主整流桥在730E上的应用与故障分析

陈 磊

（江西铜业集团有限公司 德兴铜矿，江西 德兴 334224）

1 引言

在矿山采场中，运输环节和开采环节同样重要，它直接影响到矿山的生产进度，德兴铜矿采矿场是一个特大型斑岩露天矿场，运输环节最重要的组成部分就是电动轮汽车，其中730E电动轮汽车是现役运输设备的主力之一，随着生产任务逐年攀升，设备使用年限的不断延长以及电气元件的老化，电动轮汽车的电气故障也出现得更加频繁，尤其是主整流桥一旦出现故障就会导致设备切断牵引无法运行，直接影响设备可开动率和降低生产作业量。在文中，梳理了日常处理的730E电动轮主整流桥故障，并做了一个系统的分析和总结，对日后类似故障的处理提供一个参考，节约维修时间，保证设备出动率。

2 730E电动轮汽车的电驱动系统概述

现役主力车型之一的730E电动轮汽车是由小松公司生产的配有康明斯K2000E发动机的交直制传动方式的电动轮汽车，该电驱动系统主要由1台三绕组交流主发电机GTA-22H、主整流桥、2台直流轮马达5GE788FS、GE电气控制系统等构成。其配置文件参数如图1所示。

由图1我们可以看到：

（1）康明斯K2000E柴油发动机总马力有2000hp，牵引马力有1850hp，满负荷转速可达1900rpm；

图1 730E配置文件图

（2）轮马达型号是5GE788FS，其轮边速比为26.825∶1；

（3）主发电机型号是GTA-22H，其牵引电流限定值为3000A，牵引电压限定值为1800V，制动电流限定值为1390A，制动励磁电流限定值为375A。

在电动轮汽车牵引工况下，柴油发动机运转带动主发电机发出三相交流电，经过主整流桥整流成直流电，通过电缆供给用于驱动位于后轮的2台GE788型直流轮毂电机788轮马达，以及通过配有的静态励磁系统的励磁调节来实现恒功控制即主发电机的输出功率要和发动机的负载能力相匹配，使电动轮汽车在牵引工况下的不同道路状况保持恒定的功率，取得最大的工作效率［1］。因此电驱动系统的正常运行是电动轮汽车能可靠运行的关键，而作为电驱动系统组成部分的主整流桥的完好率对设备可开动率也有着极其重要的作用。

3 主整流桥电路简单介绍

3.1 整流电路分类

整流电路是把交流电能转换为直流电能的电路，其在电动轮汽车上的主要作用是将主发电机输出的三相交流电转换成127Hz单向脉动性直流电。整流桥实物图如图2所示。

从图2我们可以看到，主整流桥主要由整流二极管、铜母线排、散热片和外框架组成。

整流电路按组成器件分可分为不可控电路、半控电路、全控电路三种；按电路结构可分为零式电路和桥式电路两种；按交流输入相数可分为单相电路、三相电路和多相电路。在730E电动轮上用的主整流桥是三相桥式不可控整流电路，由6个整流二极管组成，整流二极管根据其正向特性要正极电位高于负极才导通，正极电位低于负极则截止［2］。

图2 主整流桥实物图

3.2 730E所用主整流桥电路原理分析及二极管选型

730E车上所用主整流桥电气原理图如图3所示。

图3 主整流桥电气原理图

三相交流电电压波形图如图4所示。

图4 三相交流电电压波形图

对三相桥式整流电路分析如下：

从图4可以看出，三相电电压UA、UB、UC彼此相位相差120度，所以在同一个时刻三相电的电位正负是不相等的。用U2表示最大相电压的有效值，结合整流二极管的工作原理我们可以知道，整流电流是由三相电中最高电位的那相电路连接的二极管流出，流经负载再从电位最低那相电路连接的二极管回到该相电源［3］。如图4中：ωt=0o时，，在 ωt在 0～30 度之间，UC电位最高，UB电位最低，结合图3，可知在这段周期始终是DC1、DB2两只二极管导通，所以在这段周期内电流始终是由UC流经整流二极管DC1从DB2流回该相交流电源UB；ωt在30～90度周期之间，UA电位最高，UB电位最低，在这段周期始终是DA1、DB2两只二极管导通，所以在这段周期内电流始终是由UA流经整流二极管DA1从DB2流回该相交流电源UB；ωt在90～150度周期之间，UA电位最高，UC电位最低，在这段周期始终是DA1、DC2两只二极管导通，所以在这段周期内电流始终是由UA流经整流二极管DA1从DC2流回该相交流电源UC；以此类推，ωt在150～210度周期始终是DB1、DC2两只二极管导通；ωt在210～270度周期始终是DB1、DA2两只二极管导通；ωt在270～330度周期始终是DC1、DA2两只二极管导通；ωt在330～360度周期始终是DC1、DB2两只二极管导通；总之每一时刻电路中正极电位最高的一只二极管导通，再经负极电位最低的二极管流回对应相电源。

由以上分析可得：该整流电路每刻都是两两二极管串联导通，其电流和负载的电流是相同的，在一个完整周期内，每个二极管只有1/3的时间导通，经过每个二极管的正向平均电流是经过负载总电流的1/3，所以在选择二极管时其最大整流电流应为一个完整周期内负载总电流的1/3，通过每个二极管电流平均值ID=Ifz/3。主发电机最大输出电压有效值每个二极管承受的最高反向电压

在730E电动轮汽车上，我们选用的整流二极管如图5所示。

730E电动轮汽车主发电机GTA-22H的开口电压为1800V，每个二极管承受的最高反向电压短路电流为3000A，通过每个二极管电流平均值ID=Ifz/3=1000A。从图5中可以得知所选用整流二极管最大整流电流为1550A，最大反向击穿电压为4200V，现代半导体工业的迅猛发展，高耐压值和低耐压值的同类型二极管价格都不会相差很大，在实际应用当中我们都会留有一定的余量，所以所选用的整流二极管型号是合理的。

图5 所选用整流二极管实物图

4 主整流桥故障分析及有效措施

4.1 主整流桥在730E电动轮上故障分析

在730E电动轮汽车上，主整流桥发生故障一般报45#故障代码，主要为整流二极管故障，而整流二极管故障从二极管本身分析主要有击穿、断路和性能不稳定，结合以往实际情况分析导致整流二极管发生故障主要有如下原因：

（1）运行条件和工作环境恶劣。如在采区运输道路坡距长使得发动机长期处于高负荷运行，使得整流二极管长期处于大电流的工作环境，从而被烧毁或加速老化从而造成整流二极管过早的击穿损坏；还有运输路况较差，造成发动机负荷不稳定，引起主发电机三相输出不稳定，使得整流二极管工作电压忽高忽低，这样也会加速二极管的老化和损坏。

（2）维修、操作不当。当因一些别的故障导致45#故障发生，但未引起维修、操作人员的重视，在没有查明故障原因情况下，复位后继续运行车辆从而损坏二极管。

（3）保养维护周期没有及时调整。采区（导电）粉尘较大，特别是天气干燥季节，主整流桥堆积粉尘快，未及时清理堆积在散热片上的粉尘，导致散热不佳加速二极管老化或整流二极管短路。

（4）整流二极管安装质量不过关。安装整流二极管时没有保证二极管与母线排的良好接触；安装整流二极管压紧螺栓时没有按技术要求紧固螺栓。

（5）气候环境恶劣。在高温天气，温度过高加上散热不佳会使整流二极管反向漏电流增加，影响整流二极管的工作可靠性。

（6）冷却风量不够。风管吸入杂物堵塞或者风管破损导致风量不够，导致整流二极管散热不佳，长期工作就会导致性能降低而击穿［5］。

跟踪2017年全年730E车型主整流桥故障：一共发生16起。其中发生在南排重车爬坡途中12起，占75%，分析原因大部分是因为二极管老化而未及时更换，加上由于矿山开采的积累，采区作业面不断下探，排土场不断上升，运输坡道也不断加长，所以整流二极管处在一个长期大电流环境下，特别容易被击穿；1起因发电机静态励磁器故障引发主整流二极管损坏；1起因散热片被泥巴糊住导致主整流二极管损坏；2起因主整流二极管使用寿命已到。

综上所述，可知730E电动轮汽车上主整流桥故障主要是因为二极管老化，使用年限长，再加上长期在高电压、大电流环境下工作引起的。

4.2 整流二极管测量方法

测量主整流桥二极管方法如下：测试前，先将主整流桥与外部电缆连接断开。用红表笔接一侧a，黑表笔接另一侧A，若整流二极管正向导通，则将表笔反接，红表笔接A，黑表笔接a，看该二极管是否导通，如果导通且电阻值为0则证明二极管被击穿，如果两边均不导通则二极管开路；测量其电压值时如果电压忽高忽低变化，说明二极管稳定性变差。将测试出有问题的整流二极管立即进行更换［6］。

4.3 针对整流桥故障频发采取措施

针对主要的问题，采取了如下改进措施：

（1）在200h保养时针对性地对主整流桥、滤波盘及通风管检修及清灰；

（2）计划性地在1个月内对所有车检查主整流二极管状况，对状况差的进行更换；

（3）更换整流二极管时，换上的二极管要与该桥臂未换二极管正、反向特性一致，管芯压降相等或相差不大于0.02 V；

（4）更换整流二极管前清洗母线与二极管的接触面；安装二极管时，二极管压紧螺栓交替紧固，最后按要求上紧螺栓扭矩。

严格执行以上措施后，从2018年伊始至今，仅发生2起主整流桥故障，统计分析2018年主整流桥故障率较去年足足降低了87.5%，大大提升了电动轮汽车可开动率，满足了安全生产需求。

5 结语

综上所述，我们对主整流系统有了一定的了解。随着设备使用年限长，采区作业面到排土场坡道的延长，随着新设备的投入电机容量不断增大，对整流桥的要求和整流二极管的要求也会更高，只要我们加强对主整流桥及相关元器件的日常维护，此类故障也会大大减少，从而大大提高电动轮可开动率，为安全生产贡献出自己的一份力量。同时，希望也能给同行们提供一些有用的借鉴意义。