矿用自卸车牵引逆变器的国产化改造

姜胜利，杨北辉，王辉华，吴能峰

（1.湖南电气职业技术学院，湘潭411101；2.深圳市英威腾交通技术有限公司，深圳 518055）

0 引 言

大型矿用电动轮自卸车是大型露天矿山的主要运输工具.本世纪初国内从美国引进的某300t交流传动自卸车牵引系统，其核心部件是采用IGBT构成的牵引逆变器.牵引逆变器在结构上由3个牵引相模块构成，实现将直流电变换成交流电.由于外方备品特别昂贵，逆变器控制方法老旧，系统保护缺乏，故障率居高不下，因此研究国产化牵引逆变器进行替代是很有必要的.

1 牵引逆变器概要

交流发电机输出三相交流电，交流电经整流器变换为直流电，逆变器将直流电逆变为三相交流电压向牵引电机供电，驱动两台三相交流牵引电机.

1.1 主要技术参数

牵引逆变器主要由整流器、牵引相模块、制动接触器、逆变控制单元（ICU）及系统控制单元（SCU）等组成.

主要技术参数如下所示.

（1）额定控制容量1200kW ×2

（2）输入电压AC 450～1300V

（3）输出电压 三相AC 0－1100V

（4）最大牵引电流1320A

（5）最大制动电流1280A

（6）输出频率0～179Hz

（7）IGBT最大开关频率900Hz

（8）控制方式 矢量控制

（9）控制电压 DC 24V

图1 牵引逆变器主电路图

1.2 主电路

逆变主电路采用二电平电压型交－直－交逆变电路.每辆动车装有两个牵引IGBT逆变器单元，每个逆变器单元分别驱动一个的异步牵引电动机.

发电机发出交流电压经过交流滤波回路FP，整流装置、滤波电容CF接入到逆变器内.电阻制动环节为接触器和IGBT组件组合.SV1为电压传感器，检测逆变器外部滤波电容CF中间直流网压.SC1～SC6为电流传感器，SC1和SC2分别检测直流电流，SC3～SC6检测逆变器的输出相电流.INV1和INV2为逆变器功率单元.

1.3 相模块

每个逆变器功率单元包括3个相模块，相模块原理如图2所示，由4个1200A／3300V构成的2个桥臂并联而成一个相模块，用于吸收关断过电压的电阻、电容和二极管组成的非对称式吸收电路布置在与IGBT连接的低感母排上.

图2 相模块原理图

1.4 控制单元

控制单元由逆变控制单元（ICU）及系统控制单元（SCU），ICU和SCU通过高速串行总线用光纤连接.

1.4.1 系统控制单元有如下几个功能：

●控制启动次序.

●控制矿车状况.

●设置扭矩指令并且发送给逆变器控制模块.

●控制发动机转速.

●控制牵引交流发电机磁场.

●控制动力制动接触器，继电器，警示灯等.

●控制关闭次序.

●故障检测.

1.4.2 逆变控制单元功能如下：

●控制电动轮扭矩和速度.

●计算实际电流.

●启动联动装置和安全防护.

●旋转／滑动控制.

●故障检测.

2 改造方案

2.1 相模块改造

原设计方案，支撑电容和IGBT模块采用电缆连接，在IGBT模块附近设置吸收装置，早期GTO模块设计方法即是如此.电容与IGBT模块之间杂散电感较大，容易导致产生主回路振荡.为抑制振荡采用RCD吸收，电容和吸收二极管需要安装在模块上面，导致母排设计复杂，可靠性大为降低.驱动电路没有软关断功能，在模块短路情况下硬关断导致过电压击穿IGBT.

根据分析，IGBT模块与支撑电容采用低感叠层母排直接连接，支撑电容直接安装在开关桥臂上，不需要吸收回路，改造后的相模块原理图如图3所示.通过叠层母排把三个相模块连接到一起，尽量减小各并联电容器之间的连接等效电感与电阻，以消除各并联电容器之间的谐振现象.驱动电路需要软关断，尽量避免短路情况下IGBT过电压击穿.

图3 改造后相模块原理图

2.2 控制单元改造

原逆变控制单元（ICU）及系统控制单元（SCU）系统采用232通信，通信速率低且可靠性不高.改造后采用CAN＋光纤的拓扑结构，大大提高了可靠性.系统采用32位DSP替代原系统的80C196单片机系统，运算速度、精度和可靠性大为提高.系统拓扑结构如图4所示.

图4 改造后控制单元拓扑结构

3 控制策略的制定

3.1 基于谐波消除的矢量控制

大型矿用自卸车交流传动系统由于驱动轮分别由不同牵引电机驱动，驱动轮的转矩控制完全由逆变器控制，转矩稳定性就显得尤为重要.本系统采用了基于谐波消除（SHE：Selected Harmonic Elimination）的矢量控制方法，可以有效地控制逆变器输出谐波，抑制转矩脉动，如图5所示.

由于逆变器输出谐波特别是低次谐波所带来的附加转矩、谐波损耗和脉动转矩，给牵引电机运行带来电磁噪声污染、发热、振动甚至谐振不利影响.根据人为设计的逆变器输出波形的特点及拟消除谐波的次数和个数来建立输出波形的数学模型，然后由数学模型求解开关角以得到所希望的输出波形，从而达到使逆变器的输出波形中不含拟消除次数及个数谐波的目的.对于三相对称系统，三的整数倍次谐波因同相而被自动消除.谐波只有是非三的整数倍的奇数才需要消除.

图5 谐波消除示意图

3.2 PWM调制策略

对于牵引逆变器而言，母线电压波动大，因此如何充分利用直流电压，以期获得最大输出转矩，是PWM调制时需要考虑的关键因素.特别是牵引电机运行在高速弱磁阶段时，为了获得足够的电压，必需进行过调制.空间矢量脉宽调制（SVPWM）能够将输出电压提高到方波工况时的90.69%，在低速载波比较高时能明显减少逆变器输出电流的谐波成分.中速段采用同步调制，同步调制是指载波信号与调制信号频率比保持不变，信号波一个周期内输出的脉冲数是固定的，脉冲相位也是固定的，正负半周期及前后1／4周期脉冲都是对称的，所以偶次谐波及3的倍数次谐波自动消除.高速段采用谐波消除PWM同步调制，在提供输出电压同时可以对低次谐波输出进行抑制.

本系统不同速度段采用不同的调制策略，低速采用异步调制，如图6所示.然后进入21脉冲和15脉冲同步调制，进行精确的矢量控制获得稳定的转矩.在高速段采用谐波消除同步调制，对逆变器输出特定谐波进行消除，包括15脉冲、11脉冲、9脉冲、7脉冲、5脉冲、3脉冲调制，模式切换点有1～2Hz的滞环.最后进入方波调制.

图6 逆变器调制模式示意图

4 试 验

系统试验采用2台1200kW电机对拖，两台逆变器分别拖动两台电机进行试验，分别模拟车辆在不同速度下的输出工况.

图7～图10是逆变器在重载情况下的输出电流波形.可以看到电流波形比较平顺，没有振荡，对称性较好.图11为系统运行时输出谐波电流，可以看到基波电流为100，5次谐波为0.93，7次谐波为0.95，11次谐波为3.26，低次谐波基本被消除了.图12为牵引逆变器在重载下进行牵引制动转换波形，牵引制动转换平顺，无电流过冲.

以上试验验结果表明，牵引电机在重载下能平稳启动，牵引制动转换比较平顺；各种调制模式下转换电流波形没有冲击，尤其是谐波消除技术显著降低电机损耗和转矩脉动.试验结果满足电动轮自卸车牵引逆变器改造要求.

5 结 语

成功对牵引逆变器进行国产化替代是大大降低了矿山此类车辆运营成本.该系统采用大功率IGBT功率模块和低感母排技术，控制单元采用32位高速DSP控制，保护功能完备.通过地面及运行试验，该系统能够很好地满足大型交流传动矿用自卸车牵引制动要求，对于其他进口交流牵引系统的改造也很有参考价值.

［1］陈伯时.电力电子与电力传动自动化［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［2］余 强.上海地铁车辆主逆变器GTO牵引相模块的IGBT替代研制［J］.电力机车与城轨车辆，2008（3）：29－31.

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