電力機(jī)車控制電源監(jiān)測(cè)及故障提示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江國(guó)棟，章躍進(jìn)

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210046；2.上海機(jī)務(wù)段 上海200070）

電力機(jī)車控制電源監(jiān)測(cè)及故障提示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

江國(guó)棟1，章躍進(jìn)2

（1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京210046；2.上海機(jī)務(wù)段 上海200070）

針對(duì)電力機(jī)車控制電源故障造成機(jī)車機(jī)破途停的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了控制電源監(jiān)測(cè)及故障提示系統(tǒng)。采用數(shù)字信號(hào)處理方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)車控制電源、蓄電池和自動(dòng)開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理找出控制電源存在的隱性故障或性能缺陷，及時(shí)采取應(yīng)急措施消除故障隱患，防止機(jī)車機(jī)破途停事故發(fā)生。系統(tǒng)通過(guò)34臺(tái)SS8型機(jī)車安裝運(yùn)行，機(jī)車控制電源故障頻率大幅降低，改善了機(jī)車控制電源工況，提高了機(jī)車運(yùn)行的可靠性。

控制電源；蓄電池；終端；電力機(jī)車

現(xiàn)代高速鐵路和重載鐵路牽引動(dòng)力的主力或者其發(fā)展方向是電力牽引，即電力機(jī)車。我國(guó)代表車型有韶山SS8、SS7D、SS9型號(hào)的電力機(jī)車?？刂葡到y(tǒng)是現(xiàn)代電力機(jī)車的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，是電力機(jī)車安全可靠運(yùn)行的技術(shù)保證，而控制電源則是這一神經(jīng)中樞的動(dòng)力和能源的保證。對(duì)機(jī)車而言，控制電源的故障，則可能會(huì)使機(jī)車所有電氣系統(tǒng)全部癱瘓，造成機(jī)破途停的嚴(yán)重故障。所以，控制電源是機(jī)車上最重要的裝置之一。

電力機(jī)車控制電源應(yīng)用開(kāi)關(guān)電源技術(shù)，其框架結(jié)構(gòu)是從主變壓器輔助繞組或?qū)Ｓ美@組引入交流電源，經(jīng)全橋DC-DC變換器整流、蓄電池和平波電抗濾波器后，輸出110 VDC± 5%，靜態(tài)電壓脈動(dòng)有效值＜5 V，限流50 A±10%[1]。該電源雖經(jīng)不斷改進(jìn)，由于原理性的問(wèn)題，存在以下缺點(diǎn)：

1）由于采用硬開(kāi)關(guān)方式帶流開(kāi)斷，損耗大，發(fā)熱并易燒自動(dòng)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)。

2）主電路中di/dt、du/dt很大（分別可達(dá)8 A/ns、7 V/ns），在寄生參數(shù)激勵(lì)下，容易產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾。

3）充放電監(jiān)測(cè)與保護(hù)不完善，造成蓄電池過(guò)度虧電。

由于機(jī)車設(shè)計(jì)已定型，要徹底解決這一問(wèn)題已經(jīng)不可能。通過(guò)對(duì)設(shè)備故障現(xiàn)象的深入分析，采取技術(shù)改進(jìn)措施，并在工程應(yīng)用中加以完善，這是提高機(jī)車設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量的有效途徑。本文涉及的電力機(jī)車控制電源監(jiān)測(cè)及故障提示系統(tǒng)，比較有效地解決了上述技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)在線監(jiān)測(cè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)車控制電源系統(tǒng)故障隱患，將機(jī)車機(jī)破途停的事故消滅在萌芽之中。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

電力機(jī)車控制電源監(jiān)測(cè)及故障提示系統(tǒng)主要由狀態(tài)采集終端和狀態(tài)顯示終端兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)采用智能化的在線監(jiān)測(cè)手段，對(duì)使用者無(wú)技術(shù)能力要求和使用限制，具有對(duì)機(jī)車控制電源的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和顯示。當(dāng)發(fā)生110VDC電源異常、蓄電池回路開(kāi)路、蓄電池充電回路故障和自動(dòng)開(kāi)關(guān)50QA故障時(shí)，給出報(bào)警提示信號(hào)，以便機(jī)車乘務(wù)員及時(shí)處理而不至于故障擴(kuò)大[2-5]。系統(tǒng)采用電源電氣隔離設(shè)計(jì)、被監(jiān)測(cè)信號(hào)高阻接入方式，其本身發(fā)生故障時(shí)不會(huì)干擾機(jī)車牽引控制電路正常工作；系統(tǒng)的485總線[6-8]端口采用四級(jí)抗干擾措施來(lái)抑制機(jī)車強(qiáng)電磁產(chǎn)生的浪涌干擾，保證在強(qiáng)電磁環(huán)境下終端之間的正常通信。

系統(tǒng)主要電氣性能指標(biāo)

1）控制電源：110 VDC±5%。

2）蓄電池測(cè)試點(diǎn)，≤105VDC±1%時(shí)，故障提示指示燈閃爍。

3）自動(dòng)開(kāi)關(guān)50QA測(cè)試點(diǎn)，≥1.6 VDC±1%時(shí)，故障提示指示燈閃爍。

4）顯示方式：三位LED數(shù)碼管，顯示誤差：±1 VDC。

5）485總線速率：19.2 kbps。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 終端電路及485總線抗干擾設(shè)計(jì)

狀態(tài)采集終端主要功能是狀態(tài)數(shù)據(jù)在線實(shí)時(shí)采集、分析與處理，并通過(guò)485總線送至狀態(tài)顯示終端；狀態(tài)顯示終端顯示系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)及報(bào)警信息。

2.1 狀態(tài)采集終端

圖2為控制電源結(jié)構(gòu)框圖，圖中XDC為蓄電池。狀態(tài)采集終端控制器采集電池正端96 V+到110 V-端之間電壓值，當(dāng)其數(shù)值小于105 VDC時(shí)，說(shuō)明控制電源或蓄電池發(fā)生故障；采集控制電源96 V-到110 V-端之間的電壓值，即XDC的負(fù)端，通過(guò)測(cè)量自動(dòng)開(kāi)關(guān)50QA的觸點(diǎn)電壓值來(lái)計(jì)算其接觸電阻值，當(dāng)其數(shù)值大于1.6 VDC時(shí)，說(shuō)明自動(dòng)開(kāi)關(guān)50QA出現(xiàn)接觸不良現(xiàn)象。

圖2 控制電源結(jié)構(gòu)框圖

圖1可知，狀態(tài)采集終端電路主要由單片機(jī)控制器（MCU）、電壓采集模塊、485驅(qū)動(dòng)模塊和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源組成。

2.1.1 狀態(tài)電壓采集電路

圖3為110VDC/蓄電池電壓采集電路，其功能是采集110VDC電源電壓與蓄電池兩端的狀態(tài)電壓值。由于系統(tǒng)工作在機(jī)車強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下，電路中增加系列保護(hù)與抗干擾措施，其中，二極管D5反極性保護(hù)、可恢復(fù)保險(xiǎn)絲FU5過(guò)流保護(hù)、穩(wěn)壓管ZD5過(guò)壓保護(hù)；其次，根據(jù)鐵道行業(yè)現(xiàn)有機(jī)車設(shè)備附加電子監(jiān)測(cè)設(shè)備電氣規(guī)范要求規(guī)定，電子監(jiān)測(cè)設(shè)備本身發(fā)生故障時(shí)，不能干擾或影響機(jī)車電氣電路系統(tǒng)的正常工作，通用要求是電源部分需要電氣隔離設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)信號(hào)需高阻接入。此電路R17（150K）、R18分壓采用高阻接入方式。

圖3 110VDC/蓄電池電壓采集電路

2.1.2 STC12C5204AD單片機(jī)

單片機(jī)選用STC公司STC12C5204AD芯片[9-11]，其內(nèi)置8路8位AD變換器（ADC）。ADC配置一個(gè)逐次比較型AD變換器，具有速度快、功耗低的特點(diǎn)。圖4為單片機(jī)電路，其主要功能是狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、分析處理，并將處理結(jié)果通過(guò)485總線送至狀態(tài)顯示終端。結(jié)合圖3采集信號(hào)輸入分壓電路，ADC數(shù)據(jù)分辨率Res為：

分辨率0.605值可以滿足105VDC±1%的測(cè)量精度要求。

圖4 單片機(jī)電路

2.1.3 電源電路

電源電路由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路與集成穩(wěn)壓電路兩組成，通過(guò)二次穩(wěn)壓方法來(lái)進(jìn)一步抑制5 V電源中的紋波噪聲；其次，提高次級(jí)輸出電壓可減小初次級(jí)電壓比，增加次級(jí)繞組匝數(shù)，增強(qiáng)次級(jí)線圈匝數(shù)間磁耦合強(qiáng)度，減小變壓器漏感，可降低開(kāi)關(guān)電源熱損耗，提高電源轉(zhuǎn)換效率，也有利于抑制紋波噪聲，電源電路如圖5所示。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式，通過(guò)開(kāi)關(guān)變壓器TR1與光耦合器U8實(shí)現(xiàn)了初次級(jí)電氣隔離；選用TOP222單片開(kāi)關(guān)電源芯片，芯片集成度高，所用外圍元減少，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，有利于提高電路可靠性。

2.2 狀態(tài)顯示終端

由圖1可知，狀態(tài)顯示終端電路的MCU通過(guò)485總線與狀態(tài)采集模塊進(jìn)行通信，收到狀態(tài)采集終端的電壓數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)后，由LED顯示與報(bào)警提示模塊顯示蓄電池電壓值；如送報(bào)警信號(hào)，LED燈閃爍。

2.3 485總線抗干擾設(shè)計(jì)

在電力機(jī)車牽行工作時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大電磁干擾，在電子設(shè)備或電子組件上感應(yīng)產(chǎn)生很高的浪涌電壓（共模電壓），雖然RS485接口采用差分傳輸方式，具有一定的抗共模干擾的能力，但在機(jī)車現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，是很容易超過(guò)其所能承受的極限值，有時(shí)甚至?xí)龤酒螂娮咏M件。如采用單個(gè)保護(hù)元件組件無(wú)法滿足要求，需要將幾種保護(hù)電路組合起來(lái)，構(gòu)成多級(jí)保護(hù)電路，把機(jī)車侵入的浪涌暫態(tài)電壓逐級(jí)限制在一個(gè)很低的電平；同時(shí)，通過(guò)聚合物自恢復(fù)保險(xiǎn)絲（PPTC）對(duì)接口進(jìn)行過(guò)流保護(hù)。這樣，利用各級(jí)保護(hù)元件的配合，將幅值很高浪涌暫態(tài)電壓電流限制在可以耐受的低電壓值，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)485通信接口保護(hù)。采用四級(jí)保護(hù)電路元件依次為氣體放電管TU1（GDT）、FU1（PPTC）、瞬態(tài)電壓抑制器ZD3（TVS）、齊納二極管ZD1～ZD2；同時(shí)，采用高頻開(kāi)關(guān)管串聯(lián)齊納二極管的方法來(lái)減小保護(hù)元件的寄生電容，提高信號(hào)傳輸速率[12-15]。RS485總線接口電路如圖6所示。

圖5 電源電路

圖6 RS485總線接口電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制電源監(jiān)測(cè)及故障提示系統(tǒng)由狀態(tài)采集終端與狀態(tài)顯示終端組成，由各自獨(dú)立單片機(jī)控制，并通過(guò)RS485總線進(jìn)行相互之間通信[16]。由于RS485總線采用主從方式進(jìn)行通信，狀態(tài)采集終端的單片機(jī)定義為主機(jī)，狀態(tài)顯示終端的單片機(jī)定義為從機(jī)。系統(tǒng)軟件由狀態(tài)采集終端控制程序和狀態(tài)顯示終端控制程序組成。狀態(tài)采集終端程序流程如圖7（a）所示。狀態(tài)顯示終端程序流程如圖7（b）所示。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用

上海機(jī)務(wù)段在韶山SS8型機(jī)車上安裝機(jī)車控制電源監(jiān)測(cè)及故障提示系統(tǒng)34臺(tái)。在機(jī)車中安裝使用兩年來(lái)，采用數(shù)字方式設(shè)計(jì)的系統(tǒng)[17]，具有抗干擾能力強(qiáng)，數(shù)據(jù)通信準(zhǔn)確可靠，故障率極低和安裝方便的特點(diǎn)。系統(tǒng)對(duì)控制電源在線狀態(tài)檢測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了控制電源、蓄電池和自動(dòng)開(kāi)關(guān)存在隱性故障或性能缺陷，通過(guò)技術(shù)人員維修或更換不良器件[18]，消除了故障隱患，大大改善了機(jī)車控制電源工況，提高了機(jī)車運(yùn)行的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際應(yīng)用，驗(yàn)證了機(jī)車控制電源監(jiān)測(cè)及故障提示系統(tǒng)很好地彌補(bǔ)了機(jī)車控制電源設(shè)計(jì)上的缺陷，有效地降低了機(jī)車機(jī)破途停事故發(fā)生概率，提高了機(jī)車運(yùn)行可靠性。此方案同樣也適用于韶山系列其它型號(hào)的電力機(jī)車，如SS7D型電力機(jī)車、SS9型電力機(jī)車等，有廣泛地推廣應(yīng)用價(jià)值。

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Design of monitoring and failure alarm system for control power in electric locomotive

JIANG Guo-dong1，ZHANG Yue-jin2
（1.Department of Energy and Electrical Engineering，Nanjing Institute of Industry and Technology，Nanjing 210046，China；2.Shanghai Locomotive Depot，Shanghai 200070，China）

A monitoring and failure alarm system is designed to solve the problem of emergent stop when appearing failure of control power.The on-line supervision of working condition for control power，storage cells and automatic switches is achieved by the way of digital signal processing.The potential drawbacks or performance defects can be located through data analysis，then，the corresponding measures are taken to eliminate the failure and to avoid emergent stop.Testing by 34 of SS8 electric locomotive，the failure frequency of control power is significantly reduced and the working condition of control power is improved，which leads to the increase of operation reliability.

control power；storage cell；terminal；electric locomotive

TN99

A

1674-6236（2016）24-0183-04

2015-12-24 稿件編號(hào)：201512252

江蘇省教育廳預(yù)研資助項(xiàng)目（ZK12-04-02）

江國(guó)棟（1962—），男，浙江余姚人，副教授。研究方向：電源及工業(yè)控制。