智能复合开关在轨道交通车辆应用研究

智能复合开关在轨道交通车辆应用研究

田庆1   孙宁1   王升晖1

 1.中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛  266111 

摘 要： 针对轨道交通车辆车载风机控制回路中频繁出现的接触器故障，特别是风机启动冲击电流、分断弧电流引起的接触器触点粘连、寿命短的问题，提出采用复合开关对风机进行控制。通过对智能复合开关的研发和应用研究，能够有效降低风机启动冲击电流，提升控制回路可靠性和使用寿命，同时，实现风机的全面监测、诊断和故障保护，可有效提升车辆的智能化和安全性；

Research on Electrical cabinets Computerized monitoring device for China EMU

Tian Qing1Sun Ning1Wang Shenghui1

 1.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd.,Qingdao,Shandong 266111, China

Abstract：In response to the frequent occurrence of contactor faults in the control circuit of the on-board fan of rail transit vehicles, especially the problems of contactor contact adhesion and short service life caused by the starting impulse current and arc breaking current of the fan, a composite switch is proposed to control the fan. Through the research and application of intelligent composite switches, it is possible to effectively reduce the starting impulse current of fans, improve the reliability and service life of control circuits, and achieve comprehensive monitoring, diagnosis, and fault protection of fans, which can effectively enhance the intelligence and safety of vehicles;

Keywords：Composite switch；Fan control；Soft start；

0. 引言

散热系统是轨道交通车辆高压、牵引、空调等关键设备安全运行的重要保障，散热风机控制回路故障会直接影响散热功能，进而造成车辆各系统故障并影响运行。无论“和谐号”动车组还是“复兴号”中国标准动车组均采用继电器/接触器等电气件作为车辆电气控制逻辑控制和执行器件。而电气件性能降低和恶劣工况发生，通常导致车辆运行过程中的出现偶发性故障。这些“活故障”无法进行快速定位及检修，存在重大的安全隐患，严重威胁到了行车安全。而目前“活故障”的解决方式通常都是预防性更换，这种方式过于简单粗暴，且经济性差。

在工业电器设备电源切换控制中，通常采用机械触点开关或无触点的电子开关[1]。

机械开关（交流接触器）是一种传统的对交流负载投切方式，正常工作时接触点电阻极小，几乎不消耗功率。但是机械触点切换是会产生冲击电流，冲击电流产生的电弧不但会烧蚀开关触点[1]，还会使负载特性变坏。

无触点电子开关（固态继电器）其原理为通过电压、电流过零检测控制，保证在电压零区附近投入，从而避免了合闸涌流的产生，而切断又在电流过零时完成，避免了暂态过电压的出现，这就从功能上符合了负载过零投切的要求，另外晶闸管的触发次数没有限制，可以实现准动态补偿(响应时间在毫秒级)，因此适用于负载的频繁投切，但是为了降低器件温度就需要使用面积很大的散热器，甚至需要风扇进行强迫风冷。晶闸管开关的缺点是结构复杂、体积大、损耗大、成本高、可靠性差，优点是能实现过零投切、动作迅速、反应快，多用于动态补偿的场合，而不适用于常规负载投切中。

仔细分析研究了交流接触器和固态继电器的各自优缺点之后发现，如果把二者巧妙地结合来，优势互补，发挥接触器运行功耗小和可控硅开关过零投切的优点，便是一个较为理想的投切元件，这种投切开关同时具备了交流接触器和固态继电器二者的优点，不仅可以抑制涌流、避免拉弧，而且不再需要配备笨重的散热器和冷却风扇。要把二者结合起来的关键是相互之间的时序配合必须默契，固态继电器负责控制负载的投入和切除，交流接触器负责保持负载投入后的接通，当接触器投入后固态继电器就立即退出运行，这样就避免了晶闸管元件的发热。

对此，本文基于已有的研究成果，研发出一款适合于轨道交通行业使用智能复合开关，在保证风机可靠控制的前提下，还实现风机的全面监测、诊断和故障保护等。

1. 智能复合开关系统方案

所谓复合开关，是指可以在正常导电回路的前提下闭合、承载与断开电流的开关装置，主要用于投入和切除无功补偿装置中的电容器[2]。

复合开关一般采用小功率晶闸管与磁保持继电器并联运行，他在投入或切除的一瞬间能够使可控硅过零投切，而且在正常运行工作的时候有磁保持继电器零功耗的优点[3]。复合开关主要根据过零检测电路检测出电压过零点，在过零点进行负载的投入或切除。

在轨道交通领域不需要对负载做动态无功补偿，但是要解决风机启动冲击电流对接触器触点的影响，所以提出了一种新型的智能复合开关，来实现对风机控制接触器的优化替代，解决接触器触点粘连、寿命短的问题。

图1 智能电机复合开关

智能电机复合开关控制原理框图如图2所示。内部触点采用晶闸管与继电器并联结构。在电机启动阶段，先通过控制晶闸管导通角度，限制电动机的启动电压和电流。随着电机转速的提升，逐步增大晶闸管导通角度。直到晶闸管达到全开通状态，再将继电器触点闭合，旁路晶闸管；电机停机时，先将继电器断开，再关断晶闸管，避免继电器触点产生拉弧。

图2 智能电机复合开关系统框图

2. 智能复合开关硬件设计

2.1 系统架构设计

智能复合开关的控制板包含主控芯片、开入信号、CAN 通讯、LED显示、存储器、电压同步监测、脉冲触发合计量芯片检测等几部分组成。

图3智能电机复合开关系统框图

主控芯片：获取外部状态信息，对外通讯，晶闸管和继电器状态控制。

开入信号：开关量输入，控制智能电机复合开关执行软启动逻辑与停机逻辑。

CAN通讯：获取相关实时电流、电压数据，设定相关控制参数。

LED显示：显示智能电机复合开关与三相电机状态。

存储器：存放相关控制器相关参数和事件记录。

电压同步监测：获取输入线电压状态。

触发脉冲：脉冲变压器产生触发脉冲控制晶闸管导通，用于智能电机复合开关启动和停机时逻辑控制部分。

计量芯片监测电压、电流：获取实时电流、电压数据，用于计算保护逻辑，电能参数。

2.2 内部结构设计

智能复合开关内部采用板卡堆叠结构，可控硅和散热器堆叠在最下层，便于器件散热。电源和控制部分放置在上部，便于接线和检修维护。

图4智能电机复合开关内部结构图

3. 软件控制逻辑

智能电机复合开关执行启动逻辑时采用斜坡恒流软启动方式，即在电动机启动的初始阶段启动电流逐渐增加，当电流达到预先所设定的值后保持恒定，直至启动完毕，电流大致曲线如图5所示。

图5斜坡恒流软启动电流曲线

启动时软件控制逻辑

1)连续监测到3个正常电压同步信号且经过故障监测（缺相、错序），执行启动逻辑；

2)检测到开入启动信号开始计时，完成软启动过程并达到预先设定的时间后，继电器闭合；

3)可控硅启动过程中，间隔20ms监测一次B相软启动限流值大小，若没有超过限流值，则每次增大可控硅触发角；

4)启动过程中持续监测，智能电机复合开关是否故障，如果有故障或停机信号，则停止软启动逻辑并且产生故障信号；

停机时软件控制逻辑

检测到停机信号，先控制继电器断开，可控硅持续导通1秒，完成停机。

4. 保护功能

在智能电机复合开关内继电器处于常开状态下，出现缺相、相序错情况下，此时“告警”灯常亮且不执行电机启动控制逻辑，即无法启动电机。在智能电机复合开关检测到错序时“告警”灯常亮。

1. 缺相

缺相逻辑：L1-L2-L3有电压情况下，当L1-L2-L3任意线电压小于304V（约为80%的380V）或任意L1-L2-L3两个线电压之差的绝对值大于20V，情况持续2秒后，则判定缺相。

缺相时“告警”灯常亮，可改正电压接入线电压380V，后可消除缺相。

2. 相序错（错序）

错序逻辑：L1-L2-L3有电压情况下，线电压之差的角度不在60°误差范围，情况持续2秒后，则判定错序。

错序时“告警”灯常亮，可改正L1-L2-L3的相序并且重新加电压持续2秒后，可以消除相序错的问题。

3. 过载

过载逻辑：任意一相电流大于“过载电流”，情况持续3秒后，判定为过载。

过载时“告警”灯常亮，当检测的电流值低于“过载电流”且持续3秒后，可消除过载。

5. 试验验证及对比

为验证所设计的智能复合开关的功能及其稳定性，选用接触器和智能复合开关进行带载启动测试对比。搭建测试平台如下图。

图6风机测试平台

电机参数如下：

电机类型：交流；

额定电压（UN）：3~400V（Δ/Y）±10%；

额定频率（fN）：50hz；

电机输入功率（P1）：0.84/0.54KW；

额定电流（IN）：1.45/0.96A；

额定转速（nN）:1340/940min-1

起动电流（IA）：4.70A/1.55A

注：测试时采用三个电机并联。

图7接触器带风机启动时电流波形

图8接触器带风机启动时最大冲击电流波形

接触器带载启动时长约为6.4s，最大冲击电流为25A。

图9智能复合开关带风机启动时电流波形

智能复合开关带载启动时长约为16.5s，最大冲击电流为14A。

整理数据如下表所示：

通过对接触器和智能复合开关启动波形数据对比，接触器启动时长较短，电流大；智能复合开关启动时间长，电流小。

6. 结语

本文针对轨道交通散热风机负载投切时出现接触器频繁故障问题，提出使用智能复合开关替代接触器，解决接触器触点粘连、寿命短的问题，同时实现风机的全面监测、诊断和故障保护等功能。

智能复合开关通过对晶闸管通、断的时点可以精确控制，并达到零电流通、断的理想状况，从而在通、断时避免了浪涌电流的产生; 继电器的通、断，都是在晶闸管工作时进行的，触点两端是在零电压下通、断的，避免投切时的浪涌电流、避免了触点的电火花，不会出现触点烧结，不产生火花干扰，保证触点寿命可以更长久，增加保护功能，使车辆应用时更加安全可靠。后续将加大对复合开关在轨道交通车辆上的应用研究。

参考文献

[1]高泽涵，黄岚. 一种实用的复合开关[D].集成电路应用,2006,12:106-107.

[2]王兆安，杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.

[3]韩彦华,石少敏,王森.投切并联电容器过电压研究[J].电力电容器,2007,28(1):5-8.

作者简介：田庆，高级工程师，主要从事轨道交通车辆电气设计工作。