MT5500B 卡车瞬态斩波器故障原因分析

刘来全

（国家能源集团准能集团设备维修中心，内蒙古 鄂尔多斯 010300）

前言

神华哈尔乌素煤炭分公司煤炭开采量的逐年增加无法满足生产要求，公司于2008 年开始引进TERREX 设计生产的MT5500 电动轮自卸卡车。该车由美国加利福尼亚圣地亚哥的Power Inverters LLC 公司设计和生产的AC驱动推进系统，驱动系统由发动机、主发电机、整流器、逆变器、电动轮、驱动卡件、速度传感器及线束等组成。

MT5500B卡车工作原理：MT5500B卡车的驱动系统都是由电能来传动的，首先发动机启动带动主发电机同步运行，通过卡车低压控制提供给主发电机励磁电流主发电机发电，主发电机发出三相交流电经过滤波整流后转换为直流电提供给卡车相位模块，卡车相位模块通过IGBT 逆变后转换成三相交流电提供给卡车电动轮来驱动卡车运行，当卡车需要制动时，卡车控制系统就会把卡车电动轮转变为发电机，把电动轮发出的电消耗到电阻栅上，实现卡车电制动来控制卡车速度（动态制动）。

卡车瞬态斩波器连接在卡车直流母线上，它时刻监测卡车直流母线电压保证在卡车可控压范围之内（1475V），将直流线路上的电压通过电阻栅释放掉，直到直流线路上的电压下降到1475V以下时，瞬态斩波器才断开。如果瞬态斩波器故障，卡车直流母线电压可能会达到2000V 以上，此时卡车的相位模块有可能因电压过高而发生爆炸烧毁，严重可能导致卡车的电动轮烧毁，产生严重的不可估量的经济损失。

目前MT5500B 电动轮自卸卡车在神华哈尔乌素煤炭分公司中，承担着剥离土石的生产任务。神华哈尔乌素煤炭分公司为露天采矿方式开采，坑下环境极其恶劣，检修、保养不当都会导致MT5500 卡车多发瞬态斩波器故障和相位模块故障。在卡车运行中该故障一旦产生，卡车控制系统就会将MT5500 卡车动态制动切除，此时MT5500B 卡车唯有通过工作制动来减速卡车，卡车工作制动盘在高速摩擦下瞬间升温烧损，制动力下降，甚至过热引发卡车电动轮着火，还会造成严重额外损失。

一、课题分析

哈尔乌素露天矿剥离使用的MT5500B 卡车自2008 年末投入使用以来多发瞬态斩波器故障和相位模块故障，更换配件价格昂贵，而设备停产也造成很大的经济损失。在从事卡车电气维护期间，针对屡损瞬态斩波器和相位模块的MT5500B 卡车进行长期跟踪调查。为了更好地提高MT5500B 卡车的安全系数和出动率，减少该类故障的发生，保证卡车安全运行，对卡车DC/AC 电路的驱动电路的深入研究，进行了故障排查处理和原因分析。

二、MT5500 卡车瞬态斩波器基本原理研究

电压及电流的瞬态干扰是造成电子电路及设备损坏的主要原因，常给人们带来无法估量的损失。这些干扰通常来自于电力设备的起停操作、交流电网的不稳定、雷电干扰及静电放电等，瞬态干扰几乎无处不在，无时不有，使人感到防不胜防。瞬态斩波器出现使瞬态干扰得到了有效抑制。当线路经受瞬间的高能量冲击时，它能以极高的速度使其阻抗骤然降低，同时吸收一个大电流，将其两端间的电压稳定在一个预定的数值上，从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而损坏。

瞬态斩波器又称为截波器，它是将电压值固定的直流电转换为电压值可变的直流电源的装置，是一种直流对直流的转换器。

瞬态斩波器是利用功率组件对固定电压的电源做适当的切割以达成负载端电压改变的目的。若输出电压较输入电源电压低，则称为降压式瞬态斩波器，若输出电压较输入电源电压高，则称为升压式瞬态斩波器；如图2-1（a）所示为瞬态斩波器的基本电路图，图2-1（b）所示为负载电压波形，可看出当瞬态斩波器导通（Ton）时，负载端的电压Vo 等于电源电压Vs，当瞬态斩波器的截止（Toff）时，负载端的电压Vo 为0，如此的控制瞬态斩波器可使直流电源断续的出现在负载测，只要控制瞬态斩波器的导通时间，即可改变负载侧的平均电压。

由图2-1（b）可看出输出峰值电压等于电源电压Vs，而输出电压平均值Vo 随Ton 的时间而变化。而最常见的改变方式有：

1.周期T 固定，导通时间Ton 而改变，被称脉波宽度调变。

2.导通时间Ton 固定，而周期T 改变，被称频率调变。周期T 及导通时间Ton 同时改变，即是波宽调变和频率调变混合使用。

其实在实际应用中，因瞬态斩波器常常需在负载端接上滤波电感元件和滤波电容器，倘若频率改变过大则对电感及电容影响大，因此大多数均采用脉波宽度调变。

瞬态斩波器按照负载电压及负载电流极性来区分的话可分为下列三种：单象限瞬态斩波器、两象限瞬态斩波器、四象限瞬态斩波器。

四象限斩波器电路

晶体管开关的四象限斩波器示于图2-2 中，各晶体管上跨接着一个隋性二极管，并有制止电路以限制电压的上升速率，图2-2 中无制止电路。负载为电阻、电感和感应电动势所构成，电源为直流电源且跨接一个电容来维持稳定电压，晶体管的基极电路为独立而晶体管的输出为放大的控制讯号，假设切换组件为理想，所以可用基极驱动讯号来描述负载电压。

当第一象限运转对应于正输出电压和正输出电流，即将图2-3 中的T1和T2 同时触发导通，此时的负载电压等于源电压，将T1 或T2 截止则负载电压为零。

假设T1 为截止，在功率切换组件及电感中的电流将减小，此时电感上会感应极性与负载感应电动势相反的电压，使二极管D4 变为顺偏因而提供电枢电流继续流通，负载短路使负载电压为零。

同时，在不连续电流导通模式下，负载的感应电动势电流为零时跨于负载上，负载电压的波形为步级。这种运转即顺时针方向的电动机作用，称为顺向电动机作用，平均输出电压在0 至Vs 之间变化，周期的范围则在 0 到1 之间。

还有其它的切换策略可改变输出电压，如假设电枢电流为连续，不在截止时间内使负载电压为零，而是将T1 和T2 同时截止使D3 和D4 导通，跨于负载的电压就等于负的电源电压，平均输出电压就可降低，这种策略的缺点是：

（1）切换损失加倍，因为有两组功率组件同时截止。

（2）跨于负载上的电压变化率为另一种策略的两倍。倘负载为直流电机，则在绝缘的介电损失变大而降低设备的使用寿命。

（3）负载电流的变化率大，使得直流电机电枢振动。

（4）在切换周期中部分能量在负载与电源间流动，切换谐波电流大，在负载及连接电源和换流器的缆线会形成额外的损失。

第二象限运转时对应于的正负载电流和负负载电压，假设负载的电动势为负时，如果T1 或T2 于某一时间为导通，将导通的晶体管截止，电感中的电流继续流通直到能量消耗殆尽，D3 和D4 现在接手以维持负载电流于同一方向，但此时负载电压为负。

当D3 和D4 导通时电源接收来自负载的功率，倘若电流无法吸收功率，就要通过其它方式来消耗功率，此时可通过控制与电阻器串联之晶体管的on 时间，定期将滤波电容器的过量电荷倾倒于与电源并联的电阻器上，这种能量回收方式则称为再生制动，当负载电流下降时T2 导通，于是负载经 T2 和D4 短路，使得负载电流上升，T2 的截止产生电流脉波经D3 和D4 流至电源，这种运转注入电流且电感可由负载的电动势取得能量，于是能量可由负载转移至电源，甚至E 的大小值小于Vs 时能量仍能由负载转移至电源，这种特点称为直流至直流供电的增大运转，使用T1 也可注入负载电流。

第三象限运转为负电流与负电压，在负载中假设负电动势为E，T3 和T4 的导通使负载电流增加，两者有一个截止时，负载短路使负载电流减小，可控制负载电流在设定的范围内。

第四象限运转对应于正负载电压和负的负载电流，假设负载的电动势源E为正，如果将能量由负载送至直流电源，则由右边流至左边的电枢电流，此电流方向为负。

假设电机为第一象限运转（电枢的电流为正），当制动指令出现时，则负载与电枢电流指令要转为负，电枢电流则由正值经零到负值。T1 和T2 打开，于是D3 和D4 导通将电流很快降至零，欲使电流为负值时，将T4 导通使负载短路，电动势源建立流经T4 和D2 的电流，当电流增加到峰值时 T4 截止，强迫D1变为顺偏，负载电流经D1和D2流至直流输入电源。当电流下降至某下限以下时T4 再度导通以建立电流，供下阶段转移至电源之用。

三、瞬态斩波器在卡车上的应用

MT5500B 卡车瞬态斩波器由IGBT 和电路控制板两部分组成，并联在MT5500B 卡车电器柜内直流母线的RB3 制动接触器上（如图3-1 所示），MT5500B 卡车瞬态斩波器在卡车主控制电路中的工作是当卡车处于运行状态时，瞬态斩波器监测和释放卡车直流线路上的电压，当直流线路上的电压超过1575V 时，瞬态斩波器（TC）闭合。

如图3-1 所示瞬态斩波器在MT5500B 卡车电路的应用

将直流线路上的电压通过卡车电阻栅释放掉，直到卡车直流线路上的电压下降到1475V 以下时，瞬态斩波器才断开。它的功能就是用来消除直流线路上的电压瞬变/毛刺。如果瞬态斩波器故障，卡车直流母线电压到达2000V 以上时，卡车的相位模块有可能因电压过高而发生爆炸烧毁，严重可能导致卡车的电动轮损坏，产生严重的不可估量的经济损失。

四、瞬态斩波器常见故障处理的处理方法及解决方案

（一）瞬态斩波过载故障

瞬态斩波过载是瞬态斩波器的频发故障，当瞬态斩波器出现异常或不能消除DC 过电压尖峰时，就会引发该故障发生。

故障处理方法：

1.检查瞬态斩波器电源插头是否松动，如果松动，进行锁紧。

2.检查瞬态斩波器熔断器，如果熔断，进行跟换。

3.拆除检查瞬态斩波器控制板，如果损坏，进行跟换。

4.拆除检查瞬态斩波器斩波组件，如果损坏，进行跟换。

（二）硬件过电压工作故障

当直流环节电压高过2000V 时引发直流环节过电压。（该故障偶尔会出现）。

故障处理方法：

1.检查瞬态斩波器电源插头是否松动，如果松动，进行锁紧。

2 检查瞬态斩波器熔断器，如果熔断，进行跟换。

3.拆除检查瞬态斩波器控制板，如果损坏，进行跟换。

4.拆除检查瞬态斩波器斩波组件，如果损坏，进行跟换。

结合在实际维修过程中积累的一些的经验，MT5500B 瞬态斩波器出现故障的原因，大致有以下几个方面：

1.卡车在运行过程中产生振动使瞬态斩波器锁紧插头松动。

2.瞬态斩波器受工作环境的影响，瞬态斩波器内部灰尘太多使内部组件温度过高使得它使用寿命下降。

3.卡车在装铲时产生的剧烈振动，使瞬态斩波器控制板电路损坏。

解决方案：

1.在后期的维修过程，改进了卡车瞬态斩波器插头处，加装线路插头锁紧装置，有效地避免因插头松导致卡车出现瞬态斩波器故障。

2.在卡车工作环境不可改变的情况下，对卡车电器柜加装了密封条，减少灰尘进入电器柜，对瞬态斩波器板件加装排风扇降低瞬态斩波器板件温度，通过此举达到瞬态斩波器真正延长使用寿命。

3.对卡车瞬态斩波器固定底座加装了减震垫，保护瞬态斩波器元件损坏的可能性。

MT5500B 卡车在实际工作环境中受振动、粉尘等环境条件的影响，工作环境比较恶劣。露天开采粉尘对环境、设备破坏污染极大，针对采坑运输设备道路的优化、对运输道路的修缮平整，对运输道路的降尘处理，有效降低对环境和设备的损坏。制定合理的设备保养计划，对设备进行全生命周期管理，对卡电器元件定期检查和清理，对卡车电器柜经常除尘保养，则能延长设备使用寿命，并减少因突发性故障的发生，造成不必要的损失。如果对设备使用不当，造成设备元器件过早的损坏，从而影响生产设备的正常运行。因此日常维护与定期检查保养设备是必不可少的。

五、总结

通过对MT5500B 卡车瞬态斩波器的分析、加装线路插头锁紧装置、电器柜加装密封条、瞬态斩波器板件加装排风扇改造，改造后的MT5500B 卡车瞬态斩波器有效地延长了瞬态斩波器使用寿命，使MT5500B 卡车减少了因瞬态斩波器故障而导致的电气故障的发生，有效减少了卡车故障的发生，更好地提高MT5500B 卡车的安全系数和出动率，提高了卡车的经济效率。我们对现有的37 台 MT5500B 矿用电动轮自卸卡车瞬态斩波器进行全部改造，经过运行测试，试用效果良好，保证卡车安全高效运行。以上是我在工作中的一点个人经验，在今后的工作中我会不断努力学习，同时也给其它维修创新工作提供了一定的借鉴作用。