（高电压与绝缘技术专业论文）大型电机磁极线圈匝间绝缘试验技术及设备研究.pdf

哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 大型电机磁极线圈匝间绝缘试验技术及设备研究 摘要 大型电机作为电能生产的基本设备，对整个电力系统的安全稳定运行起着 至关重要的作用。国内外的运行经验和大量资料表明，大型电机的运行事故中， 磁极线圈匝间绝缘损坏所占的比重较大，因此必须采取相应的措施保证磁极线 圈匝间绝缘的可靠性。提高大型电机磁极线圈的匝间绝缘水平有多方面的措施： 例如采用新型的绝缘材料，改进磁极线圈的匝间绝缘结构，提高磁极线圈的制 造工艺等，但更重要的是电机制造部门应该通过合理有效的试验方法、试验标 准和试验设备，将有碍电机安全运行的具有缺陷的磁极线圈剔除，保证新电机 磁极线圈有足够的匝间绝缘强度。 由于目前所使用的线圈匝间绝缘试验方法和设备存在着某些缺点和不足， 例如，目前普遍采用的冲击电压法无法对被试线圈各匝施加均匀电压，而采用 中频发电机组进行试验，则存在着造价高、占地面积大、无法移动、输出电压 低的缺点，因此迫切需要研究一种新的匝间绝缘试验方法和设备，以保证磁极 线圈匝间绝缘的可靠性，减少大型电机运行事故的发生。 本课题通过阅读国内外大量文献，提出了一种新的磁极线圈匝间绝缘试验 方法，并对试验设备进行了初步的设计，主要工作如下： 1 结合实测的典型磁极线圈参数，建立了其高频下的分布参数等效电路， 并用p s p i c e 软件分析了其频率响应，确定了合适的实验电源上限频率。 2 提出了利用高压大功率电力电子开关技术和并联谐振电路技术开发大 型电机磁极线圈匝间绝缘试验设备的技术方案，并结合典型的磁极线圈具体参 数对技术方案中的关键技术环节进行了仿真分析。 3 在实验室内搭建了该设备核心部分的电路，对一个自制的线圈进行了实 验。实验结果表明该方案能在被试线圈上形成频率高达数千赫兹的试验正弦高 电压，而且线圈中的电流相比工频时大大降低，证明该磁极线圈匝间绝缘试验 方法和设备的设计方案是可行的。 关键词匝间绝缘试验；高频电压法：磁极线圈；大型电机 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 r e s e a r c ho nt e c h n i q u ea n dd e v i c eo ft u r n - - t o - t u r n i n s u l a t i o nt e s tf o rl a r g ee l e c t r i c a lm a c h i n e sp o l e c o i l s a b s t r a c t l a r g ee l e c t r i c a lm a c h i n e sa r e t h ef u n d a m e n t a le q u i p m e n t sf o re l e c t r i ce n e r g y p r o d u c t i o n i th a si m p o r t a n te f f e c to nt h es a f ea n ds t a b i l i z i n go p e r a t i o no fe n t i r e e l e c t r i cp o w e rs y s t e m l a r g ea m o u n to fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lo p e r a t i n g e x p e r i e n c e sa n dd a t ai n d i c a t et h a tt h ed a m a g eo fi n t e r - t u r ni n s u l a t i o no fp o l ec o i l s c o n s t i t u t e st h em a j o r i t yi nl a r g ee l e c t r i c a lm a c h i n eo p e r a t i n ga c c i d e n t s s o ，i ti s o b l i g a t o r yt o t a k ea p p r o p r i a t em e a s u r e st oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo fp o l ec o i l s t u r n t o - t u r ni n s u l a t i o no fl a r g ee l e c t r i c a lm a c h i n e s t h e r ea r em a n ym e a s u r e st oi m p r o v i n gp o l ec o i l s t u r n - t o - t u r ni n s u l a t i o nl e v e l ， f o re x a m p l e ，a d o p t i n gt h en e wi n s u l a t i o nm a t e r i a l ，i m p r o v i n gt u r n t o t u r ni n s u l a t i o n s t r u c t u r ea n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i q u eo f p o l ec o i l s b u ti ti sm o r ei m p o r t a n tt h a tt h e e l e c t r i c a lm a c h i n e s m a n u f a c t u r i n gc o m p a n i e sa d o p t r e a s o n a b l ee f f e c t i v et e s t m e t h o d s ，t e s ts t a n d a r da n dt e s td e v i c e st or e m o v et h o s ed e f e c t i v ep o l ec o i l sw h i c h a r eh a z a r d o u sf o rs a f eo p e r a t i o no fe l e c t r i c a lm a c h i n e st oe n s u r et h a tp o l ec o i l sh a v e s u f f i c i e n tt u r n - t o - t u r ni n s u l a t i o ni n t e n s i t yi nn e we l e c t r i c a lm a c h i n e s b e c a u s eo fs o m es h o r t c o m i n g so fp r e s e n tm e t h o d su s e dt o t e s tt u m - t o t u r n i n s u l a t i o no fp o l ec o i lo fl a r g ee l e c t r i c a lm a c h i n e s ，f o re x a m p l e ，t h ei m p u l s ev o l t a g e m e t h o du s e dg e n e r a l l ya tp r e s e n th a sn ow a yt oa p p l ye v e nv o l t a g ea c r o s st h et e s t e d c o i l ；t h et e s tm e t h o do fm i d r a n g ef r e q u e n c yg e n e r a t o rs e th a ss u c hs h o r t c o m i n g sa s l l i g hc o s t s ，l a r g er o o mn e e d e d ，d i f f i c u l tt om o v ea n dl o wo u t p u tv o l t a g e i ti s n e c e s s a r yt os t u d yan e wt e s tm e t h o da n dd e v i c eu s e dt ot e s tt u r n - t o - t u r ni n s u l a t i o n o fp o l ec o i l st oe n s u r et h et u r n - t o - - t u r ni n s u l a t i o nr e l i a b i l i t yo f p o l ec o i l sa n dd e c r e a s e o p e r a t i n ga c c i d e n t so fl a r g ee l e c t r i c a lm a c h i n e s r e f e r e n c i n g t ot h ei n f o r m a t i o na th o m ea n da b r o a d ，an e wt u r n - t o - t u r n u 哈尔滨理工人学t 学硕士学位论文 i n s u l a t i o nt e s tm e t h o df o rp o l ec o i l si sp r e s e n t e da n dt h et e s td e v i c ei sd e s i g n e d f o u n d a t i o n a l l y n ef o l l o w i n gw o r k h a sb e e nc a r r i e do u t ： f i r s t l y , c o m b i n e dw i t ht h em e a s u r e dp a r a m e t e r so ft y p i c a lp o l ec o i l s ，t h e i r e q u i v a l e mc i r c u i tw i t hd i s t r i b u t i o n a lp a r a m e t e r si s s e tu pa tm 啦f r e q u e n c y ；t h e f r e q u e n c yr e s p o n s ei sa n a l y z e db yp s p i c es o f t w a r e ；a n d ，a p p r o p r i a t eu p p e rl i m i to f f r e q u e n c yo ft e s t i n gv o l t a g es o u r c ei sd e t e r m i n e d s e c o n d l y , c o m b i n i n go fh i g hp o w e re l e c t r o n i cs w i t c h i n g t e c h n i q u ea n dp a r a l l e l r e s o n a n c es k i l lo ft h et e s tc i r c u i t ，at e c h n i q u es c h e m eo ft e s td e v i c eu s e df o rl a r g e e l e c t r i e a lm a c h i n e sp o l ec o i lt u r n - t o t u r ni n s u l a t i o nt e s ti sp r e s e n t e d ，a n dt h ek e y s e g m e n to f t h i ss c h e m ei ss i m u l a t e db ym e a n so fat y p i c a lp o l ec o i l a tl a s t ，t h ek e yc i r c u i to ft h i sd e v i c ei sb u i l ti nt h el a b o r a t o r yt ot e s tam o d e lc o i l t h et e s t i n gr e s u l ts h o w st h a th i g h l ys i n ew a v e dv o l t a g ea tt h ef r e q u e n c yo fs e v e r a l t h o u s a n d sh zi sa b l et ob ef o r m e di nt h et e s t e dc o i lb yt h i sd e v i c e ，a n dt h ec u r r e n to f t e s t e dc o i li sm u c hl o w e rt h a no n ea tt h ef r e q u e n c yo f5 0 h z a l la b o v ep r o v et h a tt h i s p o l ec o i lr u m - t o - t u r ni n s u l a t i o nt e s t i n gm e t h o da n dd e s i g ns c h e m eo fd e v i c ea r e f e a s i b l e k e y w o r d s t u r n - t o - t u r ni n s u l a t i o nt e s t ，h i g hf r e q u e n c yv o l t a g es o u r c em e t h o d ， p o l ec o i l s ，l a r g ee l e c t r i c a lm a c h i n e s i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文大型电机磁极线圈匝间绝缘试 验技术及设备研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期 间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：磊瓦会日期：纱巧年争月 罗日 4 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 大型电机磁极线圈匝间绝缘试验技术及设备研究系本人在哈尔滨理工大学攻 读硕士学位期间在导师指导完下成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨 理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈 尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名：并友合 导师签名： 锄新劳 日期：声尹月：日 e 1 期：年月日 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景、目的及意义 众所周知，随着我国经济的快速发展，社会各行各业对电能的需求越来越 大。电力系统正朝着超高压大容量多机互联系统的方向发展，2 0 0 m w 、3 0 0 m w 及以上容量的大型发电机已成为我国电网的主力机组。截至2 0 0 7 年底，我国总 装机容量为7 1 8 亿千瓦，其中，火电机组5 5 4 亿千瓦占7 3 4 ，水电机组1 4 8 亿千瓦占2 4 6 ，核电装机容量达8 8 5 万千瓦，风电并网装机总容量达到4 2 0 万千瓦，可见电力的安全运行对国民经济的又快又好发展至关重要。 大型电机是电力系统的重要组成部分，担负着发电或提供动力的重任。一 旦这样的机组发生故障特别是恶性故障，就会给电力系统和国民经济带来巨大 的经济损失。由于大型电机单机容量的不断提高，其对电力系统的影响也随之 增大，从而对大型电机的可靠性提出了更高的要求。磁极线圈是大型电机的重 要部件之一，其匝间绝缘的制造质量直接影响大型电机的质量和正常运行【1 1 。 大型电机的运行事故中，磁极线圈匝间绝缘损坏事故所占比重较大。大型 电机磁极线圈匝间绝缘破坏的原因主要有： ( 1 ) 励磁系统开关过电压、事故过电压及定子线圈过电压对磁极线圈的影 响，使其匝间绝缘承受的电压远远高于正常工作电压【2 1 ； ( 2 ) 磁极线圈匝问绝缘制造质量差，如铜排毛刺、杂物、绝缘受损伤等； ( 3 ) 磁极线圈受潮及在正常运行中受到的电、热、机械等老化1 3 1 ： ( 4 ) 因匝间绝缘结构设计不合理，电机运行时在短时间内出现匝间绝缘短 路，导致磁极线圈报废； ( 5 ) 匝间绝缘试验检测设备不完善，或设备的故障分辨能力不易掌握，使生 产中个别匝间绝缘有问题的线圈未能及时检查出来，造成事故隐患【4 5 】。 而近年来电机制造工艺不断改进( 如整浸等) 【6 】，一旦匝间绝缘损坏有可能使 整个磁极线圈报废，导致电机无法运行。因此，磁极线圈匝间绝缘缺陷是影响 电机寿命的主要因素之一。这就要求磁极线圈匝间绝缘必须可靠。 提高大型电机磁极线圈的匝间绝缘水平有多方面的措施：例如采用新型的 绝缘材料，改进磁极线圈的匝间绝缘结构，提高磁极线圈的制造工艺等。但更 重要的是电机制造部门要提高磁极线圈匝间绝缘的制造质量，并采用合理有效 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 的试验方法、试验标准和试验设备，将有碍电机安全运行的具有缺陷的磁极线 圈剔除，保证新电机有足够的磁极线圈匝间绝缘强度【7 ，8 1 。 本文通过分析、研究以往电机、变压器上应用的线圈匝间绝缘试验方法和 技术，提出用高频电压法检测大型电机磁极线圈匝间绝缘，并通过计算机辅助 仿真以确定具体参数，从而研制出一种能够有效地鉴别大型电机磁极线圈匝间 绝缘状况的检测设备。 1 2 磁极线圈匝间绝缘试验及研究现状 1 2 1 线圈匝间绝缘试验方法 随着人们对大型电机线圈匝间绝缘的重视，国内外已经成功研究出多种线 圈匝间绝缘的试验方法。按照对被试线圈施加电压方式不同，分为感应电压法 和直接施加电压法。 1 。感应电压法 这是一种间接地对被试线圈施加电压的方法，其原理是利用充电后的电容 器对感应线圈放电，在感应线圈中产生磁通，使被磁链链接的被试线圈感应出 一定的高频电压，从而达到对磁极线圈匝间作耐压检查的目的。这种方法的优 点是试验电压不随被试线圈龟感的变化而变化，并可一次试验多个线圈。缺点 是不能产生较高的匝间试验电压，从而难以发现匝间故障隐患。国外很多国家 已经淘汰了这种方法，国内也在逐步的淘汰【9 ，1 0 】。 2 直接电压法 根据所施加电压的不同又可分为以下几种： ( 1 ) 直流电压法 电机磁极线圈在正常工作时通过的是直流励磁电流，因此从原理上来说， 用该方法最能直接反映实际的情况。但是正常工作时磁极线圈的工作电压较低， 只有数十伏到数百伏左右，而进行磁极线圈匝间实验时却需要很高的试验电压， 由于线圈的电阻很小，这样就会在磁极线圈中产生很大的电流，导致设备的容 量很大，因此很难在实际试验中应用。 ( 2 ) 冲击电压法 这是一种对被测试线圈直接施加脉冲电压的方法。这种方法是利用充电后 的电容器f 通过放电开关与被测试线圈三形成有一定频率的高频阻尼振荡电路， 其振荡频率值为厂= 1 ( 2 7 r 、l c ) ，虽然振荡频率随被试线圈电感变化而变化，但 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 可通过选择电容器的容量来使振荡频率在_ 定范围内变化，而又不影响匝间耐 压效果。这种方法的优点是可以产生较高的匝间试验电压从而有利于发现匝间 绝缘隐患，是目前国内外普遍应用的一种方法。其中瑞士h a e f e l y 公司生产 的w p 型绕组试验器，美国p j 型高频冲击匝间试验仪，德国西门子公司匝间短 路检测仪等的基本原理都属脉冲电压法。从我们了解到的情况，目前国内外的 所有高压电机匝间绝缘的试验标准也都推荐使用脉冲电压法。缺点是在被试线 圈各个匝上试验电压的分布不均匀，特别是当磁极线圈被套装在磁极上以后， 由于线圈对地杂散电容比较大，这种情况尤为明显，这将导致无法对被试线圈 各个匝间的绝缘进行正确的试验。容易出现以下两种错误：一是由于试验电压 没有真正地施加在存在绝缘缺陷的线匝上，从而导致存在绝缘缺陷的线圈通过 了试验；二是由于在试验时在本来不存在绝缘缺陷的线匝上施加了过高的电压 而使本来完好的匝间绝缘被击穿，导致本来应该顺利通过试验的线圈成为不合 格品【1 1 1 2 】。 ( 3 ) 中频发电机组试验电压法 在一些有条件的制造厂，采用中频发电机组来进行磁极线圈的匝间绝缘试 验。由于中频发电机组的输出电压频率在数k h z ，因此，磁极线圈的电抗比工 频下的电抗大数十倍，这就大大降低了试验电源的容量，使试验能够比较容易 地得以实施。由于中频发电机组存在着造价高、占地面积大的缺点，不是所有 的电机制造企业都能拥有这样的设备；同时，因为这种设备不可移动、工作噪 音大、输出电压低，有时不能满足试验要求【1 3 1 4 1 。 综上所述，目前所使用的两种磁极线圈匝间绝缘试验办法，都存在着比较 大的弊病。因此，研究新的试验方法和试验设备就显得非常必要。本文就是根 据大型电机磁极线圈匝间绝缘试验技术的这种现状，结合电力电子技术等其它 技术领域的发展，研究一种新型的大型电机磁极线圈匝间绝缘试验技术和设备， 要求这种试验技术和设备能够有效地克服现有的两种试验技术所存在的缺点。 1 。2 2 线圈绝缘缺陷的显示方法 理想的电机线圈匝间绝缘试验装置应该能够对被试的线圈每匝都均匀地施 加电压，且所施加的电压要足够大，在这种情况下才能充分暴露线圈匝间绝缘 的缺陷。同时在所施加的试验电压下一旦出现匝间短路现象，匝间绝缘试验装 置应能有灵敏可靠的显示方法把故障显示出来【1 5 ，1 6 】。通常用的故障判别方式有 如下几种： 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 1 感应式被试线圈l 2 ，分别通过铁心t l 、t 2 与振荡线圈l l 、故障探测线 圈l 3 交链。正常情况下，因被试线圈开路无电流，故在探测铁心t 2 中无磁通， 探测线圈l 3 两端无电压。如被试线圈故障短路，短路电流产生的磁通在探测线 圈中感应出电压【1 7 1 8 1 。原理图参见图1 1 。该方法只能与感应耐压法配合使用。 t l 图1 - 1 感应式检测电路 f i g 1 - 1t h et e s tc i r c u i to f i n d u c t i o n 2 桥平衡式在正常情况，组成两桥臂的两绕组或线圈电感相同，电桥应是 平衡的，桥体对角线上的氖管不亮或微安表没有指示。但如绕组或线圈中某处 发生匝间短路，电感发生变化，电桥的平衡被破坏，氖管或微安表就有明显指 示1 1 9 , 2 0 。原理图参见图1 2 。 图1 2 桥平衡式检测电路 f i g 1 - 2t h et e s tc i r c u i to fb r i d g eb a l a n c e 3 调谐式基本原理是：l 2 c 2 调谐回路中的幻与被试线圈三j 相耦合，在正 常线圈试验时，调节电容q 使厶q 回路谐振，其谐振频率等于三o 回路振荡 频率，这时经整流后流经毫安表中的电流最大。如果被试线圈有匝间短路，厶电 感发生变化，厶c 1 回路失谐，毫安表指针偏转明显变小【2 l 2 2 】。原理图参见图1 3 。 哈尔滨理t 大学工学硕上学位论文 d 1 图1 - 3 调谐式检测电路 f i g 1 - 3t h e t e s tc i r c u i to fa d j u s t i n g - r e s o n a n c e 4 波形比较法通过分压器( 或者变流器) 在示波器上观察被试线圈两端的 电压波形( 或者电流波形) ，与正常线圈的波形相比较，看波形有无变化来判 断线圈匝间是否短路，也就是观察被试线圈上的电压或电流波形的频率 2 3 , 2 4 1 。 5 数学比较法为了找出正常线圈与故障线圈的差别，得到准确的判断方 法，在正常的线圈上做人为的短路试验。具体的方法是对首末匝及中间各匝进 行人为的短路试验，测得试验电压、试验电流和外施电压等参数，从而找出合 理的判断方式 2 5 , 2 6 。 还有一种方法是利用示波器的加减功能，同时观察两只线圈的电流波形， 首先确定一个好线圈，再测试另一个线圈，这时在示波器上观察到的是一条直 线，那末就可确认被试线圈是好的，否则的话就认为线圈有绝缘缺陷 2 7 , 2 8 1 。 1 3 本课题主要研究的内容 根据本课题的研究目的，本文做了如下主要工作： ( 1 ) 根据实际测量的两个磁极线圈的相关参数，建立了磁极线圈在高频时的 等效电路，通过计算并借助p s p i c e 仿真软件确定了实验所需的高频频率； ( 2 ) 按照得到的高频频率万设计出设备的主电路，并进行仿真分析；同时 设计出设备其它相关部分电路； ( 3 ) 应用设计的试验电路，对一个线圈试品进行了小型的模拟试验，记录了 相关的试验结果，并进行了相应的分析，验证了该试验方法及设备设计方案的 可行性。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 第2 章高频电压法基本原理及仿真分析 2 1 高频电压法的基本原理及问题 对于一个电感线圈来讲，线圈上的电压与流过线圈的电流成正比，与电感 线圈的阻抗成正比。所以，要想获得需要的试验电压，就得从两个途径考虑。 途径一是通过加大流过电感线圈的电流来获得足够的电压，这样做有两个 问题：问题之一是这样做要求试验电源有足够的功率，在有些情况下很难做到； 问题之二是，如果流过线圈的电流太大，会因为发热太严重而损害线圈。所以， 一般都不会采取这种途径解决施加电压不足的问题。 途径二是通过加大电感线圈的阻抗来获得足够的电压。因为电感线圈的阻 抗等于线圈的电感量与所旌加交流电压的角频率的乘积，而电感线圈的电感量 是事先根据使用要求确定的不可能变动的，所以，只有通过提高所施加的试验 电压的频率来解决问题【2 9 1 。这就是过去使用中频发电机组的原因，也是本文研 制基于电力电子技术的高频高压电源，用来对大型发电机磁极线圈匝间绝缘进 行试验的基本技术出发点。实际上这也是现在采用冲击电压对磁极线圈进行匝 间绝缘试验的原因所在。 假设被试线圈的试验电压为，电感量为三o ，电源频率为而，则试验电源 的容量岛必须满足 啦荒 ( 2 1 ) 由此可见，在试验电压不变的前提下，试验电源的频率越高，试验电源的 试验容量就越小。但是，频率也不是越高越好，如果频率过高，会导致磁极线 圈匝间电压分布不均匀，不能准确地检测磁极线圈匝间绝缘【3 伽。所以确定一个 合适的上限频率石m 越是该方法的关键所在。 2 2 磁极线圈的等效电路及参数计算 由于大型电机磁极线圈的尺寸都很大( 在哈尔滨电机厂测量了实物，具体 的实物测试结果可以参见表2 1 ) ，与一般电路中的电感线圈不同，在对其进行 分析时必须考虑到尺寸的影响【3 l l 。当然，在进行电路分析时用什么电路元件来 哈尔滨理工大学丁学硕士学位论文 表示磁极线圈，与电路分析的类型有密切关系。如果进行直流稳态分析，则可 以将磁极线圈看成是一个集中电阻；如果是进行频率不高( 例如工频) 的交流 稳态分析，则可以把磁极线圈看成是一个集中电感或者集中电感与集中电阻的 串联；但是，如果要进行暂态分析，或者要进行比较高频率的交流稳态分析， 则不能把磁极线圈按照集中参数来对待，原因是此时线圈的杂散电容的作用不 能被忽略不计。 表2 1 大型电机典型磁极线圈参数测试结果 t a b l e2 - 1t h em e a s u r e m e n tr e s u l t so fp a r a m e t e r so f t y p i c a lp o l ec o i l so fl a r g ee l e c t r i c a l m a c h i n e s 外形尺寸( m m ) 序号 匝数电感( m h ) 长 宽高 l2 3 1 25 8 72 2 02 l0 5 22 3 1 25 8 72 2 06 34 5 为了确定出满足实验要求的高频频率，本文首先建立了高频时磁极线圈的 等效电路，并通过实际测得的线圈数据对相应的参数进行了分析计算。 2 2 1 磁极线圈等效电路 原则上讲，在进行暂态分析或高频交流分析时，除了要考虑磁极线圈对地 分布电容、匝间分布电容外，还应该考虑匝间的互感。但是考虑到匝间互感相 对于各匝的自感而言是很小的，而且其对线圈匝间电压分布的均匀性影响并不 大，因此，为了简化电路分析，同时又不会对分析结果产生较大影响，在分析 时可以不考虑匝间互感的作用。 在高频情况下，不考虑磁极线圈各部分之间的互感，如果把磁极线圈首末 端之间等分成n 段，则可以得到磁极线圈的等效电路如图2 1 所示f 3 2 1 。图2 1 中，l 。i 代表的是第i 段的电感，c s i 代表的是第i 段线匝之间的纵向分布电容， r 。i 代表的是第i 段的电阻，c p i 代表的是第i 段的对地分布电容。在进行分析时， 可以假定线圈的电阻、电感、纵向电容和对地电容都是均匀分布的。 假设r o 、三o 、肠、岛分别是磁极线圈单位长度的电阻、电感、匝间电容、 对地电容，代表磁极线圈的长度，则有： r = r o z ( 2 - 2 ) l = l o ，( 2 3 ) 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 k = g o i c = c o ， 。v v v 一一一v v r 一y v v _ 一 一一v y v _ 一一 i 胁1i 脚i 脚1 )i 脚 i il i| |i j _叫雠帅1 ) -_-_ ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 图2 1 磁极线圈等效电路 f i g 2 - 1t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fp o l ec o i l 要想确定最高频率而m 舣，必须首先根据实验测得的数据估算出图2 1 所示 的等效电路磁极线圈的电阻、电感、纵向电容、对地电容等参数，然后用p s p i c e 软件进行仿真分析。表2 2 给出了典型磁极线圈绝缘尺寸及材料( 在哈尔滨电机 厂实际测量所得) ，这些数据与电路参数的估算密切相关。 表2 - 2 典型磁极线圈绝缘尺寸及材料 t a b l e 2 - 2t h ed i m e n s i o ns c a l ea n dm a t e r i a l so f p o l ec o i l si n s u l a t i o n 序 铜排尺寸( 姗) 匝间绝缘厚度主绝缘厚度 绝缘材料 号 ( m m )( m m ) 宽 厚 1l o o9 50 5ln o m e x 纸 21 0 03 0o 51n o m e x 纸 2 2 2 相关参数的计算 根据表2 1 和表2 2 测得的数据和图2 1 所示的等效电路，就可以估算出磁 极线圈的电阻、电感、纵向电容、对地电容等参数，其分别计算如下。 磁极线圈电阻的计算。磁极线圈的总电阻尺可根据公式( 2 6 ) 估算 r ：兰型2 1 【垒型( 2 6 ) c d 式中：p o 为铜的电阻率，2 0 ( 2 时为1 7 3 7 6 x 1 0 一d m ；a 为线圈成型后的平均宽 度，m ；召为线圈成型后的平均长度，m ；为线圈的总匝数；c 为线圈导线( 铜 排) 的宽度，m ；d 为线圈导线( 铜排) 的厚度，m 。 经计算可得：1 # 线圈的电阻r l 为2 2 2 7 毫欧，2 # 线圈的电阻尺2 为2 1 1 5 7 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 毫欧。 分布电容的计算。分布电容的计算包括两部分：一是线圈匝间电容的计算； 二是线圈对铁芯的电容计算。电容的计算可根据平板电容器公式进行。 线圈匝间电容可以用( 2 7 ) 式估算 c s 0 - - - 半 亿7 ， 线圈总的对地电容可以用( 2 8 ) 式估算 q = 塾警丝 沼8 ) 式中：翮为真空介电常数，等于8 8 5 x 1 0 。1 2 f m ；r 为n o m e x 纸的相对介电常数， 大小为1 5 2 5 ，本文取平均值2 ：h 为线圈成型后的高度，m ：d l 为线圈的匝 间绝缘厚度，m ；d e 为线圈的对地绝缘厚度，m 。 经计算得，1 # 线圈的匝间电容为2 0 5 2 5 n f ，总的对地电容为2 2 5 7 7 n f ；2 # 线圈的匝间电容为2 0 5 2 5 n f ，总的对地电容为2 2 5 7 7 n f 。 2 3 频率的确定及结果分析 为了选取合理的最高频率，需要对磁极线圈等效电路进行频率响应分析。 电路的频率响应包括幅频特性和相频特性。幅频特性是描绘输入信号幅度固定， 输出信号的幅度随频率变化而变化的规律；相频特性是描绘输出信号与输入信 号之间相位差随频率变化而变化的规律。这可以用p s p i c e 软件的交流扫描分析 比较方便地求得f 3 3 1 。本文主要研究电路的幅频特性。 2 3 1p s p i c e 软件介绍 用于模拟电路仿真的s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i t e m p h a s i s ) 软件于1 9 7 2 年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小 组利用f o r t r a n 语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助 设计。1 9 8 5 年，加州大学伯克利分校用c 语言对s p i c e 软件进行了改写， 并由m i c r o s i m 公司推出。1 9 8 8 年s p i c e 被定为美国国家工业标准。与 此同时，各种以s p i c e 为核心的商用模拟电路仿真软件，在s p i c e 的基础 上做了大量实用化工作，从而使s p i c e 成为最为流行的电子电路仿真软件。 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 1 9 9 8 年著名的e d a 商业软件开发商o r c a d 公司与m i c r o s i m 公司正 式合并，自此m i c r o s i m 公司的p s p i c e 产品正式并入o r c a d 公司的商业 e d a 系统中。不久之后，o r c a d 公司已正式推出了o r c a dp s p i c er e l e a s e 1 0 5 ，与传统的s p i c e 软件相比，p s p i c e1 0 5 在三大方面实现了重大变革： 首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上， 实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性 分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数，模混合 电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电 路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。p s p i c e 软件的使用已经非常流 行。 p s p i c e 软件的主要功能有非线性直流分析、非线性暂态分析、线性小 信号交流分析。下面简单介绍一下其工作原理。 ( 1 ) 直流分析 非线性直流分析功能简称直流分析。它是计算直流电压源或直流电流 源作用于电路时电路的工作状态。对电路进行的直流分析主要包括直流工 作点分析、直流扫描分析和转移函数分析。 直流工作点是电路正常工作的基础。通过对电路进行直流工作点的分 析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以 及工作的状态。一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工 作点进行分析和计算。 直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为 扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对 电路各种性能参数的影响。直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态 特性。 ( 2 ) 暂态分析 非线性暂态分析简称为暂态分析。暂态分析计。算电路中电压和电流 随时间的变化，即电路的时域分析。这种分析在输入信号为时变信号时显 得尤为重要。时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。通过 时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它 们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是 否满足电路设计的要求。 ( 3 ) 交流分析 线性小信号交流分析简称为交流分析。它是s p i c e 程序的主要分析功 哈尔滨理工人学工学硕十学位论文 能。它是在交流小信号的条件下，对电路的非线性元件选择合适的线性模 型将电路在直流工作点附近线性化，然后在用户指定的范围内对电路输入 一个扫频信号，从而计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出 电阻等。这种分析等效于电路的正弦稳态分析即频域分析。频域分析用于 分析电路的频域响应即频率响应特性。这种分析主要用于分析电路的幅频 特性和相频特性。 小信号转移特性分析主要分析在小信号输入的情况下，电路的各种转移函 数，通常分析的是电路的电压放大倍数。 2 3 2 磁极线圈等效电路的频率响应分析 根据实际测得的磁极线圈相关参数，使用p s p i c e 软件分析两个线圈的频率 响应。 ( 1 ) 对1 # 线圈的仿真 把整个线圈等分成7 等份，假定线圈的电阻、电感均匀分布，则每段电阻 为2 2 2 7 7 = 0 3 1 8m q 、电感为o 5 7 = 0 0 7 1 4 m h ；假定线圈的匝问电容、对地 电容也均匀分布，则每段的纵向电容为2 0 5 2 4 9 3 = 6 8 4 2 p f ，对地电容为 2 2 5 7 7 4 6 = 3 7 6 3 p f 。仿真使用的激励源为交流电压源，其值为7 0 0 v ，则对1 稃 线圈进行频率响应分析的电路如图2 2 所示。 矧翻陋l 5 2嘲旧嘲啊瞄 瞵鼬l j 6阿博 _ 仙卜j ”7 k州 ”k叫- n ”u 一 卜j ”l啪卜7 ”、一州卜o ”7 、一 1 8 0 肼1 4 i i i h 0 3 1 8 荫o 肼1 4 m h0 3 1 8 3 0 0 7 1 4 m h 0 3 1 8 e - 3 0 d 7 1 4 m h 0 3 1 8 e 3 0 0 7 1 , 4 m h 0 3 t 8 e 3 0 胛t 4 m h0 3 1 8 e 3o 胛1 4 膏l h 例c j 2c ，4c 巧踊 呵 i lf ii ii ii il i 6 8 4 2 p 铭铊 8 8 4 2 p0 8 4 2 po 掣；2 p8 , 1 2 p 0 8 钇p 叫 9 7 v a o c p l c d 2c p 3 c p 4 c 睹c p e 3 7 6 3 p3 7 8 3 p3 7 8 3 p3 7 8 3 p3 7 6 3 p 3 7 8 3 p - o 图2 - 2l 撑磁极线圈的p s p i c e 仿真电路图 f i g 2 - 2t h ep s p i c es i m u l a t i o nc i r c u i to f1 捍p o l ec o i l 最后应用p s p i c e 软件仿真可得1 # 线圈的幅频特性曲线如图2 3 所示。 理想情况下，各段上的电压都应该是1 0 0 v ，由仿真结果可见，因为分布电 容的存在，各段上的电压均偏离了其理想值。随着频率的增高，首端几段上的 电压在逐步增加，而术端几段上的电压则是逐步减少。这与理论分析结果是完 哈尔滨理r t 大学工学硕士学位论文 全一致的。 图2 31 # 磁极线圈的幅频特性曲线 f i g 2 - 3t h ea m p l i t u d ef r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v eo f1 拌p o l ec o i l 对于最高频率而m 舣，就需要对允许的电压分布不均匀性给出限制。如果要 求电压分布不均匀性小于1 ，由仿真结果可见，最高频率双不能超过 8 5 k h z 。 ( 2 ) 对2 # 线圈的仿真 对2 # 线圈仿真的电路与l # 线圈相同，只不过每段的参数值不同而已。假 定线圈的电阻、电感均匀分布，则每段电阻为2 1 1 5 7 7 = 3 0 2 2 m q 、电感数值为 4 5 7 - - 0 6 2 3 m h ；假定线圈的匝间电容、对地电容也均匀分布，则每段的纵向 电容为2 0 5 2 4 9 9 = 2 2 81 p f ，对地电容为2 2 5 7 7 4 6 = 3 7 6 3 p f 。仿真结果如图2 4 所示。 图2 - 42 # 磁极线罔的幅频特性曲线 f i g 2 - 4t h ea m p l i t u d ef r e q u e n c yr e s p o n s ec u r v eo f2 # p o l ec o i l - 1 2 哈尔滨理工人学t 学硕上学位论文 由仿真结果可见，如果要求电压分布不均匀性小于- 4 - 1 ，最高频率而m 舣 不能超过3 0 k h z 。 2 3 3 对仿真结果的分析 根据以上两个线圈的频率响应仿真结果可知，利用升高频率在小电感量磁 极线圈上建立高电压的办法，其上限频率大约在数k h z ：如果频率再高，将会 使磁极线圈的匝间电压分布不均匀，影响对线圈匝间绝缘的试验结果。 2 4 本章小结 本章介绍了高频电压法的基本原理，建立了磁极线圈在高频下的等效电路， 根据实际的测量数据计算了等效电路中的各个参数，并用p s p i c e 软件对其频 率响应做了分析，确定出了该实验方法的合适频率，为下一步进行设备电路的 设计提供了理论基础。 哈尔滨理工人学工学硕 ：学位论文 第3 章磁极线圈匝间绝缘试验设备的研究 磁极线圈匝间绝缘的好坏对电机的安全稳定运行有至关重要的影响，因此 要高度重视。上文分析了高频电压法的基本原理及优点，本章基于该原理对设 备的各部分电路进行研究，以达到检测磁极线圈匝间绝缘状况的目的。 3 1 磁极线圈匝间绝缘试验