变频电机绝缘电老化用高压脉冲电压发生器研制

摘要

变频电机因具有调速性能好、易启动、节能等显著优点，而在民生工程、工业生产、家用电器等诸多领域获得广泛应用。变频电机的驱动器采用脉宽调制技术，输出具有脉冲上升时间短，以及高电压幅值和高重复频率的方波脉冲。由于变频电机的绝缘系统在承受连续的高频高压方波脉冲作用时，绝缘材料内部会产生大量的局部放电和空间电荷，造成绝缘性能的早期失效，因此以往的工频交流电压作用下的绝缘老化机理、绝缘寿命评估方法和试验设备已经不能适用于变频条件下脉冲应力的绝缘系统寿命评估。为解决这一问题，可在不改变其绝缘老化失效机理的条件下，采用提高脉冲电压幅值、脉冲作用时间和脉冲重复频率等加速老化的方法，使绝缘材料承受的真实电应力在加速电应力下仍具有单值映射关系，以此缩短绝缘寿命评估时间。本文的主要工作为研制一款变频电机绝缘电老化试验用双极性高频高压方波脉冲发生器，并且实现脉冲频率、脉冲宽度、脉冲死区时间、脉冲单双极性和脉冲幅值电压均可调。
　　本文首先介绍了变频电机的特点和研究背景，阐述了高频高压脉冲发生器的研究意义和国内外发展现状。通过对目前常用的几种高压脉冲发生器拓扑结构和脉冲发生器的相关技术进行分析，确定本文的出发点。根据变频电机绝缘电老化试验的技术指标要求，将脉冲发生器系统分为整流滤波电路、脉冲充电电路和脉冲形成电路。最终确定采用可提供稳定输出的三相整流滤波电路作为前级电路，具有充放电回路电气隔离功能的高频变压器谐振恒流充电电路作为中间级电路，逆变全桥级联的脉冲形成电路作为后级电路。文中也介绍了对该高压脉冲发生器的主电路拓扑结构通过软件进行的原理仿真验证、对功率器件和驱动电路进行的参数计算和选型，以及样机的搭建和调试工作。
　　由于绝缘试品属于阻容性负载，存在脉冲放电结束后产生的较大脉冲拖尾电流会破坏脉冲方波输出的问题。本文在详细分析阻容性负载的脉冲拖尾机理后，提出尾切控制策略，实现在阻容性负载下仍能获得良好的脉冲方波输出特性。同时通过对脉冲形成电路的移相控制策略，实现高压双极性窄脉冲方波输出。另外，通过对谐振恒流充电回路的控制策略，实现脉冲输出电压的调节。

目录

声明

摘要

1．1 课题的背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内研究现状

1．2．2 国外研究现状

1．3 本论文研究的主要内容

第2章 脉冲发生器主电路设计

2．1 典型脉冲发生器电路原理分析

2．1．1 Marx脉冲发生器及其改进电路

2．1．2 脉冲变压器式脉冲发生器

2．1．3 布鲁姆莱恩(Blumlein)传输线脉冲发生器

2．1．4 半导体断路开关式(SOS)脉冲发生器

2．1．5 磁脉冲压缩式(MPC)脉冲发生器

2．2 脉冲发生器整体方案设计

2．3 脉冲发生器储能系统设计

2．4 脉冲充电电路拓扑设计

2．4．1 脉冲发生器充电技术

2．4．2 谐振软开关技术

2．4．3 LC串联谐振电路三种工作模式与仿真分析

2．5 脉冲形成电路拓扑设计

2．5．1 固态半导体开关器件电压提升技术

2．5．2 开关器件

2．6 脉冲发生器主电路拓扑结构

2．7 本章小结

第3章 脉冲发生器参数设计

3．1 脉冲发生器系统性能指标概述

3．2 整流滤波电路参数设计

3．2．1 工频整流桥设计

3．2．2 滤波电容设计

3．3 脉冲充电电路参数设计

3．3．1 高频逆变电路

3．3．2 谐振电路参数设计与仿真分析

3．3．3 高频变压器参数选型

3．4 脉冲形成电路参数设计

3．4．1 副边高压整流电路设计

3．4．2 全桥级联电路设计

3．5 主电路拓扑原理仿真

3．6 本章小结

第4章 脉冲发生器硬件设计与控制策略研究

4．1 脉冲发生器控制系统设计

4．1．1 控制系统硬件选型

4．1．2 控制系统编程语言

4．2 隔离驱动电路设计

4．2．1 MOSFET驱动特点

4．2．2 隔离驱动方案概述

4．2．3 系统隔离驱动电路设计

4．3 辅助电路设计

4．3．1 软启动电路设计

4．3．2 电压采样保护电路设计

4．3．3 电流采样保护电路设计

4．4 绝缘负载的尾切控制设计

4．4．1 脉冲拖尾机理研究

4．4．2 尾切控制策略设计

4．4．3 移相控制策略设计

4．5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间的学术成果

致谢

附录