变频调速交流牵引电机绝缘电老化机理的研究

论文摘要

随着大功率开关器件技术的进步，变频调速交流传动系统在机车牵引领域得到广泛应用。变频牵引电机是交流传动牵引机车的关键设备之一，其安全、可靠性直接影响牵引机车的性能。变频电机绝缘长期承受PWM高压方波脉冲，其老化机理以及寿命模型理论尚属空白；传统交流电动机绝缘设计方法已不能满足变频电机绝缘的实际需要，因此对变频电机绝缘技术进行系统的研究迫在眉睫。已报道的研究成果大多以散绕组变频电机为研究对象，对成型绕组变频电机的研究很少。论文在国内外变频电机绝缘技术研究成果的基础上，以动车组变频牵引电机为研究对象，详细地研究了成型绕组变频电机定子绝缘老化机理，为建立变频电机绝缘设计理论奠定了一定的基础。 为研究变频牵引电机定子绕组承受电压，建立了电缆和电机定子绕组的高频等效电路模型，研究了电机端电压及绕组内部电压分布的情况。结果表明：电机端过电压幅值是脉冲上升沿时间和电缆长度的函数；不仅上升沿时间对绕组内部电压分布情况产生影响，电缆长度也会改变绕组内部绝缘承受的电压。 论文中研制了一套用于高压方波脉冲的绝缘老化试验装置，模拟逆变器对绝缘材料的进行老化试验。装置采用电力电子技术输出方波脉冲，再经高频变压器升压，输出高压方波脉冲，峰峰值最高可达10kV，电压水平高于其它方波脉冲绝缘材料试验设备。对变频牵引电机用电磁线进行绝缘失效试验，得到电磁线绝缘寿命随高压方波脉冲幅值、频率以及温度的变化曲线，为电机绝缘结构设计提供了参考。 局部放电是导致绝缘老化、击穿的重要因素之一。论文中采用脉冲电流传感器、示波器和计算机建立了一套高压方波脉冲下局部放电测量装置。根据实际测量信号特征，提出一种小波包—包络算法对传感器输出信号进行处理，滤除来自高压方波脉冲和空间的干扰，提取出放电信号。通过对比分析工频交流与高压方波脉冲下的放电信号特征，探讨了高压方波脉冲下放电机理及其影响因素。随后依照实际测量结果，分析了局部放电特征参量随脉冲幅值，频率和温度的变化趋势。 为探讨高压方波脉冲下绝缘的加速老化机理，设计了一种与电机绕组具有相同绝缘结构、工艺的绞线对试样。分别在工频交流和10kHz高压方波脉冲下

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 交流传动牵引机车的发展
• 1.2 变频牵引电机
• 1.2.1 变频牵引电机特点
• 1.2.2 变频牵引电机绝缘技术
• 1.3 变频电机绝缘技术的国内外研究现状
• 1.3.1 变频电机端过电压及绕组内部电压分布
• 1.3.2 绝缘材料寿命模型及老化机理
• 1.4 论文的研究内容
• 第2章 变频牵引电机绕组绝缘的过电压特性
• 2.1 变频牵引电机端过电压
• 2.1.1 过电压产生原理
• 2.1.2 电机端过电压仿真
• 2.1.3 脉冲上升沿和电缆长度的影响
• 2.1.4 上升沿时间与电缆长度的临界点
• 2.2 变频牵引电机绕组内部电压分布特性
• 2.2.1 定子绕组分布参数电路模型
• 2.2.2 有限差分求解
• 2.2.3 脉冲上升沿时间的影响
• 2.2.4 电缆的影响
• 2.3 本章小结
• 第3章 用于高压方波脉冲的绝缘老化试验系统
• 3.1 绝缘老化试验系统的发展
• 3.1.1 直接输出式试验电源
• 3.1.2 变压式试验电源
• 3.2 试验系统总体方案
• 3.2.1 变频调速牵引传动系统
• 3.2.2 总体方案的实现
• 3.3 高频脉冲电源
• 3.3.1 系统构成
• 3.3.2 主电路
• 3.3.3 控制电路
• 3.3.4 保护电路
• 3.3.5 高频脉冲电源的辅助电路
• 3.3.6 高频脉冲电源的调试结果
• 3.4 高频脉冲变压器
• 3.4.1 理论分析
• 3.4.2 设计方案
• 3.4.3 高频脉冲变压器测试
• 3.5 基于高压方波脉冲的绝缘寿命曲线
• 3.6 本章小结
• 第4章 高压方波脉冲下的局部放电
• 4.1 局部放电测量装置
• 4.1.1 脉冲电流传感器
• 4.1.2 高压方波脉冲下的局部放电测量
• 4.2 基于小波包-包络算法的放电信号提取
• 4.2.1 小波包基本原理
• 4.2.2 最优小波包的选择
• 4.2.3 信号分解最优树
• 4.2.4 放电信号的提取与包络
• 4.3 高压方波脉冲下的局部放电
• 4.3.1 局部放电机理
• 4.3.2 气隙场强的影响
• 4.3.3 表面电荷的影响
• 4.4 脉冲下局部放电的统计分析
• 4.4.1 电压幅值的影响
• 4.4.2 频率的影响
• 4.4.3 温度的影响
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于高压方波脉冲的绝缘老化
• 5.1 绝缘老化试验设计
• 5.1.1 试验方案
• 5.1.2 试样设计
• 5.2 介质损耗的变化
• 5.2.1 匝间绝缘介质损耗随老化时间的变化
• 5.2.2 对地绝缘介质损耗随老化时间的变化
• 5.3 局部放电的变化
• 5.3.1 匝间绝缘局部放电随老化时间的变化
• 5.3.2 对地绝缘局部放电随老化时间的变化
• 5.4 热刺激电流测量
• 5.4.1 测量方法
• 5.4.2 老化试样的TSC曲线
• 5.5 基于高压方波脉冲的绝缘老化分析
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和成果