矿用电机车常见的电气故障分析_吴强.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：本文总结了矿用电机车常见的电气类故障的原因及其处理措施。将矿用电机车的电气类故障分为蓄电池故障、IGBT故障、电机故障和控制电路故障，并给出了各类故障的表现和维修建议。关键词：矿用电机车；铅酸蓄电池；直流电机；IGBT中图分类号：TD6 4+2文献标识码：B文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 8 8-0 3Analysis and Research on Common Electrical Faults in Mining Electric LocomotiveWu Qiang(Dongqu Colliery,Xishan Coal&Electricity Group Co.,Ltd.,Shanxi Coking Coal Group.,Gujiao,Shanxi 030200)Abstract:By analysis of the reasons for different electrical faults of mining electric locomotive-battery fault,IGBT fault,motorfault and control circuit fault,the paper presents the maintenance measures for different fault phenomenon.Key words:mining electric locomotive;lead-acid battery;DC motor;IGBT矿用电机车常见的电气故障分析吴 强（山西焦煤西山煤电东曲矿，山西古交0 3 0 2 0 0）蓄电池电机车是煤矿重要的运煤设备，它采用铅酸蓄电池作为动力来源，经过中间滤波电容稳压后，再经过I G B T斩波电路得到幅值可调的直流电压，最终带动直流电机运转，推动机车组前进。在整个电能转换和消耗过程中，涉及的主要电气装置有蓄电池、I G B T斩波电路、直流电机、控制电路等，这些电气装置在运行过程中会出现各类故障，导致电机车无法正常运行1-1 0。1蓄电池电机车结构分析如图1所示为矿用蓄电池电机车主电路原理图，主要由铅酸蓄电池组、熔断器、反接二极管D 1、续流二极管D 2、滤波电容器组（C 1、C 2、C 3、C 4）、驱动电机和斩波I G B T组成。铅酸蓄电池组的额定电压为1 9 2V。反接二极管的作用是防止电机车在制动时电枢回路产生的反电动势向电池反向充电。续流二极管的作用是当斩波I G B T处于关断状态时，为电机的感性电流提供一个续流回路。为了增加电机车的驱动能力，本系统采用前后两个驱动电机，驱动电机采用串励方式连接，L 1、L 2分别是电机M 1、M 2的励磁绕组。当S K 1、S K 2、S K 5、S K 6闭合S K 3、S K 4、S K 7、S K 8断开时电机车前进，当S K 1、S K 2、S K 5、S K 6断开S K 3、S K 4、S K 7、S K 8闭合时电机车后退。Q 1、Q 2是斩波电路的I G B T，为了增大容量采用并联方式进行连接。通过对矿用蓄电池电机车主电路原理进行分析，常见的故障容易发生在蓄电池、I G B T和电机等部位。图1矿用蓄电池电机车主电路原理2蓄电池故障矿用电机车广泛配置D S-3 3 0-K T型铅酸蓄电池，这种型号的蓄电池正常使用可达7 5 0个充放电周期，但是由于充放电操作不当或使用环境影响，蓄电池发生故障的概率很大，一般表现为以下几种现象：（1）蓄电池容量显著降低，刚充满电没多久就没电了；（2）蓄电池电解液的比重明显下降；（3）蓄电池充电过程中端电压上升得很快，放电过程中端电压下降得很快；（4）蓄电池充电过程中产生大量气体。出现上述现象的原因有极板硫化、极板短路和蓄电池反极等。2.1极板硫化正常的蓄电池放电过程中，正负极上的二氧化铅和海绵状铅会变为松软、细晶粒的硫酸铅，这些硫酸铅在蓄电池充电时会恢复成为原来的活性物质。但是在拆开有故障的蓄电池极板时，会发现极板表面生成了致密、坚硬、粗晶粒的硫酸铅，这1 8 8江西煤炭科技2023年第1期种现象称之为极板硫化。极板硫化是不可逆的，硫酸铅层会堵塞板孔，阻碍电解液渗透，电池电阻上升。极板硫化会导致蓄电池在充电时电解液密度上升慢，放电时电解液密度上升快，并且充电过程中伴随着发热现象。极板硫化发生的原因有很多，例如使用过程中长期充电不足、放电过量、液面低、极板长期外露、电解液比重过高或者环境温度较高等。为了预防极板硫化，蓄电池在使用过程中要注意避免过量放电，平均每只电池的端电压下降到1.7 5V时即达到最低放电电压，此时要及时充电；使用一段时间后要对蓄电池进行一次恢复容量充电。如果确定蓄电池极板已经硫化严重，可采用水疗法修复。对于极板硫化不严重的蓄电池可采用过充电水疗法，向蓄电池内注入蒸馏水，蒸馏水的多少以液面超过多孔保护板1 5m m为宜，然后以4 0A电流充电至2.5V，间隔3 0m i n后以2 0A电流充电至产生大量气泡，再间隔3 0m i n后以1 0A电流充电2 4小时，完成以上过程后调整电池电解液的比重至1.2 8 0即可。2.2极板短路蓄电池内部由正负极板交叠而成，中间填充有电解液，如果经常大电流充电或大电流放电，就会导致极板上的化学物质分布不均匀，随着使用时间的推移，电池底部会沉积杂质，这些杂质厚度达到覆盖极板的程度时，就会导致极板短路。除沉积杂质，造成极板短路的原因还有极板变形弯曲、铅条或其它杂物掉入电池内和铅弹簧发生位移等。极板短路会表现为电池组电压低，放电时端电压迅速下降，表现为电池不耐用。极板短路的解决措施是拆解、去除沉积物和铅瘤等杂物，最后用纯水清洗极板，对于发生弯曲或变形的极板可以尝试压平或在极板接触的地方加隔离板，如果变形严重则进行更换。对于铅弹簧与铅衬接触造成的极板短路，只需纠正铅弹簧的位置即可。2.3蓄电池反极蓄电池反极是指电池的正极变为负极，负极变为正极，这种情况在蓄电池首次进行安装的时候容易发生，其次在不正常充放电时，也会使原本极性正确的蓄电池反极，例如串联的蓄电池组中有一只蓄电池容量低，当这只蓄电池电量放完之后，其它蓄电池放电就会对这只蓄电池进行反充电。某只出现反极后，会抵消另一只蓄电池的电压，造成双倍的电压损失。反极的蓄电池充放电过程和其他蓄电池相反，且会产生大量气体，危害极大。根据反极表现不同，蓄电池的反极程度有一般反极和完全反极两种，一般反极的蓄电池只在放电时表现为反极，在停止放电时电压可以恢复正常，只是电压较低。完全反极的蓄电池在停止放电时电动势仍然是反的。可以用电压表逐个检查放电中的蓄电池电压，发现有蓄电池一般反极的，可以通过对该组蓄电池进行反复充电进行处理。对于完全反极的蓄电池，应当将这只蓄电池取出单独进行多次充放电，直到极性恢复正常。需要特别注意的是，同一个充电器不能对两个反极的蓄电池同时充电，否则将会造成电池短路。对于多次充电仍然无法恢复极性的蓄电池，应予以更换。3IGBT故障I G B T通过栅极电压的高低变化来使器件导通或者关断。I G B T常见的故障现象有无法关断、无法导通和漏电等。3.1IGBT无法关断I G B T无法关断是因为集电极C和发射极E之间被击穿，发生这种现象可能的原因是I G B T在关断时，逆变电路中的寄生电感上会产生高电压，这种电压称之为尖峰电压。如果没有相关的吸收电路则可能击穿I G B T，可采用电容和其它元件组成吸收电路，例如和电阻串联的R S单体吸收电路，以及在此基础上发展而来的R C D单体吸收电路、电容整体吸收电路等，如图2所示。R S单体吸收电路一致关断浪涌电压效果好，特别适用于斩波器，I G B T容量较大时，电阻的阻值不宜选的太小，否则会在开通时增加集电极的容性开通电流，造成损耗和发热现象。I G B T缓冲电路采用电容整体并联在一个桥臂时，可利用电容旁路浪涌尖峰电压，但是如果电容取值不当，易与主回路电感构成谐振而产生振荡，电容的取值可根据能量守恒原理进行求取。这种吸收电路的线路最简单，如果电容焊接不牢，或者电容被击穿，也会出现尖峰电压。I G B T被击穿的过程是不可逆的，只能更换相关模块。1 8 9江西煤炭科技2023年第1期（a）电容整体吸收电路（b）RCD单体吸收电路（c）放电阻止型RCD缓冲电路图2常见的IGBT缓冲电路3.2IGBT无法导通I G B T无法导通的常见原因有：一是主电路存在短路或过热等故障触发了保护装置动作，为了保护I G B T，使得电路对驱动装置形成了闭锁，驱动装置无法发出驱动信号；二是驱动电路电源故障，导致驱动电路输出功率不足；三是I G B T与主电路之间的连接螺丝松动，导致接触不良。I G B T无法导通不是器件本身的故障，因此这类故障容易修复，并且无需更换新的I G B T。发现I G B T无法导通时，要逐步检查上述项目。如果保护装置闭锁了驱动装置，则应根据保护动作类型排除主电路的故障。如果驱动电源故障或功率不足，应当更换新的驱动电源。如果I G B T与主电路的固定螺丝松动，应当拧紧螺丝。3.3IGBT漏电直流母排正负极端子与功率单元正负极端子、缓冲电容正负极端子对应连接，安装完成后，直流母排正负极端子之间、功率单元正负极端子之间以及缓冲电容正负极端子之间的电气间隙及爬电距离值均较小，实际使用时，有正负极放电现象。因此，I G B T对静电比较敏感，如果器件表面积累了灰尘容易产生静电，如果各模块之间爬电距离不足，会导致主电路相间短路故障，或者单相接地故障。防止I G B T漏电的措施是保证表面干燥清洁，对于有条件的应当增加防护等级，没有改造条件的应当定时采用吹风机进行吹扫。4电机故障无论是蓄电池电机车还是架线式电机车都采用直流电机作为动力来源，虽然交流调速的应用日益普及，但是直流电机目前仍发挥着重要作用。相比于交流电机，直流电机的结构较为复杂，且存在换向器、电刷等部件，发生故障的概率较高。电机车用直流电机容易发生故障的部位有：换向器、电刷、绕组和外壳等。1）换向器故障有表面灼伤、换向火花和环火等。如果发现换向器表面有灼烧痕迹，可以用沾有汽油的纱布进行擦拭。换向火花的发生原因有电磁原因和机械原因，电磁原因的本质是电机的中心线未对准，换向器不在中性区域的时候到达了主极，主磁通量会减少，整流分量会出线火花，根据出线火花的位置和时机不同分为超前换向或滞后换向，超前换向就是前刷出现火花，滞后换向就是后刷出现火花，机械原因包括转子不平衡、气隙不均匀、换向器表面粗糙不光滑等。2）电刷也会引起换向火花，电刷是靠弹簧的压力压紧在换向器表面的，如果弹簧调节过紧，则会导致电刷被卡死或与换向器磨损严重，如果弹簧调节过松则会导致电刷发生跳动。换向器出现上述故障要更换换向器，调节电刷弹簧的松紧度，否则容易损坏电机绕组。3）电机绕组故障和外壳带电一般是匝间短路和接地，这两种故障都是绝缘老化导致的。电机绕组的绝缘老化有一个缓慢变化的过程，由于磨损、发热和受潮等原因都会使绕组绝缘能力降低。为了避免绕组绝缘老化，应当注意电机的密封性，散热性，做好电机的过载保护措施，禁止长期运行在高温环境下。电机车处于井下黑暗潮湿的环境，如果漏电应当及时干燥处理，并且定期进行绝缘试验，只有通过严格的绝缘试验才能投入使用。5结语为了提高矿用蓄电池电机车的可靠性和安全性，在日常维护中应当制定合理的蓄电池充放电策略，并注意I G B T电路和直流电机的散热问题。出现电气类故障后，需根据相应的（下转1 9 3页）1 9 0江西煤炭科技2023年第1期表现制定相应的维修策略，才能做到有的放矢，有备无患，提高电机车的维修效率。参考文献：1 何莉.矿用电机车常见的电气故障分析研究J.北京：世界有色金属，2 0 2 1（4）：3 2-3 3.2 恩德平.关于矿用电机车常见故障及处理方法的分析J.太原：机械管理开发，2 0 2 0，3 5（1 1）：3 0 6-3 0 7.3 秦杰.矿用电机