供電網(wǎng)絡(luò)對CRH 5型動(dòng)車組內(nèi)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(shí)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(tuán)長春軌道客車股份有限公司訂購的CRH系列動(dòng)車組，是中國引進(jìn)國外技術(shù)改造的客運(yùn)列車種類之一，構(gòu)造速度為250km/h，整個(gè)系列都比較耐高寒，其中CRH5G型最優(yōu)，同時(shí)具有抗風(fēng)、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(yùn)行過程中，電源電壓經(jīng)過受電弓、整流器、逆變器之后[3]仍然波動(dòng)頻繁，經(jīng)常出現(xiàn)浪涌和高頻諧波[4]，噪聲干擾嚴(yán)重，供電環(huán)境極其惡劣，給車載各類門控系統(tǒng)的使用帶來了極大的困難。據(jù)介紹中國首批從法國阿爾斯通進(jìn)口的動(dòng)車在使用過程中，由于內(nèi)外端門控制器出現(xiàn)故障，時(shí)常出現(xiàn)車門打不開造成列車晚點(diǎn)，燒壞的數(shù)量很多。針對電網(wǎng)供電質(zhì)量的一些問題研究分析進(jìn)口門控器電源系統(tǒng)的缺陷，為開發(fā)新款與法國阿爾斯通進(jìn)口的產(chǎn)品完全兼容，而性能指標(biāo)優(yōu)于進(jìn)口產(chǎn)品的內(nèi)外端門控制器提供技術(shù)支持。

1 動(dòng)車組供電系統(tǒng)

動(dòng)車組的電源由交流25kV電網(wǎng)提供，通過變壓器、整流器、變流器等設(shè)備轉(zhuǎn)換成動(dòng)車組內(nèi)部不同的電源制式，為不同的系統(tǒng)單元供電。如圖1所示，對于自動(dòng)門控制系統(tǒng)的工作電源，需要經(jīng)過四級變換獲得。

圖1 動(dòng)車組電源系統(tǒng)

（1）交流25kV電網(wǎng)電壓經(jīng)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(zhuǎn)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(chǔ)能和DC-DC變換獲得24V直流電壓。

動(dòng)車自動(dòng)門控制系統(tǒng)的工作電源由動(dòng)車組的電源系統(tǒng)提供，標(biāo)稱電壓為24V，允許波動(dòng)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(dòng)門控制系統(tǒng)供電。由于電網(wǎng)電壓標(biāo)稱為25kV，實(shí)際是在19kV～29kV之間波動(dòng)，并且車內(nèi)存在大量的感性負(fù)載和大功率器件，所以在高速行駛過程中，自動(dòng)門控制系統(tǒng)的供電電壓會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。因此，自動(dòng)門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)電源要求在16.8V～30V電壓范圍內(nèi)正常工作。在實(shí)際工作環(huán)境中，電壓的波動(dòng)范圍常常會(huì)超過允許的波動(dòng)范圍，產(chǎn)生幅值較高的脈沖尖峰，導(dǎo)致電路器件受損。在設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)時(shí)，需要考慮輸入電壓范圍，確定足夠的安全裕量，保證系統(tǒng)安全。

2 動(dòng)車組門控器存在的問題分析

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

圖2 程序已經(jīng)跑飛的控制板

圖3 燒損的控制板

自動(dòng)門控制系統(tǒng)的電源由三部分組成，控制板需要的穩(wěn)定的直流5V和24V電源以及輸入的直流24V電壓經(jīng)過保護(hù)電路提供給電機(jī)的直流24V電源。法國阿爾斯通進(jìn)口的自動(dòng)門控制器的電源采用單管反激式開關(guān)電源產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的電壓，選擇了一種電流型脈寬調(diào)制器芯片UCC2813作為主控器，控制著MOS管IRF530的導(dǎo)通與截止，進(jìn)而使變壓器原邊繞組中產(chǎn)生交變的電流信號，次邊輸出兩路交變的電流信號。經(jīng)過整流濾波電路后，一路獲得穩(wěn)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(wěn)定的5V電壓作為數(shù)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(jī)提供穩(wěn)定的24V電源，因此，電機(jī)電源不經(jīng)過穩(wěn)壓模塊，直接由原始的直流24V電源經(jīng)過保護(hù)電路提供，波動(dòng)范圍是16.8V～30V。

通過研究分析進(jìn)口自動(dòng)門控制器電源的電路原理可以看出，該電源系統(tǒng)主要存在以上幾個(gè)不足:

（1）輸入變壓器原邊的保護(hù)電路過于簡單，主要部分就是電容和TVS二極管，當(dāng)頻繁出現(xiàn)過高浪涌電壓沖擊時(shí)，TVS二極管也會(huì)頻繁導(dǎo)通和截止，無法降低變壓器原邊的波動(dòng)性。如果TVS二極管開關(guān)頻率過大還會(huì)增加變壓器次邊出現(xiàn)高壓的幾率，并會(huì)出現(xiàn)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(wěn)壓器，而24V電源只是采用了整流濾波，沒有穩(wěn)壓電路，會(huì)使電壓波動(dòng)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(huì)直接帶入電源系統(tǒng)，致使數(shù)字信號控制邏輯混亂，嚴(yán)重的會(huì)使存儲(chǔ)的程序丟失，造成不可預(yù)料的后果。

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

3 動(dòng)車組門控器改進(jìn)建議

雖然國內(nèi)外生產(chǎn)電力動(dòng)車的廠家很多，但是不同生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和參數(shù)完全不同，其中使用的內(nèi)外端門控制器也是一樣，沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，CRH5型電力動(dòng)車組的內(nèi)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(chǎn)品。國內(nèi)門控器研發(fā)都集中在CRH380型，青島科技大學(xué)研究生王志對此類動(dòng)車組內(nèi)端門控制系統(tǒng)進(jìn)行了理論研究和仿真[6]，沒有廠家研發(fā)或生產(chǎn)，而臺(tái)達(dá)公司對此款門控器進(jìn)行了改型，性能和參數(shù)完全不一樣，只有少量的應(yīng)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(nèi)已投入運(yùn)行十多年的動(dòng)車內(nèi)外端門控制器維修困難，備件短缺，新生產(chǎn)的動(dòng)車內(nèi)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(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

目前，市場上已有技術(shù)和產(chǎn)品就是法國阿爾斯通公司提供的同類型的內(nèi)外端門控制器，其工作電壓范圍是16.8-36V，缺少按鈕保護(hù)、程序丟失保護(hù)和死區(qū)軟件調(diào)整等功能，致使在運(yùn)行過程中故障頻出，燒損的數(shù)量很大，由此研究分析了進(jìn)口自動(dòng)門控制器的缺點(diǎn)與不足，也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的開發(fā)，根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)提出以上改進(jìn)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(shè)計(jì)，采用專業(yè)的隔離穩(wěn)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(hù)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(hù)功能，減少由于高壓靜電燒毀門控器的可能性。

（3）為了保護(hù)寫入的控制程序不丟失，采用保護(hù)電路抑制程序?qū)懭霐?shù)據(jù)線和配合時(shí)鐘在干擾條件上出現(xiàn)錯(cuò)誤。

（4）將功率驅(qū)動(dòng)管的死區(qū)時(shí)間由硬件設(shè)定改為軟件調(diào)整，避免由于制造參數(shù)的誤差或各種噪聲干擾導(dǎo)致H橋同臂間短路問題，同時(shí)也提高了控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。

4 結(jié)論

動(dòng)車組供電網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量直接影響內(nèi)部各種電器設(shè)備的運(yùn)行，動(dòng)車組內(nèi)部自動(dòng)門控制系統(tǒng)電源部分的核心器件是DC-DC變換器，為了改正進(jìn)口門控器核心部件存在的問題，給出了技術(shù)上改進(jìn)的參考建議。由此可見，自動(dòng)門控制系統(tǒng)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(dòng)和浪涌，具備很強(qiáng)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(dòng)車運(yùn)行的安全性和可靠性。