动车组车内设施修旧利废多用途电源集成的设计

刘鹏飞，赵 鹏，朱亚东，朱文韬，齐 昊

（青岛动车段济南东动车所，山东 济南 250100）

0 引 言

自济南东动车所成立以来，客室设施如射灯、LED筒灯以及电茶炉开关电源等故障件多达723件。故障件的不断累积给料库的存储造成了一定的压力，同时新件的购买也是单位一笔巨额的开支。为响应和践行总公司“节支降耗做贡献，改革创新立新功”的号召，单位对故障件进行了梳理。经统计，在修旧利废的基础上进行创新性改造和发明，发现这些故障件在维修过程中需要通电检测故障点，且维修后需要通电验证其功能是否能够达到二次上车标准。需要维修的故障电气件有不同的额定电压，即需要针对不同件提供不同大小、制式的电压，因此需要一个多功能的电源装置来完成故障件的维修检测和功能性验证过程[1]。

在修旧利废的前期，测量元件参数及排除故障后都要上实车测试，手续繁多等限制了维修进度且测试时间被动，阻碍了项目的快速推进[2]。针对此问题，相关工作人员经过深入研究、分步实施以及总结提炼，开展了多用途电源集成的设计与制作[3]。

为了更加确切地掌握不同种类型号旧件所需要的电压参数，调查了所内废料库的所有旧件，并统计了旧件的电压等级及制式，结果如表1所示。

表1 旧件的电压等级及制式

1 硬件和软件的设计

多用途电源装置分主体和辅助两部分。主体部分是直流电（具有短路保护功能的开关电源）和交流电（绕组变压器）的输出部分，以满足不同产品的供电需求，实现多用途。辅助部分由绝缘防水的保护外壳、数字直流电压显示表、数字交流电压显示表、船型开关、可调旋钮、公母插头以及导线等组成，具有公母插头组件的一进多出试验线插和具有公母插头组件的电源输入线[4]。

1.1 开关电源工作原理分析

开关电源的工作原理图和波形图如图1所示。图1中输入的直流不稳定电压Ui，经开关S加至输出端。S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管[5]。使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波，就可得到稳定的直流输出电压U0[6]。

图1 开关电源原理图

所选用的开关电源由输入电路、控制电路、稳压反馈电路以及输出电路4个主体组成，电路如图2所示。

图2 开关电源电路图

1.2 直流部分参数及特性要求

直流部分的参数如表1所示。此外，系统内置EML滤波器，具有过压、过流、过载及短路保护（多重保护安全）[7]；耐压测试为输入对地1.5 kV AC/min；散热方式为自动温度控制散热（效率更高）；调压旋钮可方便直流输出电压的调整，配合直流电压表，可以直观观察筒灯的工作电压。

表1 直流部分的参数

研究表明，动车组的实际设计中，为保证光线柔和舒适，和车厢内部照明效果一致，采用人眼感觉较舒适的3 982 K+275 K的色温区域，保证乘客在车厢内不会因为灯光而不适[8]。而多用途集成电源为筒灯提供工作电压，可以模拟动车组的工作环境。同时，在修好的基础上通过调节旋钮可以做耐压实验，分析实验记录的数据得出筒灯在不同电压下的工作时间、状态及在高压损害后电路板上电子元器件的损坏情况。以筒灯为例，实验中当试验电压低于67 V时，照明昏暗，亮度明显减弱。筒灯的额定电压为100 V。当试验电压高于134 V时，照明度达到最大。3种试验过程的电压段依次称为低压、中压和高压。对3个电压段内相同照明时间（8 h）下的指标进行统计，结果如表2所示。

表2 不同电压下的状态对比

直流部分采用进口元器件，可靠性高，内置WMI滤波器，抗干扰性好，直流波纹小，工作效率高。设计软启动电路，交流浪涌电流限制，工作温度低，使用寿命长，绝缘性好，抗电强度高，具有短路、过载、过压以及保护功能，同时配有高效智能散热器[9]。

1.3 交流部分参数及特性要求

直流部分的参数如表3所示[10]。此外，系统调压旋钮可方便调整交流输出电压，全程可调。

表3 交流部分的参数

系统采用的单相交流接触调压器，可用在调压、控温、调速、调光以及功率控制等场所。交流部分使用范围十分广泛，多用于化工、冶金、仪器仪表、机械制造、轻工工业、公用设备以及家用电器等场所，具有无附加波形失真、输出电压可从零电压起始调节、瞬时过载能力强、空载电流小、空载损耗小、效率高、噪音小以及寿命长等特点，适宜各种感性、容性以及电阻负载使用。内部采用的紫铜线圈，具有导电性强、电阻率低、导热性强以及强度高的特点。

1.4 电源箱的辅助功能设计

1.4.1 电路控制，数值显示

交流输入端处、交流输出以及直流输出处各设置一处开关保护，不仅提高了装置的安全性能，还能够实现单线通电，减少电能的浪费。

输出端有直流输出电压（表）显示和交流输出电压（表）显示，方便操作者操作调压旋钮来选取合适的电压。

1.4.2 输入输出线排

采用公母插头，将箱体和线排分开，保证了装置的便携性。直流输出处接2进12出并联线排，可一次性满足6个射灯同时供电。此外，它设计了与筒灯匹配的试验线插，大大提高了射灯供电检测效率。

1.4.3 绝缘盒子

将所有模块都集中固定在一个绝缘盒子里，保证各模块同时工作互不干扰，极大地提高了整套装置的美观性和便携性。

2 时间对比

在修旧利废的前期，测量元件参数及排除故障后测试都要上实车测试，手续繁多等限制了维修进度且测试时间被动。而多用途电源测试不受场地和时间的限制，特别是在检测阶段、修复阶段以及试验阶段，节约了大量时间，提高了修复效率和修复质量。

3 效益评价

3.1 经济效益

在实验室内就可进行供电作业，节约了上车操作时间，减少了场地的限制性，提高了修复效率，满足了单一产品的同时多组供电需求，提高了检测效率。不同范围的输出电压能够满足不同产品的供电需求，实现了多用途。

3.2 社会效益

响应节能降耗，用修旧利废的实际行动将口号落到实处。保证列车的车内设施完好，为旅客提供一个美好的乘坐体验。

4 结 论

下一步将设计电源箱自主供电（太阳能板），无需外接电源，将外部线排整合到集成盒内部，实现集成化和智能化，最终成形为应急升弓电源，并应用于实际作业和故障处理。