Kiểm tra điện áp tăng vọt động cơ và dV/dt: Bảo vệ cuộn dây khỏi quá độ chuyển mạch biến tần SiC

Tại sao Bộ biến tần SiC đang thay đổi các yêu cầu cách điện cuộn dây

Chất bán dẫn điện cacbua silic chuyển đổi nhanh hơn 2–10 lần so với chất bán dẫn silicon IGBT tiền nhiệm của chúng. MOSFET SiC trong biến tần 400V hoặc 800V EV chuyển mạch ở mức dưới 100 nano giây - a dV/dt (tốc độ tăng điện áp) 5–30 kV/μs tại các cực động cơ. Cuộn dây động cơ chưa bao giờ nhìn thấy loại mặt sóng điện áp này trong thời đại của các ổ IGBT thông thường, và hệ thống cách nhiệt chưa bao giờ được thiết kế để chịu được nó vô thời hạn.

Kết quả là một chế độ thất bại được ghi chép đầy đủ: điện áp tăng làm cho điện trường qua vài vòng đầu tiên của khe cuộn dây đầu tiên đạt giá trị đánh thủng vượt xa định mức cấp cách điện của động cơ. Các vòng quay không bị hỏng ngay lập tức - chúng bị hỏng do xói mòn phóng điện từng phần lũy tiến, cuối cùng phát triển các mạch ngắn lần lượt dẫn đến sự cố chạm đất. Thời điểm thất bại có thể 50,000 giờ ở mức dV/dt vừa phải hoặc ít hơn 1,000 giờ ở tốc độ chuyển đổi cực cao với dây cáp dài chạy giữa biến tần và động cơ.

Kiểm tra điện áp tăng vọt của động cơ và đặc tính dV/dt là các công cụ xác nhận phòng ngừa để phát hiện dạng lỗi này trước khi động cơ sản xuất được đưa vào ứng dụng tại hiện trường.

Nguyên lý vật lý đằng sau hư hỏng do đột biến điện ở cuộn dây động cơ

• Phân bố điện áp trong cuộn dây quấn ngẫu nhiên: Khi có xung điện áp nhanh đến cực động cơ, Điện áp phân bố không đều ở các vòng trong cuộn dây. Lượt đầu tiên - ở cuối đường dây của cuộn dây - nhìn thấy tới 50–80% biên độ xung đầy đủ trong nano giây đầu tiên, trong khi những lượt cuối hầu như không thấy gì. Sự phân bố không đồng đều này phụ thuộc vào tỷ lệ giữa điện dung giữa các vòng với độ tự cảm từng vòng - một tham số hình học của cuộn dây về cơ bản là vô hình đối với bất kỳ thử nghiệm cách điện DC hoặc tần số thấp nào.
• Bắt đầu phóng điện một phần: Khi điện áp lần lượt vượt quá Điện áp khởi động phóng điện một phần (PDIV), tuyết lở điện tử bắt đầu ăn mòn bề mặt cách nhiệt. Phóng điện cục bộ không làm hỏng lớp cách điện ngay lập tức - nó sẽ cacbon hóa và phân hủy dần dần. Tại mỗi cạnh chuyển mạch biến tần, một sự kiện PD xảy ra; Tại 20 chuyển đổi tần số kHz với SiC, đó là 40,000 Sự kiện PD mỗi giây.
• Khuếch đại phản xạ cáp: Cáp động cơ dài (qua 10 mét) giữa biến tần và động cơ đóng vai trò là đường truyền. Trở kháng không khớp ở các cực đầu vào của động cơ làm cho xung phản xạ, tăng gấp đôi hiệu quả điện áp đỉnh tại các cực của động cơ so với điện áp đầu ra của biến tần. Hiện tượng phản xạ này là lý do tại sao động cơ có hệ thống cách điện giống hệt nhau có thể bị hỏng nhanh chóng khi lắp đặt cáp dài nhưng vẫn tồn tại vô thời hạn trên các ứng dụng cáp ngắn.

Các hạng mục kiểm tra cốt lõi để kiểm tra điện áp tăng vọt động cơ và kiểm tra dV/dt

1. Kiểm tra khả năng chịu đựng điện áp tăng (IEC 60034-18-41)

Máy phát thử nghiệm đột biến áp dụng một xung điện áp cao - thường 1.2 thời gian tăng μs, 50 Đuôi μs - giữa các vòng liền kề hoặc giữa các phần cuộn dây. Điện áp đỉnh áp dụng được xác định bởi IEC 60034-18-41 dựa trên điện áp định mức của động cơ và loại độ tin cậy mục tiêu. Đối với động cơ 690V, mức chịu đựng tiêu chuẩn cho loại I (không thích hợp cho biến tần) là 1,300 đỉnh V; Loại II (biến tần phù hợp) yêu cầu chịu được tới 2,000 Đỉnh V trong 5 xung liên tiếp không có hiện tượng phóng điện hoặc hoạt động PD quá mức.

Số liệu chính: điện áp chịu được đỉnh (V.), số lượng xung không có đèn flash, điện áp ngưỡng phóng điện trực quan (V.), PDIV (V.).

2. Điện áp khởi động và tắt phóng điện một phần (PDIV / PDEV)

Điện áp xoay chiều được tăng dần từ 0 trong khi máy dò PD (hiệu chuẩn theo IEC 60270) giám sát thiết bị đầu cuối đầu vào để tìm xung sạc. Điện áp tại đó xuất hiện sự kiện phóng điện lặp lại lần đầu tiên là PDIV; điện áp tại đó chúng dừng lại khi giảm tốc độ là PDEV. Đối với động cơ được thiết kế để sử dụng với bộ biến tần SiC trên nền tảng EV 800V, một PDIV ở trên 1,600 V ở tần số thử nghiệm (thường là 50–200 Hz) cung cấp mức ký quỹ thích hợp. PDIV rất nhạy cảm với áp suất không khí - các ứng dụng hàng không vũ trụ yêu cầu đo PDIV ở độ cao (4 kPa, tương đương với 25 km độ cao trên mỗi IEC 60034-18-42).

Số liệu chính: PDIV (V.), PDEV (V.), Độ lớn điện tích PD ở điện áp hoạt động định mức (máy tính), PDIV ở áp suất giảm nếu có (V tại 10 kPa).

3. Kiểm tra độ bền dV/dt

Động cơ được điều khiển bởi hệ thống biến tần thực tế (hoặc một biến tần thử nghiệm được lập trình để tái tạo tốc độ chuyển đổi mục tiêu) ở mức tải định mức trong thời gian dài - thường là 500–2.000 giờ tùy thuộc vào loại thử nghiệm. Điện trở cách điện được đo lúc bắt đầu và theo các khoảng thời gian xác định. Điện trở cuộn dây được ghi lại để phát hiện sự phát triển ngắn mạch. Thử nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ cao (thường cao hơn 20°C so với giới hạn cấp nhiệt độ định mức) để tăng tốc các cơ chế phân hủy mà không làm thay đổi tính chất vật lý của chúng.

Số liệu chính: điện trở cách điện ở 0 h, 250 h, 500 h (MΩ); thay đổi điện trở cuộn dây (%); thời gian để điện trở cách điện dưới đây 1 MΩ (tiêu chí thất bại).

4. Kiểm tra phản xạ chiều dài cáp

Các cực của động cơ được kết nối với biến tần thử nghiệm thông qua các chiều dài cáp đại diện - thường là 1 tôi (đường cơ sở), 10 tôi, Và 30 m - với trở kháng đặc tính của cáp phù hợp với cáp sản xuất. Điện áp cực đại tại các đầu cực động cơ được đo bằng đầu dò vi sai băng thông cao (≥100 MHz) tại mỗi chiều dài cáp trong khi biến tần chuyển mạch ở mức dV/dt định mức. Tỷ lệ giữa điện áp cực đại và điện áp đầu ra biến tần cho hệ số phản xạ - kết quả ở trên 1.8 cho biết sự không khớp quá mức yêu cầu phải chấm dứt cáp, bộ lọc dV/dt, hoặc thiết kế lại cấp chịu đột biến của động cơ.

Số liệu chính: Điện áp cực đại tại mỗi chiều dài cáp (V.), hệ số phản xạ, dV/dt tại các cực động cơ (kV/μs), biên độ điện áp chế độ chung (V.).

5. Thử nghiệm xung lần lượt để kiểm soát chất lượng sản xuất

Trong thử nghiệm dây chuyền sản xuất, các cuộn dây riêng lẻ được thử nghiệm bằng máy phát xung năng lượng thấp (Máy thử loại Ecotest) áp dụng xung 500–2.000 V cho một cuộn dây trong khi theo dõi dạng sóng phân rã dao động. Một cuộn dây có đoạn ngắn mạch tạo ra một đường cong giảm chấn đặc trưng khác với một cuộn dây khỏe mạnh - tần số cộng hưởng thay đổi và sự suy giảm nhanh hơn. Giới hạn kiểm soát quy trình thống kê được đặt từ các phép đo cơ bản của cuộn dây tốt. Thử nghiệm này mất chưa đến một giây cho mỗi cuộn dây và tương thích với việc tích hợp dây chuyền sản xuất hoàn toàn tự động.

Số liệu chính: độ lệch tần số cộng hưởng so với đường cơ sở (%), hệ số tương quan dạng sóng so với tham chiếu, độ nhạy phát hiện ngắn mạch (1 lượt rút ngắn trong tổng số N lượt).

Xây dựng chiến lược cách nhiệt động cơ cho các ứng dụng SiC

Không có thử nghiệm điện áp tăng đơn lẻ nào có thể thay thế tất cả các thử nghiệm khác. Chương trình đánh giá chất lượng cách điện hoàn chỉnh cho động cơ được thiết kế để sử dụng với bộ biến tần SiC kết hợp: IEC 60034-18-41 khả năng chịu đựng đột biến cho trình độ cơ bản, Thử nghiệm PDIV để xác nhận mức chênh lệch so với dV/dt hoạt động thực tế, Kiểm tra độ bền dV/dt để xác nhận tuổi thọ ở tần số chuyển đổi mục tiêu, và thử nghiệm xung lần lượt trên mọi đơn vị sản xuất như một cổng chất lượng sản xuất.

Bàn thử nghiệm phải xử lý toàn bộ dải điện áp - các phép đo PDIV điện áp thấp ở 100 V để thử nghiệm khả năng chịu đột biến tại 3,000+ V - với tốc độ chuyển mạch lên đến 10 kV/μs, và phải xả năng lượng dự trữ một cách an toàn giữa các lần kiểm tra. Khóa liên động an toàn điện áp cao, thiết bị điện tử phát hiện PD đã hiệu chuẩn, và phần mềm so sánh dạng sóng tự động là các yêu cầu chức năng để phân biệt trạm thử nghiệm đột biến có khả năng sản xuất với máy phát xung trong phòng thí nghiệm.

Nếu bạn đang đủ điều kiện sử dụng hệ thống cuộn dây động cơ với bộ biến tần SiC, hoặc cần nâng cấp thử nghiệm cách điện dây chuyền sản xuất của bạn từ hipot AC thông thường lên thử nghiệm khả năng chống đột biến, nói chuyện với đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi về cấu hình thử nghiệm thích hợp cho cấp điện áp và khối lượng sản xuất của bạn.