用于變頻電機相間及相地絕緣pdiv的自動測試系統及方法
【專利摘要】本發明公開了用于變頻電機相間及相地絕緣PDIV的自動測試系統及方法，包括控制模塊，均與該控制模塊連接的變頻電源、高壓探頭、高壓開關組件、信號調理電路、上位機，輸出端與信號調理電路連接的傳感器，輸入端與變頻電源輸出端連接的變壓器，以及通過高壓開關組件與變壓器輸出端連接的變頻電機；所述高壓探頭的輸入端與變壓器的輸出端連接；所述高壓開關組件的一端與變壓器的輸出端連接，另一端同時接入變頻電機的接地機殼和三相繞組。本發明通過控制各高壓開關的開合狀態實現對所有絕緣間PDIV的測試，上位機存儲并顯示全部的PDIV圖表和局部放電信號波形，提供全面可靠的用以評估電機絕緣質量的數據，以避免突發絕緣擊穿事故發生并延長電機的使用壽命。
【專利說明】
用于變頻電機相間及相地絕緣PD IV的自動測試系統及方法
技術領域
[0001]本發明涉及一種變頻電機roiv的測試系統及方法，具體涉及一種用于變頻電機相 間及相地絕緣roiv的自動測試系統及方法。
【背景技術】
[0002] 變頻電機由于調速性能好、易啟動、節能等優點，廣泛應用于各領域，有逐步取代 直流調速電機的趨勢。但是，由于受到變頻器高頻率、短上升時間脈沖電壓的沖擊，變頻電 機絕緣內部易發生局部放電，導致電機的使用壽命大大縮短，出現了大量變頻電機絕緣早 期失效的現象。
[0003] 研究表明，電機端部過電壓引起的局部放電是造成變頻電機絕緣損壞的主要原 因。對此，為避免變頻電機在使用期間因局部放電導致電機絕緣早期失效，國際電工委員會 (IEC)制定相關標準，規定對電機應測試其局部放電起始放電電壓(PDIV)和耐電暈性能。通 過檢測變頻電機的PDIV，可有效評估其絕緣質量，避免突發絕緣擊穿事故發生并延長其使 用壽命。
[0004] 現有變頻電機PDIV測試大多靠人工手動測試，測試操作復雜，自動化程度不高。四 川大學的專利號為201520279769.1的應用于工頻下的變頻電機H)IV自動測試系統，雖然實 現了變頻電機roiv的自動測試，但是該系統只能對電機匝間絕緣進行測試，無法對具有復 雜結構的電機整機中相與相間、相與地間絕緣進行自動測試。
【發明內容】
[0005] 本發明提供了一種用于變頻電機相間及相地絕緣roiv的自動測試系統及方法，能 夠實現對具有復雜結構的電機整機中相與相間、相與地間絕緣roiv的自動測試。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下： 用于變頻電機相間及相地絕緣roiv的自動測試系統，包括控制模塊，均與該控制模塊 連接的變頻電源、高壓探頭、高壓開關組件、信號調理電路、上位機，輸出端與信號調理電路 連接的傳感器，輸入端與變頻電源輸出端連接的變壓器，以及通過高壓開關組件與變壓器 輸出端連接的變頻電機;所述高壓探頭的輸入端與變壓器的輸出端連接;所述高壓開關組 件的一端與變壓器的輸出端連接，另一端同時接入變頻電機的接地機殼和三相繞組。
[0007] 具體地，所述控制模塊包括同時與變頻電源、高壓開關組件、上位機連接的FPGA芯 片，以及向該FPGA芯片提供高壓探頭和信號調理電路信號的AD轉換模塊。
[0008] 進一步地，所述變頻電源與變壓器之間設置有過流保護電路，與FPGA芯片之間設 置有過壓保護電路。
[0009] 優選地，所述高壓開關組件中至少有一個高壓開關將變頻電機的接地外殼與地線 連接。
[0010] 優選地，所述上位機的顯示器為觸摸屏，且該觸摸屏上設置有操作按鍵和顯示區 域。
[0011] 在上述基礎上，本發明提供了該自動測試系統的實現方法，包括以下步驟： (1) 控制模塊接收上位機的測試指令，改變各高壓開關的狀態，開始變頻電機的一組絕 緣間roiv的測試； (2) 控制模塊控制變頻電源升高電壓，并持續采集高壓探頭的電壓值信號和該組絕緣 間的局部放電信號，直至傳送的局部放電信號超過閾值時，停止升壓，此時采集到的電壓值 信號即為該組絕緣間roiv值的縮小值； (3) 上位機上實時顯示出電壓信號、局部放電信號的波形以及roiv的數值； (4) 重復步驟（1M3)，直至完成變頻電機所有組別的絕緣間roiv的測試。
[0012] 優選地，所述步驟（1)中，FPGA芯片提前對高壓開關組的開合邏輯進行整合、存儲， 并通過上位機測試操作。
[0013] 進一步地，所述步驟(2)中，在升壓過程中，若過流保護電路檢測到有過流，則測試 結束。
[0014] 更進一步地，所述步驟(2)中，在升壓過程中，若過壓保護電路檢測到電壓超過閾 值，但此時FPGA芯片并未接收到局部放電信號，則立即停止變頻電源升壓，并結束測試 與現有技術相比，本發明具有以下有益效果： (1)本發明將變壓器的兩端通過不同的高壓開關與變頻電機的三相繞組絕緣連接起 來，并將變頻電機的外殼接地，通過控制各高壓開關的開合狀態實現對所有絕緣間PDIV的 測試，上位機存儲并顯示全部的PDIV圖表和局部放電信號波形，提供全面可靠的電機絕緣 質量評估數據，以避免突發絕緣擊穿事故發生，并延長電機的使用壽命。
[0015] (2)本發明通過FPGA對變頻電源升壓進行控制，通過程序設置，自動地對各相間和 相地之間絕緣roiv依次進行測試，直至測試結束，實現了測試過程的全自動化，測試過程高 效快捷。
[0016] (3)本發明在變頻電源與變壓器之間設置了過流保護電路，可以防止升壓過程中 電流過大而導致系統中的各個元件出現損壞，一旦檢測到過流信號測試立即結束，確保了 測試過程的安全性；同時在變頻電源與FPGA芯片之間設置了過壓保護電路，當電壓持續升 高至超過所設置的閾值，但依然未產生局部放電信號(FPGA未反饋出局部放電信號）時，立 即停止變頻電源升壓并停止測試，以防止電壓過高將電機絕緣擊穿甚至對測試系統設備產 生損壞。
[0017] (4)本發明的變頻電源、過壓保護電路及FPGA芯片形成一個電壓反饋回路，當信號 超出局部放電信號的閾值，立即控制變頻電源停止升壓，并記錄當前電壓數值，不存在記錄 延時情況，保證了roiv數值的精確度。
[0018] (5)本發明通過信號調理電路對傳感器采集的局部放電信號進行處理，抑制電源 電壓的干擾，提高了測試系統的信噪比。
[0019] (6)本發明設置有上位機，其屏幕采用觸摸屏，通過對其編程，在觸摸屏上設置不 同功能的按鍵及顯示區，如控制開始與停止測試的按鍵，選擇測試絕緣的按鍵，各組絕緣局 部放電信號和roiv顯示區等。最終測試人員只需對觸摸屏按鍵進行簡單操作，即可控制整 個測試流程，最終將測試結果在觸摸屏上顯示。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本發明的系統框圖。
[0021] 圖2為本發明的結構原理圖。
[0022] 圖3為本發明的測試流程圖。
【具體實施方式】
[0023] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，本發明的實施方式包括但不限于 下列實施例。 實施例
[0024] 如圖1所示，用于變頻電機相間及相地絕緣roiv的自動測試系統，包括 控制模塊:包括FPGA芯片和AD轉換模塊； 所述AD轉換模塊，用以將模擬信號轉換成數字信號，本實施例采用的AD采集卡，具有12 位AD轉換精度，采樣率為200MHz; 所述FPGA芯片，主要用于控制AD轉換模塊的數據采集，根據局部放電信號的大小判斷 是否產生roiv;與上位機通信，顯示相應參數，并根據上位機的輸入執行相應操作;根據測 試的邏輯控制相應高壓開關組的導通;根據電壓是否超過閾值以及是否檢測到局部放電信 號來實現過壓保護。本實施例中FPGA芯片型號為ZYNQ 7000; 上位機：15英寸觸摸屏幕，通過ModBus協議與FPGA芯片完成通訊； 變頻電源：具有RS232通信接口，與上位機和FPGA芯片實現通信；電源輸入交流電壓 220V，頻率50Hz，功率lkVA，輸出頻率40-65HZ，輸出電壓2-300V且最小調節精度不高于 0.1V； 變壓器:使用單相干式升壓變壓器，變比為1:20，功率為lkVA; 高壓探頭:采集高壓信號并降壓;本實施例采用高壓差分探頭，其變比為1000:1，可以 將高壓端kV級電壓降低到V級，降低檢測的難度； 高壓開關組:完成對待測變頻電機繞組絕緣的切換;本實施例采用6個高壓繼電器，正 負12V直流電源供電，最大可承受電壓20kV; 傳感器:用以捕獲和提取變頻電機絕緣局部放電信號;本實施例采用高頻電流傳感器， 其采用羅氏(Rogowski)線圈結構，進行寬頻帶設計，檢測寬帶達到30M左右； 信號調理電路:對傳感器捕獲的信號進行包括濾波、放大、檢波、運算等方式進行整形 處理，方便后級電路或設備對信號進行接收和處理;本實施例采用檢波器，〇~2GHz帶寬，輸 出波形寬度約為lys; 過流保護電路:感應電路中的過電流，存在過電流時斷開電路;本實施例采用過流斷路 器； 過壓保護電路:通過FPGA來控制實現。當FPGA通過高壓探頭接收的高壓信號超過閾值， 但此時尚未通過傳感器接收到局部放電信號時，FPGA立即停止電源升壓并控制系統停止測 試。
[0025]如圖2所示，交流電源的輸出端通過過電流保護電路與單相干式升壓變壓器的輸 入端相連，變壓器的輸出端連接有高壓探頭。升壓變壓器將電源電壓升高后，高壓端通過高 壓繼電器與變頻電機定子的三相繞組和電機外殼相連接，其具體電路連接方式為:高壓輸 出端母線A的繼電器1、2、3分別與電機三相繞組的U相、V相、W相連接;高壓輸出端母線B的繼 電器5、6分別與電機繞組中的V相、W相連接，繼電器4則與電機外殼連接后并接地。通過控制 A端和B端相應的繼電器開合，便可以實現對1]，、1]-1、￥-1、1]-6、￥-6、1-6(6指6冊)六組繞組 間絕緣roiv的測試，不同接線方式對應的繼電器開合邏輯狀態對應表1所示：
表1不同電機繞組測試繼電器邏輯 高壓差分探頭輸入端接在單相干式升壓變壓器的高壓輸出端，絕緣兩端的高壓信號經 高壓差分探頭檢測并衰減1000倍之后輸入AD采集卡的CH1通道;高頻電流傳感器耦合在輸 入端的高壓母線A端，用以檢測局部放電信號并與檢波器相連接，檢測的信號經檢波器包絡 放大之后輸入AD采集卡的CH2通道;經AD轉換后的信號通過FPGA芯片處理，一旦CH2的信號 超過局部放電信號的閾值，立即通過反饋控制停止升壓，此時CH1檢測的信號即為該絕緣的 PDIV縮小1000倍的值;FPGA通過網口與上位機相連，在上位機上實時顯示出局部放電信號 的波形和roiv的數值。
[0026]在上述基礎上，本發明提供了該測試系統的實現方法，包括以下步驟： (1) 通過FPGA芯片對表1中組號k=l至k=6繼電器開合邏輯進行整合、儲存，具體地k=l時 邏輯為[1 0 0 0 1 0 ]，k=2時邏輯為[1 0 0 0 0 l]，k=3邏輯為[0 1 0 0 0 l]，k=4時邏 輯為[1 0 0 1 0 0]、k=5時邏輯為[0 1 0 1 0 0]，k=6時邏輯為[0 0 1 1 0 0]，然后通過 上位機選擇開始測試，首先令K=1; FPGA接收到上位機發出的指令后，向繼電器發送相應的 邏輯指令即[1 0 0 0 1 0 ]，除電器1、5閉合外其余均斷開，此時，高壓母線A、B則分別與U 相、V相絕緣相連接； (2) FPGA芯片控制變頻電源升高電壓，同時高壓探頭采集的U-V相絕緣兩端的高電壓信 號和高頻電流傳感器采集的U-V相絕緣局部放電信號經AD轉換后傳送至FPGA，當U-V相絕緣 局部放電信號超出局部放電的閾值，則認為此時U-V相絕緣兩端的電壓使絕緣產生局部放 電，停止加壓，否則繼續升壓直至產生局部放電為止； (3)當產生局部放電之后，立即停止升壓，上位機存儲并記錄當下電壓值即為U-V絕緣 的roiv縮小1〇〇〇倍的數值，并顯示出u-v組絕緣的局部放電信號波形和roiv。
[0027] (4)以此類推，通過FPGA對k=2_6組繼電器邏輯的控制和切換，可以分別依次檢測 出1]-1、￥-1、1]-6、￥-6、1-6組相絕緣的局部放電信號及?01￥的值，并通過網口通信最終將所 有6組局部放電信號波形和對應roiv值顯示于上位機;測試完成之后，所有繼電器整合為斷 開，測試完畢；在升壓過程中，若過流保護電路檢測到有過流或者過壓保護電路檢測有過 壓，則測試結束。
[0028] 具體測試流程如圖3所示，在對U-V繞測試完成之后，令k=k+l，此時k=2,重復步驟 (1Μ3)，對U-W相絕緣進行測試。以此類推，判斷k是否小于6，若是，則繼續令k=k+l，繼續測 試下一組;若否，則所有組別已經測試完畢，結束測試。這樣，便可測試并顯示出1]，、￥-1，-￥、1]-6、￥-6、1-6的局部放電信號波形和?01￥值。
[0029] 同時，若只需要測試某一組的絕緣，亦可以通過上位機的觸摸屏按鍵選擇該組對 應的k值，從而僅對該組的絕緣進行測量，提高效率。
[0030] 在變頻電源升壓過程中，為了提高效率，可以選擇"先快后慢"的升壓模式，即當電 壓很小且遠小于roiv值時，可適當加快升壓速度以提高效率；當電壓接近roiv時，必須減慢 升壓速度，從而使測量更加精確。
[0031] 上述實施例僅為本發明的優選實施例，并非對本發明保護范圍的限制，但凡采用 本發明的設計原理，以及在此基礎上進行非創造性勞動而作出的變化，均應屬于本發明的 保護范圍之內。
【主權項】
1. 用于變頻電機相間及相地絕緣roiv的自動測試系統，其特征在于:包括控制模塊，均 與該控制模塊連接的變頻電源、高壓探頭、高壓開關組件、信號調理電路、上位機，輸出端與 信號調理電路連接的傳感器，輸入端與變頻電源輸出端連接的變壓器，以及通過高壓開關 組件與變壓器輸出端連接的變頻電機;所述高壓探頭的輸入端與變壓器的輸出端連接;所 述高壓開關組件的一端與變壓器的輸出端連接，另一端同時接入變頻電機的接地機殼和三 相繞組。2. 根據權利要求1所述的用于變頻電機相間及相地絕緣PDIV的自動測試系統，其特征 在于，所述控制模塊包括同時與變頻電源、高壓開關組件、上位機連接的FPGA芯片，以及向 該FPGA芯片提供高壓探頭和信號調理電路信號的AD轉換模塊。3. 根據權利要求2所述的用于變頻電機相間及相地絕緣PDIV的自動測試系統，其特征 在于，所述變頻電源與變壓器之間設置有過流保護電路，與FPGA芯片之間設置有過壓保護 電路。4. 根據權利要求3所述的用于變頻電機相間及相地絕緣PDIV的自動測試系統，所述高 壓開關組件中至少有一個高壓開關將變頻電機的接地外殼與地線連接。5. 根據權利要求4所述的用于變頻電機相間及相地絕緣PDIV的自動測試系統，所述上 位機的顯示器為觸摸屏，且該觸摸屏上設置有操作按鍵和顯示區域。6. 權利要求1~5任一所述的變頻電機相間及相地絕緣PDIV自動測試系統的測試方法， 其特征在于，包括以下步驟： (1) 控制模塊接收上位機的測試指令，改變各高壓開關的狀態，開始變頻電機的一組絕 緣間roiv的測試； (2) 控制模塊控制變頻電源升高電壓，并持續采集高壓探頭的電壓值信號和該組絕緣 間的局部放電信號，直至傳送的局部放電信號超過閾值時，停止升壓，此時采集到的電壓值 信號即為該組絕緣roiv值的縮小值； (3) 上位機上實時顯示出電壓信號、局部放電信號的波形以及PDIV的數值； (4) 重復步驟（1M3)，直至完成變頻電機所有組別的絕緣間的PDIV的測試。7. 根據權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述步驟（1)中，FPGA芯片提前對高壓 開關組的開合邏輯進行整合、存儲，并通過上位機執行測試。8. 根據權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述步驟(2)中，在升壓過程中，若過 流保護電路檢測到有過流，則測試結束。9. 根據權利要求6所述的測試方法，其特征在于，所述步驟(2)中，在升壓過程中，若過 壓保護電路檢測到電壓超過閾值，但此時FPGA芯片并未接收到局部放電信號，則立即停止 變頻電源升壓，并結束測試。
【文檔編號】G01R31/12GK105866637SQ201610185687
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月29日
【發明人】王鵬, 王科鏡, 王劍, 徐洪英, 李金泉
【申請人】四川大學