione di test appropriata per la vostra classe di tensione e volume di produzione.