養路機械直流電源裝置研制研究
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摘要：文章針對大型養路機械長途掛運安全監測的需求，研究將大型養路機械生活發電機組的220V交流電源轉換為24V直流電源的裝置。對直流電源裝置進行了功能分析、電路設計和外形及布局設計。現場運用表明，研制的直流電源裝置解決了大機掛運途中因蓄電池容量不足導致的視頻、軸溫、運行監控等無法全程開啟的問題，提高了大機附掛運行安全性。
關鍵詞：大型養路機械；直流電源；長途掛運；安全監控
近年來，大型養路機械（以下簡稱大機）運用中發生多次因押運人員履職不到位導致的大機掛運安全問題，如何監控掛運途中設備狀態、規范押運人員的標準化作業，成為保證大機長途掛運安全的重點和難點。通過在掛運途中全程開啟視頻和軸溫監控裝置，可對押運人員在掛運過程中的履職情況進行抽查，促使押運人員標準化作業，消除大機掛運途中人的不安全因素影響。為了大機掛運途中全程開啟視頻等監控裝置，需采用車載24V蓄電池電源為視頻等監控裝置供電，但在掛運途中需要啟動主發動機為蓄電池充電，既增加了燃油消耗成本，也降低了蓄電池的使用壽命，同時，由于發動機運轉帶動液壓系統三聯泵運轉，存在工作裝置誤動作并損壞線路設備或侵入相鄰鐵路限界的風險，給大機的長途掛運帶來安全隱患。當前，大部分大機上都裝配有220V生活發電機組，本文研究將發電機組220V交流電源轉換為24V直流電源裝置，為大機視頻監控、軸溫監控、運行監控等提供可靠的直流電源。
1功能分析
本裝置研究將大機生活發電機組的220V交流電轉換成24V直流電源，并接入原車供電系統，裝置應具備以下功能：直流電流監控顯示：裝置可顯示實時輸出電流值，便于查看裝置主要功能運行狀態，由一個電流表和一個分流器組合而成的電流檢測回路，分流器串接在直流輸出回路中，分流器可將流過本身的電流變化轉換成電壓變化形式，在電流表內部經過程序換算成實際輸出的電流值。電源/充電兩種模式轉換：電源工作模式下，裝置給視頻監控、軸溫監控、運行監控、作業機構鎖定裝置等裝置提供電源，保障監控裝置能正常運轉，發揮途中監控功能。充電模式下，在蓄電池電壓過低時，電源的輸出端，經過續流管到電池端電壓形成電位差向電池供電。當電位上升到設定電池電壓時，管理檢測板檢測到設定電壓停止電池充電。直流輸入過低：通過電池監控管理板BT輸入端檢測的電壓。如果電壓輸出端電壓過低，面板上的電池過低報警指示燈為常亮狀態。過電流保護：當輸出電流超過預先設定的某個數值時，保護裝置啟動，并用時限保證動作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報警信號。過電壓保：當輸出電壓超過額定輸出電壓的120%以上時，保護裝置啟動，斷路器跳閘或發出報警信號。電池反向充電保護：輸出回路與蓄電池串接續流管，由于二極管具有反向截至的作用，從而可保證電池反向充電。為防止操作人員出現接線錯誤，系統應具備電池反向充電保護控制功能，出現電池反接等現象時啟動保護控制。過熱保護功能：當直流電源溫度超過某一閾值時就啟動相應的保護功能。電子器件工作時都會發熱，因此大多有過熱保護，超過相應閾值就會啟動保護。
2電路設計
2.1直流電源選型
直流電源裝置電路設計的關鍵在電源的選擇，電源的穩定性決定了電路穩定性，目前常用的電源種類有線性電源和開關電源，在原理上有很大的不同，在此將線性電源和開關電源的優缺點進行比較并根據比較情況進行選型，具體比較如下：開關電源的原理是輸入端直接將交流電整流變成直流電，在高頻震蕩電路的作用下，用開關管控電流的通斷，輸出穩定的低壓直流電，具有體積小、重量輕、效率高、自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化易于工業化批量安裝的優點。但同時，由于逆變電路中會產生高頻電壓，對周圍設備有一定的干擾，而且需配合穩壓電路來實現穩壓。線性電源的原理是交流電經過工頻變壓器整流和濾波形成直流電，再通過穩壓電路輸出穩定的低壓電。電路中調整原件工作在線性狀態，具有結構簡單、輸出波紋小、高頻干擾小的優點，但同時，線性電源具有體積大、重量大、效率低、發熱量大的缺點。根據兩種電源的特點，結合大機安裝位置有限、工作條件較為惡劣的實際情況，選擇了體積更小、散熱更好、效率更高的開關電源。對市面上現有開關電源產品進行篩選，確定了使用歐姆龍S8SF-G60024-W型直流電源，并在裝置制作、安裝中解決高頻電源干擾的問題。
2.2電路設計
要滿足視頻等監控裝置電源開啟，至少需要160W的功率輸出，另還需滿足大機走行、工作裝置鎖定指示回路電源供應，查閱DCL-32搗固車型的圖紙，發現系統鎖定指示回路使用的5A保險，由此推算鎖定指示回路最大功率應為120W，考慮電路線路損耗和直流電源裝置功率轉換效率等因素，選取直流電源裝置輸出功率不小于500W。設計的電路原理圖如圖1所示，主要體現如下設計思路：（1）在交流電輸入端設置20A交流斷路器CB1，防止出現短路、過載等燒壞發電機、電源模塊；（2）在直流電輸出端設置30A直流斷路器CB2、CB3，防止負載過載或短路燒毀直流電源；（3）在直流電源正極輸出端設置肖特基勢壘二極管D1、D2，用來防止負載急劇變化（包括負載啟動、切斷時）可能會導致輸出電壓降低。防止蓄電池、直流發電機供電時過高的反向電流燒毀24V電源。（4）電路設計蓄電池充電開關S1，采用斷路器限制電流為50A；（5）輸出電路設計充電限流電阻R1，電阻參數為0.5歐姆200W電阻，將最大充電電流限制在20A（蓄電池饋電到18V計算），防止充電電流過大，造成24V電源模塊輸出保護而無法正常工作和損壞。電路設計雙電源并聯運行功能，兩個電源可互為備用，提高系統運行可靠性。
3電氣箱布局設計
考慮到大機安裝位置和空間有限，為了方便直流電源裝置的安裝、使用和維護，提高直流電源裝置的抗干擾性，將直流電源和電氣元件布置在同一電氣箱內，并優化電氣箱布局，在滿足設計功能、散熱要求和防水要求的前提下，最終確定電氣箱外形尺寸為356mm×350mm×117.5mm，電氣箱外形及空間布局如圖2、圖3所示。直流電源裝置應安裝于大機駕駛室（或電源）附近合適位置，不影響大機其他設備的正常使用。同時，安裝位置應便于人員操作和日常維護，考慮大機戶外環境的復雜性，盡量安裝在能防止風、沙、雪直接侵襲的車體內或車體外部的位置，所有電纜線輸出端子應密封，防護灰塵、水以及其他污染物的侵入。以DCL-32車型為例，選擇將直流電源裝置電氣箱采用固定式螺釘安裝，安裝位置位于前駕駛室后方的墻體上、生活發電機控制箱（B250）上方，便于接入220V交流輸入電源。安裝位置見圖4。
4結束語
本文根據大型養路機械長途掛運安全監測對直流電源的需求，對直流電源裝置進行了較為全面的功能分析和方案設計，裝置選用市面成熟的一線品牌開關電源，在設計中增加保護及控制電路，使之成為一套結構完整、功能齊全的電源裝置。裝置具有轉換效率高、結構緊湊、散熱性好、抗干擾性強、多模式工作等特點，從2018年12月初開始，該直流電源裝置已裝車應用，現場使用效果良好，可在大機附掛運行時持續給行車安全監測裝備提供電源，有效提高大機附掛運行的安全系數，進一步保障了鐵路運輸安全和效率。
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作者：陳其林 單位：中國鐵路廣州局集團公司廣州大機段