梁敬哲，張曉鋒

艦船單相變頻調(diào)速電機(jī)繞組的絕緣在線監(jiān)測的研究

梁敬哲，張曉鋒

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

由于艦船環(huán)境相對復(fù)雜，傳統(tǒng)的在線絕緣監(jiān)測手段大多無法良好適用于艦船電力系統(tǒng)中變頻調(diào)速電機(jī)，這個問題嚴(yán)重影響了變頻調(diào)速電機(jī)的可靠性，從而制約了變頻調(diào)速電機(jī)在現(xiàn)有艦船上的應(yīng)用。本文針對變頻調(diào)速電機(jī)，基于雙頻注入信號法，設(shè)計(jì)了一種在線測定變頻調(diào)速電機(jī)絕緣電阻及對地電容的方法，并對其預(yù)先調(diào)試做出了分析。通過Matlab對該方法的仿真，驗(yàn)證了此方法的正確性。

變頻調(diào)速電機(jī) 艦船電力系統(tǒng) 注入信號法 電路仿真 絕緣檢測

0 引言

隨著電力系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，各行各業(yè)對電力設(shè)備絕緣故障診斷技術(shù)的要求也越來越高。相比于陸地電力系統(tǒng)，艦船電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性更為關(guān)鍵。陸地電力系統(tǒng)的絕緣故障通常不會突然發(fā)生，且按照相關(guān)運(yùn)行規(guī)定，系統(tǒng)存在一定程度絕緣裕度。與此相比，艦船電力系統(tǒng)有可能發(fā)生較大的突發(fā)性絕緣故障，且一旦絕緣故障發(fā)生，會對艦船電力系統(tǒng)造成較大的沖擊。同時對艦船的運(yùn)行安全以及人員的生命安全造成較大的威脅。因此，艦船電力系統(tǒng)對于絕緣在線監(jiān)測的需求更遠(yuǎn)超過陸地電力系統(tǒng)。

近些年，我國艦船電力系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，中壓直流輸電也已廣泛應(yīng)用于艦船電力系統(tǒng)[1-3]。同時，變頻調(diào)速電機(jī)的使用日益增多。不同于傳統(tǒng)電機(jī)，變頻調(diào)速電機(jī)在使用過程中必然會引入高頻PWM逆變器。此時，使用傳統(tǒng)的在線監(jiān)測手法將無法得到準(zhǔn)確的結(jié)論。因此，提出一種有效的艦船變頻調(diào)速電機(jī)繞組的在線絕緣監(jiān)測方法是十分必要的。本課題基于此種目的，主要解決在線監(jiān)測單相變頻調(diào)速電機(jī)繞組對地絕緣的問題。

1 絕緣在線監(jiān)測的基本原理

本文進(jìn)行的有關(guān)單相變頻調(diào)速電機(jī)繞組的絕緣在線監(jiān)測的研究主要基于傳統(tǒng)雙頻信號監(jiān)測在絕緣故障中的應(yīng)用。

雙頻法的基本工作原理為，絕緣監(jiān)測裝置先后向電網(wǎng)與地間發(fā)出兩個頻率不同的正弦波信號[4-6]。通過測量絕緣線路上的漏電流以確定絕緣電阻與分布電容的具體數(shù)值，如測量值與標(biāo)準(zhǔn)值之間有較大的差距，則說明電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了絕緣故障，其具體原理見圖1。圖中E表示直流發(fā)電機(jī)電動勢，為電動機(jī)繞組對地的相對電容，為電動機(jī)繞組的絕緣電阻，為電動機(jī)繞組。

由于絕緣電阻與對地電容的大小遠(yuǎn)大于電動機(jī)的內(nèi)阻抗，因此電動機(jī)的內(nèi)阻抗在進(jìn)行分析時可忽略不計(jì)。從而，可以將圖1中的電路簡化為如圖2所示的等效電路。

當(dāng)輸入頻率為1的注入信號時，絕緣電阻與分布電容的對地電壓為U1，漏電流為I1；當(dāng)輸入頻率為2的注入信號時，絕緣電阻與分布電容的對地電壓為U2，漏電流為I2。分別列出以上兩種情況的電路方程：

由此求得電動機(jī)繞組的對地絕緣電阻的大?。?/p>

同時可以求得電動機(jī)繞組的對地分布電容的大小[7]：

當(dāng)計(jì)算出的絕緣電阻或分布電容的值與設(shè)定值有較大差距時，說明此電動機(jī)出現(xiàn)了絕緣故障。

然而，變頻調(diào)速電機(jī)的輸電線路中必然存在高頻PWM逆變器，在這種情形下，使用傳統(tǒng)的雙頻法，將無法正確得出絕緣電阻及分布電容的值。因此，有必要對這種情況下絕緣電阻或分布電容的測定進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

圖1 雙頻法原理示意圖

2 絕緣電阻及分布電容的測定方法

在進(jìn)行單相變頻調(diào)速電機(jī)繞組的絕緣測定時，由于工程上的原因，注入信號難以從高頻PWM逆變器與電機(jī)繞組之間輸入，只能將注入信號在高頻PWM逆變器之前輸入，高頻PWM逆變器必然會對注入信號產(chǎn)生干擾，傳統(tǒng)的雙頻法無法適用于這種情況。因此為完成變頻調(diào)速電機(jī)絕緣電阻及分布電容的測定，首先要解決三個主要問題，即：工頻電壓影響的排除；注入信號的選擇；絕緣電阻及分布電容的計(jì)算方法。

2.1 工頻電壓影響的排除

由于交流電網(wǎng)中存在工頻信號，當(dāng)在直流側(cè)輸入頻率為的注入信號時，傳統(tǒng)方法中的電流傳感器檢測出電流為工頻電網(wǎng)電源與注入信號源共同疊加的結(jié)果。為了排除工頻信號的干擾，可以采取將霍爾傳感器安裝在電機(jī)繞組的兩根引出線上，如圖3所示。

圖3 利用霍爾傳感器測定絕緣線路漏電流

圖中霍爾電流傳感器測得的電流值為兩根引出線上電流的矢量和1+2，根據(jù)基爾霍夫電流定律可知，此時測出的電流大小等于漏電流I。從而達(dá)到了排除工頻信號干擾的目的。

2.2 注入信號的選擇

由于絕緣支路中存在分布電容，且需要對分布電容的大小進(jìn)行測定，因此注入信號仍需要選擇交流信號。為確定注入信號的頻率，需要對單相變頻調(diào)速電機(jī)的輸電線路進(jìn)行分析。

構(gòu)建如圖4(a)所示的電力系統(tǒng)，由于絕緣電阻與對地電容的大小遠(yuǎn)大于電動機(jī)的內(nèi)阻抗，因此電動機(jī)的內(nèi)阻抗可忽略不計(jì)。得到如圖4(b)所示的簡化電路。

圖4 單相變頻調(diào)速電機(jī)的輸電線路分析

分析注入信號單獨(dú)作用在電路上時的等效電路。當(dāng)T1、T4導(dǎo)通，T2、T3關(guān)斷時可得到如圖5(a)所示的等效電路。當(dāng)T1、T2、T3、T4同時導(dǎo)通時可得到如圖5(b)所示的等效電路。當(dāng)T2、T3導(dǎo)通，T1、T4關(guān)斷時可得到如圖5(c)所示的等效電路。

圖5 注入信號單獨(dú)作用在電路上時的等效電路

經(jīng)分析，在這三種導(dǎo)通情況下，IGBT的存在不影響注入信號傳輸至絕緣線路。然而當(dāng)T1、T2、T3、T4全部關(guān)斷時，形成了如圖5(d)所示的等效電路，由于續(xù)流二極管的存在，當(dāng)注入信號原產(chǎn)生的電壓大于0時，回路可正常導(dǎo)通，而當(dāng)注入信號原產(chǎn)生的電壓小于0時，回路將無法導(dǎo)通，此時霍爾電流傳感器測得的電流值為0。

為了便于絕緣電阻與分布電容的計(jì)算，預(yù)期得到的絕緣線路上通過的電流信號應(yīng)為一個周期函數(shù)。為使絕緣線路上通過的電流信號為一個周期函數(shù)，需要保證注入信號周期為高頻PWM逆變器的周期的整數(shù)倍，即注入信號的頻率應(yīng)為高頻PWM逆變器頻率的1/2。

2.3 絕緣電阻及分布電容的計(jì)算

通過向絕緣線路輸入頻率為高頻PWM逆變器頻率1/2的注入信號，可以得到為一個周期函數(shù)的電流信號。使用Matlab對這種情況進(jìn)行仿真，如圖6所示。

圖6 Matlab仿真圖

圖6中AC1是頻率為50 Hz，幅值為1000 V工頻交流電源，交流電源通過不控整流向輸電網(wǎng)絡(luò)輸出直流電，再經(jīng)由高頻PWM逆變器轉(zhuǎn)換為交流電傳導(dǎo)至電機(jī)繞組，是阻值為2×106Ω的絕緣電阻，是容抗為1×10-6F的分布電容。對電動機(jī)的兩根引出線上的電流做加法運(yùn)算來對霍爾電流傳感器進(jìn)行仿真。逆變器采取單脈沖調(diào)制原理，且逆變器的頻率為50 Hz。令注入信號源AC2在直流輸電網(wǎng)絡(luò)上輸入頻率為12.5 Hz，幅值為20 V的交流電壓信號。觀察示波器波形，如圖7所示。

圖7 仿真中測定的電流波形

其波形與預(yù)先分析的結(jié)果基本相同。其波形中的尖峰是由于RC諧振所導(dǎo)致的，由于絕緣電阻及分布電容極大，因此產(chǎn)生的震蕩時間極小，對于電流的測量影響極小可忽略不計(jì)。仿真結(jié)果顯示檢測到的電流信號為一周期函數(shù)，為測定絕緣線路的參數(shù)，現(xiàn)列出電路方程，將電流信號的有效值表示為與及相關(guān)的函數(shù)，任取一信號周期，可列出下述方程：

此后將注入信號改為頻率為6.25 Hz，幅值為20 V的交流電壓信號，重復(fù)以上仿真過程?？闪谐鱿率龇匠蹋?/p>

計(jì)算出的電流有效值與仿真結(jié)果相同。

多次改變信號頻率進(jìn)行仿真，根據(jù)規(guī)律可確定當(dāng)注入信號的頻率為高頻PWM逆變器頻率的1/2，且的取值大于1，幅值為U時，可整理出對于任意的取值均適用的通用方程?？闪谐鱿率龇匠蹋?/p>

式中代表高頻PWM逆變器頻率，為測出電流的有效值。

分別將的兩個不同的的取值帶入上述方程，聯(lián)立即可求得絕緣線路的絕緣電阻與分布電容。

3 絕緣檢測裝置的調(diào)試方法

在上述絕緣電阻及分布電容的測定中，要求高頻PWM逆變器的頻率已知，但在實(shí)際工程中，由于各種原因，難以直接得知高頻PWM逆變器的頻率，這就使得對絕緣檢測裝置的調(diào)試有所要求。對于絕緣檢測裝置的調(diào)試主要分為兩方面：確定高頻PWM逆變器的頻率；確定高頻PWM逆變器的相位。

3.1 高頻PWM逆變器頻率的確定

在注入信號源處輸入直流信號，當(dāng)T1、T2導(dǎo)通，T3、T4關(guān)斷；或T1、T2、T3、T4同時導(dǎo)通；或T3、T4導(dǎo)通，T1、T2關(guān)斷時，霍爾電流傳感器檢測到的電流均為正常的直流信號。當(dāng)T1、T2、T3、T4同時關(guān)斷時，霍爾電流傳感器檢測到的電流為0。由于高頻PWM逆變器采取單脈沖調(diào)制原理，以上四種導(dǎo)通情況按順序交替進(jìn)行。因此，霍爾電流傳感器檢測到的電流為一個周期信號，且該信號的周期與高頻PWM逆變器的周期相同，這就為高頻PWM逆變器頻率的測定提供了方法。

對調(diào)試過程進(jìn)行仿真，在注入信號源處輸入20 V的直流信號，并對霍爾電流傳感器測量到的電流信號進(jìn)行傅里葉分析，可以比較清晰的得出電流信號的周期T，這個周期同時也是高頻PWM逆變器的周期，從而計(jì)算出高頻PWM逆變器的頻率。

3.2 高頻PWM逆變器相位的確定

在上文的仿真中已經(jīng)對高頻PWM逆變器的頻率進(jìn)行了測定，為方便計(jì)算，須將注入信號的相位與高頻PWM逆變器的保持一致，即注入信號的上升過零點(diǎn)與高頻PWM逆變器從T1、T2、T3、T4同時關(guān)斷的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門1、T2導(dǎo)通，T3、T4關(guān)斷的工作狀態(tài)的瞬間保持一致。

在測定高頻PWM逆變器的頻率，在霍爾電流傳感器檢測到電流信號由0變?yōu)? A的瞬間即為高頻PWM逆變器從T1、T2、T3、T4同時關(guān)斷的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)門1、T2導(dǎo)通，T3、T4關(guān)斷的工作狀態(tài)的瞬間，因此可以檢測電流信號的上升沿，并通過上升沿觸發(fā)注入信號源輸入預(yù)先設(shè)定好的交流信號，并同時停止直流信號的輸入。

通過上述的調(diào)試方法，對絕緣檢測裝置進(jìn)行預(yù)先調(diào)試，即可達(dá)到較為簡單的計(jì)算出絕緣電阻及分布電容的目的。

4 結(jié)論

本文從注入信號法的基本原理入手，分析了高頻PWM逆變器對注入信號的干擾，提出了利用雙頻法進(jìn)行單相變頻調(diào)速電機(jī)繞組的絕緣在線監(jiān)測的具體手段，通過多組理論計(jì)算與仿真分析，行之有效地完成了對絕緣線路絕緣電阻及分布電容的測定，并得出以下結(jié)論：

1）本文設(shè)計(jì)的絕緣監(jiān)測手法可以解決傳統(tǒng)雙頻注入信號法無法解決的單相變頻調(diào)速電機(jī)繞組絕緣在線監(jiān)測問題。

2）相較于利用其他物理參數(shù)（如噪聲，溫度等）進(jìn)行絕緣監(jiān)測，本方法對環(huán)境的要求較低，不會因空間有限、環(huán)境嘈雜、溫度濕度變化產(chǎn)生誤差，更適用于艦船電力系統(tǒng)。

3）本方法無需在系統(tǒng)中增加過多一次設(shè)備，且在檢測過程中不會對電力系統(tǒng)的正常運(yùn)作造成不良影響，同時也避免了工頻信號對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。

4）本方法的計(jì)算量小，在預(yù)先進(jìn)行調(diào)試后，可較為簡單地計(jì)算出絕緣線路的絕緣電阻及分布電容。

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On-line Insulation Detection of Ship Single Phase Frequency Speed Regulating Motor Windings

Liang Jingzhe, Zhang Xiaofeng

（Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China）

TM245

A

1003-4862（2019）02-052-05

2018-08-28

梁敬哲（1993-），男，碩士研究生。研究方向：艦船電力系統(tǒng)及其自動化。E-mail: 623746155@qq.com