電力機車控制電源監測系統的設計淺談

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中的重要環節，一旦發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監測系統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顯示終端設計要點，最后通過軟件系統設計與應用進行實證探析，希望本文研究能夠對廣大業內同仁提供有益思考和借鑒。

關鍵詞：電力機車；電源控制；監測系統；設計

1 電力機車控制電源系統應用現狀

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測系統能夠有效解決上述問題，通過該系統能夠及時發現控制電源系統存在的安全隱患，能夠將控制電源系統故障消除在萌芽階段，有效確保了機車的安全運行。

2 系統設計方案

本文所設計的監測系統主要由兩部分構成，一部分是狀態采集終端，一部分是狀態顯示終端。本系統具有非常強的智能化，對使用者沒有太高的技術要求和規范限制，在實時監測和全程顯示方面具有顯著優勢。當發生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。系統采用電源電氣隔離設計、被監測信號高阻接入方式，其本身發生故障時不會干擾機車牽引控制電路正常工作；系統的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，保證在強電磁環境下終端之間的正常通信。

系統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

電源電路由開關穩壓電路與集成穩壓電路兩組成，通過二次穩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 狀態顯示終端

由圖1可知，狀態顯示終端電路的MCU通過485總線與狀態采集模塊進行通信，收到狀態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 系統軟件設計與應用

控制電源監測及故障提示系統由狀態采集終端與狀態顯示終端組成，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，狀態采集終端的單片機定義為主機，狀態顯示終端的單片機定義為從機。系統軟件由狀態采集終端控制程序和狀態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測及故障提示系統34臺。在機車中安裝使用兩年來，采用數字方式設計的系統，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。系統對控制電源在線狀態檢測，及時發現了控制電源、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測系統能夠有效解決傳統機車控制電源系統在技術層面的問題，降低了機車控制電源故障發生率，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）