Тестирование перенапряжения двигателя и dV/dt: Защита обмоток от переходных процессов переключения SiC инвертора

Почему инверторы SiC меняют требования к изоляции обмоток

Силовые полупроводники из карбида кремния переключаются в 2–10 раз быстрее, чем их предшественники на кремниевых IGBT.. SiC MOSFET в инверторе EV на 400 или 800 В включается при 100 наносекунды — dV/dt (скорость нарастания напряжения) 5–30 кВ/мкс на клеммах двигателя. Обмотка двигателя никогда не видела такого волнового фронта напряжения в эпоху традиционных приводов IGBT., и система изоляции никогда не была рассчитана на то, чтобы выдерживать ее бесконечно..

Результатом является хорошо документированный режим отказа.: Перенапряжение приводит к тому, что электрическое поле на первых нескольких витках первого паза катушки достигает значений пробоя, значительно превышающих номинальный класс изоляции двигателя.. Витки выходят из строя не сразу — они выходят из строя из-за прогрессирующей частичной разрядной эрозии., в конечном итоге развиваются межвитковые короткие замыкания, которые приводят к замыканиям на землю.. Время до отказа может быть 50,000 часов при умеренном dV/dt или менее 1,000 часов при экстремальных скоростях переключения с длинными кабелями между инвертором и двигателем.

Испытание двигателя на перенапряжение и определение характеристик dV/dt — это инструменты профилактической проверки, которые выявляют этот режим отказа до того, как серийный двигатель будет запущен в эксплуатацию..

Физика, лежащая в основе повреждения обмоток двигателя из-за перенапряжения

• Распределение напряжения в катушках с произвольной обмоткой: Когда на клемму двигателя поступает быстрый импульс напряжения, напряжение не распределяется равномерно по всем виткам катушки. Первый виток — на конце катушки — воспринимает до 50–80% полной амплитуды импульса в первые наносекунды., а последние очереди почти ничего не видят. Это неравномерное распределение зависит от отношения межвитковой емкости к межвитковой индуктивности — параметра геометрии обмотки, который практически невидим при любом испытании изоляции постоянным током или низкой частоте..
• Инициирование частичного разряда: Как только межвитковое напряжение превысит начальное напряжение частичного разряда. (ПДИВ), электронные лавины начинают разрушать поверхность изоляции. Частичный разряд не приводит к немедленному разрушению изоляции — он обугливается и постепенно разрушает ее.. На каждом фронте переключения инвертора, происходит событие ЧП; в 20 кГц частота переключения с SiC, то есть 40,000 События ЧР в секунду.
• Усиление отражения кабеля: Длинный кабель двигателя (над 10 метры) между инвертором и двигателем действует как линия передачи. Несоответствие импеданса на входных клеммах двигателя приводит к отражению импульса., эффективное удвоение пикового напряжения на клеммах двигателя относительно выходного напряжения инвертора. Это явление отражения является причиной того, что двигатели с идентичными системами изоляции могут быстро выйти из строя при установке с длинными кабелями, но работать неопределенно долго при использовании с короткими кабелями..

Основные тестовые элементы для испытаний на перенапряжение двигателя и dV/dt

1. Испытание на устойчивость к перенапряжению (МЭК 60034-18-41)

Генератор импульсных испытаний подает импульс высокого напряжения — обычно 1.2 время нарастания мкс, 50 хвост мкс — между соседними витками или между секциями катушки. Пиковое приложенное напряжение определяется IEC. 60034-18-41 в зависимости от номинального напряжения двигателя и целевой категории надежности. Для двигателя 690В, стандартный уровень стойкости для типа I (не подходит для инверторного привода) является 1,300 пик V; Тип II (подходит для инвертора) требуется выдержать до 2,000 Пик V для пяти последовательных импульсов без перекрытия или чрезмерной активности частичного разряда.

Ключевые показатели: пиковое выдерживаемое напряжение (V.), количество импульсов без пробоя, пороговое напряжение визуального пробоя (V.), ПДИВ (V.).

2. Напряжение возникновения и гашения частичного разряда (ПДИВ / ПДЕВ)

Напряжение переменного тока медленно возрастает от нуля, пока детектор ЧР (откалиброван по IEC 60270) контролирует входную клемму на наличие импульсов заряда. Напряжение, при котором впервые появляются повторяющиеся события разряда, называется PDIV.; напряжение, при котором они перестают снижаться, и есть PDEV.. Для двигателей, предназначенных для использования с инверторами SiC на платформах 800 В EV., PDIV выше 1,600 В на тестовой частоте (обычно 50–200 Гц) обеспечивает достаточный запас. PDIV очень чувствителен к давлению воздуха — в аэрокосмической отрасли требуется измерение PDIV на высоте. (4 кПа, эквивалентно 25 км высота по IEC 60034-18-42).

Ключевые показатели: ПДИВ (V.), ПДЕВ (V.), Величина заряда ЧР при номинальном рабочем напряжении (ПК), PDIV при пониженном давлении, если применимо (В в 10 кПа).

3. Испытание на долговечность dV/dt

Двигатель приводится в движение фактической инверторной системой. (или тестовый инвертор, запрограммированный на воспроизведение целевой скорости переключения.) при номинальной нагрузке в течение длительного времени — обычно 500–2000 часов в зависимости от категории испытаний.. Сопротивление изоляции измеряется в начале и через определенные промежутки времени.. Сопротивление обмотки регистрируется для обнаружения короткого замыкания.. Испытание проводится при повышенной температуре. (обычно на 20°C выше предела номинального температурного класса) ускорить механизмы деградации без изменения их физики.

Ключевые показатели: сопротивление изоляции при 0 час, 250 час, 500 час (МОм); изменение сопротивления обмотки (%); время до сопротивления изоляции ниже 1 МОм (критерий отказа).

4. Тест на отражение длины кабеля

Клеммы двигателя подключаются к тестовому инвертору с помощью кабеля соответствующей длины — обычно 1 м (базовый уровень), 10 м, и 30 м — при характеристическом сопротивлении кабеля, согласованном с серийным кабелем. Пиковое напряжение на клеммах двигателя измеряется широкополосным дифференциальным пробником. (≥100 МГц) на каждой длине кабеля, пока инвертор переключается при номинальном dV/dt. Отношение пикового напряжения на клеммах к выходному напряжению инвертора дает коэффициент отражения — результат выше. 1.8 указывает на чрезмерное несоответствие, требующее заделки кабеля, фильтр dV/dt, или изменение класса устойчивости двигателя к перенапряжению.

Ключевые показатели: пиковое напряжение на клеммах на каждой длине кабеля (V.), коэффициент отражения, dV/dt на клеммах двигателя (кВ/мкс), амплитуда синфазного напряжения (V.).

5. Межвитковое импульсное испытание для контроля качества продукции

В тестировании производственной линии, отдельные катушки проверяются с помощью генератора импульсов низкой энергии. (Тестер типа Экотест) который подает импульс напряжением 500–2000 В на одну катушку, одновременно отслеживая форму волны затухания колебаний.. Катушка с межвитковым замыканием дает характерно другую кривую затухания, чем здоровая катушка — резонансная частота смещается, и затухание происходит быстрее.. Пределы статистического управления процессом устанавливаются на основе базовых измерений исправной катушки.. Этот тест занимает менее одной секунды на каждый рулон и совместим с полностью автоматизированной интеграцией производственной линии..

Ключевые показатели: отклонение резонансной частоты от базовой линии (%), коэффициент корреляции формы сигнала по сравнению с эталоном, чувствительность обнаружения короткого замыкания (1 закороченный виток, всего N витков).

Разработка стратегии изоляции двигателей для приложений SiC

Не существует единого теста перенапряжения, который заменял бы все остальные.. Полная программа проверки изоляции двигателя, предназначенного для использования с инверторами SiC, включает в себя: МЭК 60034-18-41 устойчивость к перенапряжению для базовой квалификации, Тестирование PDIV для подтверждения запаса по сравнению с фактическим рабочим dV/dt, Испытание на выносливость dV/dt для подтверждения срока службы при заданной частоте переключения, и сквозные импульсные испытания на каждом производственном объекте как контроль качества производства..

Испытательный стенд должен работать во всем диапазоне напряжений — измерения PDIV при низком напряжении при 100 V для испытаний на устойчивость к перенапряжению при 3,000+ V — со скоростями переключения до 10 кВ/мкс, и должен безопасно разряжать накопленную энергию между испытаниями. Высоковольтные предохранительные блокировки, калиброванная электроника обнаружения ЧР, и программное обеспечение для автоматического сравнения сигналов — это функциональные требования, которые отличают производственную станцию ​​для испытаний на перенапряжение от лабораторного генератора импульсов..

Если вы квалифицируете систему обмоток двигателя для использования с инверторами SiC, или вам необходимо перейти от обычного испытания изоляции переменного тока к испытаниям с возможностью перенапряжения на производственной линии., поговорите с нашей командой инженеров о подходящей конфигурации испытаний для вашего класса напряжения и объема производства.