供电网络对CRH 5型动车组内外端门控制器的影响分析

黄常维

引言

CRH5车型是中国铁道部为实行中国铁路第六次大提速向法国阿尔斯通和中国中车集团长春轨道客车股份有限公司订购的CRH系列动车组，是中国引进国外技术改造的客运列车种类之一，构造速度为250km/h，整个系列都比较耐高寒，其中CRH5G型最优，同时具有抗风、沙、雨、雪、雾等恶劣天气的能力[1-2]。

通常情况上，高速列车在运行过程中，电源电压经过受电弓、整流器、逆变器之后[3]仍然波动频繁，经常出现浪涌和高频谐波[4]，噪声干扰严重，供电环境极其恶劣，给车载各类门控系统的使用带来了极大的困难。据介绍中国首批从法国阿尔斯通进口的动车在使用过程中，由于内外端门控制器出现故障，时常出现车门打不开造成列车晚点，烧坏的数量很多。针对电网供电质量的一些问题研究分析进口门控器电源系统的缺陷，为开发新款与法国阿尔斯通进口的产品完全兼容，而性能指标优于进口产品的内外端门控制器提供技术支持。

1 动车组供电系统

动车组的电源由交流25kV电网提供，通过变压器、整流器、变流器等设备转换成动车组内部不同的电源制式，为不同的系统单元供电。如图1所示，对于自动门控制系统的工作电源，需要经过四级变换获得。

图1 动车组电源系统

（1）交流25kV电网电压经过主变压器的二次绕组降压获得交流790V电压。

（2）交流790V电压通过交直流转换和整流器得到直流600V电压。

（3）直流600V电压通过DC-DC变换获得直流110V电压。

（4）直流110V电压通过蓄电池储能和DC-DC变换获得24V直流电压。

动车自动门控制系统的工作电源由动车组的电源系统提供，标称电压为24V，允许波动范围是16.8V～30V，也就是最后一级变换获得的直流24V电压和蓄电池提供的24V电压共同为自动门控制系统供电。由于电网电压标称为25kV，实际是在19kV～29kV之间波动，并且车内存在大量的感性负载和大功率器件，所以在高速行驶过程中，自动门控制系统的供电电压会产生波动。因此，自动门控制系统的设计电源要求在16.8V～30V电压范围内正常工作。在实际工作环境中，电压的波动范围常常会超过允许的波动范围，产生幅值较高的脉冲尖峰，导致电路器件受损。在设计硬件系统时，需要考虑输入电压范围，确定足够的安全裕量，保证系统安全。

2 动车组门控器存在的问题分析

通过分析动车组供电系统可知，自动门控制系统的输入电源为直流24V电压，波动范围是16.8V～30V。然而，在动车组列车实际运行过程中，受电弓上上波动致使电压出现浪涌不稳定[5]，各种大功率电器设备工作引起电压波动以及变电过程和空间干扰产生的高次谐波等使自动门控制系统的供电输入电压远超出16.8V～30V范围，同时高次谐波和空间电磁噪声干扰十分严重。虽然，法国阿尔斯通进口的自动门控制器的输入电压范围是16.8V～36V，但是，实际使用过程中烧损数量很多，程序丢失或跑飞，控制板静电干扰严重，图2和图3是典型损坏的照片。

图2 程序已经跑飞的控制板

图3 烧损的控制板

自动门控制系统的电源由三部分组成，控制板需要的稳定的直流5V和24V电源以及输入的直流24V电压经过保护电路提供给电机的直流24V电源。法国阿尔斯通进口的自动门控制器的电源采用单管反激式开关电源产生系统所需要的电压，选择了一种电流型脉宽调制器芯片UCC2813作为主控器，控制着MOS管IRF530的导通与截止，进而使变压器原边绕组中产生交变的电流信号，次边输出两路交变的电流信号。经过整流滤波电路后，一路获得稳定的24V电压作为输入输出接口等电路单元的电源，另一路获得稳定的5V电压作为数字信号控制器等逻辑控制单元的电源。由于DC-DC变换器的输出电流能力有限，无法为电机提供稳定的24V电源，因此，电机电源不经过稳压模块，直接由原始的直流24V电源经过保护电路提供，波动范围是16.8V～30V。

通过研究分析进口自动门控制器电源的电路原理可以看出，该电源系统主要存在以上几个不足:

（1）输入变压器原边的保护电路过于简单，主要部分就是电容和TVS二极管，当频繁出现过高浪涌电压冲击时，TVS二极管也会频繁导通和截止，无法降低变压器原边的波动性。如果TVS二极管开关频率过大还会增加变压器次边出现高压的几率，并会出现高次谐波干扰。

（2）输出的两路直流电源，5V电源采用了低压差线性稳压器，而24V电源只是采用了整流滤波，没有稳压电路，会使电压波动很大。

（3）电源部分缺少屏蔽，特别是电源变压器没有屏蔽，外部的干扰和噪声会直接带入电源系统，致使数字信号控制逻辑混乱，严重的会使存储的程序丢失，造成不可预料的后果。

（4）电源部分采用分立元器件构成，焊接调试后一致性和长期工作稳定性难以保证，而且，电源系统在不同负载上的能效参差不齐，低负载时容易造成PCB板上的热负载上升，同时，分立元器件构成的电路可靠性也不高。

3 动车组门控器改进建议

虽然国内外生产电力动车的厂家很多，但是不同生产厂家的产品标准和参数完全不同，其中使用的内外端门控制器也是一样，没有统一的规范和标准，CRH5型电力动车组的内外端门控制器只有法国阿尔斯通公司提供，目前市场上没有替代产品。国内门控器研发都集中在CRH380型，青岛科技大学研究生王志对此类动车组内端门控制系统进行了理论研究和仿真[6]，没有厂家研发或生产，而台达公司对此款门控器进行了改型，性能和参数完全不一样，只有少量的应用。由于各种纠纷阿尔斯通公司早已终止合同禁止向中国供货，因而，在不久的将来，国内已投入运行十多年的动车内外端门控制器维修困难，备件短缺，新生产的动车内外端门控制器面临改型的困境，可见，研制CRH5型门控器具有很大的经济效益和社会效益。

目前，市场上已有技术和产品就是法国阿尔斯通公司提供的同类型的内外端门控制器，其工作电压范围是16.8-36V，缺少按钮保护、程序丢失保护和死区软件调整等功能，致使在运行过程中故障频出，烧损的数量很大，由此研究分析了进口自动门控制器的缺点与不足，也进行了实验产品的开发，根据已有的经验提出以上改进建议:

（1）增加浪涌抑制器和滤波电路去除部分幅值较高的脉冲尖峰，降低器件受损的几率。通过模块化设计，采用专业的隔离稳压电源模块，提高电源电压的输入范围和输出电压精度，减小输出电压纹波，增加电源电压和电流的各种保护功能。

（2）采用电压抑制电路和静电泄放吸收电路增加电路抗静电保护功能，减少由于高压静电烧毁门控器的可能性。

（3）为了保护写入的控制程序不丢失，采用保护电路抑制程序写入数据线和配合时钟在干扰条件上出现错误。

（4）将功率驱动管的死区时间由硬件设定改为软件调整，避免由于制造参数的误差或各种噪声干扰导致H桥同臂间短路问题，同时也提高了控制系统的适应性。

4 结论

动车组供电网络的质量直接影响内部各种电器设备的运行，动车组内部自动门控制系统电源部分的核心器件是DC-DC变换器，为了改正进口门控器核心部件存在的问题，给出了技术上改进的参考建议。由此可见，自动门控制系统需要工作电压范围更宽，并能有效地防止电源电压剧烈频繁波动和浪涌，具备很强的干扰噪声抑制能力，这样才能最大限度减少烧毁门控器和程序丢失的可能性，才能提高动车运行的安全性和可靠性。