劉來全

（國家能源集團準能集團設(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采量的逐年增加無法滿足生產(chǎn)要求，公司于2008 年開始引進TERREX 設(shè)計生產(chǎn)的MT5500 電動輪自卸卡車。該車由美國加利福尼亞圣地亞哥的Power Inverters LLC 公司設(shè)計和生產(chǎn)的AC驅(qū)動推進系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)由發(fā)動機、主發(fā)電機、整流器、逆變器、電動輪、驅(qū)動卡件、速度傳感器及線束等組成。

MT5500B卡車工作原理：MT5500B卡車的驅(qū)動系統(tǒng)都是由電能來傳動的，首先發(fā)動機啟動帶動主發(fā)電機同步運行，通過卡車低壓控制提供給主發(fā)電機勵磁電流主發(fā)電機發(fā)電，主發(fā)電機發(fā)出三相交流電經(jīng)過濾波整流后轉(zhuǎn)換為直流電提供給卡車相位模塊，卡車相位模塊通過IGBT 逆變后轉(zhuǎn)換成三相交流電提供給卡車電動輪來驅(qū)動卡車運行，當(dāng)卡車需要制動時，卡車控制系統(tǒng)就會把卡車電動輪轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機，把電動輪發(fā)出的電消耗到電阻柵上，實現(xiàn)卡車電制動來控制卡車速度（動態(tài)制動）。

卡車瞬態(tài)斬波器連接在卡車直流母線上，它時刻監(jiān)測卡車直流母線電壓保證在卡車可控壓范圍之內(nèi)（1475V），將直流線路上的電壓通過電阻柵釋放掉，直到直流線路上的電壓下降到1475V以下時，瞬態(tài)斬波器才斷開。如果瞬態(tài)斬波器故障，卡車直流母線電壓可能會達到2000V 以上，此時卡車的相位模塊有可能因電壓過高而發(fā)生爆炸燒毀，嚴重可能導(dǎo)致卡車的電動輪燒毀，產(chǎn)生嚴重的不可估量的經(jīng)濟損失。

目前MT5500B 電動輪自卸卡車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采，坑下環(huán)境極其惡劣，檢修、保養(yǎng)不當(dāng)都會導(dǎo)致MT5500 卡車多發(fā)瞬態(tài)斬波器故障和相位模塊故障。在卡車運行中該故障一旦產(chǎn)生，卡車控制系統(tǒng)就會將MT5500 卡車動態(tài)制動切除，此時MT5500B 卡車唯有通過工作制動來減速卡車，卡車工作制動盤在高速摩擦下瞬間升溫?zé)龘p，制動力下降，甚至過熱引發(fā)卡車電動輪著火，還會造成嚴重額外損失。

一、課題分析

哈爾烏素露天礦剝離使用的MT5500B 卡車自2008 年末投入使用以來多發(fā)瞬態(tài)斬波器故障和相位模塊故障，更換配件價格昂貴，而設(shè)備停產(chǎn)也造成很大的經(jīng)濟損失。在從事卡車電氣維護期間，針對屢損瞬態(tài)斬波器和相位模塊的MT5500B 卡車進行長期跟蹤調(diào)查。為了更好地提高MT5500B 卡車的安全系數(shù)和出動率，減少該類故障的發(fā)生，保證卡車安全運行，對卡車DC/AC 電路的驅(qū)動電路的深入研究，進行了故障排查處理和原因分析。

二、MT5500 卡車瞬態(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，常給人們帶來無法估量的損失。這些干擾通常來自于電力設(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)干擾幾乎無處不在，無時不有，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)線路經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓穩(wěn)定在一個預(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，是一種直流對直流的轉(zhuǎn)換器。

瞬態(tài)斬波器是利用功率組件對固定電壓的電源做適當(dāng)?shù)那懈钜赃_成負載端電壓改變的目的。若輸出電壓較輸入電源電壓低，則稱為降壓式瞬態(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）所示為負載電壓波形，可看出當(dāng)瞬態(tài)斬波器導(dǎo)通（Ton）時，負載端的電壓Vo 等于電源電壓Vs，當(dāng)瞬態(tài)斬波器的截止（Toff）時，負載端的電壓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)在負載測，只要控制瞬態(tài)斬波器的導(dǎo)通時間，即可改變負載側(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 的時間而變化。而最常見的改變方式有：

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

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

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

瞬態(tài)斬波器按照負載電壓及負載電流極性來區(qū)分的話可分為下列三種：單象限瞬態(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 中無制止電路。負載為電阻、電感和感應(yīng)電動勢所構(gòu)成，電源為直流電源且跨接一個電容來維持穩(wěn)定電壓，晶體管的基極電路為獨立而晶體管的輸出為放大的控制訊號，假設(shè)切換組件為理想，所以可用基極驅(qū)動訊號來描述負載電壓。

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

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

同時，在不連續(xù)電流導(dǎo)通模式下，負載的感應(yīng)電動勢電流為零時跨于負載上，負載電壓的波形為步級。這種運轉(zhuǎn)即順時針方向的電動機作用，稱為順向電動機作用，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)，不在截止時間內(nèi)使負載電壓為零，而是將T1 和T2 同時截止使D3 和D4 導(dǎo)通，跨于負載的電壓就等于負的電源電壓，平均輸出電壓就可降低，這種策略的缺點是：

（1）切換損失加倍，因為有兩組功率組件同時截止。

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

（3）負載電流的變化率大，使得直流電機電樞振動。

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

第二象限運轉(zhuǎn)時對應(yīng)于的正負載電流和負負載電壓，假設(shè)負載的電動勢為負時，如果T1 或T2 于某一時間為導(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)在接手以維持負載電流于同一方向，但此時負載電壓為負。

當(dāng)D3 和D4 導(dǎo)通時電源接收來自負載的功率，倘若電流無法吸收功率，就要通過其它方式來消耗功率，此時可通過控制與電阻器串聯(lián)之晶體管的on 時間，定期將濾波電容器的過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為再生制動，當(dāng)負載電流下降時T2 導(dǎo)通，于是負載經(jīng) T2 和D4 短路，使得負載電流上升，T2 的截止產(chǎn)生電流脈波經(jīng)D3 和D4 流至電源，這種運轉(zhuǎn)注入電流且電感可由負載的電動勢取得能量，于是能量可由負載轉(zhuǎn)移至電源，甚至E 的大小值小于Vs 時能量仍能由負載轉(zhuǎn)移至電源，這種特點稱為直流至直流供電的增大運轉(zhuǎn)，使用T1 也可注入負載電流。

第三象限運轉(zhuǎn)為負電流與負電壓，在負載中假設(shè)負電動勢為E，T3 和T4 的導(dǎo)通使負載電流增加，兩者有一個截止時，負載短路使負載電流減小，可控制負載電流在設(shè)定的范圍內(nèi)。

第四象限運轉(zhuǎn)對應(yīng)于正負載電壓和負的負載電流，假設(shè)負載的電動勢源E為正，如果將能量由負載送至直流電源，則由右邊流至左邊的電樞電流，此電流方向為負。

假設(shè)電機為第一象限運轉(zhuǎn)（電樞的電流為正），當(dāng)制動指令出現(xiàn)時，則負載與電樞電流指令要轉(zhuǎn)為負，電樞電流則由正值經(jīng)零到負值。T1 和T2 打開，于是D3 和D4 導(dǎo)通將電流很快降至零，欲使電流為負值時，將T4 導(dǎo)通使負載短路，電動勢源建立流經(jīng)T4 和D2 的電流，當(dāng)電流增加到峰值時 T4 截止，強迫D1變?yōu)轫樒?，負載電流經(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)斬波器在卡車上的應(yīng)用

MT5500B 卡車瞬態(tài)斬波器由IGBT 和電路控制板兩部分組成，并聯(lián)在MT5500B 卡車電器柜內(nèi)直流母線的RB3 制動接觸器上（如圖3-1 所示），MT5500B 卡車瞬態(tài)斬波器在卡車主控制電路中的工作是當(dāng)卡車處于運行狀態(tài)時，瞬態(tài)斬波器監(jiān)測和釋放卡車直流線路上的電壓，當(dāng)直流線路上的電壓超過1575V 時，瞬態(tài)斬波器（TC）閉合。

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

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

四、瞬態(tài)斬波器常見故障處理的處理方法及解決方案

（一）瞬態(tài)斬波過載故障

瞬態(tài)斬波過載是瞬態(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 過電壓尖峰時，就會引發(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，如果松動，進行鎖緊。

2.檢查瞬態(tài)斬波器熔斷器，如果熔斷，進行跟換。

3.拆除檢查瞬態(tài)斬波器控制板，如果損壞，進行跟換。

4.拆除檢查瞬態(tài)斬波器斬波組件，如果損壞，進行跟換。

（二）硬件過電壓工作故障

當(dāng)直流環(huán)節(jié)電壓高過2000V 時引發(fā)直流環(huán)節(jié)過電壓。（該故障偶爾會出現(xiàn)）。

故障處理方法：

1.檢查瞬態(tài)斬波器電源插頭是否松動，如果松動，進行鎖緊。

2 檢查瞬態(tài)斬波器熔斷器，如果熔斷，進行跟換。

3.拆除檢查瞬態(tài)斬波器控制板，如果損壞，進行跟換。

4.拆除檢查瞬態(tài)斬波器斬波組件，如果損壞，進行跟換。

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

1.卡車在運行過程中產(chǎn)生振動使瞬態(tài)斬波器鎖緊插頭松動。

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)部組件溫度過高使得它使用壽命下降。

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

解決方案：

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

2.在卡車工作環(huán)境不可改變的情況下，對卡車電器柜加裝了密封條，減少灰塵進入電器柜，對瞬態(tài)斬波器板件加裝排風(fēng)扇降低瞬態(tài)斬波器板件溫度，通過此舉達到瞬態(tài)斬波器真正延長使用壽命。

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

MT5500B 卡車在實際工作環(huán)境中受振動、粉塵等環(huán)境條件的影響，工作環(huán)境比較惡劣。露天開采粉塵對環(huán)境、設(shè)備破壞污染極大，針對采坑運輸設(shè)備道路的優(yōu)化、對運輸?shù)缆返男蘅樒秸瑢\輸?shù)缆返慕祲m處理，有效降低對環(huán)境和設(shè)備的損壞。制定合理的設(shè)備保養(yǎng)計劃，對設(shè)備進行全生命周期管理，對卡電器元件定期檢查和清理，對卡車電器柜經(jīng)常除塵保養(yǎng)，則能延長設(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。如果對設(shè)備使用不當(dāng)，造成設(shè)備元器件過早的損壞，從而影響生產(chǎn)設(shè)備的正常運行。因此日常維護與定期檢查保養(yǎng)設(shè)備是必不可少的。

五、總結(jié)

通過對MT5500B 卡車瞬態(tài)斬波器的分析、加裝線路插頭鎖緊裝置、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 卡車瞬態(tài)斬波器有效地延長了瞬態(tài)斬波器使用壽命，使MT5500B 卡車減少了因瞬態(tài)斬波器故障而導(dǎo)致的電氣故障的發(fā)生，有效減少了卡車故障的發(fā)生，更好地提高MT5500B 卡車的安全系數(shù)和出動率，提高了卡車的經(jīng)濟效率。我們對現(xiàn)有的37 臺 MT5500B 礦用電動輪自卸卡車瞬態(tài)斬波器進行全部改造，經(jīng)過運行測試，試用效果良好，保證卡車安全高效運行。以上是我在工作中的一點個人經(jīng)驗，在今后的工作中我會不斷努力學(xué)習(xí)，同時也給其它維修創(chuàng)新工作提供了一定的借鑒作用。