地鐵車輛蓄電池控制電路分析及改進(jìn)

劉振帥

中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 山東 青島 266700

前言

該地鐵車輛屬于6編組2單元列車，每組單元由不帶動力的頭車（TC車）、帶動力帶受電弓的動車（MP車）和帶動力的動車（M車）組成，以TC-MP-M的編組方式連接，兩單元對稱分布得到TC-MP-M-M-MP-TC的編組連接方式。

蓄電池作為地鐵車輛輔助供電系統(tǒng)的重要組成部分，在列車發(fā)生緊急情況時為列車的照明、通信、控制等設(shè)備提供緊急電力，是保證地鐵車輛正常運(yùn)行和維護(hù)乘客生命安全的關(guān)鍵設(shè)備[1]。蓄電池控制電路作為蓄電池投入和切除的核心控制電路，可在生產(chǎn)調(diào)試過程中對蓄電池控制電路的有效性和安全性進(jìn)行驗(yàn)證，排除其中的安全隱患是生產(chǎn)調(diào)試的關(guān)鍵部分，在保證地鐵列車運(yùn)營安全方面發(fā)揮了重要的作用[2]。

1 原理分析

該地鐵車輛列車蓄電池共有兩組，分別安裝兩端TC車上，由控制電路完成蓄電池向負(fù)載提供電力的控制[3]。蓄電池控制電路的中控開關(guān)主要有四個，分別為蓄電池箱內(nèi)的QFGB和QAGB、繼電器柜內(nèi)的QFGB1、司機(jī)室操縱臺蓄電池控制旋鈕SAGB[4]。蓄電池控制電路在正常狀態(tài)下，閉合蓄電池箱內(nèi)的控制開關(guān)QFGB和QAGB，閉合繼電器柜內(nèi)的控制開關(guān)QFGB1，而后啟動司機(jī)室操縱臺蓄電池控制旋鈕SAGB，蓄電池即可向負(fù)載提供電力[5]。蓄電池控制電路中主要發(fā)揮控制作用的繼電器有KABC、KABO、KVGB和KTGB，接觸器有KMGB（圖1）。下面對蓄電池得電回路進(jìn)行簡要分析。

圖1 蓄電池控制電路

1.1 KABO繼電器

當(dāng)KABO繼電器得電時，蓄電池將從切除狀態(tài)轉(zhuǎn)換成投入狀態(tài)[6]。KABO繼電器得電順序?yàn)椋盒铍姵亍鶴AGB（閉合）→VD22→QFGB1（閉合）→SAGB旋到投入1-2常開出觸點(diǎn)位（閉合）→XT35排36針腳→KABO繼電器（得電）。KABO繼電器得電后其C1-D1常開觸點(diǎn)閉合，此時KABC繼電器處于失電狀態(tài)，于是得到KABO繼電器的自保持電路為：蓄電池→QAGB（閉合）→VD22→QFGB1（閉合）→XT35排35針腳→KABO繼電器C1-D1常開觸點(diǎn)（因KABO繼電器得電閉合）→VD33→KABC繼電器D2-D3常閉觸點(diǎn)（閉合）→XT35排36針腳→KABO繼電器（保持得電）。

1.2 KABC繼電器

當(dāng)KABC繼電器得電時，蓄電池將從投入狀態(tài)變換到切除狀態(tài)。KABC繼電器得電順序?yàn)椋盒铍姵亍鶴AGB（閉合）→VD22→QFGB1（閉合）→SAGB旋到斷開3-4常開觸點(diǎn)位（閉合）→XT35排40針腳→KABC繼電器（得電）。KABC繼電器得電后其C1-C2常開觸點(diǎn)閉合，此時KABO繼電器處于失電狀態(tài)，于是得到KABC繼電器的自保持電路如下：蓄電池→QAGB（閉合）→VD22→QFGB1（閉合）→XT3535針腳→KABC繼電器C1-C2常開觸點(diǎn)（因KABC繼電器得電閉合）→KABO繼電器A3-B3常閉觸點(diǎn)（閉合）→KABC繼電器（保持得電）。

1.3 KMGB接觸器

KMGB接觸器是蓄電池輸出電路接觸器（圖2）。當(dāng)KMGB接觸器動作線圈得電后，主觸點(diǎn)5-6動作完成閉合，蓄電池向負(fù)載電路提供電力，輔助觸點(diǎn)1-2動作，完成閉合，實(shí)現(xiàn)KMGB接觸器自保持回路導(dǎo)通。

KMGB接觸器得電順序?yàn)椋盒铍姵亍鶴AGB（閉合）→VD22→QFGB1（閉合）→SAGB旋到投入1-2常開觸點(diǎn)位（閉合）→XT33排44針腳→VD25→KVGB繼電器（得電）→KVGB常開觸點(diǎn)（因KVGB繼電器得電閉合）→KTGB繼電器（得電）→KTGB常開觸點(diǎn)（因KTGB繼電器得電閉合）→KMGB接觸器（得電）。

KMGB接觸器自保持電路為：蓄電池→QAGB（閉合）→KMGB接觸器的常開主觸點(diǎn)5-6（因KMGB接觸器得電閉合）→QFGB（閉合）→KABC繼電器的常閉觸點(diǎn)A2-A3（閉合）→KMGB接觸器的常開輔助觸點(diǎn)1-2（因KMGB接觸器得電閉合）→116E→KVGB繼電器（得電）→KVGB常開觸點(diǎn)（因KVGB繼電器得電閉合）→KTGB繼電器（得電）→KTGB常開觸點(diǎn)（因KTGB繼電器得電閉合）→KMGB接觸器（保持得電）。

圖2 KMGB接觸器

因此，負(fù)載得電的順序如下：蓄電池→QAGB（閉合）→KMGB接觸器常開主觸點(diǎn)5-6（因KMGB接觸器得電閉合）→負(fù)載電路。這是該地鐵車輛蓄電池通過控制電路完成向負(fù)載提供電力的初版方案。

1.4 KVGB繼電器

KVGB繼電器是欠壓繼電器，主要作用是當(dāng)蓄電池電壓降到設(shè)定值后，KVGB繼電器觸點(diǎn)動作，斷開KTGB繼電器所在控制電路，切斷流經(jīng)KMGB接觸器的電流，從而使KMGB接觸器失電，斷開KMGB接觸器5-6主觸點(diǎn)，阻斷蓄電池向負(fù)載提供電力。KVGB繼電器的得電電路順序和自保持電路順序可以分別對應(yīng)的從KMGB接觸器的得電電路順序和自保持電路中得出。

1.5 KTGB繼電器

KTGB繼電器是時間繼電器，主要作用是當(dāng)KVGB繼電器失電后，延時切斷觸點(diǎn)使KMGB接觸器斷開。KTGB繼電器的得電電路順序和自保持電路順序可以分別對應(yīng)的從KMGB接觸器的得電電路順序和自保持電路中得出。

2 故障分析及優(yōu)化

2.1 故障描述

正常情況下，蓄電池箱內(nèi)的QAGB和QFGB開關(guān)閉合，閉合繼電器柜內(nèi)QFGB1開關(guān)，將蓄電池控制旋鈕SAGB旋到投入位，蓄電池即可向負(fù)載提供電力。但在調(diào)試試驗(yàn)過程中，蓄電池控制旋鈕SAGB旋到投入位后，蓄電池向負(fù)載電路短暫供電后便停止供電，且繼電器柜內(nèi)的QFGB1開關(guān)自動斷開。為確定故障原因，二次將蓄電池控制旋鈕SAGB旋到投入位，故障復(fù)現(xiàn)并發(fā)現(xiàn)蓄電池箱內(nèi)KMGB接觸器的輔助觸點(diǎn)出現(xiàn)電火花。初步判斷故障原因?yàn)镵MGB接觸器輔助觸點(diǎn)損壞，更換KMGB接觸器后重新投入蓄電池，故障再次重現(xiàn)。

2.2 電路優(yōu)化

為查找故障原因，同時梳理電流走向，保持電路設(shè)計的一致性，對蓄電池控制電路進(jìn)行了優(yōu)化，調(diào)整KABO和KABC繼電器的自保持電路接入點(diǎn)（如圖3中位置1、2所示）。調(diào)整前，KABO和KABC繼電器的自保持電路接入點(diǎn)取自車上繼電器柜內(nèi)的QFGB1（圖1），而KMGB、KVGB、KTGB的自保持電路接入點(diǎn)取自車下蓄電池箱內(nèi)的QFGB（圖3），調(diào)整后使得KABO、KABC、KMGB、KVGB和KTGB的自保持電路接入點(diǎn)均來自QFGB，確保自保持電路的一致性。

經(jīng)過上述調(diào)整，蓄電池控制電路如圖3所示，此時KABO、KABC、KVGB、KTGB和KMGB的得電電路均未發(fā)生變化。KABO繼電器的自保持電路變?yōu)椋盒铍姵亍鶴AGB（閉合）→KMGB接觸器常開主觸點(diǎn)5-6（因KMGB接觸器得電閉合）→QFGB（閉合）→XT33排48針腳→XT35排35針腳→KABO繼電器常開觸點(diǎn)C1-D1（因KABO繼電器得電閉合）→VD33→KABC繼電器常閉觸點(diǎn)D2-D3（閉合）→KABO繼電器。

KABC自保持電路變?yōu)椋盒铍姵亍鶴AGB（閉合）→KMGB接觸器常開主觸點(diǎn)5-6（因KMGB接觸器得電閉合）→QFGB（閉合）→XT33排48針腳→XT35排35針腳→KABC繼電器常開觸點(diǎn)C1-C2（因KABC繼電器得電閉合）→VD44→KABO繼電器常閉觸點(diǎn)A3-B3→KABC繼電器。

KVGB、KTGB和KMGB的自保持電路變?yōu)椋盒铍姵亍鶴AGB（閉合）→KMGB接觸器常開主觸點(diǎn)5-6（因KMGB接觸器得電閉合）→QFGB（閉合）→XT33排48針腳→KABC繼電器常閉觸點(diǎn)A2-A3（閉合）→KMGB接觸器常開輔助觸點(diǎn)1-2（因KMGB接觸器得電閉合）→116E→KVGB繼電器→KVGB常開觸點(diǎn)（因KVGB繼電器得電閉合）→KTGB繼電器→KTGB常開觸點(diǎn)（因KTGB繼電器得電閉合）→KMGB接觸器（得電）。

圖3 優(yōu)化電路

2.3 原因分析

觀察KMGB接觸器動作過程發(fā)現(xiàn)，在KMGB接觸器的線圈動作初始時，輔助觸點(diǎn)已達(dá)到閉合狀態(tài)，而主觸點(diǎn)尚未閉合，輔助觸點(diǎn)早于主觸點(diǎn)閉合約5毫秒。

基于上述觸點(diǎn)動作順序的基礎(chǔ)上，重新分析蓄電池控制電路中的電流走向，蓄電池向負(fù)載短暫供電的電路為：蓄電池→QAGB（閉合）→VD22→QFGB1（閉合）→SAGB旋到1-2常開觸點(diǎn)（閉合）→XT33排44針腳→VD25→116E→KMGB常開輔助觸點(diǎn)1-2（因KMGB接觸器得電閉合）→KABC繼電器A2-A3常閉觸點(diǎn)（閉合）→QFGB（閉合）→負(fù)載（得電）。

分析發(fā)現(xiàn)蓄電池向負(fù)載短暫供電時，電流并沒有經(jīng)過KMGB接觸器主觸點(diǎn)5-6，而是通過其常開輔助觸點(diǎn)1-2直接向負(fù)載提供電力，即蓄電池控制電路中發(fā)生了電流串路的現(xiàn)象，導(dǎo)致QFGB1開關(guān)中流經(jīng)了較大的電流，超過了QFGB1開關(guān)允許通過的最大電流值。因此QFGB1開關(guān)因自動保護(hù)而斷開，同時KMGB接觸器的輔助觸點(diǎn)出現(xiàn)電火花異常。

2.4 改進(jìn)方案A

針對蓄電池控制電路中發(fā)生的電流串路問題，可通過加入二極管來調(diào)整電流流向。如圖4中位置3所示，添加二極管VD55，阻斷蓄電池通過KMGB接觸器的輔助觸點(diǎn)1-2和QFGB1開關(guān)直接向負(fù)載電路提供電力，得到了改進(jìn)方案A。

對上述改動進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，改進(jìn)方案A中蓄電池可向負(fù)載電路穩(wěn)定供電，證明了改進(jìn)方案A的可行性。

2.5 改進(jìn)方案B

針對KMGB接觸器輔助觸點(diǎn)1-2早于主觸點(diǎn)5-6閉合的特性，調(diào)整流入QFGB開關(guān)電流順序，如圖4中位置4所示。改進(jìn)后的蓄電池控制電路中，KMGB主觸點(diǎn)5-6將是蓄電池向負(fù)載提供電力的唯一通道。

對上述改動進(jìn)行調(diào)試驗(yàn)證，改進(jìn)方案B中蓄電池可向負(fù)載電路穩(wěn)定供電，證明了改進(jìn)方案B的可行性。

圖4 改進(jìn)方案（上：A，下：B）

3 結(jié)束語

針對地鐵車輛蓄電池控制電路調(diào)試過程的異常問題，本文首先對蓄電池控制電路進(jìn)行了原理分析，優(yōu)化調(diào)整了蓄電池控制電路，統(tǒng)一KABC、KABO、KVGB、KTGB和KMGB的自保持電路接入點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上對故障原因進(jìn)行了分析，并給出兩種改進(jìn)方案：添加二極管VD55的優(yōu)化方案A和調(diào)整流入QFGB電流順序的優(yōu)化方案B，通過試驗(yàn)驗(yàn)證了兩種方案可行性，滿足了蓄電池通過控制電路向負(fù)載正常穩(wěn)定供電的要求。