养路机械直流电源装置研制研究

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摘要：文章针对大型养路机械长途挂运安全监测的需求，研究将大型养路机械生活发电机组的220V交流电源转换为24V直流电源的装置。对直流电源装置进行了功能分析、电路设计和外形及布局设计。现场运用表明，研制的直流电源装置解决了大机挂运途中因蓄电池容量不足导致的视频、轴温、运行监控等无法全程开启的问题，提高了大机附挂运行安全性。

关键词：大型养路机械；直流电源；长途挂运；安全监控

近年来，大型养路机械（以下简称大机）运用中发生多次因押运人员履职不到位导致的大机挂运安全问题，如何监控挂运途中设备状态、规范押运人员的标准化作业，成为保证大机长途挂运安全的重点和难点。通过在挂运途中全程开启视频和轴温监控装置，可对押运人员在挂运过程中的履职情况进行抽查，促使押运人员标准化作业，消除大机挂运途中人的不安全因素影响。为了大机挂运途中全程开启视频等监控装置，需采用车载24V蓄电池电源为视频等监控装置供电，但在挂运途中需要启动主发动机为蓄电池充电，既增加了燃油消耗成本，也降低了蓄电池的使用寿命，同时，由于发动机运转带动液压系统三联泵运转，存在工作装置误动作并损坏线路设备或侵入相邻铁路限界的风险，给大机的长途挂运带来安全隐患。当前，大部分大机上都装配有220V生活发电机组，本文研究将发电机组220V交流电源转换为24V直流电源装置，为大机视频监控、轴温监控、运行监控等提供可靠的直流电源。

1功能分析

本装置研究将大机生活发电机组的220V交流电转换成24V直流电源，并接入原车供电系统，装置应具备以下功能：直流电流监控显示：装置可显示实时输出电流值，便于查看装置主要功能运行状态，由一个电流表和一个分流器组合而成的电流检测回路，分流器串接在直流输出回路中，分流器可将流过本身的电流变化转换成电压变化形式，在电流表内部经过程序换算成实际输出的电流值。电源/充电两种模式转换：电源工作模式下，装置给视频监控、轴温监控、运行监控、作业机构锁定装置等装置提供电源，保障监控装置能正常运转，发挥途中监控功能。充电模式下，在蓄电池电压过低时，电源的输出端，经过续流管到电池端电压形成电位差向电池供电。当电位上升到设定电池电压时，管理检测板检测到设定电压停止电池充电。直流输入过低：通过电池监控管理板BT输入端检测的电压。如果电压输出端电压过低，面板上的电池过低报警指示灯为常亮状态。过电流保护：当输出电流超过预先设定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号。过电压保：当输出电压超过额定输出电压的120%以上时，保护装置启动，断路器跳闸或发出报警信号。电池反向充电保护：输出回路与蓄电池串接续流管，由于二极管具有反向截至的作用，从而可保证电池反向充电。为防止操作人员出现接线错误，系统应具备电池反向充电保护控制功能，出现电池反接等现象时启动保护控制。过热保护功能：当直流电源温度超过某一阈值时就启动相应的保护功能。电子器件工作时都会发热，因此大多有过热保护，超过相应阈值就会启动保护。

2电路设计

2.1直流电源选型

直流电源装置电路设计的关键在电源的选择，电源的稳定性决定了电路稳定性，目前常用的电源种类有线性电源和开关电源，在原理上有很大的不同，在此将线性电源和开关电源的优缺点进行比较并根据比较情况进行选型，具体比较如下：开关电源的原理是输入端直接将交流电整流变成直流电，在高频震荡电路的作用下，用开关管控电流的通断，输出稳定的低压直流电，具有体积小、重量轻、效率高、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化易于工业化批量安装的优点。但同时，由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，而且需配合稳压电路来实现稳压。线性电源的原理是交流电经过工频变压器整流和滤波形成直流电，再通过稳压电路输出稳定的低压电。电路中调整原件工作在线性状态，具有结构简单、输出波纹小、高频干扰小的优点，但同时，线性电源具有体积大、重量大、效率低、发热量大的缺点。根据两种电源的特点，结合大机安装位置有限、工作条件较为恶劣的实际情况，选择了体积更小、散热更好、效率更高的开关电源。对市面上现有开关电源产品进行筛选，确定了使用欧姆龙S8SF-G60024-W型直流电源，并在装置制作、安装中解决高频电源干扰的问题。

2.2电路设计

要满足视频等监控装置电源开启，至少需要160W的功率输出，另还需满足大机走行、工作装置锁定指示回路电源供应，查阅DCL-32捣固车型的图纸，发现系统锁定指示回路使用的5A保险，由此推算锁定指示回路最大功率应为120W，考虑电路线路损耗和直流电源装置功率转换效率等因素，选取直流电源装置输出功率不小于500W。设计的电路原理图如图1所示，主要体现如下设计思路：（1）在交流电输入端设置20A交流断路器CB1，防止出现短路、过载等烧坏发电机、电源模块；（2）在直流电输出端设置30A直流断路器CB2、CB3，防止负载过载或短路烧毁直流电源；（3）在直流电源正极输出端设置肖特基势垒二极管D1、D2，用来防止负载急剧变化（包括负载启动、切断时）可能会导致输出电压降低。防止蓄电池、直流发电机供电时过高的反向电流烧毁24V电源。（4）电路设计蓄电池充电开关S1，采用断路器限制电流为50A；（5）输出电路设计充电限流电阻R1，电阻参数为0.5欧姆200W电阻，将最大充电电流限制在20A（蓄电池馈电到18V计算），防止充电电流过大，造成24V电源模块输出保护而无法正常工作和损坏。电路设计双电源并联运行功能，两个电源可互为备用，提高系统运行可靠性。

3电气箱布局设计

考虑到大机安装位置和空间有限，为了方便直流电源装置的安装、使用和维护，提高直流电源装置的抗干扰性，将直流电源和电气元件布置在同一电气箱内，并优化电气箱布局，在满足设计功能、散热要求和防水要求的前提下，最终确定电气箱外形尺寸为356mm×350mm×117.5mm，电气箱外形及空间布局如图2、图3所示。直流电源装置应安装于大机驾驶室（或电源）附近合适位置，不影响大机其他设备的正常使用。同时，安装位置应便于人员操作和日常维护，考虑大机户外环境的复杂性，尽量安装在能防止风、沙、雪直接侵袭的车体内或车体外部的位置，所有电缆线输出端子应密封，防护灰尘、水以及其他污染物的侵入。以DCL-32车型为例，选择将直流电源装置电气箱采用固定式螺钉安装，安装位置位于前驾驶室后方的墙体上、生活发电机控制箱（B250）上方，便于接入220V交流输入电源。安装位置见图4。

4结束语

本文根据大型养路机械长途挂运安全监测对直流电源的需求，对直流电源装置进行了较为全面的功能分析和方案设计，装置选用市面成熟的一线品牌开关电源，在设计中增加保护及控制电路，使之成为一套结构完整、功能齐全的电源装置。装置具有转换效率高、结构紧凑、散热性好、抗干扰性强、多模式工作等特点，从2018年12月初开始，该直流电源装置已装车应用，现场使用效果良好，可在大机附挂运行时持续给行车安全监测装备提供电源，有效提高大机附挂运行的安全系数，进一步保障了铁路运输安全和效率。

参考文献：

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作者：陈其林 单位：中国铁路广州局集团公司广州大机段