主整流橋在730E上的應(yīng)用與故障分析

陳 磊

（江西銅業(yè)集團(tuán)有限公司 德興銅礦，江西 德興 334224）

1 引言

在礦山采場(chǎng)中，運(yùn)輸環(huán)節(jié)和開(kāi)采環(huán)節(jié)同樣重要，它直接影響到礦山的生產(chǎn)進(jìn)度，德興銅礦采礦場(chǎng)是一個(gè)特大型斑巖露天礦場(chǎng)，運(yùn)輸環(huán)節(jié)最重要的組成部分就是電動(dòng)輪汽車(chē)，其中730E電動(dòng)輪汽車(chē)是現(xiàn)役運(yùn)輸設(shè)備的主力之一，隨著生產(chǎn)任務(wù)逐年攀升，設(shè)備使用年限的不斷延長(zhǎng)以及電氣元件的老化，電動(dòng)輪汽車(chē)的電氣故障也出現(xiàn)得更加頻繁，尤其是主整流橋一旦出現(xiàn)故障就會(huì)導(dǎo)致設(shè)備切斷牽引無(wú)法運(yùn)行，直接影響設(shè)備可開(kāi)動(dòng)率和降低生產(chǎn)作業(yè)量。在文中，梳理了日常處理的730E電動(dòng)輪主整流橋故障，并做了一個(gè)系統(tǒng)的分析和總結(jié)，對(duì)日后類(lèi)似故障的處理提供一個(gè)參考，節(jié)約維修時(shí)間，保證設(shè)備出動(dòng)率。

2 730E電動(dòng)輪汽車(chē)的電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述

現(xiàn)役主力車(chē)型之一的730E電動(dòng)輪汽車(chē)是由小松公司生產(chǎn)的配有康明斯K2000E發(fā)動(dòng)機(jī)的交直制傳動(dòng)方式的電動(dòng)輪汽車(chē)，該電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由1臺(tái)三繞組交流主發(fā)電機(jī)GTA-22H、主整流橋、2臺(tái)直流輪馬達(dá)5GE788FS、GE電氣控制系統(tǒng)等構(gòu)成。其配置文件參數(shù)如圖1所示。

由圖1我們可以看到：

（1）康明斯K2000E柴油發(fā)動(dòng)機(jī)總馬力有2000hp，牽引馬力有1850hp，滿負(fù)荷轉(zhuǎn)速可達(dá)1900rpm；

圖1 730E配置文件圖

（2）輪馬達(dá)型號(hào)是5GE788FS，其輪邊速比為26.825∶1；

（3）主發(fā)電機(jī)型號(hào)是GTA-22H，其牽引電流限定值為3000A，牽引電壓限定值為1800V，制動(dòng)電流限定值為1390A，制動(dòng)勵(lì)磁電流限定值為375A。

在電動(dòng)輪汽車(chē)牽引工況下，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電，經(jīng)過(guò)主整流橋整流成直流電，通過(guò)電纜供給用于驅(qū)動(dòng)位于后輪的2臺(tái)GE788型直流輪轂電機(jī)788輪馬達(dá)，以及通過(guò)配有的靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒功控制即主發(fā)電機(jī)的輸出功率要和發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力相匹配，使電動(dòng)輪汽車(chē)在牽引工況下的不同道路狀況保持恒定的功率，取得最大的工作效率［1］。因此電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行是電動(dòng)輪汽車(chē)能可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，而作為電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成部分的主整流橋的完好率對(duì)設(shè)備可開(kāi)動(dòng)率也有著極其重要的作用。

3 主整流橋電路簡(jiǎn)單介紹

3.1 整流電路分類(lèi)

整流電路是把交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路，其在電動(dòng)輪汽車(chē)上的主要作用是將主發(fā)電機(jī)輸出的三相交流電轉(zhuǎn)換成127Hz單向脈動(dòng)性直流電。整流橋?qū)嵨飯D如圖2所示。

從圖2我們可以看到，主整流橋主要由整流二極管、銅母線排、散熱片和外框架組成。

整流電路按組成器件分可分為不可控電路、半控電路、全控電路三種；按電路結(jié)構(gòu)可分為零式電路和橋式電路兩種；按交流輸入相數(shù)可分為單相電路、三相電路和多相電路。在730E電動(dòng)輪上用的主整流橋是三相橋式不可控整流電路，由6個(gè)整流二極管組成，整流二極管根據(jù)其正向特性要正極電位高于負(fù)極才導(dǎo)通，正極電位低于負(fù)極則截止［2］。

圖2 主整流橋?qū)嵨飯D

3.2 730E所用主整流橋電路原理分析及二極管選型

730E車(chē)上所用主整流橋電氣原理圖如圖3所示。

圖3 主整流橋電氣原理圖

三相交流電電壓波形圖如圖4所示。

圖4 三相交流電電壓波形圖

對(duì)三相橋式整流電路分析如下：

從圖4可以看出，三相電電壓UA、UB、UC彼此相位相差120度，所以在同一個(gè)時(shí)刻三相電的電位正負(fù)是不相等的。用U2表示最大相電壓的有效值，結(jié)合整流二極管的工作原理我們可以知道，整流電流是由三相電中最高電位的那相電路連接的二極管流出，流經(jīng)負(fù)載再?gòu)碾娢蛔畹湍窍嚯娐愤B接的二極管回到該相電源［3］。如圖4中：ωt=0o時(shí)，，在 ωt在 0～30 度之間，UC電位最高，UB電位最低，結(jié)合圖3，可知在這段周期始終是DC1、DB2兩只二極管導(dǎo)通，所以在這段周期內(nèi)電流始終是由UC流經(jīng)整流二極管DC1從DB2流回該相交流電源UB；ωt在30～90度周期之間，UA電位最高，UB電位最低，在這段周期始終是DA1、DB2兩只二極管導(dǎo)通，所以在這段周期內(nèi)電流始終是由UA流經(jīng)整流二極管DA1從DB2流回該相交流電源UB；ωt在90～150度周期之間，UA電位最高，UC電位最低，在這段周期始終是DA1、DC2兩只二極管導(dǎo)通，所以在這段周期內(nèi)電流始終是由UA流經(jīng)整流二極管DA1從DC2流回該相交流電源UC；以此類(lèi)推，ωt在150～210度周期始終是DB1、DC2兩只二極管導(dǎo)通；ωt在210～270度周期始終是DB1、DA2兩只二極管導(dǎo)通；ωt在270～330度周期始終是DC1、DA2兩只二極管導(dǎo)通；ωt在330～360度周期始終是DC1、DB2兩只二極管導(dǎo)通；總之每一時(shí)刻電路中正極電位最高的一只二極管導(dǎo)通，再經(jīng)負(fù)極電位最低的二極管流回對(duì)應(yīng)相電源。

由以上分析可得：該整流電路每刻都是兩兩二極管串聯(lián)導(dǎo)通，其電流和負(fù)載的電流是相同的，在一個(gè)完整周期內(nèi)，每個(gè)二極管只有1/3的時(shí)間導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)每個(gè)二極管的正向平均電流是經(jīng)過(guò)負(fù)載總電流的1/3，所以在選擇二極管時(shí)其最大整流電流應(yīng)為一個(gè)完整周期內(nèi)負(fù)載總電流的1/3，通過(guò)每個(gè)二極管電流平均值ID=Ifz/3。主發(fā)電機(jī)最大輸出電壓有效值每個(gè)二極管承受的最高反向電壓

在730E電動(dòng)輪汽車(chē)上，我們選用的整流二極管如圖5所示。

730E電動(dòng)輪汽車(chē)主發(fā)電機(jī)GTA-22H的開(kāi)口電壓為1800V，每個(gè)二極管承受的最高反向電壓短路電流為3000A，通過(guò)每個(gè)二極管電流平均值ID=Ifz/3=1000A。從圖5中可以得知所選用整流二極管最大整流電流為1550A，最大反向擊穿電壓為4200V，現(xiàn)代半導(dǎo)體工業(yè)的迅猛發(fā)展，高耐壓值和低耐壓值的同類(lèi)型二極管價(jià)格都不會(huì)相差很大，在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中我們都會(huì)留有一定的余量，所以所選用的整流二極管型號(hào)是合理的。

圖5 所選用整流二極管實(shí)物圖

4 主整流橋故障分析及有效措施

4.1 主整流橋在730E電動(dòng)輪上故障分析

在730E電動(dòng)輪汽車(chē)上，主整流橋發(fā)生故障一般報(bào)45#故障代碼，主要為整流二極管故障，而整流二極管故障從二極管本身分析主要有擊穿、斷路和性能不穩(wěn)定，結(jié)合以往實(shí)際情況分析導(dǎo)致整流二極管發(fā)生故障主要有如下原因：

（1）運(yùn)行條件和工作環(huán)境惡劣。如在采區(qū)運(yùn)輸?shù)缆菲戮嚅L(zhǎng)使得發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期處于高負(fù)荷運(yùn)行，使得整流二極管長(zhǎng)期處于大電流的工作環(huán)境，從而被燒毀或加速老化從而造成整流二極管過(guò)早的擊穿損壞；還有運(yùn)輸路況較差，造成發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷不穩(wěn)定，引起主發(fā)電機(jī)三相輸出不穩(wěn)定，使得整流二極管工作電壓忽高忽低，這樣也會(huì)加速二極管的老化和損壞。

（2）維修、操作不當(dāng)。當(dāng)因一些別的故障導(dǎo)致45#故障發(fā)生，但未引起維修、操作人員的重視，在沒(méi)有查明故障原因情況下，復(fù)位后繼續(xù)運(yùn)行車(chē)輛從而損壞二極管。

（3）保養(yǎng)維護(hù)周期沒(méi)有及時(shí)調(diào)整。采區(qū)（導(dǎo)電）粉塵較大，特別是天氣干燥季節(jié)，主整流橋堆積粉塵快，未及時(shí)清理堆積在散熱片上的粉塵，導(dǎo)致散熱不佳加速二極管老化或整流二極管短路。

（4）整流二極管安裝質(zhì)量不過(guò)關(guān)。安裝整流二極管時(shí)沒(méi)有保證二極管與母線排的良好接觸；安裝整流二極管壓緊螺栓時(shí)沒(méi)有按技術(shù)要求緊固螺栓。

（5）氣候環(huán)境惡劣。在高溫天氣，溫度過(guò)高加上散熱不佳會(huì)使整流二極管反向漏電流增加，影響整流二極管的工作可靠性。

（6）冷卻風(fēng)量不夠。風(fēng)管吸入雜物堵塞或者風(fēng)管破損導(dǎo)致風(fēng)量不夠，導(dǎo)致整流二極管散熱不佳，長(zhǎng)期工作就會(huì)導(dǎo)致性能降低而擊穿［5］。

跟蹤2017年全年730E車(chē)型主整流橋故障：一共發(fā)生16起。其中發(fā)生在南排重車(chē)爬坡途中12起，占75%，分析原因大部分是因?yàn)槎O管老化而未及時(shí)更換，加上由于礦山開(kāi)采的積累，采區(qū)作業(yè)面不斷下探，排土場(chǎng)不斷上升，運(yùn)輸坡道也不斷加長(zhǎng)，所以整流二極管處在一個(gè)長(zhǎng)期大電流環(huán)境下，特別容易被擊穿；1起因發(fā)電機(jī)靜態(tài)勵(lì)磁器故障引發(fā)主整流二極管損壞；1起因散熱片被泥巴糊住導(dǎo)致主整流二極管損壞；2起因主整流二極管使用壽命已到。

綜上所述，可知730E電動(dòng)輪汽車(chē)上主整流橋故障主要是因?yàn)槎O管老化，使用年限長(zhǎng)，再加上長(zhǎng)期在高電壓、大電流環(huán)境下工作引起的。

4.2 整流二極管測(cè)量方法

測(cè)量主整流橋二極管方法如下：測(cè)試前，先將主整流橋與外部電纜連接斷開(kāi)。用紅表筆接一側(cè)a，黑表筆接另一側(cè)A，若整流二極管正向?qū)?，則將表筆反接，紅表筆接A，黑表筆接a，看該二極管是否導(dǎo)通，如果導(dǎo)通且電阻值為0則證明二極管被擊穿，如果兩邊均不導(dǎo)通則二極管開(kāi)路；測(cè)量其電壓值時(shí)如果電壓忽高忽低變化，說(shuō)明二極管穩(wěn)定性變差。將測(cè)試出有問(wèn)題的整流二極管立即進(jìn)行更換［6］。

4.3 針對(duì)整流橋故障頻發(fā)采取措施

針對(duì)主要的問(wèn)題，采取了如下改進(jìn)措施：

（1）在200h保養(yǎng)時(shí)針對(duì)性地對(duì)主整流橋、濾波盤(pán)及通風(fēng)管檢修及清灰；

（2）計(jì)劃性地在1個(gè)月內(nèi)對(duì)所有車(chē)檢查主整流二極管狀況，對(duì)狀況差的進(jìn)行更換；

（3）更換整流二極管時(shí)，換上的二極管要與該橋臂未換二極管正、反向特性一致，管芯壓降相等或相差不大于0.02 V；

（4）更換整流二極管前清洗母線與二極管的接觸面；安裝二極管時(shí)，二極管壓緊螺栓交替緊固，最后按要求上緊螺栓扭矩。

嚴(yán)格執(zhí)行以上措施后，從2018年伊始至今，僅發(fā)生2起主整流橋故障，統(tǒng)計(jì)分析2018年主整流橋故障率較去年足足降低了87.5%，大大提升了電動(dòng)輪汽車(chē)可開(kāi)動(dòng)率，滿足了安全生產(chǎn)需求。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，我們對(duì)主整流系統(tǒng)有了一定的了解。隨著設(shè)備使用年限長(zhǎng)，采區(qū)作業(yè)面到排土場(chǎng)坡道的延長(zhǎng)，隨著新設(shè)備的投入電機(jī)容量不斷增大，對(duì)整流橋的要求和整流二極管的要求也會(huì)更高，只要我們加強(qiáng)對(duì)主整流橋及相關(guān)元器件的日常維護(hù)，此類(lèi)故障也會(huì)大大減少，從而大大提高電動(dòng)輪可開(kāi)動(dòng)率，為安全生產(chǎn)貢獻(xiàn)出自己的一份力量。同時(shí)，希望也能給同行們提供一些有用的借鑒意義。