脉冲电压对变频牵引电机绝缘老化的影响机理研究

论文摘要

随着电力电子技术的发展,变频调速交流传动系统在牵引机车中得到广泛应用。但采用该系统后,逆变器输出的PWM(脉冲宽度调制)高压方波脉冲的上升沿很陡、频率很高,导致在PWM脉冲电压下牵引电机绝缘过早失效。传统交流电机绝缘设计方法和理论已不完全适用于变频调速电机,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。本论文在总结国内外变频电机绝缘技术研究成果的基础上,以影响变频牵引电机绝缘老化的两个主要因素:局部放电(PD)和空间电荷为具体的研究对象,详细地研究了变频牵引电机绝缘的局部放电和空间电荷的行为及机理,老化特征及表征参量等。通过这些研究,将极大地促进变频条件下绝缘老化和击穿理论的发展,使变频调速技术应用前景更加广泛。设计了一种新的脉冲电压下局部放电测量系统和统计分析软件。采用高频响应特性较好的NiZn铁芯材料,采用小波包算法来分解传感器输出信号,从而去除脉冲电压快速上升和下降过程所带来的干扰,提取出脉冲电压下的局部放电信号。根据工频电压下局部放电分析方法,通过时间开窗和统计,使用专用的脉冲电压下局部放电分析软件可得到脉冲电压下的各种放电谱图,以便更深入分析脉冲电压下的局部放电行为和机理。对脉冲电压下的空间电荷测量方法、影响因素进行了讨论,并研究了脉冲电压波形参数对空间电荷行为的影响。设计了基于电声脉冲法的空间电荷分布直接测量系统和热刺激电流测量系统。讨论了陷阱参数的计算方法,对比了高斯拟合和动力学方程拟合对活化能计算的影响。对不同脉冲频率老化对绝缘微观结构的影响进行了讨论,聚酰亚胺膜的寿命主要与高温峰的活化能和电荷量有关,低温峰的活化能和电荷量对试样的寿命影响不大,脉冲电压下,活化能可能随老化程度加剧而减小。根据空间电荷测量结果,分析了不同的脉冲频率、电压幅值、电压极性、脉冲电压上升时间和绝缘层数对空间电荷行为的影响。研究了不同参数的脉冲电压对纳米和非纳米聚酰亚胺膜、电机定子绕组的绞线对试样的局部放电行为的影响。分析了不同参数的脉冲电压对不同绝缘材料的局部放电起始放电电压(PDIV)、局部放电参量(平均放电量和放电次数)、相位分辨模式的影响,脉冲频率增加和电压上升时间的缩短都会导致反向电场作用增强,从而导致局部放电行为的差异。此外,通过扫描电镜(SEM)和局部放电分析结果,纳米膜具有三层结构,表层纳米颗粒导致其表面电导率大,能削弱局部放电作用,而且表面的纳米颗粒层具有良好的保护作用,导致放电对绝缘内部损伤较小。为探讨高压方波脉冲下绝缘的加速老化机理和老化特征,对电机定子绕组的绞线对试样进行了老化。比较分析了脉冲电压和工频电压下样本老化特征的不同,脉冲电压下老化后样本很容易出现“放电丛”现象,该现象主要是由于脉冲电压下较强的反向电场作用而导致。对匝间和对地绝缘样本在脉冲电压下老化后的矩特征参量进行了对比分析,其平均放电量的偏斜度和老化时间存有联系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 变频调速牵引电机的发展现状
• 1.1.1 交流传动牵引技术的发展
• 1.1.2 变频牵引电机绝缘技术的要求
• 1.1.3 变频牵引电机绝缘材料和工艺
• 1.2 变频调速牵引电机绝缘所面临的问题
• 1.2.1 逆变器输出波形对电机的影响
• 1.2.2 逆变器输出波形导致的绝缘损坏
• 1.3 变频调速牵引电机绝缘的研究现状
• 1.3.1 国内外变频调速牵引电机绝缘的失效分析
• 1.3.2 局部放电行为及影响因素研究
• 1.3.3 脉冲电压对空间电荷行为的影响研究
• 1.3.4 纳米材料的耐电晕性能研究
• 1.3.5 老化及表征参量研究
• 1.4 论文的研究内容
• 第2章 高压脉冲条件下的局部放电测量和统计
• 2.1 局部放电测量装置
• 2.1.1 测量原理
• 2.1.2 脉冲电流传感器
• 2.2 局部放电信号的提取
• 2.3 局部放电信号的统计
• 2.3.1 时间开窗
• 2.3.2 参数统计
• 2.4 本章小结
• 第3章 高压脉冲条件下的空间电荷
• 3.1 空间电荷测量装置
• 3.1.1 空间电荷测量技术
• 3.1.2 热刺激电流测量装置
• 3.1.3 空间电荷分布的测量装置
• 3.2 热刺激电流测量及计算
• 3.2.1 测量方法
• 3.2.2 热刺激电流计算
• 3.3 不同脉冲频率作用后绝缘的热刺激电流特征
• 3.3.1 寿命测试
• 3.3.2 热刺激电流测试
• 3.4 不同脉冲参数对空间电荷行为的影响
• 3.4.1 不同参数的脉冲注入后的TSC结果
• 3.4.2 不同脉冲参数下的空间电荷分布参数结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 高压脉冲条件下的局部放电行为
• 4.1 试验设置及准备
• 4.2 不同脉冲参数下的PDIV
• 4.2.1 绝缘膜的PDIV随脉冲参数的变化
• 4.2.2 绞线对的PDIV随脉冲参数的变化
• 4.3 局部放电参量
• 4.3.1 绝缘膜的PD参量
• 4.3.2 绞线对的PD参量
• 4.4 不同脉冲参数下PD的相位分辨模式
• 4.4.1 绝缘膜的相位分辨模式
• 4.4.2 绞线对的相位分辨模式
• 4.5 局部放电影响机理分析
• 4.5.1 绝缘膜的局部放电机理
• 4.5.2 纳米和非纳米薄膜的耐电晕机理
• 4.5.3 绞线对的局部放电机理
• 4.5.4 脉冲波形对局部放电参数的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 变频牵引电机绝缘老化及表征
• 5.1 变频牵引电机绝缘的老化
• 5.1.1 电老化
• 5.1.2 热老化
• 5.1.3 机械老化
• 5.2 基于高压方波脉冲的绝缘老化试验系统
• 5.2.1 试验系统原理
• 5.2.2 绝缘老化试验设计
• 5.3 匝间绝缘的电热联合老化
• 5.3.1 匝间绝缘基本统计参量
• 5.3.2 匝间绝缘相位模式
• 5.3.3 匝间绝缘矩特征参量
• 5.4 对地绝缘的电热联合老化
• 5.4.1 对地绝缘基本统计参量
• 5.4.2 对地绝缘相位模式
• 5.4.3 对地绝缘矩特征参量
• 5.5 结论
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文和科研成果