930E自卸式卡车交流变频驱动系统分析

2018-12-07刘玉祥张永祥

现代工业经济和信息化 2018年15期

刘玉祥，张永祥

（中煤平朔集团有限公司露天设备维修中心，山西朔州 036000）

引言

930E自卸式矿用卡车是Komatsu公司在20世纪90年代生产出的世界首台载重量达到300吨的车型。当时第一台930E卡车配备的是GE公司的GTA-34发电机，每台交流感应电动机配备一套由6个GTO型晶闸管和6个反并联二极管组成的逆变器，逆变器采用强迫空气流冷却。

在21世纪的今天，随着微处理器技术、通信技术、传感器技术的飞速发展，以及大功率电力电子元件的不断升级，使得930E卡车在交流变频驱动技术方面取得了质的飞跃，并在实际投入生产使用过程中取得了丰硕的成果。本文针对当前930E自卸式卡车交流变频驱动系统作了深入浅出的分析。

1 930E卡车交流变频驱动系统基本构造

930E自卸式电动轮卡车交流变频驱动系统由ICP总成、IGBT相模块、柴油发动机、主发电机、电动轮、电阻栅和电阻栅冷却风机七大部分构成（见图1）。其中ICP总成是930E卡车的微处理器核心，IGBT相模块分别是17FM796A1正极相模块和17FM797A1负极相模块，发动机为康明斯QSK60柴油机，发电机为GE GTA-41双叶片电机，电动轮为GE GDY106鼠笼式交流电机，电阻栅为20块四种不同阻值的电阻格栅，电阻栅冷却风机为两台串励直流电机。

图1 930E卡车交流变频驱动系统组成

2 2930E卡车由静态到牵引的工作过程

930E自卸式卡车采用交-直-交电传动模式，即柴油发电机带动同轴的主发电机不断发出三相交流电，经由三相全桥整流电路将发出的交流电转变成直流电输送到直流母线上，再通过以IGBT为核心元件的变频器在INVERTEXTM系统控制下，将来自母线上的直流电转变成可控制且可变频率的三相交流电输送到电动轮的定子上，由于电动轮为鼠笼式电机，其定子上为三相镶嵌式分布绕组，当可变频率的三相交流电流过定子绕组后，会形成旋转磁场，从而使转子上的闭合导条因为切割定子磁场的磁力线而感应出电动势和电流，这时由笼式导条形成的转子成为带电体，受定子旋转磁场的作用，转子开始旋转，卡车实现牵引。

930E卡车在低速状态时，通过PWM（脉宽调制）将经整流的交流发电机输出电压切断，在提高速度时，直流传输电压通过矩形波控制变频器转换施加到电动轮上，直流传输电压取决于推进期间牵引系统控制器（PSC）和发动机的转速。

不过930E卡车在实现牵引的起始阶段是先通过电瓶助推经由AFSE实现主电机励磁，当母线电压达到300V时，助推结束，主电机发电使母线电压进一步提高，当母线电压达到600 V时，削波器开始测试，使母线电压降到200 V，此时系统监测LEMS和VAMS，随着母线电压再次达到600 V时，变频器开始测试，并在高电压水平结束自检，随后进入牵引模式。

3 930E卡车的ICP总成组成部件及功能

930E卡车的ICP总成的全称为FL386 INTEGRATED CONTROL PANEL（FL386集成控制盘）。其内部包括四个独立的控制器：PSC（牵引系统控制器），TCI（卡车控制接口），TMC1（1号电动轮控制器），TMC2（2号电动轮控制器）。

PSC作为主要控制器向TCI和TMC发出控制指令（见图2）。PSC与TCI通过RS422串行通讯协议进行通讯和数据共享，PSC监测大部分驱动系统模拟数据，同时监测系统所有温度数据（环境温度除外）。TCI提供卡车和驾驶员的人机界面，对DID进行控制，并获取系统统计数据。TMC1通过对1号变频器进行控制来调节左侧电动轮的功率输出，TMC2通过对2号变频器进行控制来调节右侧电动轮的功率输出。其控制信号的传输通过光纤实现。FODC1（1号光纤驱动卡）为TMC1和1号变频器提供光纤接口，FODC2（2号光纤驱动卡）为TMC2和2号变频器提供光纤接口。930E卡车采用光纤连接控制板和各IGBT驱动板不仅提高了信号的可靠性，而且降低了功率器件对控制电路的电磁干扰。同时采用串行通讯方式中的异步通讯模式，使其实现数据的双向传输仅需2根线。控制信号通过光纤由控制板传输给驱动板，反馈信号则由驱动板传输给控制板。这样既实现了驱动控制，又监测了IGBT的工作状态。

图2 PSC控制器向TCI和TMC输出指令

4 930E卡车INVERTEXTM系统中的相模块核心元件及功能

930E卡车的变频器是以IGBT为核心元件，同时搭配门极驱动板一起封装，在模块中，模块有正负之分，在这里统称为相模块。每一相包括相位模块8个，按A、B、C三相输出分配，共有24个相位模块为电动轮提供可变频率的三相交流电，每一台电动轮由12个相位模块组成两个并联的逆变桥控制运行。相模块由GDPC（门极驱动电源）提供100 V AC、25 kHz工作电源。

由于IGBT具有高输入阻抗和低导通压降特性，从而造就了IGBT导通功耗小、开关频率高、耐浪涌能力强以及门极控制方便等优点。但IGBT的正常运行又依赖于电路条件和开关环境，它的驱动功率可以小到直接与模拟或数字功能块相接而不需加任何附加接口电路。但IGBT是一种电压型控制器件，它的导通与关断是由栅极电压VGE来控制的，当VGE达到开启电压时，IGBT导通，当栅极和发射极间施加反向电压或不加电压时，IGBT关断。虽然IGBT与普通晶体三极管一样，可工作在线性放大区、饱和区和截止区，但在交流变频驱动系统中，其主要作为高频开关器件使用。

930E卡车INVERTEXTM系统通过门驱动板控制IGBT的导通和关断，其控制电压选定为±15 V，即+15 V时IGBT导通，-15 V时IGBT关断（见图3），导通和关断的电压选取是通过相关参数计算所得最优值。因为选取的门极电压越高，器件所能承受的短路时间也就越短，而且可能使IGBT出现擎柱效应，即栅极失去对集电极电流的控制作用，导致门控失效，从而造成IGBT损坏，同样门极关断电压的选取，不仅会影响到关断的可靠性，还会影响关断的时间，进而影响关断期间的损耗。如选0 V作为关断电压，可能造成关断时浪涌电流过大而使IGBT误导通，同时，0 V关断电压下的关断时间toff是-15 V关断电压下toff的2～3倍，其损耗Eoff要多10%，这时不但容易造成短路超时，发生过流损坏，而且大损耗也会造成IGBT过热，因此适当的导通和关断电压既影响到IGBT能否可靠的工作运行，还决定着IGBT的使用寿命。

930E卡车交流变频驱动电路中，每一个IGBT还会反并联一个二极管，这是由于负载存在感性，IGBT关断瞬间会在IGBT两端产生极高的自感反向电压，此电压可能击穿IGBT。反并联的二极管可以将这个“自感反向电压”短路掉，起到保护IGBT的作用。