一種絕緣脈衝耐電強度測試裝置的製作方法
2023-05-24 03:31:01
專利名稱：一種絕緣脈衝耐電強度測試裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測試裝置，特別涉及一種用於測量變頻電機用漆包線或變頻電機線圈匝間絕緣耐電強度的絕緣脈衝耐電強度測試裝置，用於測定變頻電機漆包線絕緣和變頻電機線圈匝間絕緣承受脈衝電壓的能力，測量絕緣在PWM脈衝電壓作用下的壽命，評定變頻電機漆包線絕緣和線圈匝間絕緣的質量。
背景技術：
隨著工業生產的自動化、交通工具現代化和家用電器的高效化，變頻電機的使用範圍日益廣泛，在脈衝寬度調製(PWM)電壓代替了傳統使用的正弦波後，變頻電機的絕緣壽命大大縮短，脈衝的陡峭波形是絕緣損壞的主要原因，損壞的機理是局部放電、電荷的注入，在絕緣中形成空間電荷，和高頻損耗引起的發熱，因此衡量變頻電機漆包線絕緣的質量、改進漆包線絕緣的配方已成為國內外的研究熱點。為了正確評定這種漆包線的質量，迫切需要研製國產的絕緣脈衝耐電強度測試裝置。限於國內高電壓IGBT或MOSFET器件缺乏及器件本身電容、電路電感的影響，研製電壓高速上升的、高重複率方波發生器十分困難。
IGBT的開關頻率在20kHz或以上，電壓上升時間≥20ns，一般為100ns，這種開關電壓經Fouries變換後，頻譜超過15MHz。在脈衝電壓上升時間0.1μs的情況下，加在電機繞組上的電壓80％降在首二匝線圈上的，在電壓瞬變期間，電壓的頻率分量分布在幾個MHz到幾百MHz的範圍內。
在電機通過電纜饋電的情況下，反射波使電機端電壓上升，線圈在脈衝尖峰的作用下，電壓分布極不均勻，線圈匝間絕緣的電場強度可比額定計算值高10倍。眾所皆知，絕緣的耐電強度與電壓上升速度(kV/μs)有關，設PWM波的電壓峰值為646V和上升時間為250ns，則電壓的上升速度為2.58kV/μs，當電壓升高10倍而波形不變時，線圈匝間絕緣上電壓上升速度變成25.8kV/μs，顯然這相當於電壓幅值646V、而電壓上升時間25ns，因此取脈衝電壓上升時間為25ns。
加速絕緣老化希望加速因子在百倍以上，在相當短的時間，測定絕緣壽命。選擇脈衝上升時間25ns可大大縮短絕緣壽命測定時間。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種絕緣脈衝耐電強度測試裝置，用於測量變頻電機用漆包線或變頻電機線圈匝間絕緣耐電強度。
一般來說加速絕緣老化有三種途徑1.提高電壓，2.提高脈衝上升時間，3.提高脈衝的重複頻率。由於實際變頻電機使用的脈衝頻率已很高，再提高脈衝重複率，對縮短絕緣壽命的作用不大；提高試驗電壓，引起強烈的局部放電，而正常情況下，漆包線絞線試樣的局部放電起始電壓為850V左右，大幅度提高試驗電壓將導致絕緣破壞機理的改變，產生對絕緣質量評定的誤導。因此，在1600V以下，提高脈衝的上升時間是一種可行的、符合實際使用情況的加速絕緣老化的方法。
研製±1600V、25ns、20kHz脈衝發生器至少需要單只耐壓6400V的絕緣柵電晶體或功率MOS管，這在國內市場無法獲得的，此外，快速二極體的導通時間最快只有35ns，研製脈衝時間25ns的發生器的技術難度很高。
實現上述發明目的的技術解決方案是一種絕緣脈衝耐電強度測試裝置，其特徵在於，該裝置的電路部分包括可調直流電源，用於提供電路中所需的可變直流電壓；其中包括由三相橋式整流電路，半橋開關電源電路和三隻並聯的高頻變壓器分別獲得三組正負直流高壓，供三個脈衝形成電路所用；還獲得有8組直流20V電源和一組直流12V電源；
驅動電路，用於產生驅動信號，驅動可調直流電源中半橋開關電源的絕緣柵電晶體或功率場效應管，通過改變脈衝方波寬度，調節開關電源直流輸出電壓的幅度；並設有在直流輸出電壓為零的狀態下才能接通三相電源的防止非零電壓合閘電路；±1600V、25ns脈衝發生器，用於產生±1600V、25ns、20kHz高壓脈衝方波；其電路包括開關電源集成控制器輸出的方波信號及其陡化電路和串聯的多級脈衝形成電路；開關電源集成控制器輸出多路的方波，經陡化電路的大功率陡化，得到具有多路同步的陡上升時間的驅動信號，該驅動信號由串聯的多級脈衝形成電路形成±1600V、25ns、20kHz高壓脈衝方波；試樣、保護、計時電路，用於試樣測試及其電路保護和計時；該電路由試樣、機械斷開、計時和控制電路和保護信號、電子停振信號、機械斷開信號和自動復位電路兩部分；驅動電路與可調直流電源連接，可調直流電源與±1600V、25ns脈衝發生器連接，±1600V、25ns脈衝發生器與試樣、保護、計時電路連通。
本發明的絕緣脈衝耐電強度測試裝置可同時測量五個漆包線試樣，總負載不超過160PF，當五組試樣之一擊穿時裝置具有自動切斷高頻方波電源，並自動計時。
圖1是裝置的可調直流源電原理圖。
圖2是裝置的驅動電路原理圖。
圖3是±1600V、25ns脈衝發生器的電路原理圖。
圖4是保護、計時工作原理。
圖4-1是試樣、機械斷路、計時和控制電路原理圖。
圖4-2是保護信號提取、電子停振信號、機械斷開信號和自動復位的電路原理圖。
圖5是在負載160pC下，脈衝的電壓上升的波形。
圖6是重複頻率20kHz下脈衝的波形。
圖7是電路結構框圖。
以下結合附圖和裝置的工作原理對本發明作進一步詳述描述。
具體實施例方式
本發明的絕緣脈衝耐電強度測試裝置主要包括可調直流電源、驅動電路、±1600V、25ns脈衝發生器和試樣、保護、計時電路，以下對各個電路進行詳細介紹。
參見圖1，可調直流電源用於提供電路中所需的可變直流電壓；該電路包括，整流二極體D1～D6和電容C0組成的整流濾波電路，高頻變壓器T1、T2、T3和開關管Qm1、Qm2及電容C1、C2組成的半橋開關電源，手動開關S1，還有接觸器K，「合」和「分」按鈕；濾波電路的輸出端連接由串聯開關管Qm1、Qm2和電容C1、C2，組成的電橋，高頻變壓器T1、T2、T3並聯後其副邊的一端接在電容C1、C2之間，另一端連接在串聯開關管Qm1、Qm2的中點，開關管Qm1和Qm2的交替導通在高頻變壓器T1、T2、T3的三個副邊獲得高頻電壓，經整流後獲得三組直流電壓源，供三個脈衝形成電路，並通過另一個開關電源獲得8組直流20V和一組12V電源；開關變流器的直流是由圖1中三相電壓經三相橋式整流器D1到D6整流獲得的，三相電源的接通和開斷除手動開關S1外，還有接觸器K，「合」和「分」按鈕控制著接觸器的接通和開斷。從圖可見，半橋開關電源電路是由開關管Qm1、Qm2和電容C1、C2組成一個電橋，開關管Qm1和Qm2的交替導通在高頻變壓器的三個副邊獲得高頻電壓，經整流後獲得三組直流電壓源，供三個脈衝形成電路。圖1下端也示出了由另一隻開關源獲得的8組直流20V和一組12V電源，各組低壓直流電源分別連接到圖1-4的電源插頭中。
圖2是可調直流電源中的驅動電路，用於產生驅動信號和對可調直流源中開關管Qm1和開關管Qm2(圖1中)的驅動和調節其脈衝寬度，並防止非零電壓合閘，用於零電壓保護。
驅動信號由開關電源集成控制器UD1(T494)，與非門U1A和與非門U1D，倒相器U1B和倒相器U1C，電晶體Q21和電晶體Q31，兩只光耦P2和P3，兩只市售驅動集成電路EXB841及偏置電壓和穩壓管保護電路組成；與非門UD1交替發生二組佔空比固定的方波電壓，分別由腳9和10輸出，經與非門、倒相器和放大器放大後，輸入驅動集成電路模塊EXB841，EXB841輸出的驅動方波通過保護電阻R22和R23，分別與插頭J60和J61腳2相連。偏置電壓由電阻R31、穩壓管D33和電容器C21串、並聯電路組成，保護電路由穩壓管D21和穩壓管D22反串聯組成。當集成電路模塊EXB841腳9與腳6之間測得功率管Q1(見圖1)的管壓降超過7V時，光耦P2導通，電阻R24的高電位端變成低電位，開關電源集成控制器UD1因腳15變成低電位而停振，達到了保護作用。調節電位器R改變開關電源集成控制器UD1腳4電位，改變方波寬度，調節直流電源的電壓。
驅動信號由開關電晶體集成電路控制器UD1(TL494)產生，經兩級與非門U1A和與非門U1D(4011)後到達三極體Q21放大後，進入驅動集成電路模塊Q2(EXB841)，Q2的腳3輸出幅值20伏的方波，串聯電阻100歐，接至圖1中開關管Qm1的G極，G極偏置電壓由圖2中穩壓管D33、電容C21和電阻R21組成的電路上獲得，為了防止開關過電壓對驅動電路的影響，把穩壓管D21(15V)和D22(5V)的串聯鉗位電路接在集成電路模塊EXB841的方波輸出和偏壓電容器之間。集成電路模塊EXB841的6腳接至圖2中電晶體Qm1的集電極，當電晶體Qm1過載時，管壓降超過7伏，圖2中光耦P2發光結電流急增，光敏結電阻急降，導致二極體D24的2端出現低電位、TL494腳15變成低電位，EXB841立即停振，開關電路停止工作，保護了電晶體Qm1。
電壓的調節是通過改變方波寬度來實現的，改變TL494腳4的電位可達到此目的，調節圖2中電位器R，當腳4處於高電位時，沒方波輸出，相反，處於低電位時，輸出方波寬度最大，因而可調直流電源的輸出電壓最高。
試驗時試驗電壓必須從零以一定速度升高到規定值。為了防止在接通三相電源時，脈衝發生器輸出不希望的高電壓，圖2中增加了防止非零電壓合閘電路，UD1方波信號輸出之一(腳10)接到電壓比較器U2，如果電位器R不在高電位，也就是UD1有方波輸出的情況下，U2輸出高電位，經放大器U3、U4和三極體Q6放大後，由射極跟隨器Q5使繼電器SPDT觸頭K7開路，由於插頭J66與圖1中J66相連，斷開了三相電源的合閘的控制迴路，無法接通三相電源；相反，如果電位器R在高電位，K7閉合，可接通三相電源，調節電位器，高壓脈衝幅度從零增加。
防止非零電壓合閘電路由晶片U2、U3、U4和三極體Q6、Q5的電路組成。晶片U2和U3組成一個功能相當電壓比較器，U4和三極體Q6是兩級放大器，Q5是PNP三極體作射極跟隨器，控制著繼電器SPDT的常閉觸頭K7。圖中插頭J66與圖1中J66相連，只有當UD1無輸出信號時，觸頭K7閉合，三相電源才能合閘。
圖3是±1600V、25ns脈衝發生器的電路圖，用於產生±1600V、25ns、20kHz高壓脈衝方波；把圖1中接頭J30、J31和J32分別與圖3中接頭J30、J31和J32相連，圖3中絕緣柵電晶體Q1、Q2和Q3用來產生脈衝，Q1、Q2和Q3產生的脈衝經電路串聯，相互疊加。
從圖3可見，高脈衝發生器的原始驅動信號來自集成電路控制器UD2(TL494)，UD2輸出的交替方波信號經三極體T22放大後，分別驅動三隻光耦P4、P5和P6，光耦使低電位的驅動信號與高電位的開關電路隔離。只要耐壓2kV以上的光耦都可使用。
開關電源集成控制器輸出的方波在驅動絕緣柵大功率電晶體或MOS場效應管時，因功率管極間電容較大，為200-5000pC，方波上升時大大降低，選擇功率較大的電晶體T39～T44陡化方波上升時間，使驅動方波的電壓上升時間達到25ns。
由驅動電路中等效電容與電阻可計算電壓上升時間t＝RC式中R—驅動電路的輸出等效電阻，C-功率管絕緣柵的對發射極的等效電容。
為了保證絕緣柵電晶體CT60AM(也可用相當的MOSFET)可靠的開斷，T39-T44的輸出信號疊加在偏置電壓上，偏置電壓由電阻、穩壓管和電容組成，例如圖3中R157，Z28和C84。偏置電壓-5V，過電壓保護由兩串相反串聯的穩壓管組成，例如Z16和Z17。
圖3示出三級脈衝形成電路串聯獲得高壓脈衝的電路，同樣的電路也可用於3級以上脈衝形成電路的串聯。
電路包括兩部分1.普通開關電源集成控制器輸出的方波信號及其陡化電路，2.串聯的多級脈衝形成電路。
普通開關電源集成控制器輸出的方波信號及其陡化電路由一隻開關電源集成控制器TL494，三極體9013放大器，三隻光耦P4-P6，三路方波陡化放大器和偏置電壓、穩壓器保護電路組成。三隻光耦由同一三極體9013驅動，保證了信號同步(見圖3)。
三路信號處理的方式、方法相同，以其中一路說明之，由光耦輸出的方波信號經兩隻9013和一隻T39組成的複合放大器放大後，使方波上升時間提高到25ns，大功率管T39輸出的驅動方波經保護電阻R141接到絕緣柵電晶體Q1，Q1的柵極，發射極與電阻R157、穩壓管Z28和電容C84組成的偏置電壓電路相連。
串聯的多級脈衝形成電路以三個脈衝形成電路串聯為例(見圖3)，三線連接插頭J30、J31、J32分別是可調直流電源(圖1)中同號的三線連接插頭相連，絕緣柵電晶體Q1、電阻R201與電源1(通過插頭J30)；絕緣柵電晶體Q2、電阻R202與電源2(通過插頭J31)；絕緣柵電晶體Q3、電阻R203與電源3(通過插頭J32)分別構成三個單端開關電路。絕緣柵電晶體Q1、Q2和Q3的柵極分別通過保護電阻R141、R142和R143和三組驅動信號輸出管T39、T41和T41的發射極相連。第一組脈衝發生電路的正負電源的中性點，也就是插頭J30腳2與第二組電晶體Q2的發射極相連；同理，插頭J31腳2與第三組電晶體Q3的發射極相連，±1600V、25ns從電晶體Q1的發射極輸出。
試樣、保護、計時電路參見圖4，該電路用於試樣測試及其電路的保護和計時。
試樣、機械斷開、計時和控制電路由高電壓接觸器ZJ、繼電器Z11和合、分按鈕組成(見圖4-1)。由±1600V、25ns高壓脈衝發生器產生的脈衝電壓接到接觸器ZJ的接頭J33上，J33的另一端接試樣Cx及其串聯2Ω電阻，2Ω電阻提取短路保護信號由連接插頭PL2輸出到保護信號處理電路。繼電器的觸頭J38和J45作為接觸器ZJ的輔助觸頭，為手動控制電路和指示燈Lamp所用；繼電器的觸頭J43和J44分別作電子鐘自動計時和自動停止所用。
保護信號、電子停振信號、機械斷開信號和自動復位的電路(圖4-2)，由下列部份組成晶片OP37組成的放大器，兩個晶片LM311分別組成的正、負電壓比較器，晶片U52A做成一隻倒相器，兩個晶片U52A(4011)組成的雙穩多諧振蕩器，三極體Q52組成的射極跟隨器和三極體D52組成自動復位電路。
短路信號由連接插頭PL2輸入後，經放大器OP37放大、超過6V，正極性或負極性放大信號分別通過兩隻LM311組成的比較器，比較器輸出高電位，經倒相器U52A變成低電位，低電位輸入雙穩多諧振蕩器腳1，使為雙穩多諧振蕩器翻轉，雙穩多諧振蕩器腳4變成低電位，此電位又使三極體Q52截止，繼電器Z8觸頭J51打開，通過連接插頭PL1開斷了圖4-1中接觸器ZJ的電源，達到了機械斷開高壓脈衝電源和停止計時的目的。
機械斷開高壓脈衝電源速度慢，為了有效保護髮生器，雙穩多諧振蕩器腳4的低電位信號通過二極體D7和接頭J18接到高壓脈衝發生器中的接頭K18(圖3)，使TL494的腳15變成低電位，而立即停止振蕩，高壓脈衝開關管T39-T41截止。同時，插頭J18也接到圖2的J18，使直流電源無輸出。在雙穩多諧振器輸出停振和機械斷開信號時，繼電器Z8的觸頭J50的閉合，使三極體D52其基極通過電容CAP和電阻RES的積分電路獲得高電位，D52導通，雙穩多諧振蕩器腳6上的電容C52放電，雙穩多諧振蕩器復位，圖4-1中接觸器ZJ一端恢復供電，當換掉擊穿試樣後，電路通過合按鈕可重新加壓試驗。
為了說明電路的工作原理和表示清楚起見，以圖4中一路試樣、保護和計時電路為例，分別示於圖4-1和圖4-2中，其他四路電路完全一樣。
(1)圖4-1是機械接觸器、試樣、保護信號提取和計時電路。把圖3輸出的高壓脈衝與圖4-1高壓脈衝的接口相連(J33)，如圖4-1所示，J33另一個觸頭與試樣Cx相連，J33接觸器由12伏的電路控制，以手動進行接通和斷開的。過載信號是通過圖4-2電路，切斷接口PL1上的12V電源，使接觸器J33觸頭開斷的。
圖4-1中示出計時的電子鐘，把電子鐘接口J45和電路的J45相連，當合上接觸器ZJ和繼電器Z11時，接觸器觸頭J33和繼電器觸頭J44閉合，電子鐘開始記錄時間，當試樣擊穿，繼電器Z11動作，觸頭J44打開、J43閉合，電子鐘停上計時，並保持已記錄的時間，閉合按鈕K11電子鐘清除記錄時間。
(2)圖4-2是保護信號的工作電路。把圖4-1中接口PL2與圖4-2的PL2相連，當圖4-1中試樣Cx擊穿時，在與試樣串聯的2歐電阻上獲得一短路信號，短路信號經圖4-2中OP37放大後，正負短路信號分別到達電壓比較器，比較器輸出高電位，迫使雙穩多諧振蕩器翻轉，腳4變為低電位，通過插頭J18與圖3和圖2中J18相連，使直流電源無輸出，使TL494停振，另一路低電位使三極體Q52載止，斷電器Z8動作，觸頭J51由閉合變成斷開，由於接口PL1圖4-1中PL1相連，接觸器ZJ和繼電器Z11斷電，觸頭J33開路，試樣與高壓脈衝源斷路。
從圖4-2也可見，當繼電器觸頭J50因過載而閉合後，電源+12V通過10k電阻向三極體9013的基極充電，充電到一定時間(0.6秒)後，三極體9013導通，雙穩多諧振蕩器6腳上的電容器放電，雙穩多諧振蕩器翻轉，恢復原來狀態。
圖5是在負載160pC下，脈衝的電壓上升的波形圖，高壓脈衝的上升時間，從負值到正值，上升時間50.45ns，一般定義上升時間是從零值到正值的時間，因此脈衝上升時間為25ns。一般漆包線絞線試樣的電容量約25pC，五個試樣的總電容量約125pC，因此，圖5代表高壓脈衝發生器在全負載下的輸出波形。根據脈衝上升時間的定義，是脈衝幅度從10％上升到90％的時間，因此脈衝上升時間是圖5中示波器自動測量值的二分之一，即25ns。
圖6是重複頻率20kHz下脈衝的波形圖，如圖可見在空載下的脈衝上升時間。
本發明以多級幅值較低的脈衝發生器相互串聯形成高幅值的脈衝；以普通開關電源集成控制器發生的方波，經過陡化電路後形成上升時間為25ns、重複頻率20kHz的方波，經多路光電耦合形成多路同步方波，作為多級脈衝發生器中功率管的驅動信號；以半橋開關電路和以三(或多)只高頻變壓器並聯或一組原邊、三(或多)組付邊的一隻高頻變壓器，實現直流-高頻-直流的變流技術，供多級脈衝發生器所用，調節開關電源集成控制器輸出方法的寬度，進行輸出直流電壓的調節；以快速停振脈衝發生器和機械斷開脈衝電路兩種方式，防止試樣擊穿給電路帶來的損壞；以加壓和機械斷開電路分別控制計時鐘的起動和停止，實現自動計時功能；以機械斷開電路連動放電電路，實現快速停振電路的自動復位。
權利要求
1.一種絕緣脈衝耐電強度測試裝置，其特徵在於，該裝置的電路部分包括可調直流電源，用於提供電路中所需的可變直流電壓；其中包括由三相橋式整流電路，半橋開關電源電路和三隻並聯的高頻變壓器分別獲得三組正負直流高壓，供三個脈衝形成電路所用；還有8組直流20V電源和一組直流12V電源；驅動電路，用於產生驅動信號，驅動可調直流電源中半橋開關電源的絕緣柵電晶體或功率場效應管，通過改變脈衝方波寬度，調節開關電源直流輸出電壓的幅度；並設有在直流輸出電壓為零的狀態下才能接通三相電源的防止非零電壓合閘電路；±1600V、25ns脈衝發生器，用於產生±1600V、25ns、20kHz高壓脈衝方波；其電路包括開關電源集成控制器輸出的方波信號及其陡化電路和串聯的多級脈衝形成電路；開關電源集成控制器輸出多路的方波，經陡化電路的大功率陡化，得到具有多路同步的陡上升時間的驅動信號，該驅動信號由串聯的多級脈衝形成電路形成±1600V、25ns、20kHz高壓脈衝方波；試樣、保護、計時電路，用於試樣測試及其電路保護和計時；該電路由試樣、機械斷開、計時和控制電路和保護信號、電子停振信號、機械斷開信號和自動復位電路兩部分；驅動電路與可調直流電源連接，可調直流電源與±1600V、25ns脈衝發生器連接，±1600V、25ns脈衝發生器與試樣、保護、計時電路連通。
2.如權利要求1所述的種絕緣脈衝耐電強度測試裝置，其特徵在於，所述半橋開關電源電路由至少三個高頻變壓器和開關管Qm1、開關管Qm2及電容C1、電容C2組成，開關管Qm1和開關管Qm2的交替導通在三個高頻變壓器的三個副邊獲得高頻電壓。
3.如權利要求1所述的種絕緣脈衝耐電強度測試裝置，其特徵在於，所述開關電源集成控制器輸出的方波信號及其陡化電路由開關電源集成控制器、三極體、三隻光耦、三路方波陡化放大器和偏置電壓、穩壓器保護電路組成，三隻光耦P4-P6由同一三極體驅動，以保證信號同步。
全文摘要
本發明公開了一種絕緣脈衝耐電強度測試裝置，該裝置主要由可調直流電源、驅動電路、±1600V、25ns脈衝發生器和試樣、保護、計時電路四大部分構成，用於測量變頻電機用漆包線或變頻電機線圈匝間絕緣耐電強度，它模擬PWM變頻電機驅動電壓的波形，通過提高電壓上升時間，加速絕緣老化，以便在較短的時間內測定漆包線或線圈匝間絕緣的耐電強度。裝置可同時測量五個漆包線試樣(或變頻電機的線圈的匝間絕緣)，總負載不超過160PF，當五組試樣之一擊穿時裝置具有自動切斷高頻方波電源，並自動計時。
文檔編號G01R31/00GK1661384SQ20041007313
公開日2005年8月31日 申請日期2004年10月9日 優先權日2004年10月9日
發明者屠德民, 王霞 申請人:西安交通大學