Testowanie napięcia udarowego silnika i dV/dt: Ochrona uzwojeń przed stanami przejściowymi przełączania falownika SiC

Dlaczego falowniki SiC zmieniają wymagania dotyczące izolacji uzwojeń

Półprzewodniki mocy z węglika krzemu przełączają się 2–10 razy szybciej niż ich krzemowi poprzednicy IGBT. MOSFET SiC w falowniku EV 400 V lub 800 V przełącza się poniżej 100 nanosekundy — dV/dt (szybkość wzrostu napięcia) 5–30 kV/μs na zaciskach silnika. W epoce konwencjonalnych napędów IGBT uzwojenie silnika nigdy nie było narażone na tego rodzaju czoło fali napięcia, a system izolacji nigdy nie został zaprojektowany tak, aby wytrzymywał takie warunki w nieskończoność.

Rezultatem jest dobrze udokumentowany tryb awaryjny: napięcie udarowe powoduje, że pole elektryczne w pierwszych kilku zwojach pierwszej szczeliny cewki osiąga wartości przebicia znacznie przekraczające klasę izolacji silnika. Zwoje nie zawodzą natychmiast – ulegają one zniszczeniu w wyniku postępującej erozji wyładowań częściowych, ostatecznie powstają zwarcia międzyobrotowe, które kaskadowo przekształcają się w zwarcia doziemne. Czas do niepowodzenia może być 50,000 godzin przy umiarkowanym dV/dt lub mniejszym niż 1,000 godzin przy ekstremalnych prędkościach przełączania i długich kablach pomiędzy falownikiem a silnikiem.

Testowanie napięcia udarowego silnika i charakterystyka dV/dt to zapobiegawcze narzędzia walidacyjne, które wychwytują ten tryb awarii, zanim silnik produkcyjny zostanie dostarczony do zastosowania w terenie.

Fizyka uszkodzeń spowodowanych przepięciami w uzwojeniach silnika

• Rozkład napięcia w cewkach losowych: Gdy szybki impuls napięcia dociera do zacisku silnika, napięcie nie rozkłada się równomiernie na wszystkie zwoje cewki. Pierwszy zwój — na końcu linii cewki — rejestruje do 50–80% pełnej amplitudy impulsu w pierwszych nanosekundach, podczas gdy ostatnie zakręty prawie nic nie pokazują. Ten nierównomierny rozkład zależy od stosunku pojemności międzyzwojowej do indukcyjności zwojowej — parametru geometrii uzwojenia, który jest zasadniczo niewidoczny w żadnym teście izolacji DC lub niskiej częstotliwości.
• Rozpoczęcie wyładowania częściowego: Gdy napięcie międzyobrotowe przekroczy napięcie początkowe wyładowania częściowego (PDIV), lawiny elektronów zaczynają powodować erozję powierzchni izolacji. Wyładowanie niezupełne nie powoduje natychmiastowego zniszczenia izolacji — powoduje jej zwęglenie i stopniową degradację. Na każdym zboczu przełączającym falownika, następuje zdarzenie PD; Na 20 częstotliwość przełączania kHz z SiC, to jest 40,000 Zdarzenia PD na sekundę.
• Wzmocnienie odbicia kabla: Długi kabel silnika (nad 10 metrów) pomiędzy falownikiem a silnikiem pełni funkcję linii przesyłowej. Niedopasowanie impedancji na zaciskach wejściowych silnika powoduje odbicie impulsu, skutecznie podwajając napięcie szczytowe na zaciskach silnika w stosunku do napięcia wyjściowego falownika. To zjawisko odbicia powoduje, że silniki z identycznymi systemami izolacji mogą szybko ulec awarii w instalacjach z długimi kablami, ale przetrwać w nieskończoność w zastosowaniach z krótkimi kablami.

Podstawowe elementy testowe do testowania napięcia udarowego silnika i testowania dV/dt

1. Test wytrzymałości na napięcie udarowe (IEC 60034-18-41)

Generator testu udarowego przykłada impuls wysokiego napięcia – zazwyczaj 1.2 czas narastania μs, 50 ogon μs — pomiędzy sąsiednimi zwojami lub pomiędzy sekcjami cewki. Przyłożone napięcie szczytowe jest określone przez IEC 60034-18-41 w oparciu o napięcie znamionowe silnika i docelową kategorię niezawodności. Do silnika 690 V, standardowy poziom wytrzymałości dla typu I (nie nadaje się do napędu falownikowego) Jest 1,300 Szczyt V; Typ II (przystosowany do falownika) wymaga wytrzymałości do 2,000 Szczyt V dla pięciu kolejnych impulsów bez przeskoku lub nadmiernej aktywności wyładowań niezupełnych.

Kluczowe wskaźniki: szczytowe napięcie wytrzymywane (V), liczba impulsów bez przeskoku, wizualne napięcie progowe przeskoku (V), PDIV (V).

2. Napięcie początkowe i wygaśnięcia wyładowania częściowego (PDIV / PDEV)

Napięcie prądu przemiennego powoli opada od zera w przypadku detektora wyładowań niezupełnych (skalibrowany zgodnie z IEC 60270) monitoruje zacisk wejściowy pod kątem impulsów ładowania. Napięcie, przy którym po raz pierwszy pojawiają się powtarzalne zdarzenia wyładowań, to PDIV; napięcie, przy którym ustają podczas hamowania, to PDEV. Do silników przeznaczonych do użytku z falownikami SiC na platformach EV 800 V, PDIV powyżej 1,600 V przy częstotliwości testowej (zazwyczaj 50–200 Hz) zapewnia odpowiednią marżę. PDIV jest bardzo wrażliwy na ciśnienie powietrza – zastosowania lotnicze wymagają pomiaru PDIV na wysokości (4 kPa, równoważne 25 km wysokości zgodnie z IEC 60034-18-42).

Kluczowe wskaźniki: PDIV (V), PDEV (V), Wielkość ładunku wyładowań niezupełnych przy znamionowym napięciu roboczym (komputer), PDIV pod obniżonym ciśnieniem, jeśli ma to zastosowanie (V o godz 10 kPa).

3. Test wytrzymałości dV/dt

Silnik napędzany jest przez rzeczywisty układ falownika (lub falownik testowy zaprogramowany do odtwarzania docelowej prędkości przełączania) przy obciążeniu znamionowym przez dłuższy czas — zazwyczaj 500–2000 godzin, w zależności od kategorii testu. Rezystancja izolacji jest mierzona na początku i w określonych odstępach czasu. Rejestruje się rezystancję uzwojenia, aby wykryć rozwój krótkich zwojów. Badanie przeprowadza się w podwyższonej temperaturze (zazwyczaj 20°C powyżej znamionowego limitu klasy temperaturowej) w celu przyspieszenia mechanizmów degradacji bez zmiany ich fizyki.

Kluczowe wskaźniki: rezystancja izolacji przy 0 H, 250 H, 500 H (MΩ); zmiana rezystancji uzwojenia (%); czas do rezystancji izolacji poniżej 1 MΩ (kryterium awarii).

4. Test odbicia długości kabla

Zaciski silnika są podłączone do falownika testowego za pomocą kabla o reprezentatywnej długości – zazwyczaj 1 M (linia bazowa), 10 M, I 30 m – przy impedancji charakterystycznej kabla dopasowanej do kabla produkcyjnego. Napięcie szczytowe na zaciskach silnika mierzone jest za pomocą sondy różnicowej o dużej przepustowości (≥100 MHz) na każdej długości kabla, podczas gdy falownik przełącza się przy znamionowym dV/dt. Stosunek szczytowego napięcia na zaciskach do napięcia wyjściowego falownika daje współczynnik odbicia – wynik powyżej 1.8 wskazuje nadmierne niedopasowanie wymagające dowolnego zakończenia kabla, filtr dV/dt, lub przeprojektowanie klasy odporności udarowej silnika.

Kluczowe wskaźniki: szczytowe napięcie na zaciskach na każdej długości kabla (V), współczynnik odbicia, dV/dt na zaciskach silnika (kV/μs), amplituda napięcia w trybie wspólnym (V).

5. Test impulsowy „od obrotu do obrotu” w celu kontroli jakości produkcji

Podczas testowania linii produkcyjnej, poszczególne cewki są testowane za pomocą generatora udarowego o niskiej energii (Tester typu Ecotest) który przykłada impuls 500–2000 V do jednej cewki, monitorując przebieg zaniku oscylacyjnego. Cewka ze zwarciem międzyzwojowym wytwarza charakterystycznie inną krzywą tłumienia niż zdrowa cewka — częstotliwość rezonansowa zmienia się, a zanik jest szybszy. Granice statystycznej kontroli procesu ustalane są na podstawie pomiarów bazowych dobrej cewki. Test ten zajmuje mniej niż jedną sekundę na cewkę i jest kompatybilny z w pełni zautomatyzowaną integracją linii produkcyjnej.

Kluczowe wskaźniki: odchylenie częstotliwości rezonansowej od linii bazowej (%), współczynnik korelacji przebiegu względem wartości odniesienia, czułość wykrywania zwarcia (1 zwarty zakręt w sumie N zwojów).

Budowanie strategii izolacji silnika dla zastosowań SiC

Nie ma jednego testu napięcia udarowego, który zastępuje wszystkie inne. Kompletny program kwalifikacji izolacji silnika przeznaczonego do współpracy z falownikami SiC: IEC 60034-18-41 odporność na przepięcia w ramach kwalifikacji podstawowej, Testowanie PDIV w celu potwierdzenia marginesu w stosunku do rzeczywistego roboczego dV/dt, Test wytrzymałości dV/dt w celu sprawdzenia trwałości przy docelowej częstotliwości przełączania, oraz testy impulsowe „zakręt po zakręcie” w każdej jednostce produkcyjnej jako bramka jakości produkcji.

Stanowisko badawcze musi obsługiwać pełny zakres napięć – pomiary PDIV niskiego napięcia przy 100 V do testów odporności na przepięcia przy 3,000+ V — z szybkością przełączania do 10 kV/μs, i musi bezpiecznie rozładowywać zmagazynowaną energię pomiędzy testami. Blokady bezpieczeństwa wysokiego napięcia, skalibrowana elektronika do wykrywania wyładowań niezupełnych, i zautomatyzowane oprogramowanie do porównywania przebiegów to wymagania funkcjonalne, które odróżniają zdolną do produkcji stację testowania udarów od laboratoryjnego generatora impulsów.

Jeśli kwalifikujesz system uzwojenia silnika do użytku z falownikami SiC, lub potrzebujesz uaktualnić testy izolacji linii produkcyjnej z konwencjonalnych testów wysokiego napięcia AC do testów z możliwością przepięć, porozmawiaj z naszym zespołem inżynierów o odpowiedniej konfiguracji testowej dla Twojej klasy napięcia i wielkości produkcji.