電力機車控制電源監(jiān)測系統(tǒng)的設計淺談

于泳 孫雨 張如意

摘 要：電力機車的電源控制是機車電氣系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)，一旦發(fā)生故障很可能會帶來一系列嚴重后果，因此加強電力機車控制電源系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的設計具有較強的現實必要性。對此，本文在簡要概述電力機車控制電源系統(tǒng)應用現狀的基礎上，提出了整體設計方案，分析了電源電路和狀態(tài)顯示終端設計要點，最后通過軟件系統(tǒng)設計與應用進行實證探析，希望本文研究能夠對廣大業(yè)內同仁提供有益思考和借鑒。

關鍵詞：電力機車；電源控制；監(jiān)測系統(tǒng)；設計

1 電力機車控制電源系統(tǒng)應用現狀

目前，電力機車控制電源應用基本是開關電源技術，其核心機制就是從主變壓器輔助繞組或專用繞組獲取電源，然后經過全橋DC-DC變換器整流及相關設備處理后，輸出110 VDC±5%，靜態(tài)電壓脈動有效值不超過5v，電流大小限制在50 A±10%范圍內。盡管這種電源經過了層層改進，但因原理層面的制約，依然存在明顯弊端，具體如下：

第一，因采取硬開關方式進行帶流開短，電耗較大，熱度高且很容易達到自動開關觸點；

第二，電路中di/dt最大值能夠達到8A/ns，而du/dt最大值能夠達到7V/ns，在寄生參數的影響下，非常容易形成強電磁干擾；

第三，充放電監(jiān)測和保護機制存在漏洞，很容易出現蓄電池過度虧電問題。

但因機車設計方案已經確定，機車生產也已經定型，所以要想完全解決上述問題顯然是不切實際的。只有通過對控制電源故障的深入剖析，針對相關問題展開技術改進，并在實際應用中進行完善，才是目前最合理的解決途徑。本文所涉及的控制電源監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效解決上述問題，通過該系統(tǒng)能夠及時發(fā)現控制電源系統(tǒng)存在的安全隱患，能夠將控制電源系統(tǒng)故障消除在萌芽階段，有效確保了機車的安全運行。

2 系統(tǒng)設計方案

本文所設計的監(jiān)測系統(tǒng)主要由兩部分構成，一部分是狀態(tài)采集終端，一部分是狀態(tài)顯示終端。本系統(tǒng)具有非常強的智能化，對使用者沒有太高的技術要求和規(guī)范限制，在實時監(jiān)測和全程顯示方面具有顯著優(yōu)勢。當發(fā)生110VDC電源異常、蓄電池回路開路、蓄電池充電回路故障和自動開關50QA故障時，系統(tǒng)會給出報警提示信號，以便機車乘務員及時處理而不至于故障擴大。系統(tǒng)采用電源電氣隔離設計、被監(jiān)測信號高阻接入方式，其本身發(fā)生故障時不會干擾機車牽引控制電路正常工作；系統(tǒng)的485總線端口采用四級抗干擾措施來抑制機車強電磁產生的浪涌干擾，保證在強電磁環(huán)境下終端之間的正常通信。

系統(tǒng)主要電氣性能指標有：

（1）控制電源：110VDC±5%。

（2）蓄電池測試點，≤105VDC±1%時，故障提示指示燈閃爍。

（3）自動開關50QA測試點，≥1.6VDC±1%時，故障提示指示燈閃爍。

（4）顯示方式：三位LED數碼管，顯示誤差：±1VDC。

（5）485總線速率：19.2kbps。

2.1 電源電路

電源電路由開關穩(wěn)壓電路與集成穩(wěn)壓電路兩組成，通過二次穩(wěn)壓方法來進一步抑制5V電源中的紋波噪聲；其次，提高次級輸出電壓可減小初次級電壓比，增加次級繞組匝數，增強次級線圈匝數間磁耦合強度，減小變壓器漏感，可降低開關電源熱損耗，提高電源轉換效率，也有利于抑制紋 波噪聲。開關穩(wěn)壓電路采用反激式拓撲結構模式，通過開關變壓器TR1與光耦合器U8實現了初次級電氣隔離；選用TOP222單片開關電源芯片，芯片集成度高，所用外圍元減少，簡化電路設計，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485總線與狀態(tài)采集模塊進行通信，收到狀態(tài)采集終端的電壓數據和報警信號后，由LED顯示與報警提示模塊顯示蓄電池電壓值；如送報警信號，LED燈閃爍。

3 系統(tǒng)軟件設計與應用

控制電源監(jiān)測及故障提示系統(tǒng)由狀態(tài)采集終端與狀態(tài)顯示終端組成，由各自獨立單片機控制，并通過RS485總線進行相互之間通信。由于RS485總線采用主從方式進行通信，狀態(tài)采集終端的單片機定義為主機，狀態(tài)顯示終端的單片機定義為從機。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。

某機務段在韶山SS8型機車上安裝機車控制電源監(jiān)測及故障提示系統(tǒng)34臺。在機車中安裝使用兩年來，采用數字方式設計的系統(tǒng)，具有抗干擾能力強，數據通信準確可靠，故障率極低和安裝方便的特點。系統(tǒng)對控制電源在線狀態(tài)檢測，及時發(fā)現了控制電源、蓄電池和自動開關存在隱性故障或性能缺陷，通過技術人員維修或更換不良器件，消除了故障隱患，大大改善了機車控制電源工況，提高了機車運行的可靠性。

通過工程實際應用，有效證實了本文設計的控制電源監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效解決傳統(tǒng)機車控制電源系統(tǒng)在技術層面的問題，降低了機車控制電源故障發(fā)生率，確保了機車運行的安全性和可靠性。而本文所設計的系統(tǒng)同樣適用于其他型號的電力機車，所有具有非常重要的現實應用和推廣價值。

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（作者單位：中車大連機車車輛有限公司）