930E自卸式卡車交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

劉玉祥， 張永祥

（中煤平朔集團(tuán)有限公司露天設(shè)備維修中心， 山西 朔州 036000）

引言

930E自卸式礦用卡車是Komatsu公司在20世紀(jì)90年代生產(chǎn)出的世界首臺(tái)載重量達(dá)到300噸的車型。當(dāng)時(shí)第一臺(tái)930E卡車配備的是GE公司的GTA-34發(fā)電機(jī)，每臺(tái)交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)配備一套由6個(gè)GTO型晶閘管和6個(gè)反并聯(lián)二極管組成的逆變器，逆變器采用強(qiáng)迫空氣流冷卻。

在21世紀(jì)的今天，隨著微處理器技術(shù)、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，以及大功率電力電子元件的不斷升級，使得930E卡車在交流變頻驅(qū)動(dòng)技術(shù)方面取得了質(zhì)的飛躍，并在實(shí)際投入生產(chǎn)使用過程中取得了豐碩的成果。本文針對當(dāng)前930E自卸式卡車交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作了深入淺出的分析。

1 930E卡車交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)基本構(gòu)造

930E自卸式電動(dòng)輪卡車交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由ICP總成、IGBT相模塊、柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、主發(fā)電機(jī)、電動(dòng)輪、電阻柵和電阻柵冷卻風(fēng)機(jī)七大部分構(gòu)成（見圖1）。其中ICP總成是930E卡車的微處理器核心，IGBT相模塊分別是17FM796A1正極相模塊和17FM797A1負(fù)極相模塊，發(fā)動(dòng)機(jī)為康明斯QSK60柴油機(jī)，發(fā)電機(jī)為GE GTA-41雙葉片電機(jī)，電動(dòng)輪為GE GDY106鼠籠式交流電機(jī)，電阻柵為20塊四種不同阻值的電阻格柵，電阻柵冷卻風(fēng)機(jī)為兩臺(tái)串勵(lì)直流電機(jī)。

圖1 930E卡車交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

2 2930E卡車由靜態(tài)到牽引的工作過程

930E自卸式卡車采用交-直-交電傳動(dòng)模式，即柴油發(fā)電機(jī)帶動(dòng)同軸的主發(fā)電機(jī)不斷發(fā)出三相交流電，經(jīng)由三相全橋整流電路將發(fā)出的交流電轉(zhuǎn)變成直流電輸送到直流母線上，再通過以IGBT為核心元件的變頻器在INVERTEXTM系統(tǒng)控制下，將來自母線上的直流電轉(zhuǎn)變成可控制且可變頻率的三相交流電輸送到電動(dòng)輪的定子上，由于電動(dòng)輪為鼠籠式電機(jī)，其定子上為三相鑲嵌式分布繞組，當(dāng)可變頻率的三相交流電流過定子繞組后，會(huì)形成旋轉(zhuǎn)磁場，從而使轉(zhuǎn)子上的閉合導(dǎo)條因?yàn)榍懈疃ㄗ哟艌龅拇帕€而感應(yīng)出電動(dòng)勢和電流，這時(shí)由籠式導(dǎo)條形成的轉(zhuǎn)子成為帶電體，受定子旋轉(zhuǎn)磁場的作用，轉(zhuǎn)子開始旋轉(zhuǎn)，卡車實(shí)現(xiàn)牽引。

930E卡車在低速狀態(tài)時(shí)，通過PWM（脈寬調(diào)制）將經(jīng)整流的交流發(fā)電機(jī)輸出電壓切斷，在提高速度時(shí)，直流傳輸電壓通過矩形波控制變頻器轉(zhuǎn)換施加到電動(dòng)輪上，直流傳輸電壓取決于推進(jìn)期間牽引系統(tǒng)控制器（PSC）和發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

不過930E卡車在實(shí)現(xiàn)牽引的起始階段是先通過電瓶助推經(jīng)由AFSE實(shí)現(xiàn)主電機(jī)勵(lì)磁，當(dāng)母線電壓達(dá)到300V時(shí)，助推結(jié)束，主電機(jī)發(fā)電使母線電壓進(jìn)一步提高，當(dāng)母線電壓達(dá)到600 V時(shí)，削波器開始測試，使母線電壓降到200 V，此時(shí)系統(tǒng)監(jiān)測LEMS和VAMS，隨著母線電壓再次達(dá)到600 V時(shí)，變頻器開始測試，并在高電壓水平結(jié)束自檢，隨后進(jìn)入牽引模式。

3 930E卡車的ICP總成組成部件及功能

930E卡車的ICP總成的全稱為FL386 INTEGRATED CONTROL PANEL（FL386集成控制盤）。其內(nèi)部包括四個(gè)獨(dú)立的控制器：PSC（牽引系統(tǒng)控制器），TCI（卡車控制接口），TMC1（1號電動(dòng)輪控制器），TMC2（2號電動(dòng)輪控制器）。

PSC作為主要控制器向TCI和TMC發(fā)出控制指令（見圖2）。PSC與TCI通過RS422串行通訊協(xié)議進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)共享，PSC監(jiān)測大部分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模擬數(shù)據(jù)，同時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)所有溫度數(shù)據(jù)（環(huán)境溫度除外）。TCI提供卡車和駕駛員的人機(jī)界面，對DID進(jìn)行控制，并獲取系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。TMC1通過對1號變頻器進(jìn)行控制來調(diào)節(jié)左側(cè)電動(dòng)輪的功率輸出，TMC2通過對2號變頻器進(jìn)行控制來調(diào)節(jié)右側(cè)電動(dòng)輪的功率輸出。其控制信號的傳輸通過光纖實(shí)現(xiàn)。FODC1（1號光纖驅(qū)動(dòng)卡）為TMC1和1號變頻器提供光纖接口，F(xiàn)ODC2（2號光纖驅(qū)動(dòng)卡）為TMC2和2號變頻器提供光纖接口。930E卡車采用光纖連接控制板和各IGBT驅(qū)動(dòng)板不僅提高了信號的可靠性，而且降低了功率器件對控制電路的電磁干擾。同時(shí)采用串行通訊方式中的異步通訊模式，使其實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸僅需2根線?？刂菩盘柾ㄟ^光纖由控制板傳輸給驅(qū)動(dòng)板，反饋信號則由驅(qū)動(dòng)板傳輸給控制板。這樣既實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)控制，又監(jiān)測了IGBT的工作狀態(tài)。

圖2 PSC控制器向TCI和TMC輸出指令

4 930E卡車INVERTEXTM系統(tǒng)中的相模塊核心元件及功能

930E卡車的變頻器是以IGBT為核心元件，同時(shí)搭配門極驅(qū)動(dòng)板一起封裝，在模塊中，模塊有正負(fù)之分，在這里統(tǒng)稱為相模塊。每一相包括相位模塊8個(gè)，按A、B、C三相輸出分配，共有24個(gè)相位模塊為電動(dòng)輪提供可變頻率的三相交流電，每一臺(tái)電動(dòng)輪由12個(gè)相位模塊組成兩個(gè)并聯(lián)的逆變橋控制運(yùn)行。相模塊由GDPC（門極驅(qū)動(dòng)電源）提供100 V AC、25 kHz工作電源。

由于IGBT具有高輸入阻抗和低導(dǎo)通壓降特性，從而造就了IGBT導(dǎo)通功耗小、開關(guān)頻率高、耐浪涌能力強(qiáng)以及門極控制方便等優(yōu)點(diǎn)。但I(xiàn)GBT的正常運(yùn)行又依賴于電路條件和開關(guān)環(huán)境，它的驅(qū)動(dòng)功率可以小到直接與模擬或數(shù)字功能塊相接而不需加任何附加接口電路。但I(xiàn)GBT是一種電壓型控制器件，它的導(dǎo)通與關(guān)斷是由柵極電壓VGE來控制的，當(dāng)VGE達(dá)到開啟電壓時(shí)，IGBT導(dǎo)通，當(dāng)柵極和發(fā)射極間施加反向電壓或不加電壓時(shí)，IGBT關(guān)斷。雖然IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區(qū)、飽和區(qū)和截止區(qū)，但在交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，其主要作為高頻開關(guān)器件使用。

930E卡車INVERTEXTM系統(tǒng)通過門驅(qū)動(dòng)板控制IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，其控制電壓選定為±15 V，即+15 V時(shí)IGBT導(dǎo)通，-15 V時(shí)IGBT關(guān)斷（見圖3），導(dǎo)通和關(guān)斷的電壓選取是通過相關(guān)參數(shù)計(jì)算所得最優(yōu)值。因?yàn)檫x取的門極電壓越高，器件所能承受的短路時(shí)間也就越短，而且可能使IGBT出現(xiàn)擎柱效應(yīng)，即柵極失去對集電極電流的控制作用，導(dǎo)致門控失效，從而造成IGBT損壞，同樣門極關(guān)斷電壓的選取，不僅會(huì)影響到關(guān)斷的可靠性，還會(huì)影響關(guān)斷的時(shí)間，進(jìn)而影響關(guān)斷期間的損耗。如選0 V作為關(guān)斷電壓，可能造成關(guān)斷時(shí)浪涌電流過大而使IGBT誤導(dǎo)通，同時(shí)，0 V關(guān)斷電壓下的關(guān)斷時(shí)間toff是-15 V關(guān)斷電壓下toff的2～3倍，其損耗Eoff要多10%，這時(shí)不但容易造成短路超時(shí)，發(fā)生過流損壞，而且大損耗也會(huì)造成IGBT過熱，因此適當(dāng)?shù)膶?dǎo)通和關(guān)斷電壓既影響到IGBT能否可靠的工作運(yùn)行，還決定著IGBT的使用壽命。

930E卡車交流變頻驅(qū)動(dòng)電路中，每一個(gè)IGBT還會(huì)反并聯(lián)一個(gè)二極管，這是由于負(fù)載存在感性，IGBT關(guān)斷瞬間會(huì)在IGBT兩端產(chǎn)生極高的自感反向電壓，此電壓可能擊穿IGBT。反并聯(lián)的二極管可以將這個(gè)“自感反向電壓”短路掉，起到保護(hù)IGBT的作用。

圖3 930E卡車IGBT通斷觸發(fā)圖

5 結(jié)語

在930E卡車的整個(gè)交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，20塊不同阻值的電阻格柵的主要作用是將制動(dòng)過程中產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過兩臺(tái)串勵(lì)的直流電機(jī)以風(fēng)冷的方式耗散掉。這種無機(jī)械磨損的電緩行器也是目前多數(shù)電傳動(dòng)卡車所采用的一種方式。

930E卡車這套交流變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不僅調(diào)速性能好，而且響應(yīng)速度快，在確保能夠提供足夠的牽引力的同時(shí)，還具有無極變速特性，使車輛運(yùn)行平穩(wěn)且性能可靠。