MT5500B 卡車(chē)瞬態(tài)斬波器故障原因分析

劉來(lái)全

（國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能集團(tuán)設(shè)備維修中心，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

前言

神華哈爾烏素煤炭分公司煤炭開(kāi)采量的逐年增加無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)要求，公司于2008 年開(kāi)始引進(jìn)TERREX 設(shè)計(jì)生產(chǎn)的MT5500 電動(dòng)輪自卸卡車(chē)。該車(chē)由美國(guó)加利福尼亞圣地亞哥的Power Inverters LLC 公司設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的AC驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由發(fā)動(dòng)機(jī)、主發(fā)電機(jī)、整流器、逆變器、電動(dòng)輪、驅(qū)動(dòng)卡件、速度傳感器及線(xiàn)束等組成。

MT5500B卡車(chē)工作原理：MT5500B卡車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是由電能來(lái)傳動(dòng)的，首先發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)帶動(dòng)主發(fā)電機(jī)同步運(yùn)行，通過(guò)卡車(chē)低壓控制提供給主發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流主發(fā)電機(jī)發(fā)電，主發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電經(jīng)過(guò)濾波整流后轉(zhuǎn)換為直流電提供給卡車(chē)相位模塊，卡車(chē)相位模塊通過(guò)IGBT 逆變后轉(zhuǎn)換成三相交流電提供給卡車(chē)電動(dòng)輪來(lái)驅(qū)動(dòng)卡車(chē)運(yùn)行，當(dāng)卡車(chē)需要制動(dòng)時(shí)，卡車(chē)控制系統(tǒng)就會(huì)把卡車(chē)電動(dòng)輪轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，把電動(dòng)輪發(fā)出的電消耗到電阻柵上，實(shí)現(xiàn)卡車(chē)電制動(dòng)來(lái)控制卡車(chē)速度（動(dòng)態(tài)制動(dòng)）。

卡車(chē)瞬態(tài)斬波器連接在卡車(chē)直流母線(xiàn)上，它時(shí)刻監(jiān)測(cè)卡車(chē)直流母線(xiàn)電壓保證在卡車(chē)可控壓范圍之內(nèi)（1475V），將直流線(xiàn)路上的電壓通過(guò)電阻柵釋放掉，直到直流線(xiàn)路上的電壓下降到1475V以下時(shí)，瞬態(tài)斬波器才斷開(kāi)。如果瞬態(tài)斬波器故障，卡車(chē)直流母線(xiàn)電壓可能會(huì)達(dá)到2000V 以上，此時(shí)卡車(chē)的相位模塊有可能因電壓過(guò)高而發(fā)生爆炸燒毀，嚴(yán)重可能導(dǎo)致卡車(chē)的電動(dòng)輪燒毀，產(chǎn)生嚴(yán)重的不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

目前MT5500B 電動(dòng)輪自卸卡車(chē)在神華哈爾烏素煤炭分公司中，承擔(dān)著剝離土石的生產(chǎn)任務(wù)。神華哈爾烏素煤炭分公司為露天采礦方式開(kāi)采，坑下環(huán)境極其惡劣，檢修、保養(yǎng)不當(dāng)都會(huì)導(dǎo)致MT5500 卡車(chē)多發(fā)瞬態(tài)斬波器故障和相位模塊故障。在卡車(chē)運(yùn)行中該故障一旦產(chǎn)生，卡車(chē)控制系統(tǒng)就會(huì)將MT5500 卡車(chē)動(dòng)態(tài)制動(dòng)切除，此時(shí)MT5500B 卡車(chē)唯有通過(guò)工作制動(dòng)來(lái)減速卡車(chē)，卡車(chē)工作制動(dòng)盤(pán)在高速摩擦下瞬間升溫?zé)龘p，制動(dòng)力下降，甚至過(guò)熱引發(fā)卡車(chē)電動(dòng)輪著火，還會(huì)造成嚴(yán)重額外損失。

一、課題分析

哈爾烏素露天礦剝離使用的MT5500B 卡車(chē)自2008 年末投入使用以來(lái)多發(fā)瞬態(tài)斬波器故障和相位模塊故障，更換配件價(jià)格昂貴，而設(shè)備停產(chǎn)也造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。在從事卡車(chē)電氣維護(hù)期間，針對(duì)屢損瞬態(tài)斬波器和相位模塊的MT5500B 卡車(chē)進(jìn)行長(zhǎng)期跟蹤調(diào)查。為了更好地提高M(jìn)T5500B 卡車(chē)的安全系數(shù)和出動(dòng)率，減少該類(lèi)故障的發(fā)生，保證卡車(chē)安全運(yùn)行，對(duì)卡車(chē)DC/AC 電路的驅(qū)動(dòng)電路的深入研究，進(jìn)行了故障排查處理和原因分析。

二、MT5500 卡車(chē)瞬態(tài)斬波器基本原理研究

電壓及電流的瞬態(tài)干擾是造成電子電路及設(shè)備損壞的主要原因，常給人們帶來(lái)無(wú)法估量的損失。這些干擾通常來(lái)自于電力設(shè)備的起停操作、交流電網(wǎng)的不穩(wěn)定、雷電干擾及靜電放電等，瞬態(tài)干擾幾乎無(wú)處不在，無(wú)時(shí)不有，使人感到防不勝防。瞬態(tài)斬波器出現(xiàn)使瞬態(tài)干擾得到了有效抑制。當(dāng)線(xiàn)路經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。

瞬態(tài)斬波器又稱(chēng)為截波器，它是將電壓值固定的直流電轉(zhuǎn)換為電壓值可變的直流電源的裝置，是一種直流對(duì)直流的轉(zhuǎn)換器。

瞬態(tài)斬波器是利用功率組件對(duì)固定電壓的電源做適當(dāng)?shù)那懈钜赃_(dá)成負(fù)載端電壓改變的目的。若輸出電壓較輸入電源電壓低，則稱(chēng)為降壓式瞬態(tài)斬波器，若輸出電壓較輸入電源電壓高，則稱(chēng)為升壓式瞬態(tài)斬波器；如圖2-1（a）所示為瞬態(tài)斬波器的基本電路圖，圖2-1（b）所示為負(fù)載電壓波形，可看出當(dāng)瞬態(tài)斬波器導(dǎo)通（Ton）時(shí)，負(fù)載端的電壓Vo 等于電源電壓Vs，當(dāng)瞬態(tài)斬波器的截止（Toff）時(shí)，負(fù)載端的電壓Vo 為0，如此的控制瞬態(tài)斬波器可使直流電源斷續(xù)的出現(xiàn)在負(fù)載測(cè)，只要控制瞬態(tài)斬波器的導(dǎo)通時(shí)間，即可改變負(fù)載側(cè)的平均電壓。

由圖2-1（b）可看出輸出峰值電壓等于電源電壓Vs，而輸出電壓平均值Vo 隨Ton 的時(shí)間而變化。而最常見(jiàn)的改變方式有：

1.周期T 固定，導(dǎo)通時(shí)間Ton 而改變，被稱(chēng)脈波寬度調(diào)變。

2.導(dǎo)通時(shí)間Ton 固定，而周期T 改變，被稱(chēng)頻率調(diào)變。周期T 及導(dǎo)通時(shí)間Ton 同時(shí)改變，即是波寬調(diào)變和頻率調(diào)變混合使用。

其實(shí)在實(shí)際應(yīng)用中，因瞬態(tài)斬波器常常需在負(fù)載端接上濾波電感元件和濾波電容器，倘若頻率改變過(guò)大則對(duì)電感及電容影響大，因此大多數(shù)均采用脈波寬度調(diào)變。

瞬態(tài)斬波器按照負(fù)載電壓及負(fù)載電流極性來(lái)區(qū)分的話(huà)可分為下列三種：?jiǎn)蜗笙匏矐B(tài)斬波器、兩象限瞬態(tài)斬波器、四象限瞬態(tài)斬波器。

四象限斬波器電路

晶體管開(kāi)關(guān)的四象限斬波器示于圖2-2 中，各晶體管上跨接著一個(gè)隋性二極管，并有制止電路以限制電壓的上升速率，圖2-2 中無(wú)制止電路。負(fù)載為電阻、電感和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)所構(gòu)成，電源為直流電源且跨接一個(gè)電容來(lái)維持穩(wěn)定電壓，晶體管的基極電路為獨(dú)立而晶體管的輸出為放大的控制訊號(hào)，假設(shè)切換組件為理想，所以可用基極驅(qū)動(dòng)訊號(hào)來(lái)描述負(fù)載電壓。

當(dāng)?shù)谝幌笙捱\(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于正輸出電壓和正輸出電流，即將圖2-3 中的T1和T2 同時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通，此時(shí)的負(fù)載電壓等于源電壓，將T1 或T2 截止則負(fù)載電壓為零。

假設(shè)T1 為截止，在功率切換組件及電感中的電流將減小，此時(shí)電感上會(huì)感應(yīng)極性與負(fù)載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相反的電壓，使二極管D4 變?yōu)轫樒蚨峁╇姌须娏骼^續(xù)流通，負(fù)載短路使負(fù)載電壓為零。

同時(shí)，在不連續(xù)電流導(dǎo)通模式下，負(fù)載的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電流為零時(shí)跨于負(fù)載上，負(fù)載電壓的波形為步級(jí)。這種運(yùn)轉(zhuǎn)即順時(shí)針?lè)较虻碾妱?dòng)機(jī)作用，稱(chēng)為順向電動(dòng)機(jī)作用，平均輸出電壓在0 至Vs 之間變化，周期的范圍則在 0 到1 之間。

還有其它的切換策略可改變輸出電壓，如假設(shè)電樞電流為連續(xù)，不在截止時(shí)間內(nèi)使負(fù)載電壓為零，而是將T1 和T2 同時(shí)截止使D3 和D4 導(dǎo)通，跨于負(fù)載的電壓就等于負(fù)的電源電壓，平均輸出電壓就可降低，這種策略的缺點(diǎn)是：

（1）切換損失加倍，因?yàn)橛袃山M功率組件同時(shí)截止。

（2）跨于負(fù)載上的電壓變化率為另一種策略的兩倍。倘負(fù)載為直流電機(jī)，則在絕緣的介電損失變大而降低設(shè)備的使用壽命。

（3）負(fù)載電流的變化率大，使得直流電機(jī)電樞振動(dòng)。

（4）在切換周期中部分能量在負(fù)載與電源間流動(dòng)，切換諧波電流大，在負(fù)載及連接電源和換流器的纜線(xiàn)會(huì)形成額外的損失。

第二象限運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)于的正負(fù)載電流和負(fù)負(fù)載電壓，假設(shè)負(fù)載的電動(dòng)勢(shì)為負(fù)時(shí)，如果T1 或T2 于某一時(shí)間為導(dǎo)通，將導(dǎo)通的晶體管截止，電感中的電流繼續(xù)流通直到能量消耗殆盡，D3 和D4 現(xiàn)在接手以維持負(fù)載電流于同一方向，但此時(shí)負(fù)載電壓為負(fù)。

當(dāng)D3 和D4 導(dǎo)通時(shí)電源接收來(lái)自負(fù)載的功率，倘若電流無(wú)法吸收功率，就要通過(guò)其它方式來(lái)消耗功率，此時(shí)可通過(guò)控制與電阻器串聯(lián)之晶體管的on 時(shí)間，定期將濾波電容器的過(guò)量電荷傾倒于與電源并聯(lián)的電阻器上，這種能量回收方式則稱(chēng)為再生制動(dòng)，當(dāng)負(fù)載電流下降時(shí)T2 導(dǎo)通，于是負(fù)載經(jīng) T2 和D4 短路，使得負(fù)載電流上升，T2 的截止產(chǎn)生電流脈波經(jīng)D3 和D4 流至電源，這種運(yùn)轉(zhuǎn)注入電流且電感可由負(fù)載的電動(dòng)勢(shì)取得能量，于是能量可由負(fù)載轉(zhuǎn)移至電源，甚至E 的大小值小于Vs 時(shí)能量仍能由負(fù)載轉(zhuǎn)移至電源，這種特點(diǎn)稱(chēng)為直流至直流供電的增大運(yùn)轉(zhuǎn)，使用T1 也可注入負(fù)載電流。

第三象限運(yùn)轉(zhuǎn)為負(fù)電流與負(fù)電壓，在負(fù)載中假設(shè)負(fù)電動(dòng)勢(shì)為E，T3 和T4 的導(dǎo)通使負(fù)載電流增加，兩者有一個(gè)截止時(shí)，負(fù)載短路使負(fù)載電流減小，可控制負(fù)載電流在設(shè)定的范圍內(nèi)。

第四象限運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)于正負(fù)載電壓和負(fù)的負(fù)載電流，假設(shè)負(fù)載的電動(dòng)勢(shì)源E為正，如果將能量由負(fù)載送至直流電源，則由右邊流至左邊的電樞電流，此電流方向?yàn)樨?fù)。

假設(shè)電機(jī)為第一象限運(yùn)轉(zhuǎn)（電樞的電流為正），當(dāng)制動(dòng)指令出現(xiàn)時(shí)，則負(fù)載與電樞電流指令要轉(zhuǎn)為負(fù)，電樞電流則由正值經(jīng)零到負(fù)值。T1 和T2 打開(kāi)，于是D3 和D4 導(dǎo)通將電流很快降至零，欲使電流為負(fù)值時(shí)，將T4 導(dǎo)通使負(fù)載短路，電動(dòng)勢(shì)源建立流經(jīng)T4 和D2 的電流，當(dāng)電流增加到峰值時(shí) T4 截止，強(qiáng)迫D1變?yōu)轫樒?，?fù)載電流經(jīng)D1和D2流至直流輸入電源。當(dāng)電流下降至某下限以下時(shí)T4 再度導(dǎo)通以建立電流，供下階段轉(zhuǎn)移至電源之用。

三、瞬態(tài)斬波器在卡車(chē)上的應(yīng)用

MT5500B 卡車(chē)瞬態(tài)斬波器由IGBT 和電路控制板兩部分組成，并聯(lián)在MT5500B 卡車(chē)電器柜內(nèi)直流母線(xiàn)的RB3 制動(dòng)接觸器上（如圖3-1 所示），MT5500B 卡車(chē)瞬態(tài)斬波器在卡車(chē)主控制電路中的工作是當(dāng)卡車(chē)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，瞬態(tài)斬波器監(jiān)測(cè)和釋放卡車(chē)直流線(xiàn)路上的電壓，當(dāng)直流線(xiàn)路上的電壓超過(guò)1575V 時(shí)，瞬態(tài)斬波器（TC）閉合。

如圖3-1 所示瞬態(tài)斬波器在MT5500B 卡車(chē)電路的應(yīng)用

將直流線(xiàn)路上的電壓通過(guò)卡車(chē)電阻柵釋放掉，直到卡車(chē)直流線(xiàn)路上的電壓下降到1475V 以下時(shí)，瞬態(tài)斬波器才斷開(kāi)。它的功能就是用來(lái)消除直流線(xiàn)路上的電壓瞬變/毛刺。如果瞬態(tài)斬波器故障，卡車(chē)直流母線(xiàn)電壓到達(dá)2000V 以上時(shí)，卡車(chē)的相位模塊有可能因電壓過(guò)高而發(fā)生爆炸燒毀，嚴(yán)重可能導(dǎo)致卡車(chē)的電動(dòng)輪損壞，產(chǎn)生嚴(yán)重的不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。

四、瞬態(tài)斬波器常見(jiàn)故障處理的處理方法及解決方案

（一）瞬態(tài)斬波過(guò)載故障

瞬態(tài)斬波過(guò)載是瞬態(tài)斬波器的頻發(fā)故障，當(dāng)瞬態(tài)斬波器出現(xiàn)異?；虿荒芟鼶C 過(guò)電壓尖峰時(shí)，就會(huì)引發(fā)該故障發(fā)生。

故障處理方法：

1.檢查瞬態(tài)斬波器電源插頭是否松動(dòng)，如果松動(dòng)，進(jìn)行鎖緊。

2.檢查瞬態(tài)斬波器熔斷器，如果熔斷，進(jìn)行跟換。

3.拆除檢查瞬態(tài)斬波器控制板，如果損壞，進(jìn)行跟換。

4.拆除檢查瞬態(tài)斬波器斬波組件，如果損壞，進(jìn)行跟換。

（二）硬件過(guò)電壓工作故障

當(dāng)直流環(huán)節(jié)電壓高過(guò)2000V 時(shí)引發(fā)直流環(huán)節(jié)過(guò)電壓。（該故障偶爾會(huì)出現(xiàn)）。

故障處理方法：

1.檢查瞬態(tài)斬波器電源插頭是否松動(dòng)，如果松動(dòng)，進(jìn)行鎖緊。

2 檢查瞬態(tài)斬波器熔斷器，如果熔斷，進(jìn)行跟換。

3.拆除檢查瞬態(tài)斬波器控制板，如果損壞，進(jìn)行跟換。

4.拆除檢查瞬態(tài)斬波器斬波組件，如果損壞，進(jìn)行跟換。

結(jié)合在實(shí)際維修過(guò)程中積累的一些的經(jīng)驗(yàn)，MT5500B 瞬態(tài)斬波器出現(xiàn)故障的原因，大致有以下幾個(gè)方面：

1.卡車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)使瞬態(tài)斬波器鎖緊插頭松動(dòng)。

2.瞬態(tài)斬波器受工作環(huán)境的影響，瞬態(tài)斬波器內(nèi)部灰塵太多使內(nèi)部組件溫度過(guò)高使得它使用壽命下降。

3.卡車(chē)在裝鏟時(shí)產(chǎn)生的劇烈振動(dòng)，使瞬態(tài)斬波器控制板電路損壞。

解決方案：

1.在后期的維修過(guò)程，改進(jìn)了卡車(chē)瞬態(tài)斬波器插頭處，加裝線(xiàn)路插頭鎖緊裝置，有效地避免因插頭松導(dǎo)致卡車(chē)出現(xiàn)瞬態(tài)斬波器故障。

2.在卡車(chē)工作環(huán)境不可改變的情況下，對(duì)卡車(chē)電器柜加裝了密封條，減少灰塵進(jìn)入電器柜，對(duì)瞬態(tài)斬波器板件加裝排風(fēng)扇降低瞬態(tài)斬波器板件溫度，通過(guò)此舉達(dá)到瞬態(tài)斬波器真正延長(zhǎng)使用壽命。

3.對(duì)卡車(chē)瞬態(tài)斬波器固定底座加裝了減震墊，保護(hù)瞬態(tài)斬波器元件損壞的可能性。

MT5500B 卡車(chē)在實(shí)際工作環(huán)境中受振動(dòng)、粉塵等環(huán)境條件的影響，工作環(huán)境比較惡劣。露天開(kāi)采粉塵對(duì)環(huán)境、設(shè)備破壞污染極大，針對(duì)采坑運(yùn)輸設(shè)備道路的優(yōu)化、對(duì)運(yùn)輸?shù)缆返男蘅樒秸瑢?duì)運(yùn)輸?shù)缆返慕祲m處理，有效降低對(duì)環(huán)境和設(shè)備的損壞。制定合理的設(shè)備保養(yǎng)計(jì)劃，對(duì)設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，對(duì)卡電器元件定期檢查和清理，對(duì)卡車(chē)電器柜經(jīng)常除塵保養(yǎng)，則能延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，并減少因突發(fā)性故障的發(fā)生，造成不必要的損失。如果對(duì)設(shè)備使用不當(dāng)，造成設(shè)備元器件過(guò)早的損壞，從而影響生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行。因此日常維護(hù)與定期檢查保養(yǎng)設(shè)備是必不可少的。

五、總結(jié)

通過(guò)對(duì)MT5500B 卡車(chē)瞬態(tài)斬波器的分析、加裝線(xiàn)路插頭鎖緊裝置、電器柜加裝密封條、瞬態(tài)斬波器板件加裝排風(fēng)扇改造，改造后的MT5500B 卡車(chē)瞬態(tài)斬波器有效地延長(zhǎng)了瞬態(tài)斬波器使用壽命，使MT5500B 卡車(chē)減少了因瞬態(tài)斬波器故障而導(dǎo)致的電氣故障的發(fā)生，有效減少了卡車(chē)故障的發(fā)生，更好地提高M(jìn)T5500B 卡車(chē)的安全系數(shù)和出動(dòng)率，提高了卡車(chē)的經(jīng)濟(jì)效率。我們對(duì)現(xiàn)有的37 臺(tái) MT5500B 礦用電動(dòng)輪自卸卡車(chē)瞬態(tài)斬波器進(jìn)行全部改造，經(jīng)過(guò)運(yùn)行測(cè)試，試用效果良好，保證卡車(chē)安全高效運(yùn)行。以上是我在工作中的一點(diǎn)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，在今后的工作中我會(huì)不斷努力學(xué)習(xí)，同時(shí)也給其它維修創(chuàng)新工作提供了一定的借鑒作用。