動車組車內設施修舊利廢多用途電源集成的設計

劉鵬飛，趙 鵬，朱亞東，朱文韜，齊 昊

（青島動車段濟南東動車所，山東 濟南 250100）

0 引 言

自濟南東動車所成立以來，客室設施如射燈、LED筒燈以及電茶爐開關電源等故障件多達723件。故障件的不斷累積給料庫的存儲造成了一定的壓力，同時新件的購買也是單位一筆巨額的開支。為響應和踐行總公司“節支降耗做貢獻，改革創新立新功”的號召，單位對故障件進行了梳理。經統計，在修舊利廢的基礎上進行創新性改造和發明，發現這些故障件在維修過程中需要通電檢測故障點，且維修后需要通電驗證其功能是否能夠達到二次上車標準。需要維修的故障電氣件有不同的額定電壓，即需要針對不同件提供不同大小、制式的電壓，因此需要一個多功能的電源裝置來完成故障件的維修檢測和功能性驗證過程[1]。

在修舊利廢的前期，測量元件參數及排除故障后都要上實車測試，手續繁多等限制了維修進度且測試時間被動，阻礙了項目的快速推進[2]。針對此問題，相關工作人員經過深入研究、分步實施以及總結提煉，開展了多用途電源集成的設計與制作[3]。

為了更加確切地掌握不同種類型號舊件所需要的電壓參數，調查了所內廢料庫的所有舊件，并統計了舊件的電壓等級及制式，結果如表1所示。

表1 舊件的電壓等級及制式

1 硬件和軟件的設計

多用途電源裝置分主體和輔助兩部分。主體部分是直流電（具有短路保護功能的開關電源）和交流電（繞組變壓器）的輸出部分，以滿足不同產品的供電需求，實現多用途。輔助部分由絕緣防水的保護外殼、數字直流電壓顯示表、數字交流電壓顯示表、船型開關、可調旋鈕、公母插頭以及導線等組成，具有公母插頭組件的一進多出試驗線插和具有公母插頭組件的電源輸入線[4]。

1.1 開關電源工作原理分析

開關電源的工作原理圖和波形圖如圖1所示。圖1中輸入的直流不穩定電壓Ui，經開關S加至輸出端。S為受控開關，是一個受開關脈沖控制的開關調整管[5]。使開關S按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經濾波電路進行平滑濾波，就可得到穩定的直流輸出電壓U0[6]。

圖1 開關電源原理圖

所選用的開關電源由輸入電路、控制電路、穩壓反饋電路以及輸出電路4個主體組成，電路如圖2所示。

圖2 開關電源電路圖

1.2 直流部分參數及特性要求

直流部分的參數如表1所示。此外，系統內置EML濾波器，具有過壓、過流、過載及短路保護（多重保護安全）[7]；耐壓測試為輸入對地1.5 kV AC/min；散熱方式為自動溫度控制散熱（效率更高）；調壓旋鈕可方便直流輸出電壓的調整，配合直流電壓表，可以直觀觀察筒燈的工作電壓。

表1 直流部分的參數

研究表明，動車組的實際設計中，為保證光線柔和舒適，和車廂內部照明效果一致，采用人眼感覺較舒適的3 982 K+275 K的色溫區域，保證乘客在車廂內不會因為燈光而不適[8]。而多用途集成電源為筒燈提供工作電壓，可以模擬動車組的工作環境。同時，在修好的基礎上通過調節旋鈕可以做耐壓實驗，分析實驗記錄的數據得出筒燈在不同電壓下的工作時間、狀態及在高壓損害后電路板上電子元器件的損壞情況。以筒燈為例，實驗中當試驗電壓低于67 V時，照明昏暗，亮度明顯減弱。筒燈的額定電壓為100 V。當試驗電壓高于134 V時，照明度達到最大。3種試驗過程的電壓段依次稱為低壓、中壓和高壓。對3個電壓段內相同照明時間（8 h）下的指標進行統計，結果如表2所示。

表2 不同電壓下的狀態對比

直流部分采用進口元器件，可靠性高，內置WMI濾波器，抗干擾性好，直流波紋小，工作效率高。設計軟啟動電路，交流浪涌電流限制，工作溫度低，使用壽命長，絕緣性好，抗電強度高，具有短路、過載、過壓以及保護功能，同時配有高效智能散熱器[9]。

1.3 交流部分參數及特性要求

直流部分的參數如表3所示[10]。此外，系統調壓旋鈕可方便調整交流輸出電壓，全程可調。

表3 交流部分的參數

系統采用的單相交流接觸調壓器，可用在調壓、控溫、調速、調光以及功率控制等場所。交流部分使用范圍十分廣泛，多用于化工、冶金、儀器儀表、機械制造、輕工工業、公用設備以及家用電器等場所，具有無附加波形失真、輸出電壓可從零電壓起始調節、瞬時過載能力強、空載電流小、空載損耗小、效率高、噪音小以及壽命長等特點，適宜各種感性、容性以及電阻負載使用。內部采用的紫銅線圈，具有導電性強、電阻率低、導熱性強以及強度高的特點。

1.4 電源箱的輔助功能設計

1.4.1 電路控制，數值顯示

交流輸入端處、交流輸出以及直流輸出處各設置一處開關保護，不僅提高了裝置的安全性能，還能夠實現單線通電，減少電能的浪費。

輸出端有直流輸出電壓（表）顯示和交流輸出電壓（表）顯示，方便操作者操作調壓旋鈕來選取合適的電壓。

1.4.2 輸入輸出線排

采用公母插頭，將箱體和線排分開，保證了裝置的便攜性。直流輸出處接2進12出并聯線排，可一次性滿足6個射燈同時供電。此外，它設計了與筒燈匹配的試驗線插，大大提高了射燈供電檢測效率。

1.4.3 絕緣盒子

將所有模塊都集中固定在一個絕緣盒子里，保證各模塊同時工作互不干擾，極大地提高了整套裝置的美觀性和便攜性。

2 時間對比

在修舊利廢的前期，測量元件參數及排除故障后測試都要上實車測試，手續繁多等限制了維修進度且測試時間被動。而多用途電源測試不受場地和時間的限制，特別是在檢測階段、修復階段以及試驗階段，節約了大量時間，提高了修復效率和修復質量。

3 效益評價

3.1 經濟效益

在實驗室內就可進行供電作業，節約了上車操作時間，減少了場地的限制性，提高了修復效率，滿足了單一產品的同時多組供電需求，提高了檢測效率。不同范圍的輸出電壓能夠滿足不同產品的供電需求，實現了多用途。

3.2 社會效益

響應節能降耗，用修舊利廢的實際行動將口號落到實處。保證列車的車內設施完好，為旅客提供一個美好的乘坐體驗。

4 結 論

下一步將設計電源箱自主供電（太陽能板），無需外接電源，將外部線排整合到集成盒內部，實現集成化和智能化，最終成形為應急升弓電源，并應用于實際作業和故障處理。