Badania wyładowań niezupełnych w izolacji zwojowej silników indukcyjnych zasilanych z falowników PWM

ZE SZ Y T Y N A U K O W E PO L IT EC H N IK I ŚLĄ SKIEJ Seria: E L EK TR Y K A z. 173

2000 N r kol. 1471

T adeusz G LIN K A B arbara K U LESZ

Zakład Inżynierii Elektrycznej w Transporcie

BADANIA WYŁADOWAŃ NIEZUPEŁNYCH W IZOLACJI ZWOJOWEJ SILNIKÓW INDUKCYJNYCH ZASILANYCH Z FALOWNIKÓW PWM

S treszczen ie. Przy zasilaniu m aszyn elektrycznych z falow ników tranzystorowych PW M o częstotliw ości kluczow ania rzędu kilku kH z w ystępuje, przy każdym załączeniu i w yłączeniu klucza, duża szybkość (strom ość) zm iany napięcia na uzw ojeniu. W układzie: falow nik, kabel zasilający, silnik, w ystępują zjaw iska falowe.

W pierw szej chw ili po załączeniu klucza rozkład napięcia na uzw ojeniu nie jest rów nom ierny, praw ie całe napięcie w ystępuje na pierw szych zwojach. Tak duże napięcie pojaw iające się na izolacji zwojowej z częstotliw ością kluczow ania stwarza zagrożenie w ystępow ania w yładow ań niezupełnych w izolacji zwojowej.

W yładow ania niezupełne w izolacji zwojowej są niekorzystne, gdyż stopniowo zm niejszają jej w łaściw ości dielektryczne i w zbudzają fale elektrom agnetyczne zakłócające pracę innych urządzeń elektrycznych. W artykule w yjaśniono przyczynę pow staw ania w yładow ań niezupełnych w izolacji zw ojow ej, zaproponowano m etodykę ich pom iaru oraz pokazano w yniki przeprow adzonych testów.

TESTING FOR PARTIAL DISCHARGES IN THE COIL INSULATION OF THE INDUCTION MOTORS FED FROM PWM-INVERTERS

S u m m a ry . W hen electric m achines are fed from transistor inverters w ith the sw itching frequencies o f several kHz, each switch-over produces a sudden fast voltage rise at the w inding. The w ave effect occurs in the system consisting o f inverter, supply line and m otor. A t the sw itching instance, the voltage distribution is uneven, alm ost all the voltage is present in the first coils o f the winding. Such a big voltage overshoot occurring in the coil insulation at the sw itching frequency rate, poses a serious threat o f the generation o f partial discharges in the coil insulation. The partial discharges in the coil insulation have an adverse effect on its dielectric properties and excite the electrom agnetic waves w hich may interfere w ith the operation o f other electrical devices. The paper explains the reasons for the form ation o f the partial discharges in the coil insulation, proposes some m easurem ent m ethods and gives partial discharge test results.

8 T. Glinka, B. Kulesz

1. W STĘP

W yładow ania niezupełne s ą to lokalne w yładow ania elektryczne w ystępujące w układzie izolacyjnym m iędzy elektrodam i będącym i pod napięciem [1], B adania w yładow ań niezupełnych przeprow adzane są zarówno przy próbach odbiorczych now ych urządzeń elektrycznych (np. w transform atorach energetycznych blokow ych), ja k i w badaniach diagnostycznych transform atorów i m aszyn elektrycznych [2]. B adania te, ja k dotychczas, d o ty c zą izolacji głów nej. W norm alnych w arunkach eksploatacyjnych przy zasilaniu uzwojeń m aszyn elektrycznych napięciem sinusoidalnym o częstotliw ości 50 H z w yładow ania niezupełne w izolacji zw ojowej nie w ystępują, gdyż napięcie zw ojow e je st napięciem małym.

Przy zasilaniu m aszyn elektrycznych z falow ników tranzystorow ych PW M o częstotliw ości kluczow ania kilka, a naw et kilkanaście kH z przy każdym załączeniu i w yłączeniu klucza w ystępuje duża szybkość (strom ość) zm iany napięcia na uzwojeniu osiągająca w artość 1500 V /ps. Przy tej szybkości zm iany napięcia w układzie: falownik, kabel zasilający, silnik, w y stę p u ją zjaw iska falowe. Rezultatem tego je st, że w pierwszej chw ili po załączeniu klucza rozkład napięcia na uzw ojeniu nie je st rów nom ierny, praw ie całe napięcie w ystępuje na pierw szych zw ojach, a następnie przem ieszcza się na zw oje następne.

Tak duże napięcie pojaw iające się n a izolacji zwojowej z częstotliw ością kluczow ania stwarza zagrożenie w ystępow ania w yładow ań niezupełnych w izolacji zw ojow ej.

W yładow ania niezupełne w izolacji zwojowej s ą niekorzystne, gdyż:

• stopniow o zm niejszają jej w łaściw ości dielektryczne, co po pew nym czasie prowadzi do uszkodzenia izolacji (zw arć zw ojow ych) i awarii silnika,

• m a ją charakter im pulsow y o dużej częstotliw ości (do setek M H z) i w zbudzają fale elektrom agnetyczne zakłócające pracę innych urządzeń elektrycznych.

Z agadnienie pom iaru w yładow ań niezupełnych w izolacji zwojowej je s t zagadnieniem now ym , w norm ach nie je s t jeszcze opracow ane [3], także inne publikacje na ten tem at są skąpe. O dnosi się w rażenie, że firm y, które opanow ały ten problem (am erykańskie), m etodykę pom iaru u trzy m u ją w tajem nicy, gdyż produkują i sprzedają aparaturę do tych pom iarów .

2. N A P IĘ C IE K O R O N Y W Y ŁA D O W A Ń N IE Z U PE Ł N Y C H

D la szybkozm iennych przebiegów napięcia przy kluczow aniu tranzystorów uzwojenie silnika charakteryzuje się param etram i rozłożonym i, podobnie ja k linia długa. Dla w yjaśnienia zjaw iska pow staw ania przepięć zw ojow ych posłużym y się je d n ak schem atem zastępczym uzw ojenia o param etrach skupionych, przy czym dom inującą rolę spełniają pojem ności m iędzyzw ojow e C z i pojem ności do m asy C 0 - ry s.la .

Pojem ności w łasne uzw ojenia do m asy C 0 są znacznie w iększe od pojem ności zw ojow ych Cz (C0» C Z). D latego te ż w pierw szej chw ili załączenia napięcia (/=0) m ożna założyć C 0 = co i schem at zastępczy uprościć do dw ójnika szeregow ego L,R, C zl - rys. Ib, przy czym L i R reprezentują indukcyjność i rezystancję przew odów łączących falow nik z silnikiem . Przebieg napięcia na uzw ojeniu (na pojem ności C z) m a charakter w ykładniczo-oscylacyjny - rys.2.

C zęstotliw ość oscylacji dochodzi do kilku M H z i zależy, podobnie ja k w artości m aksym alne napięcia, od długości przew odów łączących falow nik z silnikiem (param etry L, R na ry s.lb )

W yładow ania niezupełne. 9

c . 3

Rys. 1. a) S ch em at zastępczy uzw ojenia silnika z pojem nościam i do m asy C„ i m iędzyzw ojow ym i C,; b) sc h em at zastępczy d la chw ili (t=0) załączenia im pulsu napięcia

Fig. 1. a) E q uivalent circu it o f m otor w inding with w inding-to-earth capacitances C„ and intercoil capacitances C z; b) eq u iv alen t schem e for the voltage sw itch-on tim e (t=0)

Rys.2. W y g en ero w an e p rzepięcie na uzw ojeniu Fig.2. O vervoltage generated at a w inding

M aksym alna szybkość narastania napięcia | — | je st definiow ana tak, jak to

zaznaczono na rys.2, czyli

O.ęUpc - 0 , l U t

t.

(

)

W literaturze [4] napięcie m aksym alne na uzw ojeniu przyjęto określać jako

u max = y u K , (2)

przy czym napięcie stałe w obw odzie pośredniczącym prostow nik-falow nik z uwagi na dużą w artość pojem ności (falow nik napięciow y) przyjm uje się dla prostow nika zasilanego napięciem 3-fazow ym

10 T. G linka, B. K ulesz

U DC = 2V2U f . (3 )

D la falow nika zasilanego z sieci 3x400V , Uf=23\ V; U£>c=653 V; Um ax= 1371 V, czyli

M inim alny czas narastania napięcia na uzw ojeniu od w artości 0,1 U D C do 0,9 U d c w ynosi (Omiń » 0 ,4 5 |x s, stąd m aksym alna szybkość narastania napięcia

Jak w ynika z pojem nościow ego schem atu zastępczego uzw ojenia - r y s .la , w pierwszej m ikrosekundzie praw ie całe napięcie odkłada się na pierw szych zw ojach uzw ojenia, gdyż C „ » C Z, a następnie przechodzi na pozostałe zwoje. Gdy przebieg napięcia na uzw ojeniu ustali się, w ów czas je g o rozkład na poszczególnych zw ojach je s t rów nom ierny.

W ystępow anie w ysokich napięć, kilkakrotnie w iększych od napięcia znam ionow ego, na pierw szych zw ojach uzw ojeń silników zasilanych z falow ników pow oduje dodatkowe narażenia izolacji zw ojow ej i izolacji głów nej. Z uw agi na to, że izolacja zw ojow a w silnikach elektrycznych m a ok. 10 razy m niejszą w ytrzym ałość elektryczną na przebicie od izolacji głów nej, ona w ty m przypadku je st najbardziej narażona na uszkodzenie. Napięcie w ystępujące m iędzy sąsiednim i przew odam i w żłobku (dw a skrajne przew ody zezwoju m o g ą w żłobku leżeć koło siebie) w zbudzają pole elektryczne. Przew ody są izolow ane w m aszynach m ałej m ocy najczęściej em alią, a m iędzy przew odam i je st pow ietrze. Jeśli natężenie po la elektrycznego przekroczy w artość w ytrzym ałości elektrycznej pow ietrza (ok. 3 kV /m m ), to następuje przeskok ładunku elektrycznego w pow ietrzu. Jest to w yładow anie niezupełne, g d y ż izolacja sam ych przew odów nie ulega przebiciu. Napięcie podaw ane na uzw ojenie silnika, przy którym rozpoczynają się w yładow ania niezupełne, określane je s t nazw ą „napięcie korony w yładow ań niezupełnych” (z ang. C IV - corona inception voltage). W pow ietrzu w czasie w yładow ań zachodzą intensyw ne przem iany chem iczne, z cząsteczek tlenu pow staje ozon, w ytw arzany je st rów nież dw utlenek azotu. Oba te zw iązki s ą silnie agresyw ne i w chodzą w reakcję z izolacją przew odów , pow odując jej przyspieszone starzenie. Efektam i tow arzyszącym i w yładow aniu niezupełnem u są w yczuw alny zapach ozonu i słyszalne trzaski. D rugim negatyw nym skutkiem jest oddziaływ anie w yładow ań niezupełnych na środowisko.

Przeskoki ładunków elektrycznych w pow ietrzu zachodzące w czasie w yładow ań niezupełnych in d u k u ją przepływ podobnych ładunków w uzw ojeniu i przew odach łączących falow nik z silnikiem , a poniew aż częstotliw ość ich je st duża, przew ody ja k o anteny em itują fale elektrom agnetyczne do otoczenia. Fale te oddziałują na inne urządzenia elektryczne, na przykład system y pom iarow e, kom putery, urządzenia sterujące i regulacyjne. Przy zbyt w ysokim poziom ie m o g ą w sposób niekorzystny w pływ ać na ich funkcjonow anie.

U,max

W yładow ania niezupełne.. 11

R ys.3. U kład do b ad an ia prądu upły w u i w yładow ań niezupełnych w izolacji zw ojow ej m odelu fizycznego zezw ojów

Fig.3. M easurem ent diagram for testing the current leakage and partial discharges in coil insulation; the physical m odel o f the coils is tested

3. P O M IA R W Y ŁA D O W A Ń N IEZU PEŁN Y C H W IZOLACJI ZW O JO W EJ

D la danego układu napędow ego (falow nik, kabel, silnik) istotne staje się określenie napięcia korony w yładow ań niezupełnych bądź też sprawdzenie, że przy napięciu falownika 2,1 Ud c w yładow ania niezupełne nie w ystępują.

B adanie w yładow ań niezupełnych m ożna przeprow adzić na m odelach fizycznych uzwojeń i na rzeczyw istym układzie napędow ym .

3.1. B ad anie na m odelu fizycznym uzw ojenia

M odel fizyczny uzw ojenia do badania w yładow ań niezupełnych m ożna zbudow ać w ten sposób, że zezwój uzw ojenia naw ija się z dw óch izolow anych przew odów i w kłada się go do żłobków w pakiecie silnika. N aw inięty zezwój na cztery końce uzwojenia, czyli są to faktycznie dw ie cew ki uzw ojenia, przy czym przewody tych cew ek są w ym ieszane ze sobą.

Schem at układu pom iarow ego do badania prądu upływ u ip w izolacji m iędzy tym i dwoma cew kam i przedstaw iono na ry s.3. Źródło napięcia stałego U D C 0 regulow anej wartości pozw ala uzyskać natężenie po la w pow ietrzu między przewodam i, przy którym rozpoczynają się w yładow ania niezupełne (CIV). Rejestrując prąd upływ u oscyloskopem O l jako spa­

dek napięcia z bocznika B przy różnej wartości napięcia U D C m ożna określić napięcie koro­

ny w yładow ań niezupełnych. C zęstotliw ość rejestracji oscyloskopu pow inna w ynosić od 0,5 G H z do 1 GHz. Jeśli częstotliw ość w yładow ań niezupełnych je s t w iększa od 30 MHz, to w yładow ania te em itu ją fale elektrom agnetyczne, których obecność m ożna stw ierdzić przy pom ocy anteny A (ew. cewki pow ietrznej) ustawionej w pobliżu przew odów łączących źródło napięcia Ud c z badanym uzwojeniem . Aby w ykluczyć praw dopodobieństw o w ystąpienia

12 T. Glinka, B. Kulesz

w yładow ań niezupełnych w izolacji głów nej, co spow odow ałoby błędną interpretację w yników pom iarow ych, obudow ę silnika należy dobrze izolować.

3.2. B a d a n ia p ro w a d z o n e n a siln ik u

W ydaje się, że badania w yładow ań niezupełnych w izolacji zwojowej uzw ojenia silnika m ożna prow adzić przy w irniku nieruchom ym , gdyż prędkość obrotow a silnika nie m a w pływ u na napięcie korony (CIV). Propozycję układu pom iarow ego przedstaw iono na rys.4.

Źródło napięcia stałego U D C m usi m ieć odpow iednio du żą moc, a w artość je g o pow inna być regulow ana. K luczam i tranzystorow ym i dokonuje się załączania i w yłączania napięcia na uzw ojenie silnika z częstotliw ością odpow iadającą kluczow aniu tranzystorów w falow niku PW M , np. 5 kHz. C zas załączenia napięcia pow inien być odpow iednio krótki, aby prąd nie przekraczał prądu znam ionow ego silnika, najlepiej, żeby prąd ten był w przybliżeniu równy prądow i biegu jałow ego. O dległość silnika M od klucza tranzystorow ego pow inna wynosić lm,„ = 5 m. Przew ody zasilające pow inny być rozciągnięte w linii prostej.

O scyloskopem O l rejestruje się napięcie na zaciskach silnika, z którego można określić zarów no napięcie Um ax, ja k i czas tr, co pozw ala obliczyć m ak sy m aln ą pochodną

napięcia f — | dc Aby napięcie na izolacji zwojowej m iało odpow iednio dużą

U / L a x ‘ r

w artość, to ( — j « 1 500K / p.y. Jeśli szybkość narastania napięcia je st m niejsza, to należy

.d t. ...„

zm ienić param etry układu pom iarow ego. Z a pom ocą anteny A rejestruje się w ystępujące w yładow ania niezupełne.

Rys.4. S chem at u k ład u p o m iarow ego do badania w yładow ań niezupełnych w izolacji zw ojow ej Fig.4. M e asurem ent diagram for testin g the partial discharge in coil insulation

W pom iarach zam iast dw óch oscyloskopów O l i 0 2 m ożna w ykorzystać oscyloskop dw ukanałow y.

W yładow ania niezupełne. 13

4. PR ZY K ŁA D B A D A Ń W YŁA D OW A Ń N IEZU PEŁN Y C H W IZO LA CJI ZW O JO W EJ

B adania przeprow adzono na dw óch cew kach (zezwojach) naw iniętych przewodem prostokątnym 3x5 m m w izolacji szklanej. Cewki naw inięto tak, ja k to opisano w pkt.3.1.

Badania przeprow adzono w układzie pom iarow ym ja k na rys.3. Przebiegi prądu i zarejestrowane w yładow ania niezupełne przedstaw iono na ry s.5, 6 i 7.

R ys.5. Przebieg prądu upły w u w izolacji zw ojow ej - w idoczne piki pochodzące od w yładow ań niezupełnych Fig.5. The course o f leakage current in the coil insulation - the peaks generated by partial discharges are

n m « so .om v 2 .ooms

to i oops ć h i / ^.2mV 17 Mar 2000 12:43:38

depicted

Tek Run: 100MS/S Sample [0 0 1

]

im — so .om v 20. Ops

to i.OOps' Ć h i V ' ' i.2 m v 17 Mar 2000 12:36:17

R ys.6. P ojedyncze w y ład o w an ie w idoczne w prądzie upływ u, 6 ^ = 8 1 0 V Fig.6. A single partial discharge is observed in the leakage current. £7^=810 V

14 T. Glinka, B. Kulesz

R ys.7. F ra g m en t p rzeb ieg u prądu u p ły w u izolacji zw ojow ej, częstotliw ość pró b k o w an ia 100M S/s. N aniesiono w idm o am plitudow e przebiegu (FFT )

Fig.7. Fragm ent o f the course o f the leakage current, oscilloscope sam ple rate 100 M S/s. Fourier spectrum is presented (FF T )

5. D O P U S Z C Z A L N E PO Z IO M Y N A PIĘ Ć W Y STĘPU JĄ CY CH N A S ILN IK A C H

Firm a M agnatec przyjm uje następujące poziom y m inim alne napięć zapłonu koronowego:

• dla silników o napięciu znam ionow ym 230 V - UqIV-%00V,

• dla silników o napięciu znam ionow ym 460 V - U c i V - 1600V,

• dla silników o napięciu znam ionow ym 575 V - i/cyjz>2000V .

N orm a am erykańska N E M A [5] staw ia następujące w ym agania silnikom elektrycznym :

• dla silników o napięciu znam ionow ym U N < 600V U CIV > 1600V przy t r > 0,1 p s ,

• dla silników o napięciu znam ionow ym U N > 600V U CIV > 2,5 V2 U przy t r > l p s , V3

gdzie U Ą - napięcie znam ionow e silnika.

LIT E R A T U R A

1. P N -86/E -04066 (TEC 270). Pom iary w yładow ań niezupełnych.

2. G linka T.: B adania diagnostyczne m aszyn elektrycznych w przem yśle. W yd. BO B RM E K O M E L, K atow ice 1998.

3. P N -E -06717 z 1994 r. M aszyny elektryczne w irujące. W ytyczne stosow ania silników indukcyjnych zasilanych z przekształtników .

W yładow ania niezupełne. 15

4. Langhorst P., H ancock C.: The Simple Truth A bout M otor-D rive Com patibility.

Publication o f A dvanced D evelopm ent Center, M agnatec Inc.

5. N E M A M G 1-1993, Part 31.

Recenzent: Prof. dr hab. inż. Jan Zawilak

W płynęło do R edakcji dnia 4 kw ietnia 2000 r.

A b s tra c t

W hen electric m achines are fed from transistor inverters w ith the sw itching frequencies o f several kH z, each sw itch-over produces a sudden fast voltage rise at the w inding. The wave effect occurs in the system consisting o f inverter, supply line and motor. At the switching instance, the voltage distribution is uneven, alm ost all the voltage is present in the first coils o f the w inding. Such a big voltage overshoot occurring in the coil insulation at the switching frequency rate, poses a serious threat o f the generation o f partial discharges in the coil insulation. The partial discharges in the coil insulation have an adverse effect on its dielectric properties and excite the electrom agnetic w aves w hich may interfere w ith the operation o f other electrical devices. The paper presents a sim plified model used to discuss the causes o f origin o f partial discharges. The equivalent circuit o f m otor w inding w ith w inding -to-earth capacitances C 0 and intercoil capacitances Cz is given in Fig. la. The sim plified model consists o f inductance, capacitance and resistance connected in series, and supplied from PW M -type voltage. This circuit is presented in Fig. lb . The overvoltage generated at a w inding is show n in Fig.2. The voltage oscillations and, in particular, their frequency, depend on the LC param eters o f the circuit. The voltage rise gradient is defined by form ula 1 and the m axim um voltage occurring at a w inding is taken to be equal to 2,1 U DC, w here U DC is the d.c.

link voltage o f the PW M inverter. The m easurem ent diagram for testing the current leakage and partial discharges in coil insulation is depicted in F ig.3. This circuit schem e was used during the m easurem ents described in chapter 4. The results o f the tests are given in Figs. 5,6, and 7. In particular, the FFT analysis (frequency spectrum ) o f the partial discharges is shown in Fig.7. The m inim um values o f the corona inception voltage are presented in Chapter 5.