Đánh giá độ tin cậy của hệ thống cách điện cho các động cơ điện có điện áp thấp được điều khiển bởi biến tần PWM

Chất lượng cách điện của các stator được sử dụng trong bộ phận điều áp và quạt gió của những máy bay thế hệ mới đã được phân tích và đánh giá. Các thử nghiệm được tiến hành thông qua phép đo ngưỡng điện áp phóng điện cục bộ. Ảnh hưởng của việc đai dây và áp suất không khí đối với độ tin cậy của hệ thống cách điện cũng được làm rõ.

SCIENCE TECHNOLOGY ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG CÁCH ĐIỆN CHO CÁC ĐỘNG CƠ ĐIỆN CÓ ĐIỆN ÁP THẤP ĐƯỢC ĐIỀU KHIỂN BỞI BIẾN TẦN PWM INVESTIGATION ON RELIABILITY OF ELECTRICAL INSULATION SYSTEMS FOR LOW-VOLTAGE MOTORS FED BY PWM INVERTERS Nguyễn Mạnh Qn1,*, Hồng Mai Quyền1 TĨM TẮT Chất lượng cách điện stator sử dụng phận điều áp quạt gió máy bay hệ phân tích đánh giá Các thử nghiệm tiến hành thông qua phép đo ngưỡng điện áp phóng điện cục Ảnh hưởng việc đai dây áp suất khơng khí độ tin cậy hệ thống cách điện làm rõ Từ khố: Động điện có điện áp thấp, hệ thống cách điện, phóng điện cục ABSTRACT The quality of insulation has been detailed and investigated for three types of stators designed to turbomachines and fans of new generation aircraft The technique used for experimental investigations consists of partial discharge inception voltage measures A particular attention has been paid to the impacts of sizing and environmental constraints on the reliability of insulation systems Keywords: Low-voltage motors, electrical insulation systems, partial discharge Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội *Email: thayquan.haui@gmail.com Ngày nhận bài: 08/01/2018 Ngày nhận sửa sau phản biện: 27/03/2018 Ngày chấp nhận đăng: 21/8/2018 Phản biện khoa học: TS Trần Anh Tùng KÝ HIỆU Ký hiệu p Đơn vị bar Ý nghĩa Áp suất khơng khí CHỮ VIẾT TẮT MEA Máy bay sử dụng nhiều điện (More Electric Aircaft) PWM Điều chỉnh độ rộng xung (Pulse Wave Modulation) HTCĐ Hệ thống cách điện PD Phóng điện cục (Partial Discharge) PDIV Ngưỡng điện áp phóng điện cục (Partial Discharge Inception Voltage) IEC MFTST BTA MBA TXP TXR Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International Electrotechnical Commision standard) Máy phát điện tần số thấp Bộ tăng điện áp Máy biến áp Tiếp xức pha Tiếp xúc dây rãnh GIỚI THIỆU Ở Châu Âu Mỹ, tiến khoa học kỹ thuật lĩnh vực hàng không bùng nổ Nhiều công nghệ chế tạo sản xuất liên quan trực tiếp đến MEA Việc hạn chế tiêu thụ nhiên liệu MEA (Airbus Boeing) góp phần làm giảm trọng lượng máy bay, ô nhiễm môi trường nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính Hơn nữa, việc thay hệ thống lượng cũ (cơ khí, thủy lực, khí nén) hệ thống lượng điện giúp cho trình điều khiển hoạt động máy bay trở nên linh hoạt dễ dàng [1] Tuy nhiên, đời máy bay hệ gây nên thách thức không nhỏ cho nhà sản xuất động điện Trên thực tế, xuất hệ thống lượng điện (bao gồm hệ thống điện xoay chiều với mức điện áp tăng gấp đôi (230V) hệ thống điện chiều (540V)) làm gia tăng ứng suất làm việc (điện áp) lên HTCĐ động Ngoài ra, việc sử dụng biến tần PWM để điều khiển tốc độ động gây hại cho HTCĐ, cách [2]:  làm xuất điện áp đầu vào động cơ, biên độ điện áp phụ thuộc vào: chênh lệch tổng trở cáp kết nối động cơ, độ dài cáp, tốc độ biến thiên điện áp (kV/µs);  tạo phân bố điện áp không đồng lên cuộn dây pha q trình lan truyền sóng điện áp Kết HTCĐ bị già hóa sớm và/hoặc có xuất PD dây điện dây với mát, từ Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ tuổi thọ HTCĐ giảm sút nhanh chóng PD kết phá huỷ điện hình thành có khe hở khơng khí bên lớp cách điện Nó “kẻ thù” thầm lặng chất cách điện Nó khơng dẫn đến hư hỏng cách điện có ảnh hưởng xấu đến mơi trường cách điện sau [3]:  có bắn phá ion vật liệu cách điện gây phát nhiệt cục dẫn đến thay đổi suy giảm đặc tính hóa học vật liệu cách điện;  thay đổi đặc tính hố học ảnh hưởng đến thành phần hoá học, làm tăng tốc độ già hố vật liệu Do đó, việc đánh giá chất lượng cách điện động điện thiết kế định lượng nguy hiểm gặp phải động HTCĐ, thông qua phép đo PDIV, vô cần thiết Bài báo trình bày kết nghiên cứu thực nghiệm liên quan đến chất lượng cách điện động sử dụng phận điều áp quạt gió máy bay hệ mới, có tính đến u cầu thiết kế (đai dây) điều kiện môi trường hoạt động động (áp suất) Sơ đồ đo thiết bị sử dụng phép đo miêu tả hình Với mục đích loại bỏ tất nhiễu điện từ gây lưới điện công nghiệp, điện áp đầu vào stator lấy từ MBA (220V/20kV) có kết nối với BTA MFĐTST Mạch đo stator bảo vệ lồng Faraday suốt q trình đo để đảm bảo kết đo khơng bị ảnh hưởng nhiễu sóng điện từ bên ngồi Tụ liên lạc (Ck) kết hợp với tổng trở đo (Zm) có giá trị tổng trở nhỏ tần số cao cho phép trích xuất tín hiệu điện áp liên quan đến hoạt động PD Các tín hiệu thu thập thơng qua máy sóng với giúp đỡ phần mềm ICM-system công ty Power Diagnostix Systems BmbH (http:/www.pd-system.com) phát triển Ck MFTST BTA MBA Stator Zm PHƯƠNG THỨC THỰC NGHIỆM 2.1 Stator Các nghiên cứu thực nghiệm tiến hành hai loại stator động điều áp (cabin) quạt gió (cabin cánh máy bay):  Loại A: stator 15kW, cuộn dây pha, dây tráng men có đường kính 0,5mm  Loại B: stator 4kW, cuộn dây pha, dây tráng men có đường kính 0,5mm Tất pha stator đấu hình HTCĐ stator bao gồm: cách điện dây pha khác (cách điện pha) cách điện dây với vỏ động (cách điện rãnh) 2.2 Đo PDIV Các nghiên cứu thực nghiệm mà tác giả đề cập báo liên quan trực tiếp đến phép đo PDIV Theo định nghĩa, PDIV giá trị điện áp nhỏ cần thiết để tạo nên PD Giá trị không đủ để đánh giá tuổi thọ HTCĐ, cung cấp thông tin liên quan đến chất lượng cách điện Thực tế PDIV lớn chất lượng cách điện cao Ngoài ra, PDIV cho biết vật liệu cách điện pha rãnh có đặt vị trí hay khơng, q trình chế tạo stator Nếu giá trị PDIV đo cách điện pha gần với giá trị PDIV tìm xảy lỗi cách điện pha (tiếp xúc dây pha khác nhau) có nghĩa cuộn dây pha phải tháo xem xét lại trước tiến hành đai dây sơn cách điện Đối với cách điện rãnh lỗi cách điện (tiếp xúc dây với vỏ động cơ) xảy Việc đánh giá PDIV thực thông qua phép đo điện không phá hủy điện áp công nghiệp (xoay chiều, sinus 50Hz), theo chuẩn IEC 270 [4] Nguyên lý phép đo dựa phép đo điện tích biểu kiến [4] Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 48.2018 Hình Sơ đồ đo thiết bị đo PDIV Điện áp đầu vào tăng từ từ DP quan sát trì Để đánh giá PDIV cách điện pha cách điện rãnh PDIV xuất lỗi cách điện xảy ra, kiểu mạch đo thiết kế xét đến vị trí xảy PD stator:  cấp điện cho pha vỏ động (các pha khác cách điện đất): đánh giá PDIV cho cách điện rãnh;  cấp điện cho pha (pha thứ vỏ stator cách điện đất): đánh giá PDIV cho cách điện pha;  cấp điện cho mẩu dây (cùng điện thế) mát (diện tích tiếp xúc 0,5cm2): mơ lỗi cách điện rãnh;  cấp điện cho mẩu dây tiếp xúc với (diện tích tiếp xúc 0,5cm2): mơ lỗi cách điện pha SCIENCE TECHNOLOGY KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Đánh giá chất lượng cách điện Việc đánh giá chất lượng cách điện tiến hành với:  stator loại A không đai dây không sơn cách điện  stator loại B có đai dây có sơn cách điện Các giá trị PDIV, biểu thị Volt hiệu dụng (VHD), biểu diễn hình từ đến Các ký hiệu U1, V1, W1 biểu thị pha U, V, W stator số loại A tương tự pha stator khác loại 1800 1600 Pha2-Pha3 Pha1-Pha3 1400 1200 PDIV (VHD) phép đo thực cho giá trị PIDV Giá trị đạt dựa vào thống kê Weibull tham số, theo chuẩn IEEE-std930 [5] Khoảng tin cậy 90% giá trị tính tốn với phần mềm phát triển J.F.Lawless [6] Xét đến ảnh hưởng nhiệt độ (T) độ ẩm tương đối (HR) PDIV khơng khí, phép đo thực điều kiện môi trường gần giống (T~25°C, HR~50%) 1000 Pha1-Pha2 800 TXP 600 400 200 Hình PDIV cách điện pha (1 stator loại B có đai dây có sơn cách điện) Pha3 1400 Pha1 Pha2 1200 1200 U1-W1 PDIV (VHD) 800 700 U4-V4 U2-V2 900 U5-V5 V4-W4 U1-V1 U5-W5 PDIV (VHD) 1000 1000 U2-W2 1100 800 600 U3-V3 V5-W5 V1-W1 V2-W2 600 V3-W3 U3-W3 400 TXR U4-W4 200 500 400 TXP 300 200 100 Hình PDIV cách điện pha (5 stator loại A không đai dây khơng sơn cách điện) Hình PDIV cách điện rãnh (stator loại B có đai dây có sơn cách điện) Nhìn chung, giá trị PDIV đạt cách điện rãnh hai loại stator lớn giá trị PDIV tìm thấy xảy lỗi cách điện rãnh Tiếp xúc đầu pha - phần trung gian 1500 1400 W1 1300 1200 U1 V1 1100 U2 V2 W2 U3 V3 W3 V4 W4 U5 V5 W5 U4 PDIV (VHD) 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 TXR 100 Hình PDIV cách điện rãnh (5 stator loại A không đai dây không sơn cách điện) Hình Tiếp xúc đầu pha - phần trung gian (stator loại A khơng đai dây khơng có sơn cách điện) Ngược lại, kết đạt cho thấy cách điện pha vài stator loại A (stator 2, 3, 4) stator B Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ 1500 1400 1300 1200 U1 V1 W1 U2 V2 W2 U3 V3 U4 W3 V4 W4 U5 V5 W5 1100 1000 PDIV (VHD) biểu lỗi cách điện: giá trị PDIV cách điện pha thấp PDIV xảy lỗi cách điện (hình 4) Lỗi cách điện nhiều khả trú ngự phần trung gian phần tác dụng Hình rõ tiếp xúc nhìn thấy pha đầu pha stator loại A Hình cho thấy tiếp xúc pha vài stator loại không xảy đầu pha mà chắn diễn bên phần trung gian 900 800 700 600 500 400 300 200 TXR 100 Hình PDIV cách điện rãnh (5 stator loại A có đai dây khơng sơn cách điện) Kết đạt (hình 9) cho thấy cách điện rãnh không bị ảnh hưởng việc đai dây Các giá trị PDIV tìm thấy sau đai dây lớn nhiều so với giá trị PDIV xảy lỗi cách điện rãnh Ngược lại, việc đai dây phần trung gian có tác động xấu đến cách điện pha Trước đai dây, stator 2, 3, có lỗi cách điện (hình 2) Các giá trị PDIV thể hình việc đai dây gây thêm lỗi cách điện khác stator tồn lỗi cách điện pha sau đai dây Bởi tác động khí, việc đai dây làm tiếp xúc dây trước chia cách vật liệu cách điện pha, cách thay đổi vị trí chúng Hình Đầu vào đầu pha có tiếp xúc với pha khác: khơng có tiếp xúc nhìn thấy với phần trung gian (stator loại A khơng đai dây khơng có sơn cách điện) 3.2 Đánh giá tác động việc đai dây Để đánh giá ảnh hưởng việc đai dây chất lượng cách điện, phép đo PDIV thực stator loại A sau đai dây (hình 9) 1200 1100 U5-V5 1000 900 U1-W1 U3-V3 PDIV (VHD) 800 700 U1-V1 600 U3-W3 U2-V2 V1-W1 500 U2-W2 V2-W2 V3-W3 U4-V4 U4-W4 V4-W4 U5-W5 V5-W5 400 TXP 300 200 100 Hình PDIV cách điện pha (5 stator loại A có đai dây khơng sơn cách điện) Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ ● Số 48.2018 3.3 Đánh giá tác động áp suất không khí Áp suất khơng khí có ảnh hưởng lớn đến ngưỡng giá trị PDIV, tác động q trình phóng điện Vậy việc định lượng giá trị PDIV áp suất thấp vô cần thiết, stator có vị trí khu vực khơng điều áp Vì lẽ đó, nhằm xác định giá trị PDIV nhỏ xảy ra, tác giả lựa chọn stator có ngưỡng PDIV thấp áp suất khơng khí mặt đất (1bar), đạt phần thử nghiệm trước, để tiến hành thử nghiệm điều kiện áp suất thay đổi Các stator là:  Loại A: cách điện pha V-W (stator 3) cách điện rãnh V (stator 2)  Loại B: cách điện pha pha 2, cách điện rãnh pha Căn vào mức áp suất thực tế đưa nhà sản xuất máy bay, thực nghiệm tiến hành áp suất 0,1bar 0,5bar với buồng điều hòa khơng khí (climate chamber) hãng Votsch kiểu 7018 (http:/www.v-it.com) Các kết PDIV đo theo điều kiện áp suất khơng khí thể hình 10 11 Các kết ngưỡng PDIV giảm mạnh áp suất giảm Tổng thể, PDIV giảm khoảng 45% đến 50% áp suất 1/10 áp suất khơng khí thông thường (0,1bar) Đối với stator SCIENCE TECHNOLOGY đặt khu vực không điều áp, áp suất xung quanh cuộn dây pha dao động xung quanh 0,7bar Ứng với áp suất này, giá trị PDIV giảm trung bình khoảng 20% so với PDIV 1bar Hình 10 Giá trị PDIV theo áp suất khơng khí (stator loại A) (T=25°C, HR=50%) LỜI CẢM ƠN Các tác giả xin chân thành cảm ơn Liên minh Châu Âu, công ty Liebherr Aerospace, công ty Technofan hỗ trợ tài cho dự án nghiên cứu (dự án PREMEP, giai đoạn 2003-2007) TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Xavier Roboam, 2011 News trends and challenges of electrical networks embedded in “more electrical aircraft” In Proceedings of the 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics, Gdansk, Poland, 27-30 June 2011 [2] Quan Manh Nguyen, 2012 Study of the impact of aeronautical constraints on electrical insulation systems of environmental control motors Thesis, Tolouse University, France [3] F.H Kreuger, 1989 Partial discharge detection in high-voltage equipment Elsevier Science & Technology, Oxford, United Kingdom [4] Partial discharge measurements, IEC 270, 1981 [5] Guide for the statistical analysis of electric insulation voltage endurane data, IEEE 930, 1987 [6] J.F.Lawless, 1975 Construction of tolerance bounds for the extreme-value and Weibull distribution Technometrics, vol 17, pp 255-261 Hình 11 Giá trị PDIV theo áp suất khơng khí (stator loại C) (T=25°C, HR=50%) KẾT LUẬN Các nghiên cứu thực nghiệm tiến hành với stator động điều áp quạt gió đưa chúng tơi đến kết luận đây:  Việc đai dây phần trung gian cuộn dây pha không ảnh hưởng đến chức cách điện rãnh Ngược lại, gây hại cho cách điện pha, cách dịch chuyển vị trí vật liệu cách điện Trên thực tế, stator loại A có lỗi cách điện pha sau đai dây  Áp suất không khí có ảnh hưởng lớn đến hoạt động PD Ở 0,7bar, giá trị PDIV đạt giảm trung bình khoảng 20% so với giá trị tìm thấy điều kiện “mặt đất” Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ... vỏ động (các pha khác cách điện đất): đánh giá PDIV cho cách điện rãnh;  cấp điện cho pha (pha thứ vỏ stator cách điện đất): đánh giá PDIV cho cách điện pha;  cấp điện cho mẩu dây (cùng điện. .. 100 Hình PDIV cách điện pha (5 stator loại A không đai dây không sơn cách điện) Hình PDIV cách điện rãnh (stator loại B có đai dây có sơn cách điện) Nhìn chung, giá trị PDIV đạt cách điện rãnh hai... trung gian có tác động xấu đến cách điện pha Trước đai dây, stator 2, 3, có lỗi cách điện (hình 2) Các giá trị PDIV thể hình việc đai dây gây thêm lỗi cách điện khác stator tồn lỗi cách điện pha