MT5500B 卡車瞬態斬波器故障原因分析

劉來全

（國家能源集團準能集團設備維修中心，內蒙古 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要求，公司于2008 年開始引進TERREX 設計生產的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 公司設計和生產的AC驅動推進系統，驅動系統由發動機、主發電機、整流器、逆變器、電動輪、驅動卡件、速度傳感器及線束等組成。

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

卡車瞬態斬波器連接在卡車直流母線上，它時刻監測卡車直流母線電壓保證在卡車可控壓范圍之內（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，瞬態斬波器才斷開。如果瞬態斬波器故障，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生爆炸燒毀，嚴重可能導致卡車的電動輪燒毀，產生嚴重的不可估量的經濟損失。

目前MT5500B 電動輪自卸卡車在神華哈爾烏素煤炭分公司中，承擔著剝離土石的生產任務。神華哈爾烏素煤炭分公司為露天采礦方式開采，坑下環境極其惡劣，檢修、保養不當都會導致MT5500 卡車多發瞬態斬波器故障和相位模塊故障。在卡車運行中該故障一旦產生，卡車控制系統就會將MT5500 卡車動態制動切除，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燒損，制動力下降，甚至過熱引發卡車電動輪著火，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瞬態斬波器故障和相位模塊故障，更換配件價格昂貴，而設備停產也造成很大的經濟損失。在從事卡車電氣維護期間，針對屢損瞬態斬波器和相位模塊的MT5500B 卡車進行長期跟蹤調查。為了更好地提高MT5500B 卡車的安全系數和出動率，減少該類故障的發生，保證卡車安全運行，對卡車DC/AC 電路的驅動電路的深入研究，進行了故障排查處理和原因分析。

二、MT5500 卡車瞬態斬波器基本原理研究

電壓及電流的瞬態干擾是造成電子電路及設備損壞的主要原因，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備的起停操作、交流電網的不穩定、雷電干擾及靜電放電等，瞬態干擾幾乎無處不在，無時不有，使人感到防不勝防。瞬態斬波器出現使瞬態干擾得到了有效抑制。當線路經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定在一個預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態高能量的沖擊而損壞。

瞬態斬波器又稱為截波器，它是將電壓值固定的直流電轉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換器。

瞬態斬波器是利用功率組件對固定電壓的電源做適當的切割以達成負載端電壓改變的目的。若輸出電壓較輸入電源電壓低，則稱為降壓式瞬態斬波器，若輸出電壓較輸入電源電壓高，則稱為升壓式瞬態斬波器；如圖2-1（a）所示為瞬態斬波器的基本電路圖，圖2-1（b）所示為負載電壓波形，可看出當瞬態斬波器導通（Ton）時，負載端的電壓Vo 等于電源電壓Vs，當瞬態斬波器的截止（Toff）時，負載端的電壓Vo 為0，如此的控制瞬態斬波器可使直流電源斷續的出現在負載測，只要控制瞬態斬波器的導通時間，即可改變負載側的平均電壓。

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，導通時間Ton 而改變，被稱脈波寬度調變。

2.導通時間Ton 固定，而周期T 改變，被稱頻率調變。周期T 及導通時間Ton 同時改變，即是波寬調變和頻率調變混合使用。

其實在實際應用中，因瞬態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，因此大多數均采用脈波寬度調變。

瞬態斬波器按照負載電壓及負載電流極性來區分的話可分為下列三種：單象限瞬態斬波器、兩象限瞬態斬波器、四象限瞬態斬波器。

四象限斬波器電路

晶體管開關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、電感和感應電動勢所構成，電源為直流電源且跨接一個電容來維持穩定電壓，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，假設切換組件為理想，所以可用基極驅動訊號來描述負載電壓。

當第一象限運轉對應于正輸出電壓和正輸出電流，即將圖2-3 中的T1和T2 同時觸發導通，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，此時電感上會感應極性與負載感應電動勢相反的電壓，使二極管D4 變為順偏因而提供電樞電流繼續流通，負載短路使負載電壓為零。

同時，在不連續電流導通模式下，負載的感應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，如假設電樞電流為連續，不在截止時間內使負載電壓為零，而是將T1 和T2 同時截止使D3 和D4 導通，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。

第二象限運轉時對應于的正負載電流和負負載電壓，假設負載的電動勢為負時，如果T1 或T2 于某一時間為導通，將導通的晶體管截止，電感中的電流繼續流通直到能量消耗殆盡，D3 和D4 現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D3 和D4 導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的電阻器上，這種能量回收方式則稱為再生制動，當負載電流下降時T2 導通，于是負載經 T2 和D4 短路，使得負載電流上升，T2 的截止產生電流脈波經D3 和D4 流至電源，這種運轉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移至電源，甚至E 的大小值小于Vs 時能量仍能由負載轉移至電源，這種特點稱為直流至直流供電的增大運轉，使用T1 也可注入負載電流。

第三象限運轉為負電流與負電壓，在負載中假設負電動勢為E，T3 和T4 的導通使負載電流增加，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定的范圍內。

第四象限運轉對應于正負載電壓和負的負載電流，假設負載的電動勢源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。

假設電機為第一象限運轉（電樞的電流為正），當制動指令出現時，則負載與電樞電流指令要轉為負，電樞電流則由正值經零到負值。T1 和T2 打開，于是D3 和D4 導通將電流很快降至零，欲使電流為負值時，將T4 導通使負載短路，電動勢源建立流經T4 和D2 的電流，當電流增加到峰值時 T4 截止，強迫D1變為順偏，負載電流經D1和D2流至直流輸入電源。當電流下降至某下限以下時T4 再度導通以建立電流，供下階段轉移至電源之用。

三、瞬態斬波器在卡車上的應用

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

如圖3-1 所示瞬態斬波器在MT5500B 卡車電路的應用

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生爆炸燒毀，嚴重可能導致卡車的電動輪損壞，產生嚴重的不可估量的經濟損失。

四、瞬態斬波器常見故障處理的處理方法及解決方案

（一）瞬態斬波過載故障

瞬態斬波過載是瞬態斬波器的頻發故障，當瞬態斬波器出現異常或不能消除DC 過電壓尖峰時，就會引發該故障發生。

故障處理方法：

1.檢查瞬態斬波器電源插頭是否松動，如果松動，進行鎖緊。

2.檢查瞬態斬波器熔斷器，如果熔斷，進行跟換。

3.拆除檢查瞬態斬波器控制板，如果損壞，進行跟換。

4.拆除檢查瞬態斬波器斬波組件，如果損壞，進行跟換。

（二）硬件過電壓工作故障

當直流環節電壓高過2000V 時引發直流環節過電壓。（該故障偶爾會出現）。

故障處理方法：

1.檢查瞬態斬波器電源插頭是否松動，如果松動，進行鎖緊。

2 檢查瞬態斬波器熔斷器，如果熔斷，進行跟換。

3.拆除檢查瞬態斬波器控制板，如果損壞，進行跟換。

4.拆除檢查瞬態斬波器斬波組件，如果損壞，進行跟換。

結合在實際維修過程中積累的一些的經驗，MT5500B 瞬態斬波器出現故障的原因，大致有以下幾個方面：

1.卡車在運行過程中產生振動使瞬態斬波器鎖緊插頭松動。

2.瞬態斬波器受工作環境的影響，瞬態斬波器內部灰塵太多使內部組件溫度過高使得它使用壽命下降。

3.卡車在裝鏟時產生的劇烈振動，使瞬態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致卡車出現瞬態斬波器故障。

2.在卡車工作環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，對瞬態斬波器板件加裝排風扇降低瞬態斬波器板件溫度，通過此舉達到瞬態斬波器真正延長使用壽命。

3.對卡車瞬態斬波器固定底座加裝了減震墊，保護瞬態斬波器元件損壞的可能性。

MT5500B 卡車在實際工作環境中受振動、粉塵等環境條件的影響，工作環境比較惡劣。露天開采粉塵對環境、設備破壞污染極大，針對采坑運輸設備道路的優化、對運輸道路的修繕平整，對運輸道路的降塵處理，有效降低對環境和設備的損壞。制定合理的設備保養計劃，對設備進行全生命周期管理，對卡電器元件定期檢查和清理，對卡車電器柜經常除塵保養，則能延長設備使用壽命，并減少因突發性故障的發生，造成不必要的損失。如果對設備使用不當，造成設備元器件過早的損壞，從而影響生產設備的正常運行。因此日常維護與定期檢查保養設備是必不可少的。

五、總結

通過對MT5500B 卡車瞬態斬波器的分析、加裝線路插頭鎖緊裝置、電器柜加裝密封條、瞬態斬波器板件加裝排風扇改造，改造后的MT5500B 卡車瞬態斬波器有效地延長了瞬態斬波器使用壽命，使MT5500B 卡車減少了因瞬態斬波器故障而導致的電氣故障的發生，有效減少了卡車故障的發生，更好地提高MT5500B 卡車的安全系數和出動率，提高了卡車的經濟效率。我們對現有的37 臺 MT5500B 礦用電動輪自卸卡車瞬態斬波器進行全部改造，經過運行測試，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驗，在今后的工作中我會不斷努力學習，同時也給其它維修創新工作提供了一定的借鑒作用。