交流電動(dòng)輪卡車逆變器高壓故障分析

高云虎,史永斌

（鞍鋼集團(tuán)本鋼礦業(yè)南芬露天礦，遼寧 本溪 117000）

隨著自動(dòng)控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)以及大功率電力電子元件制造技術(shù)的不斷發(fā)展，電氣傳動(dòng)技術(shù)也到了新階段，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速、電腦控制技術(shù)取代模擬電子控制技術(shù)。交流變頻技術(shù)逐漸成為工業(yè)應(yīng)用理想調(diào)速裝置，能夠應(yīng)用在大部分電機(jī)拖動(dòng)場(chǎng)合。電動(dòng)輪卡車也由直流調(diào)速系統(tǒng)逐步升級(jí)為交流調(diào)速系統(tǒng)，最大載重量提高到450 t。

1 交流電動(dòng)輪卡車

交流電動(dòng)輪卡車電驅(qū)動(dòng)原理是通過(guò)與發(fā)動(dòng)機(jī)同軸連接的發(fā)電機(jī)發(fā)出交流電，交流電經(jīng)過(guò)全波整流橋整流為直流電，再逆變成交流電，交流電輸送至后輪左右2 臺(tái)交流異步電動(dòng)機(jī)，旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)卡車運(yùn)行[1-2]。逆變裝置由1 號(hào)逆變器和2 號(hào)逆變器2 組逆變器組成：1 號(hào)控制左電機(jī)，2 號(hào)控制右電機(jī)；其逆變方式為脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式，驅(qū)動(dòng)IGBT 模塊開斷實(shí)現(xiàn)高電壓轉(zhuǎn)換，IGBT 模塊是由IGBT（絕緣柵雙極型晶體管芯片）與FWD（續(xù)流二極管芯片）通過(guò)特定的電路橋接封裝而成的模塊化半導(dǎo)體產(chǎn)品[3-4]。

自2014 年開始使用交流電動(dòng)輪卡車，采用了交流電機(jī)作為傳動(dòng)電機(jī)，消除了直流傳動(dòng)系統(tǒng)在高壓大功率時(shí)因直流電機(jī)換向困難、電位條件惡化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大和維修困難等缺點(diǎn)，極大提高電機(jī)的工作可靠性[5]。目前交流電動(dòng)輪卡車已逐漸取代直流電動(dòng)輪卡車。

2 應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)故障現(xiàn)象和分析

南芬露天礦使用的交流電動(dòng)輪卡車連續(xù)出現(xiàn)高壓電控柜中逆變器部件中的IGBT 模塊和母線連接板高壓放電故障，造成較大損失[6-7]。

2.1 故障1

故障1 實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)報(bào)警列表見表1。

表1 故障1 實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)報(bào)警列表

卡車在卸點(diǎn)卸貨后，空車下坡實(shí)施電制動(dòng)過(guò)程中2 組逆變器中的IGBT 模塊和母線板發(fā)生高壓放電、拉弧故障。根據(jù)卡車InvertexTM 電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況，下載故障發(fā)生時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)警列表，分析故障報(bào)警代碼225/5：IGBT saturation fault on B－（右電動(dòng)輪變頻器B 相負(fù)極IGBT 飽和），該報(bào)警為卡車高壓故障發(fā)生時(shí)最先記錄的數(shù)據(jù)，和故障點(diǎn)關(guān)聯(lián)度最高。根據(jù)卡車系統(tǒng)實(shí)時(shí)故障記錄數(shù)據(jù)情況，將母線電壓（linkv）、母線電流（linki）、左電動(dòng)輪反饋力矩（trq＿fb1）＆ 右電動(dòng)輪反饋力矩（trq＿fb2）進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。發(fā)現(xiàn)在母線電壓（linkv）和左右電動(dòng)輪反饋力矩（trq_fb1）、右電動(dòng)輪反饋力矩（trq_fb2）同時(shí)下降的情況下，母線電流（linki）發(fā)生了2 次突升，幅度由770 amps 升至3 560 amps，遠(yuǎn)超控制系統(tǒng)所設(shè)定最大制動(dòng)電流1 750 amps。

結(jié)合母線－電容連接板放電處及電腦故障運(yùn)行圖，推斷為INV22 處的母線－電容連接板絕緣出現(xiàn)損壞，造成INV22 母線－電容連接板的負(fù)極與INV22母線－變頻器連接板的正極短路，母線電流出現(xiàn)了瞬間的升高，主回路出現(xiàn)了高壓電放故障。

2.2 故障2

故障2 實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)報(bào)警列表見表2。

表2 故障2 實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)報(bào)警列表

卡車在卸點(diǎn)卸貨后，空車上坡返回車途中發(fā)生1 組逆變器中的IGBT 模塊和母線板高壓電放、拉弧故障。根據(jù)卡車InvertexTM 電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況，下載故障發(fā)生時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)警列表實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)報(bào)警列表。按照故障發(fā)生的時(shí)間順序看，12：34 開始出現(xiàn)故障134，左電動(dòng)輪變頻器C 相故障，系統(tǒng)未看到明顯異常，車輛正常運(yùn)行。1 min 后出現(xiàn)故障125，左電動(dòng)輪變頻器B 相正極模塊飽和。根據(jù)電腦記錄故障將母線電壓（linkv）、母線電流（linki）、左電動(dòng)輪反饋力矩（trq＿fb1）＆ 右電動(dòng)輪反饋力矩（trq＿fb2）進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。發(fā)現(xiàn)在卡車運(yùn)行過(guò)程中，母線電壓（linkv）和母線電流（linki）發(fā)生突升，系統(tǒng)檢測(cè)到故障后隨之切斷左電動(dòng)輪反饋力矩（trq_fb1）和右電動(dòng)輪（trq_fb2），卡車速度（truckspd）也隨之下降。母線電流（linki）由980 amps 升至3 560 amps，母線電壓（linkv）由440 V 升至1 700 V，遠(yuǎn)超設(shè)定最大推進(jìn)電流值1 700 amps 和最大推進(jìn)電壓1 400 V。

結(jié)合母線－電容連接板放電處及電腦故障運(yùn)行圖，推斷為INV11 處的母線－電容連接板在第1 次放電故障后絕緣出現(xiàn)損壞，造成INV11 母線－電容連接板的負(fù)極與INV11 母線－變頻器連接板的正極短路，母線電流和母線電壓瞬間升高，使得主回路出現(xiàn)高壓放電故障。

2.3 故障3

故障3 實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)報(bào)警列表見表3。

表3 故障3 實(shí)時(shí)故障數(shù)據(jù)報(bào)警列表

該型車在卸點(diǎn)卸貨后，空車返回途中發(fā)生1 組逆變器中的IGBT 模塊和母線板高壓放電、拉弧故障。根據(jù)卡車InvertexTM 電控系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況，下載故障發(fā)生時(shí)數(shù)據(jù)報(bào)警列表，按照故障發(fā)生的時(shí)間順序看，14：10 出現(xiàn)故障134，左輪變頻器C 相故障，系統(tǒng)進(jìn)入緩行狀態(tài)，未切斷加速回路，卡車正常運(yùn)行。3 min 后出現(xiàn)故障125，左電動(dòng)輪變頻器B相正極模塊飽和。根據(jù)電腦記錄數(shù)據(jù)將母線電壓（linkv）、母線電流（linki）、左電動(dòng)輪反饋力矩（trq＿fb1）＆ 右電動(dòng)輪反饋力矩（trq＿fb2）進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比。發(fā)現(xiàn)在卡車運(yùn)行過(guò)程中，母線電流（linki）發(fā)生突升，系統(tǒng)檢測(cè)到故障后隨之切斷左右電動(dòng)輪反饋力矩（trq_fb1&trq_fb2）。母線電流（linki）由850 amps 升至3 560 amps，遠(yuǎn)超設(shè)定最大推進(jìn)電流值1 700 amps。

結(jié)合母線－變頻器連接板負(fù)極放電處及電腦故障運(yùn)行圖，推斷為經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間爬坡運(yùn)行后，1 號(hào)變頻器（INV12）和2 號(hào)變頻器（INV22）使用的母線－變頻器連接板絕緣損壞。母線－變頻器連接板為5 層壓板，分別為直流正極（DC＋）、直流負(fù)極（DC－）、A 相（Phase A）、B 相（Phase B）、C 相（Phase C），層間絕緣系數(shù)要求極高。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大電流運(yùn)行后，母線－變頻器連接板層間絕緣墊片已出現(xiàn)碳化，碳化的絕緣墊片具有了負(fù)溫度特性，即溫度越高絕緣阻值越低?？ㄜ囋谠囓囍剌d運(yùn)行時(shí)母線－變頻器連接板溫度逐漸升高，層間絕緣逐漸降低至直流電壓可擊穿的程度，整流后的直流正極（DC＋）與直流負(fù)極（DC－）短路，母線電流瞬間升高，發(fā)生高壓放電現(xiàn)象，弧光至負(fù)極連接孔穿出，擊穿了其它部位的相模塊及保險(xiǎn)。

3 故障根源及解決方案

3.1 故障根源

礦山生產(chǎn)干線坡路長(zhǎng)達(dá)10 km，坡度陡，個(gè)別超過(guò)12%，平緩路段少，卡車重載運(yùn)行時(shí)基本處于全功率運(yùn)行狀態(tài)，電驅(qū)動(dòng)回路的電流非常高，由于逆變回路中每相使用單通道IGBT 模塊，每相有1 組正極和負(fù)極IGBT 模塊，模塊和母線板流過(guò)電流產(chǎn)生的熱量對(duì)層間絕緣產(chǎn)生了影響，且交流集膚效應(yīng)加劇了這種現(xiàn)象。到達(dá)電壓擊穿絕緣限值后，發(fā)生了高壓放電，擊穿IGBT 模塊。

依據(jù)故障發(fā)生情況及分析可得出，在安裝母線－電容連接板和母線－變頻器連接板位置不當(dāng)，或者母線－電容連接板層間絕緣不合格，連續(xù)的高壓放電又造成其它部件損壞。

根據(jù)導(dǎo)線發(fā)熱量公式，導(dǎo)線的發(fā)熱熱能量Q 為：

式中：I 為導(dǎo)線電流，A；L 為導(dǎo)線長(zhǎng)度，mm；S 為導(dǎo)線截面積，mm2；ρ0為導(dǎo)線電阻率，Ω·m；α 為導(dǎo)線電阻溫度系數(shù)，Ω/℃；θ 為導(dǎo)線表面溫度，℃；△t 為時(shí)間，s。

根據(jù)牛頓散熱公式，導(dǎo)線的散熱熱量Q2為：

Q2＝KtAτ△t

式中：Kt為導(dǎo)線表面綜合散熱系數(shù)，W/（m2·K）；A 為不計(jì)導(dǎo)線2 個(gè)端面的表面積，mm2；τ為溫升，℃，等于導(dǎo)線表面溫度與環(huán)境溫度之差。

當(dāng)導(dǎo)線通電一段時(shí)間并持續(xù)流過(guò)電流，導(dǎo)體的溫度θ 趨于穩(wěn)定，此時(shí)，導(dǎo)體的發(fā)熱量Q 和散熱熱量Q2相等，即：

導(dǎo)線的散熱表面積A 為：A＝ML

式中：M 為導(dǎo)線截面積周長(zhǎng)，mm；L 為導(dǎo)線長(zhǎng)度，mm。

即導(dǎo)線溫升τ 與電流I 的平方成正比。可見導(dǎo)線電流越大，溫升就越高[8]。為降低母線板層間溫升速度和溫度，采取了分流等方式減少電流值。

3.2 解決方案

為徹底消除該故障，對(duì)整體電控柜進(jìn)行更換，將原單通道IGBT 模塊升級(jí)為雙通道IGBT 模塊，每相增加到2 組正極和負(fù)極IGBT 模塊，分別安裝到并列母線板上，均勻分擔(dān)通過(guò)的電流，減少運(yùn)行過(guò)程中相母線和IGBT 模塊的發(fā)熱量，減緩母線層間絕緣劣化速度，降低IGBT 模塊意外損壞率，提高變頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 結(jié)語(yǔ)

在工業(yè)領(lǐng)域，變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)揮的作用不僅僅只限于目前所展示出來(lái)的部分，存在的更多可能性還需要專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行深入探索。特別是礦山設(shè)備更是需要性能優(yōu)良、維護(hù)簡(jiǎn)易、能耗低的電控系統(tǒng)，而變頻調(diào)速技術(shù)的運(yùn)用能夠有效滿足當(dāng)前需要，降低礦山企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，助推我國(guó)礦山設(shè)備發(fā)展。