Modelling of degradation process of electrical insulation systems due to inverter pulses

• Autorzy: Florkowska B. , Roehrich J. , Zydroń P. , Florkowski M.

Warianty tytułu

PL

Modelowanie procesów degradacji układów elektroizolacyjnych wywołanych impulsami inwertera

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In-service stresses are the cause of progressive degradation of electrical insulation systems. The assessment of intensity and dynamics of these processes which are, among others, consequence of local working electric field strength is usually performed at sinusoidal voltage. However, in applications where power electronics converters are used the voltage stress has usually a form of fast switching pulses composing of repetitive sequences. Special problems for Pulse Width Modulation (PWM) driven induction motors arise from overvoltages and partial discharges (PD) in insulating systems of feeding cables and motors. The PWM waveforms produce complex overvoltages that stress the insulation more severely than sinusoidal voltage waveforms. The overvoltages form trials of pulses with very short rise times. Such conditions have essential influence on inception and activity of partial discharges in insulation systems. Selected aspects of these problems are presented in the paper: the numerical simulations of electric stress in coil-to-coil insulation of stator windings, the influence of the pulsed voltages modelling the PWM sequences, and the experimental results of PD in model twisted pair (TP) samples.

PL

Narażenia eksploatacyjne są powodem postępującej degradacji elektrycznych układów izolacyjnych. Ocena intensywności i dynamiki tych procesów, będących m.in. konsekwencją lokalnego, roboczego natężenia pola elektrycznego jest zwykle prowadzona dla napięcia sinusoidalnie zmiennego. W aplikacjach, w których stosowane są energoelektroniczne układy przekształtnikowe narażenia napięciowe mają formę impulsów szybkozmiennych, tworzących powtarzalne sekwencje. Szczególne problemy powstają w układach napędowych silników indukcyjnych z modulacją szerokości impulsów (PWM), a związane są one z przepięciami oraz wyładowaniami niezupełnymi (wnz) w izolacji kabli zasilających oraz silników. Przebiegi PWM wytwarzają złożone przepięcia, które narażają izolację w większym stopniu niż napięcia przemienne. Przepięcia tworzą ciągi impulsów o bardzo krótkich czasach narastania, co ma zasadniczy wpływ na powstawanie i aktywność wyładowań niezupełnych w układach izolacyjnych. Artykuł przedstawia wybrane aspekty tych problemów: symulacje numeryczne naprężeń elektrycznych izolacji międzyzwojowej, wpływ napięć impulsowych modelujących sekwencje PWM oraz wyniki badań eksperymentalnych wnz w próbkach modelowych typu para skręcona (TP).

Słowa kluczowe

EN

electrical insulating systems; degradation process; partial discharge; PWM voltage

PL

układ izolacyjny; proces degradacji; wyładowanie niezupełne; napięcie PWM

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2014
• Tom: R. 90, nr 10
• Strony: 85--89
• Opis fizyczny: Bibliogr. 14 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Florkowska B.

• AGH University of Science and Technology, Dept. of Electrical and Power Engineering, Mickiewicza 30, 30-059, Krakow

autor

Roehrich J.

• AGH University of Science and Technology, Dept. of Electrical and Power Engineering, Mickiewicza 30, 30-059, Krakow

autor

Zydroń P.

• AGH University of Science and Technology, Dept. of Electrical and Power Engineering, Mickiewicza 30, 30-059, Krakow

autor

Florkowski M.

• ABB Corporate Research Center, Starowiślna 13A, 31-038 Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Florkowska B., Zydroń P., Florkowski M.: Effects of converter pulses on the electrical insulation system of motors, Proc. 2011 IEEE ISIE, 573 – 578, Gdańsk, 2011
• [2] IEC/TS 60034-18-41 ed. 1 (2006-10): Rotating electrical machines – Part 18-41: Qualification and type tests for Type I electrical insulation systems used in rotating electrical machines fed from voltage converters
• [3] Bonnet A. et all: Cause and analysis of stator and rotor failures in three phase squirrel cage induction motors, IEEE Trans. IAS, vol. 1992, 921 – 937
• [4] Persson E.: Transient effects in applications of PWM inverters in induction motors, IEEE Trans. IAS, vol. 1992, 1095-1101
• [5] IEC 60851-5 ed. 4.0 (2008-07): Winding wires. Test methods – Part 5: Electrical properties
• [6] IEC 60172 ed. 3.0: Test procedure for the determination of the temperature index of enamelled winding wires
• [7] Florkowska B., Florkowski M., Zydroń P., Roehrich J., Pędzisz K.: Degradation processes of polymer cable insulation at non-sinusoidal voltage stresses, Conf. Rec. 2010 IEEE ISEI, San Diego, CA, USA, paper 132
• [8] Lindell E., Bengtsson T., Blennow J., Gubanski S.M., Influence of rise time on partial discharge extinction voltage at semi-square voltage waveforms, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 17, no. 1, 2010, 141–148
• [9] Cavallini A., Montanari G.C.: Effect of supply voltage frequency on testing of insulation system, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 13, no. 1, 2006, 11 – 21
• [10] Florkowska B., Florkowski M., Furgał J., Roehrich J., Zydroń P, Impact of fast transient phenomena on electrical insulation systems, AGH-UST Press; Kraków, 2012
• [11] IEC-60270 ed. 3, (2000-12) High-voltage test techniques – Partial discharge measurements
• [12] IEC/TS 61934 ed. 2.0 (2011-04): Electrical insulating materials and systems – Electrical measurement of partial discharges (PD) under short rise time and repetitive voltage impulses
• [13] Manh Quan Nguyen ; Malec D., Mary D., Werynski P., Gornicka B., Therese L., Guillot, P., Silica nanofilled varnish designed for electrical insulation of low voltage inverter-fed motors, IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., vol. 17, no. 5, 2010, 1349–1356
• [14] Glinka T., Kulesz B.: Wyładowania niezupełne w izolacji zwojowej silników indukcyjnych zasilanych z falowników PWM, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napedów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 49, Studia i Materiały Nr 21, 2000