一种可实现多路变频电机电磁线耐电晕测试的设备的制作方法

本发明涉及一种测试设备，具体涉及一种可实现多路变频电机电磁线耐电晕测试的设备。

背景技术：

基于脉宽调制(PWM)技术的变频驱动的迅猛发展推动了变频电机在各行业的广泛应用，变频驱动电机在国民经济中扮演着越来越重要的角色。然而，变频电机绝缘受高频、快速变化的重复脉冲作用，电应力对绝缘寿命的影响较正弦工频电应力更加严酷，大量变频电机出现未达到设计寿命就提前损坏的现象。利用重复高压方波，测试变频电机绝缘寿命并改进变频电机绝缘系统，对提高变频电机运行稳定性具有重要的现实意义。

变频器输出ns级变化的脉冲电压，连接电机后遇到波阻抗不匹配，会发生波折射和反射。陡上升沿在变频电机端部产生尖峰反射电压并叠加在高压方波脉冲上，连续的方波脉冲对定子绕组绝缘具有很强的冲击，脉冲电压下产生的局部放电侵蚀绝缘系统的部分区域，加快了变频电机绝缘失效进程。

开展绝缘系统在高频脉冲下的耐电晕测试需要具有高频高压脉冲输出的重复高压方波系统。IEC60034-18-41和IEC60034-18-42标准中，要求在研究旋转电机绝缘材料电老化实验和测试分析局部放电时，使用重复高压方波电压对变频电机绝缘系统进行耐电晕和局部放电起始电压测试，同时对重复高压方波电压的波形参数(峰峰值、占空比、频率、上升时间、波形对称)做了说明。GB/T21707-2008变频调速专用三相异步电动机绝缘规范，也对材料耐电晕测试的脉冲波形做了说明和建议。

现有脉冲方波发生器存在不能同时满足标准所有要求(如满足上升沿则不满足波形对称、满足波形对称则电压过零存在死区、满足电压上升连续则负载容量小等等)，从而不同脉冲方波发生器对同一材料进行电老化实验、局部放电测试、耐电晕寿命测试等测试时，其测试数据往往具有很大的分散性，测试对照不充分结果不具有说服力。

为了提高在耐电晕测试和电老化过程的效率，通常做法是将产生的一路输出外接多个测试式样。由于控制的高压方波上升时间是由电容和电阻的时间常数决定的，式样在老化过程中同时击穿的概率极小，当某一路式样击穿后，负载总电容数值将发生变化，若不控制接入回路的电阻，上升时间将发生变化，即减小。剩余式样将在改变过后的波形上升时间下继续老化，由于上升时间减少，不再是所考虑的波形上升时间，因此得到的老化寿命将不会较为准确的反应式样的真实情况。保证多路式样同时老化时施加方波的上升时间和下降时间随试样逐一击穿而不改变，成为所属技术领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：提供一种可实现多路变频电机电磁线耐电晕测试的设备，该设备具有输出波形符合IEC60034-18-41和IEC60034-18-42标准、同时并联测试多路试样老化时波形上升和下降时间随试样逐一击穿而不改变的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可实现多路变频电机电磁线耐电晕测试的设备，其特征在于，包括主控系统、推挽式开关逻辑控制电路、示波器、高压探头、过流保护传感电路、测试架和恒温箱，其中：

测试架，用于固定相当于设备总负载电容的被测变频电机电磁线，其数量为两个以上并采用并联的方式进行连接；同时，每个测试架均具有高压测试电极和接地的地测试电极；

恒温箱，用于控制耐电晕测试环境温度，所有测试架均设置在恒温箱内；

过流保护传感电路，同时与主控系统、推挽式开关逻辑控制电路和所有测试架的高压测试电极连接，用于在测试过程中检测式样被击穿状态，并将测试结果反馈至主控系统；

推挽式开关逻辑控制电路，与主控系统连接，用于向过流保护传感电路输出高压方波，并根据过流保护传感电路反馈的测试结果，当某个被测变频电机电磁线被电压击穿且相应负载电容被移除后，在主控系统的驱动控制下调整自身总的电阻值，以确保设备的总电阻与总负载电容的乘积R×C不变，实现其余被测变频电机电磁线的正常耐电晕测试；

高压探头，同时与过流保护传感电路和示波器连接，并接地，用于获取被测变频电机电磁线的高压方波信号，并将其衰减1000倍后输出至示波器中进行波形显示。

具体地说，所述主控系统包括MCU，与该MCU连接的人机交互终端，采用串口RS232协议与该MCU进行通信、并可输出TTL信号的FPGA，以及同时与该FPGA和推挽式开关逻辑控制电路连接、用于将TTL信号经数模转换后输出至推挽式开关逻辑控制电路的DA模块；所述过流保护传感电路和推挽式开关逻辑控制电路同时与FPGA连接。

具体地说，所述过流保护传感电路包括与测试架数量相同、且一一对应连接的霍尔传感器，以及与霍尔传感器数量相同并一一对应连接的过流保护器；所述FPGA同时与所有的霍尔传感器和过流保护器连接；所述推挽式开关逻辑控制电路和高压探头均同时与所有的过流保护器连接。

具体地说，所述推挽式开关逻辑控制电路包括用于产生正高压的第一直流高压输出组件，用于产生负直流高压的第二直流高压输出组件，数量为过流保护器两倍、且低压线圈与FPGA连接的高压继电器，与高压继电器数量相同并一一对应连接到高压继电器一端的高压触点上的无感电阻，以及与DA模块连接、并采用半桥推挽结构的半导体固态开关；所述第一直流高压输出组件同时与一半数量的高压继电器另一端的高压触点连接，并经由对应的无感电阻接入半导体固态开关其中的一个输入端；所述第二直流高压输出组件与另一半的高压继电器另一端的高压触点连接，并经由对应的无感电阻接入半导体固态开关的另一个输入端；所述半导体固态开关的输出端同时与所有的过流保护器连接。

更具体地说，所述第一直流高压输出组件包括与高压继电器连接的可调正极高压直流电源，以及与该可调正极高压直流电源连接并接地的第一储能电容。

更具体地说，所述第二直流高压输出组件包括与高压继电器连接的可调负极高压直流电源，以及与该可调负极高压直流电源连接并接地的第二储能电容。

作为优选，所述可调正极高压直流电源和可调负极高压直流电源的型号均为HAPS06-10K。

作为优选，所述MCU和FPGA的型号分别为STC12C5A60S2和EP4CE10F17C8。

作为优选，所述半导体固态开关为推挽式结构的半导体固态开关。

本发明的设计原理在于，通过在推挽式开关逻辑控制电路中设置高压继电器和无感电阻对设备总电阻进行调节，使得并联的多路试样在同时测试的过程中，当作为设备总负载电容的被测试样被逐一击穿的同时，根据“输出方波的上升或下降时间由设备中总电阻和总负载电容的乘积R×C来决定”这一特性，推挽式开关逻辑控制电路自动调整自身总的电阻值，确保了设备的总电阻与总负载电容的乘积R×C不变，从而达到测试电路中电压的波形上升和下降时间随试样逐一击穿而不改变的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明通过并联设置多个测试架，并通过合理的电路结构设计，从而不仅可以同时测试多个试样，大幅节约测试的时间以及人工成本，而且能够避免在单路试样测试过程中测试数据容易出现分散性大的现象。

(2)本发明采用半导体固态开关的半桥电路，高压方波从半桥上、下桥臂中心输出方波，方波对称，且无电压过零死区，如此采用本发明进行变频电机电磁线耐电晕寿命测试将会更准确。

(3)本发明通过过流保护器，当被测试样被逐一击穿的同时，相应过流保护器依次断开所属被击穿测试架的电路，以防止本发明中各器件随被测试样被击穿而造成损坏。

(4)本发明通过在所有测试架的两极设置高压探头并在每路测试架电路上设置一个霍尔传感器，且在测试电路中设置高压探头与示波器连接，所有霍尔传感器与FPGA连接，如此一来，在被测试样开始测试直至被逐一击穿的过程中，对每一路被测试样在测试和击穿时电路中的电压及电流信息进行不间断的采集，使得各路被测试样上方波电压峰峰值、方波电压占空比、方波电压频率能够很直观地在示波器中观察到；而当电路中某路被测试样被击穿时，FPGA能够准确地发现并处理与该路被测试样对应的霍尔传感器所传送的电流信息，并及时地控制推挽式开关逻辑控制电路和与被击穿测试架相对应的过流保护器做出相应的调整。

(5)本发明设置FPGA对TTL信号进行编程，并通过DA模块传送TTL信号，以实现对半导体固态开关的控制，如此可对半导体固态开关输出的高压方波波形参数中的频率和占空比进行有效地控制；通过对FPGA直接对高压继电器和过流保护器进行控制，可及时高效地控制过流保护器切断与其相对应的被击穿测试电极组电路，并控制高压继电器在被测试样被逐一击穿时对测试电路电阻的调节；通过FPGA调节正负极高压直流电源电压来调节脉冲方波电压峰峰值，从而使本发明在测试过程中加载到被测试样两端的高压方波波形能够满足IEC60034-18-41、IEC60034-18-42和GB/T21707-2008中对测试波形的所有标准。

(6)由于半导体固态开关在快速切换的过程中，其对容性负载快速充电和放电时会在开关切换瞬间产生高达数十安培电流，并且输出波形上升时间越短，短时切换电流越大，因此，本发明通过在可调正负极高压直流电源各设置一个储能电容，其中，可调正负极高压直流电源对储能电容进行小电流充电，而储能电容则能对负载大电流进行快速充电，如此一来，便可有效避免因为高压直流电源输出的电流有限而造成电路不工作的问题。

(7)本发明在操作过程中，可以直接将设定的各项测试参数通过人机交互终端向MCU下达指令，使本发明的操作更加简单便捷，提高测试的效率。

(8)本发明还设置有恒温箱，所有的测试架均设置在该恒温箱内，可实现测试环境温度的调节，从而进一步提高本发明测试的准确性。

附图说明

图1为本发明的电路结构示意图。

图2为本发明示波器上显示的方波示意图。

图3为本发明中半导体固态开关及其输出方波示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。

实施例

如图1～3所示，本发明提供的是一种可实现多路变频电机电磁线耐电晕测试的设备，包括主控系统、推挽式开关逻辑控制电路、示波器、高压探头、过流保护传感电路和测试架。

所述的主控系统作为本发明的逻辑控制核心，用于控制各个设备和电路工作，以实现多路变频电机电磁线的耐电晕测试。该主控系统包括MCU，与该MCU连接的人机交互终端，采用串口RS232协议与该MCU进行通信、并可输出TTL信号的FPGA，以及同时与该FPGA和推挽式开关逻辑控制电路连接、用于将TTL信号经数模转换后输出至推挽式开关逻辑控制电路的DA模块。

所述的测试架用于固定被测变频电机电磁线(相当于设备的总负载电容)，其数量为五个，且所有测试架并联，同时，每个测试架均具有高压测试电极和接地的地测试电极。

所述的过流保护传感电路用于向被测变频电机电磁线加载电压，以对其进行耐电晕测试，并将测试结果反馈至主控系统。具体地说，本实施例中的过流保护传感电路包括五个与测试架一一对应连接的霍尔传感器，以及五个与霍尔传感器一一对应连接、且由一低压电源供电的过流保护器；所述FPGA同时与所有的霍尔传感器和过流保护器连接；所述高压探头同时与所有的过流保护器连接。

所述推挽式开关逻辑控制电路用于向过流保护传感电路输出高压方波，并根据过流保护传感电路反馈的测试结果，当某个被测变频电机电磁线被电压击穿且相应负载电容被移除后，在主控系统的驱动控制下调整自身总的电阻值，以确保设备的总电阻与总负载电容的乘积(即R×5C)不变，实现其余被测变频电机电磁线的正常耐电晕测试。具体来说，所述推挽式开关逻辑控制电路包括用于产生正高压的第一直流高压输出组件，用于产生负直流高压的第二直流高压输出组件，数量为十个、且低压线圈与FPGA连接、并同样由低压电源为低压线圈供电的高压继电器，十个与高压继电器一一对应、并连接到高压继电器一端的高压触点上的无感电阻，以及与DA模块连接、并采用半桥推挽结构的半导体固态开关。

进一步地说，所述第一直流电压电流输出组件包括同时与五个高压继电器另一端的高压触点连接的可调正极高压直流电源，以及与该可调正极高压直流电源连接并接地的第一储能电容。可调正极高压直流电源经由对应的无感电阻接入半导体固态开关其中的一个输入端。而所述的第二直流高压输出组件则包括同时与另外五个高压继电器各自的另一端的高压触点连接的可调负极高压直流电源，以及与该可调负极高压直流电源连接并接地的第二储能电容。可调负极高压直流电源经由对应的无感电阻接入半导体固态开关的另一个输入端。

所述的高压探头与示波器连接，并接地，其用于获取被测变频电机电磁线的高压方波信号，并将其衰减1000倍后输出至示波器中进行波形显示，如图2和3所示，本发明在测试过程中示波器接收并显示出的高压方波波形与半导体固态开关预设输出的高压方波波形相一致，达到了IEC60034-18-41和IEC60034-18-42中对测试波形的标准。

此外，本发明还设置了一个恒温箱，所有的测试架均放置在该恒温箱内，恒温箱可实现测试环境温度的调节，以便进一步提高设备测试的精确度。

本实施例中部分器件的参数情况如下：

(1)正极高压直流电源(PHVDC)的参数为：

输出参数：最高输出直流电压10kV，最大输出电流60mA；调节精度：电压1V，电流0.1mA，恒压恒流连续可调；程序通信协议：RS232和RS485；具体型号：杭州迪派电源HAPS06-10K高压直流电源。

(2)负极高压直流电源NHVPC的参数为：

输出参数：最高输出直流电压10kV，最大输出电流60mA；调节精度：电压1V，电流0.1mA。恒压恒流连续可调；程序通信协议：RS232和RS485；具体型号：杭州迪派电源HAPS06-10K高压直流电源。

(3)第一和第二储能电容的参数为：

电气参数：最高耐直流电压6.3kV，容量0.22uF；引出端头：螺母M6；介质材质：聚丙烯膜；具体型号：MKPH-SG-6300VDC-0.22UF。

(4)高压继电器的参数为：

高压触点参数：最大耐压10kV，最大切换电压DC 7.5kV，最大切换电流2A；低压线圈参数：额定工作电压DC12V，额定电流60mA；安装类型：PCB直插安装；具体型号：LRL-102-100PCV。

(5)无感电阻的参数为：

电气参数：最大功率5W，单个耐电压DC500V；介质材质：水泥，绕线式，无电感值；安装类型：PCB直插立式安装。

(6)半导体固态开关的参数为：

电气参数：最大工作电压8kV，最大峰值电流60A，内部集成低压驱动；触发信号：TTL信号；开关结构：半桥推挽结构。

(7)恒温箱的参数为：

可调温度范围：0～300℃。

(8)高压探头的参数为：

衰减比：1000:1，具体型号：Tektronix P6015。

(9)DA模块的参数为：

双通道、12bit、并行、100Msps采样率。

(10)FPGA的参数为：

型号EP4CE10F17C8，具备RS232外围接口。

(11)人机交互终端的参数为：

工业控制触摸屏，终端型号为威纶通MT8101iE。

(12)MCU的参数为：

型号STC12C5A60S2，具备串口RS232协议，具备MODBUS协议与工业控制屏或电脑通信。

下面就本实施例的实施流程做一个简要说明：

1.开机，初始化硬件参数；

初始化内容：设定5个通道全关闭，设定电压为0，设定高压方波输出为关闭状态，设定高压方波的初始频率为50Hz、占空比为50％；

2.配置使用通道

在触摸屏上选择需要输出高压方波的通道，将其打开；MCU根据触摸屏输入的数据打开相应输出通道的高压继电器，同时根据输入信息选择需要接入的电阻值通过高压继电器切换；

3.设定高压方波参数

在触摸屏上设定输出方波峰峰值、频率、占空比；MCU通过RS232将波形信息传递至FPGA进行输出相应的TTL信号；

4.设定高压方波输出状态

在触摸屏上设定高压方波输出状态为打开状态，MCU控制高压继电器接通半导体固态开关的低压控制电源，高压方波电源开始运行。

5.计时开始

当高压方波输出状态为打开状态后，触摸屏上设定输出高压方波的通道开始进行计时。

6.计时停止

保护电路检测到的某路过流信号将通过信号处理电路进行保持，MCU采集到该稳定的信号后将控制该路高压继电器关断，把击穿的试样从电路中移除。重复第6和第7步，直到所有试样被击穿，计时停止，关闭电源输出。

本发明在多路被测试样同时测试时，某一被测试样在被击穿瞬间电流增大，而本发明设置的过流保护电路能够灵敏的反应该状态，产生一个突变的电压信号；本发明中，由于被测试样被击的过流信号是瞬间非持续的，因此本电路设计了信号触发后保持和复位的功能，并且为保证控制器在数字处理的时候与模拟信号实现电气隔离，设计了光耦信号隔离，采用的信号继电器对输出通道的使能信号进行了选择，采用了专用驱动器ULN2003实现对高压继电器的驱动控制。

本发明为实现对高压直流电源的程控，采用了FPGA通过RS232协议同时控制正、负直流高压直流电源输出电压，为实现对输出的高压方波波形参数中的频率、占空比达到IEC60034-18-41和IEC60034-18-42标准的要求，采用了FPGA对TTL信号进行编程，外接一个DA数模转换器输出TTL触发信号；本发明为提供一个人机交互的接口，采用了MCU实现的MODBUS协议与工业控制屏或电脑通信，同时MCU采用串口RS232协议与FPGA进行通信；而为满足设备测试的需要，采用了220V开关电源对低压部分进行供电，供电电压为DC5V、DC12V、DC24V。

本发明采用了现有应用成熟的控制技术和设备，并通过科学合理的方式将这些技术和设备进行组合，从而很好地实现了多路变频电机电磁线耐电晕的同时测试，且在测试时其输出波形符合IEC60034-18-41和IEC60034-18-42的标准，以及在同时并联测试多路试样老化时波形上升和下降时间随试样逐一击穿而不改变，填补了该技术领域在这方面的空白。本发明不仅测试精度高、输出波形符合国际标准、多路被测试样在逐一被击穿后加载在剩余被测试样的波形上升和下降时间不改变，而且操作便捷，因此，其与现有技术相比，具备突出的实质性特点和显著进步。

上述实施例仅为本发明的优选实施方式之一，不应当用于限制本发明的保护范围，凡在本发明的主体设计思想和精神上作出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本发明一致的，均应当包含在本发明的保护范围之内。