930E自卸式卡車交流變頻驅動系統分析

劉玉祥， 張永祥

（中煤平朔集團有限公司露天設備維修中心， 山西 朔州 036000）

引言

930E自卸式礦用卡車是Komatsu公司在20世紀90年代生產出的世界首臺載重量達到300噸的車型。當時第一臺930E卡車配備的是GE公司的GTA-34發電機，每臺交流感應電動機配備一套由6個GTO型晶閘管和6個反并聯二極管組成的逆變器，逆變器采用強迫空氣流冷卻。

在21世紀的今天，隨著微處理器技術、通信技術、傳感器技術的飛速發展，以及大功率電力電子元件的不斷升級，使得930E卡車在交流變頻驅動技術方面取得了質的飛躍，并在實際投入生產使用過程中取得了豐碩的成果。本文針對當前930E自卸式卡車交流變頻驅動系統作了深入淺出的分析。

1 930E卡車交流變頻驅動系統基本構造

930E自卸式電動輪卡車交流變頻驅動系統由ICP總成、IGBT相模塊、柴油發動機、主發電機、電動輪、電阻柵和電阻柵冷卻風機七大部分構成（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負極相模塊，發動機為康明斯QSK60柴油機，發電機為GE GTA-41雙葉片電機，電動輪為GE GDY106鼠籠式交流電機，電阻柵為20塊四種不同阻值的電阻格柵，電阻柵冷卻風機為兩臺串勵直流電機。

圖1 930E卡車交流變頻驅動系統組成

2 2930E卡車由靜態到牽引的工作過程

930E自卸式卡車采用交-直-交電傳動模式，即柴油發電機帶動同軸的主發電機不斷發出三相交流電，經由三相全橋整流電路將發出的交流電轉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系統控制下，將來自母線上的直流電轉變成可控制且可變頻率的三相交流電輸送到電動輪的定子上，由于電動輪為鼠籠式電機，其定子上為三相鑲嵌式分布繞組，當可變頻率的三相交流電流過定子繞組后，會形成旋轉磁場，從而使轉子上的閉合導條因為切割定子磁場的磁力線而感應出電動勢和電流，這時由籠式導條形成的轉子成為帶電體，受定子旋轉磁場的作用，轉子開始旋轉，卡車實現牽引。

930E卡車在低速狀態時，通過PWM（脈寬調制）將經整流的交流發電機輸出電壓切斷，在提高速度時，直流傳輸電壓通過矩形波控制變頻器轉換施加到電動輪上，直流傳輸電壓取決于推進期間牽引系統控制器（PSC）和發動機的轉速。

不過930E卡車在實現牽引的起始階段是先通過電瓶助推經由AFSE實現主電機勵磁，當母線電壓達到300V時，助推結束，主電機發電使母線電壓進一步提高，當母線電壓達到600 V時，削波器開始測試，使母線電壓降到200 V，此時系統監測LEMS和VAMS，隨著母線電壓再次達到600 V時，變頻器開始測試，并在高電壓水平結束自檢，隨后進入牽引模式。

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）。其內部包括四個獨立的控制器：PSC（牽引系統控制器），TCI（卡車控制接口），TMC1（1號電動輪控制器），TMC2（2號電動輪控制器）。

PSC作為主要控制器向TCI和TMC發出控制指令（見圖2）。PSC與TCI通過RS422串行通訊協議進行通訊和數據共享，PSC監測大部分驅動系統模擬數據，同時監測系統所有溫度數據（環境溫度除外）。TCI提供卡車和駕駛員的人機界面，對DID進行控制，并獲取系統統計數據。TMC1通過對1號變頻器進行控制來調節左側電動輪的功率輸出，TMC2通過對2號變頻器進行控制來調節右側電動輪的功率輸出。其控制信號的傳輸通過光纖實現。FODC1（1號光纖驅動卡）為TMC1和1號變頻器提供光纖接口，FODC2（2號光纖驅動卡）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驅動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。同時采用串行通訊方式中的異步通訊模式，使其實現數據的雙向傳輸僅需2根線。控制信號通過光纖由控制板傳輸給驅動板，反饋信號則由驅動板傳輸給控制板。這樣既實現了驅動控制，又監測了IGBT的工作狀態。

圖2 PSC控制器向TCI和TMC輸出指令

4 930E卡車INVERTEXTM系統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，同時搭配門極驅動板一起封裝，在模塊中，模塊有正負之分，在這里統稱為相模塊。每一相包括相位模塊8個，按A、B、C三相輸出分配，共有24個相位模塊為電動輪提供可變頻率的三相交流電，每一臺電動輪由12個相位模塊組成兩個并聯的逆變橋控制運行。相模塊由GDPC（門極驅動電源）提供100 V AC、25 kHz工作電源。

由于IGBT具有高輸入阻抗和低導通壓降特性，從而造就了IGBT導通功耗小、開關頻率高、耐浪涌能力強以及門極控制方便等優點。但IGBT的正常運行又依賴于電路條件和開關環境，它的驅動功率可以小到直接與模擬或數字功能塊相接而不需加任何附加接口電路。但IGBT是一種電壓型控制器件，它的導通與關斷是由柵極電壓VGE來控制的，當VGE達到開啟電壓時，IGBT導通，當柵極和發射極間施加反向電壓或不加電壓時，IGBT關斷。雖然IGBT與普通晶體三極管一樣，可工作在線性放大區、飽和區和截止區，但在交流變頻驅動系統中，其主要作為高頻開關器件使用。

930E卡車INVERTEXTM系統通過門驅動板控制IGBT的導通和關斷，其控制電壓選定為±15 V，即+15 V時IGBT導通，-15 V時IGBT關斷（見圖3），導通和關斷的電壓選取是通過相關參數計算所得最優值。因為選取的門極電壓越高，器件所能承受的短路時間也就越短，而且可能使IGBT出現擎柱效應，即柵極失去對集電極電流的控制作用，導致門控失效，從而造成IGBT損壞，同樣門極關斷電壓的選取，不僅會影響到關斷的可靠性，還會影響關斷的時間，進而影響關斷期間的損耗。如選0 V作為關斷電壓，可能造成關斷時浪涌電流過大而使IGBT誤導通，同時，0 V關斷電壓下的關斷時間toff是-15 V關斷電壓下toff的2～3倍，其損耗Eoff要多10%，這時不但容易造成短路超時，發生過流損壞，而且大損耗也會造成IGBT過熱，因此適當的導通和關斷電壓既影響到IGBT能否可靠的工作運行，還決定著IGBT的使用壽命。

930E卡車交流變頻驅動電路中，每一個IGBT還會反并聯一個二極管，這是由于負載存在感性，IGBT關斷瞬間會在IGBT兩端產生極高的自感反向電壓，此電壓可能擊穿IGBT。反并聯的二極管可以將這個“自感反向電壓”短路掉，起到保護IGBT的作用。

圖3 930E卡車IGBT通斷觸發圖

5 結語

在930E卡車的整個交流變頻驅動系統中，20塊不同阻值的電阻格柵的主要作用是將制動過程中產生的電能轉化為熱能，然后通過兩臺串勵的直流電機以風冷的方式耗散掉。這種無機械磨損的電緩行器也是目前多數電傳動卡車所采用的一種方式。

930E卡車這套交流變頻驅動系統，不僅調速性能好，而且響應速度快，在確保能夠提供足夠的牽引力的同時，還具有無極變速特性，使車輛運行平穩且性能可靠。