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

SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 3
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 Quân1,*, Hoàng Mai Quyền1 
TÓM TẮT 
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. 
Từ khoá: Động cơ điện có điện áp thấp, hệ thống cách điện, phóng điện cục bộ.
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. 
1Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội 
*Email: thayquan.haui@gmail.com 
Ngày nhận bài: 08/01/2018 
Ngày nhận bài 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 Đơn vị Ý nghĩa 
p bar Áp suất không khí 
CHỮ VIẾT TẮT 
MEA Máy bay sử dụng nhiều điện hơn 
(More Electric Aircaft) 
PWM Điều chỉnh độ rộng xung 
(Pulse Wave Modulation) 
HTCĐ Hệ thống cách điện 
PD Phóng điện cục bộ (Partial Discharge) 
PDIV Ngưỡng điện áp phóng điện cục bộ 
(Partial Discharge Inception Voltage) 
IEC Ủy ban kỹ thuật điện quốc tế (International 
Electrotechnical Commision standard) 
MFTST Máy phát điện tần số thấp 
BTA Bộ tăng điện áp 
MBA Máy biến áp 
TXP Tiếp xức giữa các pha 
TXR Tiếp xúc giữa dây và rãnh 
1. GIỚI THIỆU 
Ở Châu Âu và Mỹ, các tiến bộ khoa học kỹ thuật trong 
lĩnh vực hàng không đang bùng nổ. Nhiều công nghệ chế 
tạo và sản xuất mới liên quan trực tiếp đến các MEA. Việc 
hạn chế tiêu thụ nhiên liệu trên các MEA (Airbus và Boeing) 
góp phần làm giảm trọng lượng máy bay, ô nhiễm môi 
trường và các nguyên nhân gây nên hiệu ứng nhà kính. 
Hơn nữa, việc thay thế các hệ thống năng lượng cũ (cơ khí, 
thủy lực, khí nén) bằng các hệ thống năng lượng điện mới 
cũng giúp cho quá trình điều khiển mọi hoạt động của máy 
bay trở nên linh hoạt và dễ dàng hơn [1]. 
Tuy nhiên, sự ra đời các máy bay thế hệ mới này gây nên 
một thách thức không nhỏ cho các nhà sản xuất động cơ 
điện. Trên thực tế, sự xuất hiện các hệ thống năng lượng 
điện mới (bao gồm 1 hệ thống điện xoay chiều với mức 
điện áp tăng gấp đôi (230V) và 1 hệ thống điện 1 chiều 
(540V)) đã làm gia tăng ứng suất làm việc (điện áp) lên các 
HTCĐ của động cơ. Ngoài ra, việc sử dụng biến tần PWM để 
điều khiển tốc độ động cơ cũng gây hại cho HTCĐ, bằng 
cách [2]: 
 làm xuất hiện quá điện áp ở đầu vào động cơ, trong 
đó biên độ quá điện áp phụ thuộc vào: sự chênh lệch tổng 
trở giữa cáp kết nối và động cơ, độ dài của cáp, tốc độ biến 
thiên điện áp (kV/µs); 
 tạo ra phân bố điện áp rất không đồng nhất lên các 
cuộn dây pha trong quá trình lan truyền của sóng điện áp. 
Kết quả là HTCĐ sẽ bị già hóa sớm và/hoặc có sự xuất 
hiện của PD giữa các dây điện và giữa các dây với mát, từ 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 48.2018 4
KHOA HỌC
đó tuổi thọ của HTCĐ sẽ giảm sút nhanh chóng. PD là kết 
quả của sự phá huỷ về điện được hình thành do có các khe 
hở không khí bên trong lớp cách điện. Nó là “kẻ thù” thầm 
lặng của mọi chất cách điện. Nó tuy không dẫn đến hư 
hỏng cách điện ngay lập tức nhưng có ảnh hưởng xấu đến 
môi trường cách điện như sau [3]: 
 có sự bắn phá do các ion trong vật liệu cách điện gây 
ra phát nhiệt cục bộ có thể dẫn đến sự thay đổi và suy giảm 
đặc tính hóa học của vật liệu cách điện; 
 sự thay đổi các đặc tính hoá học ảnh hưởng đến các 
thành phần hoá học, làm tăng tốc độ già hoá của vật liệu. 
Do đó, việc đánh giá chất lượng cách điện của các động 
cơ điện được thiết kế mới và định lượng những nguy hiểm 
gặp phải các động cơ này đối với HTCĐ, thông qua phép đo 
PDIV, là vô cùng cần thiết. 
Bài báo trình bày các kết quả nghiên cứu thực nghiệm 
liên quan đến chất lượng cách điện của các động cơ được 
sử dụng trong các bộ phận điều áp và quạt gió của những 
máy bay thế hệ mới, trong đó có tính đến các yêu cầu thiết 
kế mới (đai dây) và điều kiện môi trường hoạt động của 
động cơ (áp suất). 
2. PHƯƠNG THỨC THỰC NGHIỆM 
2.1. Stator 
Các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành đối với hai 
loại stator của các động cơ điều áp (cabin) và quạt gió 
(cabin và cánh máy bay): 
 Loại A: 5 stator 15kW, 4 cuộn dây trên một pha, dây 
tráng men có đường kính 0,5mm. 
 Loại B: 1 stator 4kW, 6 cuộn dây trên một pha, dây 
tráng men có đường kính 0,5mm. 
Tất cả các pha của stator đều được đấu hình sao. HTCĐ 
của các stator bao gồm: cách điện giữa các dây của các pha 
khác nhau (cách điện pha) và cách điện giữa các dây với vỏ 
động cơ (cách điện rãnh). 
2.2. Đo PDIV 
Các nghiên cứu thực nghiệm mà tác giả đề cập trong 
bài báo đều liên quan trực tiếp đến phép đo PDIV. Theo 
định nghĩa, PDIV là giá trị điện áp nhỏ nhất cần thiết để tạo 
nên ít nhất một PD. Giá trị này tuy không đủ để đánh giá 
tuổi thọ của HTCĐ, nhưng sẽ cung cấp thông tin liên quan 
đến chất lượng cách điện. Thực tế là PDIV càng lớn thì chất 
lượng cách điện càng cao. Ngoài ra, PDIV cũng cho chúng 
ta biết các vật liệu cách điện pha và rãnh có được đặt đúng 
vị trí hay không, trong quá trình chế tạo stator. Nếu giá trị 
PDIV đo được của cách điện pha gần với giá trị PDIV tìm 
được khi xảy ra lỗi cách điện pha (tiếp xúc giữa các dây ở 
các pha khác nhau) thì có nghĩa là các cuộn dây pha phải 
được tháo ra và xem xét lại trước khi tiến hành đai dây và 
sơn cách điện. Đối với cách điện rãnh thì lỗi cách điện (tiếp 
xúc giữa các dây với vỏ động cơ) hiếm khi xảy ra hơn. 
Việc đánh giá PDIV được thực hiện thông qua phép đo 
điện không phá hủy dưới điện áp công nghiệp (xoay chiều, 
sinus 50Hz), theo chuẩn IEC 270 [4]. Nguyên lý của phép đo 
dựa trên phép đo điện tích biểu kiến [4]. 
Sơ đồ đo và các thiết bị được sử dụng trong phép đo 
được miêu tả trong hình 1. Với mục đích loại bỏ tất cả 
nhiễu điện từ gây ra bởi lưới điện công nghiệp, điện áp đầu 
vào stator được lấy từ MBA (220V/20kV) có kết nối với BTA 
và MFĐTST. Mạch đo và stator luôn được bảo vệ trong lồng 
Faraday suốt quá trình đo để đảm bảo kết quả đo không bị 
ảnh hưởng bởi nhiễu sóng điện từ bên ngoài. Tụ liên lạc 
(Ck) kết hợp với tổng trở đo (Zm) có giá trị tổng trở nhỏ ở tần 
số cao cho phép trích xuất tín hiệu điện áp liên quan đến 
các hoạt động của PD. Các tín hiệu này được thu thập 
thông qua máy hiện sóng với sự giúp đỡ của phần mềm 
ICM-system do công ty Power Diagnostix Systems BmbH 
(http:/www.pd-system.com) phát triển. 
Hình 1. Sơ đồ đo và thiết bị đo PDIV 
Điện áp đầu vào được tăng từ từ cho đến khi DP quan 
sát được duy trì. Để đánh giá được PDIV của cách điện giữa 
các pha và của cách điện rãnh cũng như PDIV xuất hiện khi 
các lỗi cách điện xảy ra, 4 kiểu mạch đo đã được thiết kế 
trong khi xét đến các vị trí có thể xảy ra PD trong stator: 
 cấp điện cho 1 pha và vỏ động cơ (các pha khác cách 
điện đối với đất): đánh giá PDIV cho cách điện rãnh; 
 cấp điện cho 2 pha (pha thứ 3 và vỏ stator cách điện 
đối với đất): đánh giá PDIV cho cách điện pha; 
 cấp điện cho một mẩu các dây (cùng điện thế) và mát 
(diện tích tiếp xúc 0,5cm2): mô phỏng lỗi cách điện rãnh; 
 cấp điện cho 2 mẩu các dây tiếp xúc với nhau (diện 
tích tiếp xúc 0,5cm2): mô phỏng lỗi cách điện pha. 
Stator Ck 
Zm 
 MFTST BTA MBA 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 5
8 phép đo được thực hiện cho mỗi giá trị PIDV. Giá trị 
này đạt được dựa vào thống kê Weibull 2 tham số, theo 
chuẩn IEEE-std930 [5]. Khoảng tin cậy 90% của giá trị được 
tính toán với phần mềm được phát triển bởi J.F.Lawless [6]. 
Xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ (T) và độ ẩm tương đối 
(HR) đối với PDIV trong không khí, các phép đo đều được 
thực hiện trong điều kiện môi trường gần như là giống 
nhau (T~25°C, HR~50%). 
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 
3.1. Đánh giá chất lượng cách điện 
Việc đánh giá chất lượng cách điện đã được tiến hành 
với: 
 5 stator loại A không đai dây và không được sơn cách 
điện. 
 1 stator loại B có đai dây và có sơn cách điện. 
Các giá trị PDIV, biểu thị bằng Volt hiệu dụng (VHD), được 
biểu diễn trong các hình từ 2 đến 5. Các ký hiệu U1, V1, W1 
biểu thị pha U, V, W của stator số 1 loại A và tương tự như 
vậy đối với các pha của các stator khác cùng loại. 
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
V5-W5
U5-W5
U5-V5
U4-W4V3-W3
U3-V3
U3-W3
V4-W4
U4-V4
U2-W2
V2-W2
U2-V2
U1-W1
V1-W1
U1-V1
TXP
P
D
IV
 (
V
H
D
)
Hình 2. PDIV của cách điện pha (5 stator loại A không đai dây và không được 
sơn cách điện) 
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
V5 W5
U5W4
V3
U3
W3 V4
U4
W2V2
U2
W1
V1
U1
TXR
P
D
IV
 (
V
H
D
)
Hình 3. PDIV của cách điện rãnh (5 stator loại A không đai dây và không được 
sơn cách điện) 
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Pha1-Pha3Pha2-Pha3
P
D
IV
 (
V
H
D
)
Pha1-Pha2
 TXP
Hình 4. PDIV của cách điện pha (1 stator loại B có đai dây và có được sơn cách 
điện) 
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
Pha3
Pha2
P
D
IV
 (
V
H
D
)
Pha1
 TXR
Hình 5. PDIV của cách điện rãnh (stator loại B có đai dây và có được sơn cách 
điện) 
Nhìn chung, các giá trị PDIV đạt được đối với cách điện 
rãnh của cả hai loại stator đều lớn hơn giá trị PDIV tìm thấy 
khi xảy ra lỗi cách điện rãnh. 
Hình 6. Tiếp xúc giữa đầu ra của pha - phần trung gian (stator loại A không 
đai dây và không có sơn cách điện) 
Ngược lại, các kết quả đạt được cho thấy cách điện giữa 
các pha của một vài stator loại A (stator 2, 3, 4) và stator B 
Tiếp xúc giữa đầu ra của pha - phần trung gian 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ ● Số 48.2018 6
KHOA HỌC
biểu hiện lỗi cách điện: giá trị PDIV của cách điện pha bằng 
hoặc thấp hơn PDIV khi xảy ra lỗi cách điện (hình 2 và 4). Lỗi 
cách điện này nhiều khả năng trú ngự ở phần trung gian 
hơn là phần tác dụng. Hình 6 chỉ rõ sự tiếp xúc nhìn thấy 
được giữa các pha ở đầu ra một pha của một stator loại A. 
Hình 7 cho thấy rằng tiếp xúc giữa các pha của một vài 
stator cùng loại không xảy ra ở đầu ra của pha mà chắc 
chắn là nó diễn ra ở bên trong phần trung gian. 
Hình 7. Đầu vào và đầu ra của một pha có tiếp xúc với pha khác: không có 
tiếp xúc nhìn thấy được với phần trung gian (stator loại A không đai dây và 
không có sơn cách điện) 
3.2. Đánh giá tác động của việc đai dây 
Để đánh giá được ảnh hưởng của việc đai dây đối với 
chất lượng cách điện, các phép đo PDIV đã được thực hiện 
đối với 5 stator loại A ngay sau khi đai dây (hình 8 và 9). 
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
V5-W5
U5-W5
U5-V5
U4-W4
V3-W3
U3-V3
U3-W3
V4-W4
U4-V4
U2-W2
V2-W2
U2-V2
U1-W1
V1-W1
U1-V1
TXP
P
D
IV
 (
V
H
D
)
Hình 8. PDIV của cách điện pha (5 stator loại A có đai dây và không được sơn 
cách điện) 
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
1400
1500
V5
W5
U5
W4
V3U3
W3 V4
U4
W2
V2U2
W1V1
U1
TXR
P
D
IV
 (
V
H
D
)
Hình 9. PDIV của cách điện rãnh (5 stator loại A có đai dây và không được sơn 
cách điện) 
Kết quả đạt được (hình 3 và 9) cho thấy cách điện rãnh 
không bị ảnh hưởng bởi việc đai dây. Các giá trị PDIV tìm 
thấy sau đai dây vẫn lớn hơn rất nhiều so với giá trị PDIV 
nếu xảy ra lỗi cách điện rãnh. 
Ngược lại, việc đai dây phần trung gian có tác động xấu 
đến cách điện giữa các pha. Trước khi đai dây, các stator 2, 
3, 4 đã có lỗi cách điện (hình 2). Các giá trị PDIV thể hiện 
trên hình 8 chỉ ra rằng việc đai dây đã gây ra thêm những 
lỗi cách điện khác bởi cả 5 stator đều tồn tại lỗi cách điện 
pha sau khi đai dây. Bởi tác động cơ khí, việc đai dây sẽ làm 
tiếp xúc các dây trước đây được chia cách bởi vật liệu cách 
điện pha, bằng cách thay đổi vị trí của chúng. 
3.3. Đánh giá tác động áp suất không khí 
Áp suất không khí có ảnh hưởng lớn đến ngưỡng giá trị 
PDIV, bởi tác động của nó đối với quá trình phóng điện. Vậy 
thì việc định lượng giá trị PDIV khi áp suất thấp là vô cùng 
cần thiết, đối với các stator có vị trí ở những khu vực không 
được điều áp. Vì lẽ đó, nhằm xác định được giá trị PDIV nhỏ 
nhất có thể xảy ra, các tác giả đã lựa chọn các stator có 
ngưỡng PDIV thấp nhất dưới áp suất không khí ở mặt đất 
(1bar), đạt được trong các phần thử nghiệm trước, để tiến 
hành thử nghiệm dưới điều kiện áp suất thay đổi. Các stator 
đó là: 
 Loại A: cách điện giữa pha V-W (stator 3) và cách điện 
rãnh V (stator 2). 
 Loại B: cách điện giữa pha 1 và pha 2, cách điện rãnh 
của pha 1. 
Căn cứ vào mức áp suất thực tế đưa ra bởi các nhà sản 
xuất máy bay, các thực nghiệm đã được tiến hành dưới áp 
suất 0,1bar và 0,5bar với buồng điều hòa không khí 
(climate chamber) của hãng Votsch kiểu 7018 
(http:/www.v-it.com). 
Các kết quả PDIV đo được theo điều kiện áp suất không 
khí được thể hiện trên hình 10 và 11. Các kết quả này chỉ ra 
rằng ngưỡng PDIV giảm mạnh khi áp suất giảm. Tổng thể, 
PDIV giảm khoảng 45% đến 50% khi áp suất bằng 1/10 áp 
suất không khí thông thường (0,1bar). Đối với các stator 
SCIENCE TECHNOLOGY 
Số 48.2018 ● Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 7
được đặt ở những khu vực không được điều áp, áp suất 
xung quanh các 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 ở 1bar. 
Hình 10. Giá trị PDIV theo áp suất không khí (stator loại A) (T=25°C, 
HR=50%) 
Hình 11. Giá trị PDIV theo áp suất không khí (stator loại C) (T=25°C, 
HR=50%) 
4. KẾT LUẬN 
Các nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành với các 
stator của động cơ điều áp và quạt gió đưa chúng tôi đến 
các kết luận dưới đây: 
 Việc đai dây ở phần trung gian của các cuộn dây pha 
không ảnh hưởng đến các chức năng của cách điện rãnh. 
Ngược lại, nó cực kì gây hại cho cách điện giữa các pha, 
bằng cách dịch chuyển vị trí của vật liệu cách điện. Trên 
thực tế, 3 trên 5 stator loại A đều có ít nhất một lỗi cách 
điện pha sau khi đai dây. 
 Áp suất không khí có ảnh hưởng lớn đến các hoạt 
động PD. Ở 0,7bar, các giá trị PDIV đạt được giảm trung 
bình khoảng 20% so với giá trị tìm thấy trong điều kiện 
“mặt đất”. 
LỜI CẢM ƠN 
Các tác giả xin chân thành cảm ơn Liên minh Châu Âu, 
công ty Liebherr Aerospace, công ty Technofan đã hỗ trợ 
tài chính 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.