Экспериментальное исследование генератора высоковольтных импульсов напряжения
DOI:
https://doi.org/10.24160/0013-5380-2026-3-68-75Ключевые слова:
генератор высоковольтных импульсов напряжения, каскадный преобразователь частоты, однополярный импульс, двухполярный импульсАннотация
Статья посвящена исследованию опытного образца генератора высоковольтных импульсов напряжения (ГВИН) на основе каскадного преобразователя частоты. Дано описание устройства, его элементной базы и технических характеристик. Разработан индивидуальный алгоритм совместного включения силовых ячеек ГВИН. По алгоритму фронт выходного импульса напряжения отдельной ячейки не зависел от параметров разрядного контура, а определялся только коммутационными способностями IGBT-модуля и погрешностью синхронизации импульсов напряжения ячеек. Приведены осциллограммы выходных импульсов напряжения. Показано, что минимальная длительность фронта импульса напряжения в предложенном ГВИН определялась временной характеристикой переключения используемых ключей. Анализ осциллограмм показал, что изоляцию катушки можно аппроксимировать динамическим звеном второго порядка. Разработанный ГВИН позволяет проводить как ресурсные испытания изоляции (длительное включение с фиксированными параметрами напряжения), так и испытания максимальным напряжением до полного или частичного пробоя изоляции (одиночными импульсами необходимой полярности). На опытной установке ГВИН проведены испытания: опыт холостого хода, опыт с RC-нагрузкой, опыт на пробой воздушного промежутка и испытания обмотки электродвигателя.
Библиографические ссылки
1. Головенко Д.Д. и др. Генератор высоковольтных импульсов напряжения на основе каскадного преобразователя частоты. – Электричество, 2023, № 12, с. 25–33.
2. Леонов А.П., Колесников С.В. Надёжность изоляции статорных обмоток частотно-управляемых электродвигателей. – Электротехнические и информационные комплексы и системы, 2022, т. 18, с. 33–62.
3. ГОСТ IEC 60034-18-42-2014. Машины электрические вращающиеся. Часть 18-42. Квалификационные и приемочные испытания для систем электроизоляции, стойких к частичному разряду, типа II, используемых во вращающихся электрических машинах с питанием от преобразователей источника напряжения. М.: Стандартинформ, 2015, 23 с.
4. Grubic S. et al. A Survey on Testing and Monitoring. Methods for Stator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on Turn Insulation Problems. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, vol. 55, No. 12, pp. 4127–4136, DOI: 10.1109/TIE.2008.2004665.
5. Rusu-Zagar C. et al. Method for Estimating the Lifetime of Electric Motors Insulation. – 8th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE), 2013, DOI: 10.1109/ATEE. 2013.6563466.
6. Höpner V.N., Wilhelm V.E. Insulation Life Span of Low-Voltage Electric Motors – A Survey. – Energies, 2021, vol. 14, No. 6, DOI: 10.3390/en14061738.
7. Ban D., Cettolo M., Miletic B. Electrical Motor Insulation Conditions DC Testing. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1998, vol. 5, No. 6, pp. 917–921, DOI: 10.1109/94.740776.
8. Wiedenbrug E., Frey G., Wilson J. Impulse Testing and Turn Insulation Deterioration in Electric Motors. – Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference, 2003, pp. 50–55, DOI: 10.1109/PAP-CON.2003.1216899.
9. Stone G.C. et al. Electrical Insulation for Rotating Machines: Design, Evaluation, Aging, Testing, and Repair. Hoboken, New Jersey, U.S.A.: John Wiley & Sons, 2014, 672 p.
10. Беспалов В.Я., Зверев К.Н. Импульсные перенапряжения в обмотках асинхронных двигателей при питании от ШИМ-преобразователя. – Электротехника, 1999, №. 9, с. 56–59.
11. Белассел М.Т., Беспалов В.Я. Волновые параметры и перенапряжения в различных типах обмоток асинхронных двигателей, питаемых от ШИМ-преобразователей. – Электротехника, 2006, № 3, с. 56–63.
12. Petri T., Keller M., Parspour N. The Insulation Resilience of inverter-fed Low Voltage Traction Machines: Review, Challenges, Opportunities. – IEEE Acces, 2022, vol. 10, pp. 104023–104049, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3210348.
13. Важов В.Ф., Лавринович В.А. Техника высоких напряжений. М.: Инфра-М, 2015, 263 с.
14. Пичугина М.Т. Высоковольтная электротехника. Томск: Изд-во ТПУ, 2011, 136 с.
15. Конесев С.Г., Кириллов Р.В. Генераторы импульсов напряжений. Применение и обзор схемотехнических решений. – Национальная ассоциация ученых, 2015, № 2-3 (7), с. 106–110.
16. Белоусов И.В. и др. Широтно-импульсные преобразователи электрической энергии. СПб.: Крыловский государственный научный центр, 2019, 228 с.
17. Месяц Г.А., Насибов А.С., Кремнёв В.В. Формирование наносекундных импульсов высокого напряжения. М.: Энергия, 1970, 154 с.
18. Busatto G. et al. EMI Characterization of High-Power IGBT Modules for Traction Application. – IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, 2005, pp. 2180–2186, DOI: 10.1109/PESC. 2005.1581935.
19. Busatto G. et al. Analysis and Optimization Through Innovative Driving Strategy of High-Power IGBT Performances/EMI Reduction Trade-Off for Converter Systems in Railway Applications. – Microelectronics Reliability, 2004, vol. 44, No. 9–11, pp. 1443–1448, DOI: 10.1016/j.microrel.2004.07.071.
#
1. Golovenko D.D. et al. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2023, No. 12, pp. 25–33.
2. Leonov A.P., Kolesnikov S.V. Elektrotekhnicheskie i informa-tsionnye kompleksy i sistemy – in Russ. (Electrotechnical and Infor-mation Complexes and Systems), 2022, vol. 18, pp. 33–62.
3. GOST IEC 60034-18-42-2014. Mashiny elektricheskie vra-shchayushchiesya. Chast’ 18-42. Kvalifikatsionnye i priemochnye is-pytaniya dlya sistem elektroizolyatsii, stoykih k chastichnomu razryadu, tipa II, ispol’zuemyh vo vrashchayushchihsya elektricheskih mashinah s pitaniem ot preobrazovateley istochnika napryazheniya (Electric Rotating Machines. Part 18-42. Qualification and Acceptance Tests for Electrical Insulation Systems Resistant to Partial Discharge, Type II, Used in Rotating Electrical Machines Powered by Voltage Source Converters). M.: Standartinform, 2015, 23 p.
4. Grubic S. et al. A Survey on Testing and Monitoring. Methods for Stator Insulation Systems of Low-Voltage Induction Machines Focusing on Turn Insulation Problems. – IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2008, vol. 55, No. 12, pp. 4127–4136, DOI: 10.1109/TIE.2008.2004665.
5. Rusu-Zagar C. et al. Method for Estimating the Lifetime of Electric Motors Insulation. – 8th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE), 2013, DOI: 10.1109/ATEE.2013.6563466.
6. Höpner V.N., Wilhelm V.E. Insulation Life Span of Low-Voltage Electric Motors – A Survey. – Energies, 2021, vol. 14, No. 6, DOI: 10.3390/en14061738.
7. Ban D., Cettolo M., Miletic B. Electrical Motor Insulation Con-ditions DC Testing. – IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1998, vol. 5, No. 6, pp. 917–921, DOI: 10.1109/94.740776.
8. Wiedenbrug E., Frey G., Wilson J. Impulse Testing and Turn Insulation Deterioration in Electric Motors. – Annual Pulp and Paper Industry Technical Conference, 2003, pp. 50–55, DOI: 10.1109/PAP-CON.2003.1216899.
9. Stone G.C. et al. Electrical Insulation for Rotating Machines: Design, Evaluation, Aging, Testing, and Repair. Hoboken, New Jersey, U.S.A.: John Wiley & Sons, 2014, 672 p.
10. Bespalov V.Ya., Zverev K.N. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 1999, №. 9, pp. 56–59.
11. Belassel M. T., Bespalov V. Ya. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2006, No. 3, pp. 56–63.
12. Petri T., Keller M., Parspour N. The Insulation Resilience of inverter-fed Low Voltage Traction Machines: Review, Challenges, Opportunities. – IEEE Acces, 2022, vol. 10, pp. 104023–104049, DOI: 10.1109/ACCESS.2022.3210348.
13. Vazhov V.F., Lavrinovich V.A. Tekhnika vysokih napryazheniy (High Voltage Technology). M.: Infra-M, 2015, 263 p.
14. Pichugina M.T. Vysokovol’tnaya elektrotekhnika (High-Voltage Electrical Engineering). Tomsk: Izd-vo TPU, 2011, 136 p.
15. Konesev S.G., Kirillov R.V. Natsional’naya assotsiatsiya uchenyh – in Russ. (National Association of Scientists), 2015, No. 2-3 (7), pp. 106–110.
16. Belousov I.V. et al. Shirotno-impul’snye preobrazovateli elektricheskoy energii (Pulse-Width Converters of Electrical Energy). SPb.: Krylovskiy gosudarstvennyy nauchnyy tsentr, 2019, 228 p.
17. Mesyats G.A., Nasibov A.S., Kremnyov V.V. Formirovanie nanosekundnyh impul’sov vysokogo napryazheniya (Formation of Nanosecond High Voltage Pulses). M.: Energiya, 1970, 154 p.
18. Busatto G. et al. EMI Characterisation of High-Power IGBT Modules for Traction Application. – IEEE 36th Power Electronics Specialists Conference, 2005, pp. 2180–2186, DOI: 10.1109/PESC.2005.1581935.
19. Busatto G. et al. Analysis and Optimisation Through Innovative Driving Strategy of High-Power IGBT Performances/EMI Reduction Trade-Off for Converter Systems in Railway Applications. – Microelectronics Reliability, 2004, vol. 44, No. 9–11, pp. 1443–1448, DOI: 10.1016/j.microrel.2004.07.071
