用于變頻電機絕緣測試的PWM電壓發生器

趙明，周群，王鵬，余鐵鈔，吳天強

(四川大學 電氣信息學院，成都 610065)

0 引 言

變頻電機工作在經電力電子器件斬波的高頻脈沖電壓下，絕緣過早失效的現象時有發生[1-2]。目前，在變頻電機絕緣評估中大多使用重復脈沖方波電壓模擬變頻器輸出的PWM電壓，研究重復脈沖方波上升時間[3-4]、占空比[5-6]、頻率[7-9]等參數對變頻電機絕緣的影響。但是變頻電機在實際運行時，定子端部承受的是變頻器輸出的脈寬調制電壓，脈寬調制電壓的開關頻率、基波頻率、脈沖占空比動態變化，如果能在脈寬調制電壓下開展變頻電機絕緣評估實驗，可以得到更加貼近實際的評估結果[10]。

為了研究變頻電機絕緣過早失效的機理，國內外學者廣泛采用的方法是在與變頻器輸出電壓類似的脈沖電源下開展與變頻電機絕緣相關的實驗，其中部分學者直接使用工業變頻器作為脈沖電源進行試驗[11-12]，以模擬變頻電機實際運行時的電應力，然而工業變頻器直流母線電壓固定，開關頻率與正弦波頻率比值固定不能任意調節，難以滿足實驗需要。而直接輸出式脈沖電源通過控制MOSFET、IGBT等電力電子器件的開關狀態直接輸出高壓脈沖，具有參數調節范圍大、技術原理成熟、控制系統簡單等優點，得到越來越廣泛的應用。

研究設計了一臺基于現場可編程門陣列 (Field-Programmable Gate Array，FPGA)和高速固態推挽開關的直接輸出式PWM脈沖電壓發生器，該脈沖電壓發生器既可以輸出模擬實際的正弦脈寬調制(Sinusoidal Pulse Width Modulated，SPWM)電壓和空間矢量脈寬調制(Space Vector Pulse Width Modulated，SVPWM)電壓以開展PWM電壓下的變頻電機絕緣評估實驗和型式鑒定實驗，又可以輸出重復脈沖方波電壓以便和PWM電壓下的測試結果進行對比。

1 系統總體設計及參數選擇

用于變頻電機絕緣測試的直接輸出式PWM電壓發生器原理如圖1所示。脈沖電源工作過程為：從正負高壓直流電源+HVDC、-HVDC輸出的直流高壓經過濾波電容C1、C2，均壓電阻R1、R2后為高速固態推挽開關提供雙極性高壓直流電源；基于FPGA的脈沖信號發生器為固態推挽開關提供SPWM、SVPWM和重復脈沖方波觸發信號；固態推挽開關在觸發信號驅動下對正負直流高壓斬波輸出雙極性高壓脈沖；1 000:1高壓探頭為示波器提供采樣信號，同時也為試樣擊穿保護模塊提供監控信號；基于FPGA的擊穿保護模塊實時監控來自高壓探頭的電壓信號，如果發生試樣擊穿則停止輸出推挽開關觸發信號并斷開KA1、KA2、KA3切斷推挽開關的高壓直流電源和工作電源。

圖1 PWM脈沖電源工作原理

低壓變頻器大都采用正弦脈寬調制或者空間矢量脈寬調制，電力電子器件的開斷速度一般在0 ～ 20 kHz之間，基波頻率一般在0 ～ 200 Hz之間，線電壓大多為380 V或660 V。據此，本設計選擇SPWM和SVPWM兩種脈寬調制方式，PWM波基波頻率0 ～ 200 Hz、開關頻率0 ～ 20 kHz、脈沖幅值0～3 kV，脈沖電源參數如表1所示。

表1 脈沖電源主要參數指標

2 PWM脈沖電壓發生器的搭建

2.1 SPWM電壓的產生

產生SPWM波形的基本原理是比較三角載波和正弦調制波的幅值大小，在FPGA中是正弦波和三角波離散幅值的比較[13-14]。本研究中，根據直接數字合成法原理產生SPWM觸發信號，事先將一個周期的正弦波和三角波進行數字化離散后存放在FPGA的只讀存儲器(Read-Only Memory，ROM)中，工作時根據三角波頻率和正弦波頻率從ROM中循環取值進行比較輸出相應的SPWM波[15-16]。圖2為FPGA中產生SPWM觸發信號的程序模塊視圖。

圖2 產生SPWM觸發信號代碼模塊視圖

SPWM電壓產生過程如下：

(1)通過按鍵設定基波頻率、開關頻率、調制深度;

(2)計算取波形數據的頻率。調用時鐘發生器模塊，產生取正弦波和三角波波形數據的時鐘，時鐘脈沖如圖3所示;

圖3 尋址波形數據的時鐘

(3)根據設置調制深度調節正弦波的幅值，正弦波幅值的調節如圖4所示;

圖4 經過0.7倍幅值變換的正弦波

(4)在取正弦波數據時鐘和取三角波數據時鐘的驅動下，從各自的ROM區中取波形數據，生成期望頻率的正弦波和三角波。圖5所示為對波形離散數據的讀取;

圖5 波形離散數據的讀取

(5)比較正弦波和三角波幅值，產生SPWM觸發信號，如果三角波幅值小于正弦波則輸出高電平，反之，則輸出低電平。SPWM信號的產生如圖6所示;

圖6 SPWM信號的產生

(6)固態推挽開關在觸發信號的驅動下輸出雙極性SPWM電壓。圖7所示為一個調制周期的SPWM電壓。

圖7 一個調制周期的SPWM電壓

2.2 SVPWM電壓的產生

SVPWM 調制以伏秒平衡原理為理論基礎，即通過對相鄰電壓矢量作用時間的調制，使其等效平均值與合成電壓矢量相等[17-18]。將變頻器輸出的三相電壓等效為一個空間上的旋轉電壓，整個矢量空間由六個扇區組成，任意扇區中的合成電壓，均可視為是零矢量和該扇區兩個非零矢量在時間上的不同組合。兩個非零矢量的作用時間在一個采樣周期內分多次施加，合成電壓矢量在空間上按接近圓形軌跡旋轉[19]。電壓矢量的合成如圖8所示。

圖8 電壓矢量的合成

SVPWM電壓產生過程如下：

(1)首先將一個周期的正弦波和余弦波分別離散為3 600個8位二進制數，保存在FPGA的ROM中;

(2)設定所需SVPWM電壓的載波頻率、調制波頻率、調制深度，根據所設定的載波頻率和調制波頻率計算取波形數據的頻率以及每兩次取值間的地址增量。頻率值的設定及地址增量的計算如圖9所示。

圖9 頻率值的設定及地址增量的計算

(3)調用任意頻率發生器產生取波形數值的時鐘，在該時鐘下從ROM中取正、余弦值。圖10所示為對擴大10 000倍的正余弦值的尋址;

圖10 對正、余弦數值的尋址

(4)在每個開關周期使用正余弦值計算決策因子|X|、|Y|、|Z|的值，并判斷合成電壓矢量所處的扇區，計算結果如圖11所示;

圖11 |X|、|Y|、|Z|及扇區N的計算

(5)計算扇區基本矢量導通時間t1、t2，并判斷是否發生過調制，如果發生過調制則做等比例變換，使合成矢量回到空間矢量正六邊形的內切圓內;

(6)使用t1、t2計算三相開關的切換點時間TCMPA、TCMPB、TCMPC，其仿真波形如圖12所示，從圖12中可見TCMPA、TCMPB、TCMPC為SVPWM典型的馬鞍形調制波。

圖12 TCMPA、TCMPB、TCMPC仿真波形

(7)固態推挽開關在SVPWM觸發信號的驅動下對直流電壓斬波，輸出SVPWM電壓脈沖。圖13所示為高壓脈沖發生器所輸出的SVPWM電壓。

2.3 重復脈沖方波電壓的產生

為了便于開展國際電工委員會(International Electrotechnical Commission，IEC)針對Ⅰ型(散嵌繞組)變頻電機的絕緣系統提出的檢測標準IEC 60034-18-41下的實驗，將PWM電壓下的實驗結果和重復脈沖方波電壓下的實驗結果進行對比，并盡量提高實驗數據的一致性，本研究設計的PWM脈沖電壓發生器同時具有輸出重復脈沖方波電壓的功能，輸出脈沖占空比1%～99%可調、脈沖頻率1 kHz～20 kHz可調。

調節占空比的原理是在每個開關周期使用門限值對直角三角波進行調制，FPGA中產生重復脈沖方波觸發信號程序模塊如圖14所示。

圖14 重復脈沖方波觸發信號的產生

參數可調的重復脈沖方波電壓產生過程如下;

(1)通過按鍵設置脈沖方波的頻率和占空比;

(2)根據設定的脈沖頻率計算產生直角三角波所需時鐘頻率，直角三角波的幅值變化為1～100，所以所需時鐘頻率為100倍脈沖頻率;

(3)調用任意頻率發生器產生所需時鐘;

(4)在(3)所述時鐘下產生直角三角波，在每一個時鐘上升沿三角波幅值加一，若幅值到達100則清零重新累加;

(5)根據設定的脈沖占空比設定調制門限值，門限值與所需占空比相等，例如期望脈沖占空比為45%，則門限值為45；

(6)在每個開關周期內使用門限值對直角三角波調制，當三角波的值大于門限值時輸出為0，反正輸出為1。門限電壓對直角三角波的調制如圖15所示；

圖15 門限電壓對直角三角波的調制

(7)固態推挽開關在(6)中所述觸發信號的驅動下對正負直流高壓斬波，輸出頻率和占空比可變的雙極性重復脈沖方波電壓。

3 SPWM電壓下的局部放電測試

使用該脈沖電壓發生器開展了變頻電機電磁線在SPWM電壓下的局部放電測試，實驗硬件還包括示波器、高頻脈沖電流傳感器、PDcheck局部放電檢測儀。實驗中使用圖4 所示SPWM電壓，使用高頻脈沖電流傳感器提取局部放電信號。圖16為一個調制波周期內檢測到的脈沖電流信號相位-幅值圖。

圖16 SPWM波下局放檢測相位模式圖

實驗結果表明：受推挽開關開斷的影響，在每一個脈沖的上升沿和下降沿都會在傳感器中耦合出一個干擾信號，如圖17所示。

圖17 干擾和局部放電信號

圖18為脈沖信號的時頻聚類圖，從圖19中可以看出干擾信號在整個頻域內均有分布，而局部放電信號主要集中在高頻區間，這與文獻[4]中研究結果一致。圖19為去除開關開斷干擾后的局部放電相位模式圖，由圖19中可見電磁線局部放電主要發生在每個調制波周期的90°和270°附近，即脈沖持續時間最長的部分，并且放電幅值和次數具有對稱性。

圖18 SPWM波下局放檢測時間-頻率模式圖

圖19 去除開關開斷干擾后的局放檢測相位模式圖

4 結束語

設計了一臺用于變頻電機絕緣測試的直接輸出式PWM脈沖電壓發生器，能夠輸出工業變頻器廣泛使用的SPWM電壓和SVPWM電壓,以及目前絕緣測試中廣泛使用的重復脈沖方波電壓，有利于拓寬變頻電機絕緣研究的范圍、提高絕緣評估的準確性和測試數據的一致性。

(1)設計了以FPGA為核心的脈沖信號發生器，輸出載波頻率、調制波頻率可調的SPWM波和SVPWM波以及頻率、占空比可調的重復脈沖方波;

(2)以高速固態推挽開關為核心搭建了脈沖電源的強電回路，在來自脈沖信號發生器的觸發信號驅動下，輸出相應的PWM電壓或者重復脈沖方波電壓;

(3)使用該脈沖電壓發生器開展了SPWM電壓下變頻電機絕緣局部放電實驗，驗證了該脈沖電壓發生器的實用性和可靠性。