基于匝間耐壓測試的繞組品質評價與故障診斷

何寶祥，朱正偉

（常州大學，常州 213164）

0 引言

繞組的匝間耐壓測試可以用來進行質量檢測，即在被測件上施加高壓沖擊，觀測沖擊響應。目前，國內外大多運用計算機技術將標準波形存儲起來，在測試時將被測波形與存儲的標準波形進行頻率和頻率差、面積和面積差等參數的比較，當被測波形與標準波形的參數偏離一定范圍時，便判定被測繞組不合格[1]。但即便如此，人們也只能知道產品的定性質量，不合格品往往被作為廢品處理。因此，采用先進的工業測控計算機，將計算機強大的計算處理能力和儀器硬件的測量、控制能力結合在一起，通過軟件實現對數據的顯示、存儲以及分析處理，使匝間耐壓測試儀的功能遠遠超過一般的匝間耐壓測試儀，是近年來的一種發展趨勢。同時，隨著電機、變壓器、電感、繼電器等繞線產品向高品質化、高性能化方向發展，對檢測設備也提出了更高的性能要求[2～4]。特別是國內外越來越多的用戶廣泛需求一種能提供線圈的性能分類和組合及其相應質量參數的匝間耐壓測試。另外，操作方便簡潔，判斷準確快捷，性能安全可靠，也是人們的永恒追求，如由計算機自動判斷代替人工判斷匝間故障情況，并根據不同情況設置不同判斷精度，提高判斷的準確性和判斷速度，降低操作人員的勞動強度和失誤率等等。因此，研制開發具有高分辨率、低價、快速和便攜等特點的匝間耐壓測試設備，以滿足航空、航海、煤礦及其他領域對繞線產品性能的差異化需求，有著非常重要的意義和廣泛的市場前景。

1 原理分析

匝間耐壓測試系統結構框圖如圖1所示，主要由CPLD高速數據采集模塊[5]、單片機控制模塊和可控高壓電源模塊等部分組成。由于被測的振蕩信號頻率較高，系統采用CPLD實現高速數據采集。而單片機控制模塊除了要完成整個系統的控制外，還要對測試參數進行設置，如沖擊次數和比較方式等。可控高壓電源模塊能實現自動穩壓，以徹底免除電網電壓波動突變影響，同時采用特有技術制造的高壓可控硅作為控制器件。

圖1 匝間耐壓測試系統結構

測試前，首先通過鍵盤設置電壓等級，并由CPU通過8255擴展口對高壓開關電源實現控制。然后啟動測試，系統給被測繞組加一時間極短的脈沖高壓，測試繞組與并聯的電容器構成自由振蕩，由于在振蕩電路中加有泄放電阻，所以將產生較快的衰減振蕩波形。這個波形由數據采集模塊同步采集并暫時保存在CPLD控制的RAM中。當數據采集完成后，CPU從臨時RAM中讀取數據，并與ROM中保存的標準數據進行比較、分析和判斷，最終將結果顯示在LCD上。

匝間耐壓測試系統主回路可以等效為圖2的形式，u2為高壓變壓器Tr次級電壓，Tr與二極管D、電容C0和可控硅SRG一起組成沖擊電壓發生器。D和C0起整流濾波作用，SRG起著高壓開關作用。R為波頭電阻，L、C和r分別為被測件的電感、分布電容和繞組電阻。通過對圖2電路在實驗各階段的理論推導分析，沖擊電壓u前沿與R和C0有關[5]。被測繞組參數的變化都會引起衰減振蕩的振幅、時間常數、頻率和相位的變化。

圖2 匝間耐壓測試系統主回路

通常，

回路經高壓沖擊后衰減振蕩，設衰減振蕩的振幅U、時間常數τ、頻率f和初相位ψ，通過分析可知，沖擊響應為

其中，

沖擊響應波形的面積為

當

時，進一步可求得

所以如果匝間短路、開路等問題出現，繞組參數產生變化，通過觀察衰減振蕩波形的變化便可檢測層間、匝間異常。一般情況SRG觸發和導通階段的電壓幅值較截止階段的大，層間、匝間絕緣不良容易暴露，如電暈的產生、放電的產生等，而其它異常可從波形的整個過程加以比較和分析。

2 繞組的品質評價和故障診斷

2.1 繞組品質和故障屬性與沖擊響應之間的關系

由前面分析可知，在一定的測試環境和條件下，繞組的特征參數決定于沖擊響應的頻率、面積和相位等。因此，可以通過測量被測件沖擊響應的頻率、面積和相位，并與標準件比較、分析和判斷，就可以得到被測件的品質和故障屬性。表1列出了被測件的故障屬性與沖擊響應之間的關系。

2.2 繞組的品質評價和故障診斷方法

繞組的品質評價和故障診斷流程如圖3所示。測試條件包括沖擊電壓、沖擊次數、環境溫度和濕度等。繞組的品質評價指標包括：沖擊響應極限指標，如最小面積Smin、最大面積Smax和最小頻率fmin等；沖擊響應域值指標，如相對面積差σ0、σ1、σ2和頻率差Δf0、Δf1、Δf2等，它們的關系為σ0＜σ1＜σ2，Δf0＜Δf1＜Δf2。極限指標主要用于故障診斷，域值指標主要用來繞組品質分級。

表1 被測件的故障屬性與沖擊響應之間的關系

圖3 繞組品質評價與故障診斷流程圖

表2是在沖擊電壓5000V、溫度為20℃和濕度為50%測試條件下，由專家系統就某型號繞組進行樣板分析后給出的品質評價指標。

表2 某型號繞組品質評價指標

3 實驗結果與分析

使用本匝間耐壓測試系統對繞組批量檢測，并對所有被測繞組人工返測和對比，統計結果表明：被測繞組的故障判斷準確率95%，故障漏判率為0，優良分級準確率100%。表3為匝間耐壓測試系統的實測脈沖電壓與精度分析，圖4給出了脈沖波前時間與脈沖電壓之間的關系，可見系統測量精度高，性能穩定。

表3 匝間耐壓測試系統的實測脈沖電壓

圖4 脈沖波前時間與脈沖電壓之間的關系

總之，基于匝間耐壓測試的繞組品質評價與故障診斷有效可行，它將完全取代人工對繞組合格品進行優良分級，對繞組不合格品進行故障診斷分類。本文設計并開發的匝間耐壓測試儀已經投入生產，并正逐步取代傳統的繞組檢測設備，社會和經濟效益初露端倪。

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