基于試驗分析的CRH2A動車組電茶爐開關(guān)電源常見故障修復(fù)方法研究

王化新，李知賢，韓志遠(yuǎn)，趙鵬，李先偉，尹朋朋

（青島動車段，山東 青島266000）

0 引言

電茶爐作為動車組旅客服務(wù)設(shè)施的重要組成部分，為旅客及司乘人員提供健康的飲用水。開關(guān)電源作為電茶爐的核心部件之一，對電茶爐的正常工作有著重要作用，將動車組提供的DC100 V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的DC24 V，為電茶爐電控箱控制板、進(jìn)水電磁閥、溢水板及電源指示燈供電，從而實(shí)現(xiàn)電茶爐電氣控制、水位控制、溢水報警及放開水等功能[1]。因此，開關(guān)電源的好壞將直接決定電茶爐能否正常工作。

近年來，隨著動車組運(yùn)營里程的增加，電茶爐故障已成為動車組旅客服務(wù)設(shè)施傾向性故障，電茶爐故障的維修和處理越來越受到關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計，2019年濟(jì)南東動車所配屬的CRH2A型動車組電茶爐電氣故障約有400件，其中與開關(guān)電源相關(guān)的故障有285件，占故障總數(shù)的70%以上。傳統(tǒng)換件修的維修方式成本高，受物料供應(yīng)的影響大，極大地影響客室整修質(zhì)量及旅客乘坐體驗。

本文首先對CRH2A型動車組電茶爐開關(guān)電源的工作原理進(jìn)行分析，然后對現(xiàn)有的故障開關(guān)電源進(jìn)行試驗，研究導(dǎo)致開關(guān)電源指示燈閃爍、不亮等故障現(xiàn)象的原因，判斷故障元件，進(jìn)而通過更換故障元件對開關(guān)電源進(jìn)行修復(fù)，最后確認(rèn)修復(fù)后的開關(guān)電源工作狀態(tài)良好，電茶爐工作正常。

1 開關(guān)電源工作原理分析

開關(guān)電源是一高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，其作用為輸入電壓Ui通過開關(guān)S的周期性通斷輸出所需的輸出電壓Uo，如圖1所示，其中TON為開關(guān)S在一個周期內(nèi)導(dǎo)通的時間。

圖1 開關(guān)電源原理圖

動車組電茶爐開關(guān)電源由輸入電路、控制電路、穩(wěn)壓反饋電路、輸出電路等4個主體組成，其電路圖如圖2所示。工作原理為：外部DC100 V電壓通過電容CX1、CX2和共模電感的噪聲濾波及橋式全波整流濾波得到有效抑制干擾和浪涌的平滑電壓，得到的電壓通過啟動電阻R2和啟動電容C4流向芯片UC3842的7腳，使UC3842啟動[2]。啟動后，UC3842內(nèi)部的PWM比較器工作，使UC3842的6腳輸出高低電平電壓推動開關(guān)管N-MOS管Q1工作，使變壓器一次側(cè)的電壓成為脈沖電壓。脈沖電壓使變壓器二次側(cè)產(chǎn)生相同波形的脈沖電壓，而后經(jīng)過濾波整流和反饋穩(wěn)壓得到需要的24 V穩(wěn)定電壓。

圖2 CRH2A型動車組開關(guān)電源電路圖

2 常見故障試驗分析

為了更好地對開關(guān)電源故障進(jìn)行快速修復(fù)，現(xiàn)對25個故障開關(guān)電源進(jìn)行試驗分析，其故障試驗表征統(tǒng)計如表1所示。

表1 開關(guān)電源故障表征統(tǒng)計表

根據(jù)以上故障表征，可快速判別出故障原因并進(jìn)行修復(fù)。

2.1 發(fā)光二極管不亮或閃爍故障分析

故障表征:發(fā)光二極管不亮、無輸出電壓，或發(fā)光二極管閃爍、輸出電壓在10～24 V之間的某個區(qū)段跳變。

故障原因: 前者為啟動電容C4容量低于額定工作容量47 μF，芯片UC3842啟動電壓達(dá)不到16 V以上，芯片UC3842無法正常啟動；后者為啟動電容C4容量不符合實(shí)際容量標(biāo)準(zhǔn)47 μF，其放電時間小于芯片UC3842輸出脈沖的高電平持續(xù)時間導(dǎo)致發(fā)光二極管閃爍。

原理分析：接通電源開關(guān)后，外部DC100 V電壓通過電容CX1、CX2和共模電感的噪聲濾波，DX橋式全波整流濾波得到有效抑制干擾的平滑穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓后，電壓一路經(jīng)變壓器的一次側(cè)到N-MOS管的D極；另一路經(jīng)啟動電阻R2對啟動電容C4進(jìn)行充電，當(dāng)啟動電容C4兩端電壓達(dá)到一定值時，UC3842的7腳得到正常啟動電壓16 V以上，UC3842開始工作。UC3842的PWM控制芯片的振蕩電路工作，6腳輸出推動N-MOS管工作，輸出信號為高低脈沖電壓[3]。高電壓脈沖期間，N-MOS管導(dǎo)通，電流通過變壓器一次側(cè)繞組，同時把能量儲存在變壓器中。此時變壓器各路輔助繞組沒有能量輸出。當(dāng)6腳輸出低電平脈沖時，N-MOS管截止，根據(jù)楞次定律，變壓器一次側(cè)繞組產(chǎn)生感生電動勢，二次側(cè)繞組各路二極管導(dǎo)通，變壓器二次繞組上感應(yīng)產(chǎn)生的脈沖電壓經(jīng)二極管D6、電容C4整流濾波后產(chǎn)生直流電壓，取代電阻R2和電容C4構(gòu)成的啟動電路為UC3842提供工作電壓[4]。

啟動電容C4和UC3842并聯(lián)，為UC3842芯片儲能，電容C4的放電時間要大于UC3842輸出脈沖高電平的持續(xù)時間，使得UC3842的7腳有穩(wěn)定、充足的輸入電壓。當(dāng)C4實(shí)際容量遠(yuǎn)低于額定容量時，電容量過低，蓄能嚴(yán)重不足，電容C4無法為UC3842的7腳提供穩(wěn)定持續(xù)的16 V以上啟動電壓，輸出電壓會持續(xù)振蕩，輸出發(fā)光二極管也會頻閃。電壓達(dá)不到16 V時，UC3842的7腳欠壓鎖定，UC3842處于保護(hù)狀態(tài)，無法正常啟動工作，整個電路就沒有輸出電壓，發(fā)光二極管自然也不亮。故障表征1所對應(yīng)的故障開關(guān)電源啟動電容C4的容量如表2所示。

表2 故障表征1對應(yīng)的開關(guān)電源啟動電容C4容量統(tǒng)計表 μF

2.2 電源指示燈頻閃且暗的故障分析

故障表征：輸出發(fā)光二極管較暗且閃爍，輸出電壓1～3 V跳變。

故障原因：精密穩(wěn)壓器TL431擊穿損壞。

原理分析：TL431配合光耦合器構(gòu)成電路的穩(wěn)壓反饋回路。TL431可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過光耦合器對輸出電壓進(jìn)行精確的調(diào)整。輸出電壓經(jīng)TL431取樣后，與TL431內(nèi)部的2.5 V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。當(dāng)輸出電壓下降時，取樣電壓亦下降。取樣電壓與基準(zhǔn)電壓經(jīng)誤差放大器比較后，由光耦合器輸入到UC3842的PWM比較器。PWM比較器輸出脈沖寬度加寬，N-MOS管導(dǎo)通時間延長，一個周期內(nèi)高電平電壓占比增大，經(jīng)輸出回路整流濾波后的平滑直流輸出也相應(yīng)增大，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓反饋?zhàn)饔肹5]。反之，變壓器二次側(cè)輸出的脈沖電壓中低電平在一個周期內(nèi)占比增大，經(jīng)輸出回路整流濾波后的平滑直流輸出也相應(yīng)降低。

若精密穩(wěn)壓源TL431被擊穿損壞，取樣電壓與TL431中的2.5 V帶隙基準(zhǔn)電壓無法進(jìn)行比較，從而無法形成誤差電壓，最終導(dǎo)致無法調(diào)節(jié)輸出占空比，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓反饋電路不能對開關(guān)電源輸出電壓的變化作出正確的響應(yīng)，此時N-MOS管調(diào)整方向不對，使低電平輸出占比增大，從而造成開關(guān)電源輸出電壓低。

2.3 輸出電壓低的故障分析

故障表征：輸出濾波電容鼓包、漏液，或輸出電壓低于24 V（負(fù)載狀態(tài)下）。

故障原因：輸出端濾波電容C11、C13、C14額定容量不足，低于正常工作容量，無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓濾波。

圖3 輸出端電路圖

原理分析：在變壓器二次側(cè)輸出回路中，輔助繞組通過二極管輸出整流后的高低電平的脈沖電壓，如圖3所示。輸出端通過并聯(lián)電容和串聯(lián)電感，先利用自身充放電特性使輸出脈動直流電壓和電流調(diào)整為平滑直流電壓和電流，然后將回路的殘留電壓、電流的諧波成分濾除。C11、C13、C14濾波電容并聯(lián)配合濾波電感L1可以降低阻抗，調(diào)整電流電壓，濾除直流電中不需要的波動成分，降低電磁干擾，得到平滑直流輸出，使輸出回路輸出24 V穩(wěn)定工作電壓。

當(dāng)輸出端濾波電容均低于額定容量時，自身容量降低，充放電能力下降，輸出回路難以將高低電平的電壓調(diào)整為穩(wěn)定的24 V輸出電壓，使開關(guān)電源輸出負(fù)載能力下降。故障表征3對應(yīng)的開關(guān)電源輸出濾波電容容量統(tǒng)計如表3所示。

表3 故障表征3對應(yīng)的開關(guān)電源輸出濾波電容容量統(tǒng)計表μF

3 維修方案及驗證

針對以上故障原因，提出以下修復(fù)方案：1）取出電路板，用洗板水進(jìn)行清洗，觀察電路板上各元器件的外觀，確認(rèn)是否有發(fā)黑或燒焦的痕跡，各電阻是否有松動的現(xiàn)象，尤其需要特別注意電容元件是否有鼓包或爆裂漏液的情況發(fā)生。2）使用熱風(fēng)槍對電路板上故障原件對應(yīng)的焊點(diǎn)進(jìn)行加熱，用洗板水清除殘留的焊錫和雜質(zhì)，涂抹助焊油，將融化的焊錫均勻地覆蓋在管腳處，取下故障原件。3）用鑷子將相應(yīng)新元件安裝在對應(yīng)的管腳處，將電烙鐵調(diào)至300～350 ℃，將元件重新焊接在電路板上，注意電氣元件的正負(fù)極，焊接完成后，觀察管腳是否有虛焊、脫焊等現(xiàn)象，確保焊接狀態(tài)良好。4）進(jìn)行通電試驗，確認(rèn)發(fā)光二極管正常，輸出電壓穩(wěn)定在24 V，開關(guān)電源工作正常，電茶爐正常工作。

為確保修復(fù)后的開關(guān)電源可以正常工作，對修復(fù)后的開關(guān)電源板進(jìn)行點(diǎn)溫試驗。以故障表征1為例，當(dāng)通過更換啟動電容C4使開關(guān)電源板正常工作后，每隔2 h對C4電容進(jìn)行點(diǎn)溫測量，并與新開關(guān)電源板C4電容的點(diǎn)溫數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，確保更換后的C4電容工作溫度無異常，開關(guān)電源板工作溫度在正常溫度范圍內(nèi)。如圖4所示，啟動電容C4工作溫度隨著時間而逐漸升高，當(dāng)正常工作6 h后，溫度逐步平穩(wěn)在40～45 ℃之間；同時，新開關(guān)電源板與修復(fù)后的開關(guān)電源板啟動電容C4的工作溫度的最大差值為1 ℃，屬于合理的誤差范圍，說明通過更換故障元件修復(fù)開關(guān)電源板的方案是可行的。

圖4 開關(guān)電源啟動電容C4工作溫度隨時間變化曲線圖

4 結(jié)論

通過對CRH2A電茶爐開關(guān)電源工作原理的分析及常見故障的統(tǒng)計得知：1）電茶爐開關(guān)電源故障中，由輸出濾波電容容量不足導(dǎo)致的發(fā)光二極管暗、輸出電壓不穩(wěn)定的情況十分普遍；2）啟動電容C4在穩(wěn)定開關(guān)電源輸出電壓及正常啟動芯片UC3842作用明顯，且該電子元件額定工作容量隨著工作時間的延長有明顯下降，在故障排查中應(yīng)重點(diǎn)檢查；3）精密穩(wěn)壓源TL431在采樣與穩(wěn)壓反饋回路中，對開關(guān)電源輸出電壓的變化作出正確的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)精密調(diào)壓和穩(wěn)壓；4）通過更換故障元件來實(shí)現(xiàn)修復(fù)開關(guān)電源的方案是可行的，可極大降低維修成本；5）啟動電容C4的額定工作容量為50 V/47 μF，建議更換更高額定容量的電容（例如50 V/100 μF），可更好地延長開關(guān)電源使用壽命。

本次自主修復(fù)開關(guān)電源改變了以往換件修的傳統(tǒng)維修方式，解決了在沒有物料的情況下電茶爐開關(guān)電源故障處理的難題，維修成本大大降低（單個維修成本降低近1400元），成功做到了修舊利廢和節(jié)支降耗，創(chuàng)造了非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益，因此本方法具有較高的實(shí)用意義和行業(yè)推廣價值。