供電網絡對CRH 5型動車組內外端門控制器的影響分析

黃常維

引言

CRH5車型是中國鐵道部為實行中國鐵路第六次大提速向法國阿爾斯通和中國中車集團長春軌道客車股份有限公司訂購的CRH系列動車組，是中國引進國外技術改造的客運列車種類之一，構造速度為250km/h，整個系列都比較耐高寒，其中CRH5G型最優，同時具有抗風、沙、雨、雪、霧等惡劣天氣的能力[1-2]。

通常情況上，高速列車在運行過程中，電源電壓經過受電弓、整流器、逆變器之后[3]仍然波動頻繁，經常出現浪涌和高頻諧波[4]，噪聲干擾嚴重，供電環境極其惡劣，給車載各類門控系統的使用帶來了極大的困難。據介紹中國首批從法國阿爾斯通進口的動車在使用過程中，由于內外端門控制器出現故障，時常出現車門打不開造成列車晚點，燒壞的數量很多。針對電網供電質量的一些問題研究分析進口門控器電源系統的缺陷，為開發新款與法國阿爾斯通進口的產品完全兼容，而性能指標優于進口產品的內外端門控制器提供技術支持。

1 動車組供電系統

動車組的電源由交流25kV電網提供，通過變壓器、整流器、變流器等設備轉換成動車組內部不同的電源制式，為不同的系統單元供電。如圖1所示，對于自動門控制系統的工作電源，需要經過四級變換獲得。

圖1 動車組電源系統

（1）交流25kV電網電壓經過主變壓器的二次繞組降壓獲得交流790V電壓。

（2）交流790V電壓通過交直流轉換和整流器得到直流600V電壓。

（3）直流600V電壓通過DC-DC變換獲得直流110V電壓。

（4）直流110V電壓通過蓄電池儲能和DC-DC變換獲得24V直流電壓。

動車自動門控制系統的工作電源由動車組的電源系統提供，標稱電壓為24V，允許波動范圍是16.8V～30V，也就是最后一級變換獲得的直流24V電壓和蓄電池提供的24V電壓共同為自動門控制系統供電。由于電網電壓標稱為25kV，實際是在19kV～29kV之間波動，并且車內存在大量的感性負載和大功率器件，所以在高速行駛過程中，自動門控制系統的供電電壓會產生波動。因此，自動門控制系統的設計電源要求在16.8V～30V電壓范圍內正常工作。在實際工作環境中，電壓的波動范圍常常會超過允許的波動范圍，產生幅值較高的脈沖尖峰，導致電路器件受損。在設計硬件系統時，需要考慮輸入電壓范圍，確定足夠的安全裕量，保證系統安全。

2 動車組門控器存在的問題分析

通過分析動車組供電系統可知，自動門控制系統的輸入電源為直流24V電壓，波動范圍是16.8V～30V。然而，在動車組列車實際運行過程中，受電弓上上波動致使電壓出現浪涌不穩定[5]，各種大功率電器設備工作引起電壓波動以及變電過程和空間干擾產生的高次諧波等使自動門控制系統的供電輸入電壓遠超出16.8V～30V范圍，同時高次諧波和空間電磁噪聲干擾十分嚴重。雖然，法國阿爾斯通進口的自動門控制器的輸入電壓范圍是16.8V～36V，但是，實際使用過程中燒損數量很多，程序丟失或跑飛，控制板靜電干擾嚴重，圖2和圖3是典型損壞的照片。

圖2 程序已經跑飛的控制板

圖3 燒損的控制板

自動門控制系統的電源由三部分組成，控制板需要的穩定的直流5V和24V電源以及輸入的直流24V電壓經過保護電路提供給電機的直流24V電源。法國阿爾斯通進口的自動門控制器的電源采用單管反激式開關電源產生系統所需要的電壓，選擇了一種電流型脈寬調制器芯片UCC2813作為主控器，控制著MOS管IRF530的導通與截止，進而使變壓器原邊繞組中產生交變的電流信號，次邊輸出兩路交變的電流信號。經過整流濾波電路后，一路獲得穩定的24V電壓作為輸入輸出接口等電路單元的電源，另一路獲得穩定的5V電壓作為數字信號控制器等邏輯控制單元的電源。由于DC-DC變換器的輸出電流能力有限，無法為電機提供穩定的24V電源，因此，電機電源不經過穩壓模塊，直接由原始的直流24V電源經過保護電路提供，波動范圍是16.8V～30V。

通過研究分析進口自動門控制器電源的電路原理可以看出，該電源系統主要存在以上幾個不足:

（1）輸入變壓器原邊的保護電路過于簡單，主要部分就是電容和TVS二極管，當頻繁出現過高浪涌電壓沖擊時，TVS二極管也會頻繁導通和截止，無法降低變壓器原邊的波動性。如果TVS二極管開關頻率過大還會增加變壓器次邊出現高壓的幾率，并會出現高次諧波干擾。

（2）輸出的兩路直流電源，5V電源采用了低壓差線性穩壓器，而24V電源只是采用了整流濾波，沒有穩壓電路，會使電壓波動很大。

（3）電源部分缺少屏蔽，特別是電源變壓器沒有屏蔽，外部的干擾和噪聲會直接帶入電源系統，致使數字信號控制邏輯混亂，嚴重的會使存儲的程序丟失，造成不可預料的后果。

（4）電源部分采用分立元器件構成，焊接調試后一致性和長期工作穩定性難以保證，而且，電源系統在不同負載上的能效參差不齊，低負載時容易造成PCB板上的熱負載上升，同時，分立元器件構成的電路可靠性也不高。

3 動車組門控器改進建議

雖然國內外生產電力動車的廠家很多，但是不同生產廠家的產品標準和參數完全不同，其中使用的內外端門控制器也是一樣，沒有統一的規范和標準，CRH5型電力動車組的內外端門控制器只有法國阿爾斯通公司提供，目前市場上沒有替代產品。國內門控器研發都集中在CRH380型，青島科技大學研究生王志對此類動車組內端門控制系統進行了理論研究和仿真[6]，沒有廠家研發或生產，而臺達公司對此款門控器進行了改型，性能和參數完全不一樣，只有少量的應用。由于各種糾紛阿爾斯通公司早已終止合同禁止向中國供貨，因而，在不久的將來，國內已投入運行十多年的動車內外端門控制器維修困難，備件短缺，新生產的動車內外端門控制器面臨改型的困境，可見，研制CRH5型門控器具有很大的經濟效益和社會效益。

目前，市場上已有技術和產品就是法國阿爾斯通公司提供的同類型的內外端門控制器，其工作電壓范圍是16.8-36V，缺少按鈕保護、程序丟失保護和死區軟件調整等功能，致使在運行過程中故障頻出，燒損的數量很大，由此研究分析了進口自動門控制器的缺點與不足，也進行了實驗產品的開發，根據已有的經驗提出以上改進建議:

（1）增加浪涌抑制器和濾波電路去除部分幅值較高的脈沖尖峰，降低器件受損的幾率。通過模塊化設計，采用專業的隔離穩壓電源模塊，提高電源電壓的輸入范圍和輸出電壓精度，減小輸出電壓紋波，增加電源電壓和電流的各種保護功能。

（2）采用電壓抑制電路和靜電泄放吸收電路增加電路抗靜電保護功能，減少由于高壓靜電燒毀門控器的可能性。

（3）為了保護寫入的控制程序不丟失，采用保護電路抑制程序寫入數據線和配合時鐘在干擾條件上出現錯誤。

（4）將功率驅動管的死區時間由硬件設定改為軟件調整，避免由于制造參數的誤差或各種噪聲干擾導致H橋同臂間短路問題，同時也提高了控制系統的適應性。

4 結論

動車組供電網絡的質量直接影響內部各種電器設備的運行，動車組內部自動門控制系統電源部分的核心器件是DC-DC變換器，為了改正進口門控器核心部件存在的問題，給出了技術上改進的參考建議。由此可見，自動門控制系統需要工作電壓范圍更寬，并能有效地防止電源電壓劇烈頻繁波動和浪涌，具備很強的干擾噪聲抑制能力，這樣才能最大限度減少燒毀門控器和程序丟失的可能性，才能提高動車運行的安全性和可靠性。