连续高压脉冲下空间电荷对变频牵引电机绝缘老化影响的研究.doc
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1、西南交通大学硕士学位论文连续高压脉冲下空间电荷对变频牵引电机绝缘老化影响的研究姓名:周力任申请学位级别:硕士专业:高电压与绝缘技术导教师:吴广宁20100501AbstractInverter-fed motor is an indispensable equipment for the development of high-speed railway in China. As a core component of AC drive electric locomotive, performance of inverter-fed motor directly influences the
2、stability and reliability of locomotive running. However, Pulse Width Modulation (PWM) which was input from inverter is characterized by steep rising edge and high frequency, resulting in the too early failure of motor insulation. Presently, polyimide film characterized by high temperature resistanc
3、e (400C), low temperature tolerance (-269C), radiation resistance and excellent dielectric properties widely applied in turn to turn insulation and turn to ground insulation of inverter-fed motors is a kind of basic insulating material. As traditional design method and theory for AC motor is not com
4、pletely suitable for inverter-fed motor, consequently, research on the aging and failure mechanism of insulating material under high voltage pulse can provide theoretical foundation for the design of inverter-fed motor insulation structure and prolong service life.Space charge plays an important rol
5、e in damaging insulation under high voltage pulse. Develop research work in accordance with influence of space charge on aging of inverter-fed motor insulation under high voltage pulse. Firstly, construct aging and space charge measurement system; measure space charge accumulation threshold field be
6、tween corona-resistant (lOOCR) and common polyimide films (lOOHN) and analyze the influence of adding nano-particles on dielectric property of insulating material. Furthermore, space charge distribution in polyimide films under different temperature was measured, based on which space charge characte
7、ristics under high voltage pulse were researched. Secondly, by means of Scanning Electrical Microscope (SEM), effects of aging time and frequency on surface and section morphology were analyzed, based on which the cause for nano-particles improving corona-resistant property was researched. Finally,
8、conduct experiment, including electrical breakdown, thermal breakdown and electrical tree breakdown, on magnet wires; meanwhile combining with SEM and energy spectrum analysis, the corresponding breakdown mechanisms were analyzed.All the done work lays a strong foundation for the fiirther study of f
9、ailure mechanism of inverter-fed motor insulation under high voltage pulse; meanwhile it also provides theoretical support for using inorganic nano-particles improving corona-resistant property.key words: pulse voltage, space charge, inverter-fed motor, polyimide, SEM西南交通大学 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有
10、关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1. 保密,在年解密后适用本授权书;2. 不保密“使用本授权书。 (请在以上方框内打“V) 学位论文作者签名曰期:2010. S.2指导老师签名:曰期:7水叫西南交通大学硕士学位论文主要工作(贡献)声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:1) 测量了耐电晕型聚酰亚胺薄膜(100CR)和普通聚酰亚胺薄膜(100HN)空间电荷 积聚的阐值
11、场强,并分析了纳米粒子的加入对绝缘材料介电性能的影响;2) 测量了不同温度下,聚酰亚胺薄膜中空间电荷的分布,以此研究了连续高压脉 冲下空间电荷的特性;3) 利用扫描电镜,分析老化时间和频率对薄膜表面和断面形貌的影响,以此研究 了纳米粒子提高薄膜耐电晕性能的原因4) 以电磁线为实验对象,进行了电击穿、热击穿和电树枝化击穿实验,结合扫描 电镜和能谱分析研究了相应的击穿机制。本人郑重声明:所呈交的学位论文,是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均己在文中作了明确说明。 本人
12、完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名: 日期:2010. r.第1章绪论1.1变频调速牵引电机及其绝缘技术1.1.1变频调速牵引电机的特点目前,我国铁路面临的问题是运输能力远远不能满足国民经济和社会发展的要求, 大力建设铁路以缓解运输能力不足已迫在眉睫。国务院批准实施的中长期铁路网规 划中决定,到2020年将投资5万多亿元,铁路运营里程增加到12万公里,建设 时速200 kmyh及以上(最高达到350 km/h)的“四横四纵”高速客运专线等1.6万公 里。高速牵引机车是高速铁路发展的关键,随着大功率开关器件的开发及应用,出现 了采用调节频率和电压的交流电机调速
13、方式,从而将机车牵引传动带入了交流传动时 代。交流传动机车对于提高牵引、制动性能和实现高速度,以及减轻費下重量、改善 动力学性能、提高机车运行经济性具有传统直流传动机车难以企及的优越性,已经成 为轨道交通牵引动力的发展方向,成为我国铁路提速、重载必需的装备。近年来,牵引电机正逐渐向大功率化、小型轻量化、快速化、高速化方向发展。 变频交流电机通过变频器完成输出电压幅值、频率的调制,这个调制主要是逆变器按 脉宽调制的方式来完成的,因而逆变器起着重要的作用。70年代中期以前,逆变器几 乎都采用无自关断能力的晶阐管,到70年代中期以后,随着电力电子技术的发展,逆 变器由具有自关断能力的主开关元件组成,
14、出现了脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)的控制方式,从而大大提高了机车的功率,同时机车速度也获得了 巨大提升,达到了 300km/h以上。交-直-交流电传动系统的优越性非常显著,其主要优点有:起动牵引力较大, 恒动调节速度的范围较宽,有良好的粘着利用特性和自动防车轮空转的性能。三相 异步交流电机,功率大,体积小,重量轻,维修简单,可减轻簧下重量,有利于列车 高速运行。机车的功率因素接近于1.0(交-直流传动系统为0.85),谐波电流小,减轻 了对通信系统的干扰。在机车制动时,可使交流电返回电网,实现再生制动,节省 能源。1.1.2变频调速牵引电机绝缘技术变频
15、调速传动系统电压波形变化如图1-1所示2。变压器把电网的高等级电压变成 低等级电压然后输入整流器中,经过整流器交流正弦电压变成直流电压f,随后 逆变器把直流逆变成频率可调的方波脉冲,通过电缆驱动电机运行。变频牵引电机广 泛采用PWM调制驱动,逆变器输出波形不再是正弦波,而是一系列不同脉宽的方波电压,通过对该电压波形进行调制使电机绕组内通过的电流波形接近正弦,变频器输 出的PWM波形,在电机绕组内相对应的电压和电流波形如图1-2所示2i。 变压甚整流器逆变器电链电动机Tr _ 11 1 1 1 1 f 1 f 1 r 1i 丄 1 (1 1 t 1 1 1 ( 1 i * i_ 4 SISmB-
16、50 - 25 0 25 50 K探预电压场强图1-3聚乙煤的直流预电压场强和脉冲击穿强度28】预电压极性效应表明空间电荷积聚对击穿强度的严重影响,促使学者们和制造商 对空间电荷在绝缘材料老化和击穿研究中的作用开展持续深入的研究。直流高压设备 在直流运行中存在极性反转过程,必须重视预电压极性效应问题。抑制空间电荷的积 聚成为直流固体绝缘电缆研究的关键因素之一27】2. 微观形态的影响微观形态对聚合物的电导3】、击穿31】以及树枝状放电老化【32等都有强烈影响。因 此,研究微观形态对空间电荷特性的影响,从而研究微观形态和空间电荷对介质电特 性的影响有重要意义。Lindgren33和Mizutan
17、i34】通过添加剂来改变材料的微观形态,并 进行添加剂、微观形态与空间电荷相关性的研究,后者发现密度越小的聚乙烯中空间 电荷运动和衰减得越快,并且表明陷讲和空间电荷主要存在于无定形区。党智敏35研 究了添加剂三梨糖醇对聚乙烯空间电荷特性的影响,表明三梨糖醇添加剂影响聚乙稀 的微观形态,从而影响其空间电荷特性,适量的三梨糖醇可以起到抑制空间电荷积聚 的作用。李吉晓36】研究了交联聚乙稀的结构形态与空间电荷分布的关系,认为晶区和 非晶区界面的支链、端基和杂质等是形成空间电荷陷讲的主要来源。张柏乐37】用不同 冷却方式和成核剂改变聚丙稀微观形态,研究了微观形态对聚丙稀电晕驻极特性的影 响。王宁华研究
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