CN106501715A - 和谐号电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置 - Google Patents

和谐号电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置 Download PDF

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Abstract

一种和谐号电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置,包括数据采集与信号处理显示终端和驾驶室状态显示终端;其中数据采集与信号处理显示终端包括接触器单元、开关状态检测单元、触电电阻检测单元、MCU1单元、A/D变换电路单元、光电隔离串行口单元、MCU2单元、状态指示1单元、通信单元1、数据存储单元;驾驶室状态显示终端包括通信单元2、MCU3单元、状态指示2单元、声光报警单元。

Description

和谐号电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置
技术领域
本发明涉及一种自动化技术,特别是一种和谐号电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置。
背景技术
“和谐号”HXD3是中国铁路的干线货运电力机车主力车型之一,铁总现有500台投入使用。工作电源:单相交流25KV/50Hz;电传动方式:交-直-交传动;持续功率:7200KW;持续速度70Km。在机车的两端各设有一个司机室,两个司机室的中间是机械室。在机械室内设有600mm宽的中央通道,通道左右两侧设有主变流装置、通风机和压缩机等设备。在机械室内安装了多个几千瓦至几十千瓦辅助风机,受高压接触器控制,用来对电力机车功率设备进行散热降温。
电力机车牵引供电系统采用三相交流制,每隔25Km-30Km建一个变电站,采用分相(A、B、C)交替分相供电方式,保证三相电对称负荷,不影响电力系统的三相对称性,功率因数接近于1,并能将无功电流、负序电流、通讯干扰等减到最小值。牵行变电所相对简单,三相异步电动机运行可靠、维护方便。电力机车需不断通过牵行变电所进行分相交替供电。由于辅助风机是感性负载,其瞬态电流大大超过额定电流,而使接触器进入过流保护状态,造成相关的辅助风机停转,影响机车正常运行,出现机车停车等故障现象;其次,接触器触点随着使用时间的增长,触点接触电阻会从开始的几mΩ增加到几十mΩ,或超过100mΩ。如未及时发现这种触点阻抗的变化,在几十A工作电流流过时引起触点功耗大幅增加,以至触点烧毁,造成机车故障。
发明内容
本发明的目的在于提供一种和谐号电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置。该装置涉及了和谐号电力机车辅助风机高压工作接触器的触点开关状态和触点电阻值进行实时检测,根据给出的状态信息,司机对接触器过流保护等故障采取应急措施,检修人员通过下载存储数据进行后续分析处理,找出接触器可能存在故障隐患。
一种和谐号电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置,包括数据采集与信号处理显示终端和驾驶室状态显示终端;其中数据采集与信号处理显示终端包括接触器单元、开关状态检测单元、触电电阻检测单元、MCU1单元、A/D变换电路单元、光电隔离串行口单元、MCU2单元、状态指示1单元、通信单元1、数据存储单元;驾驶室状态显示终端包括通信单元2、MCU3单元、状态指示2单元、声光报警单元;接触器单元输入端与电力机车待测端连接且输出端分别与开关状态检测单元输入端、触电电阻检测单元输入端连接,开关状态检测单元输出端与MCU1单元输入端连接,触电电阻检测单元输出端与A/D变换电路单元输入端连接,A/D变换电路单元输出端与MCU1单元输入端连接,MCU1单元输出端通过光电隔离串行口单元与MCU2单元输入端连接,MCU2单元输入端还与数据存储单元连接,MCU2单元输出端分别与状态指示1单元、通信单元1连接;通信单元2与通信单元1通信且输出端与MCU3单元输入端连接,MCU3单元输出端分别与状态指示2单元、声光报警单元;开关状态检测单元检测接触器单元开关状态,触电电阻检测单元获取接触器单元触点接触电阻值,A/D变换电路单元将电阻值转换为数字信号,MCU1单元对接触器开关量与电阻值进行处理,MCU2单元处理MCU1单元馈送的信号,状态指示1单元根据MCU2单元的输出信号发出不同指示信号,通信单元1将MCU2单元处理信号发送,数据存储单元用于存储接触器状态数据,通信单元2接收数据存储单元发出的信号,MCU3单元对通信单元2接收的信号进行处理,状态指示2单元根据MCU3单元的输出信号发出不同指示信号,声光报警单元根据MCU3单元的输出信号发出警报。
本发明应用了开关状态检测电路、触点电阻检测电路对辅助风机控制的高压工作接触器的开关状态和触点电阻进行实时、准确地检测,在接触器出现过流保护触点断开、接触器触点接触电阻值大于初始值10倍以上等故障时,装置及时给出故障状态指示和声光报警,提示机车司机采取应急措施;同时,装置配置EEPROM实时全程记录接触器开关状态和接触器触点接触电阻值,通过USB单元下载数据,并由专用软件进行数据分析,以消除接触器可能存在的隐患,保证铁路大动脉安全畅通运行。
下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。
附图说明
图1为本发明一种和谐号HXD3电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置的结构框图。
图2为图1中接触器单元与开关状态检测单元电路图。
图3为图1中触点电阻检测单元电路图。
图4为图1中模拟量多路选择单元与AD变换单元电路图。
图5为图1中光电隔离串行口单元电路图。
图6为图1中MCU2单元与状态指示1单元电路图。
具体实施方式
如图1所示,本发明一种“和谐号”HXD3电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置包括:接触器单元1、开关状态检测单元2、触点电阻检测单元3、模拟量多路选择单元4、MCU1单元5、光电隔离串行口单元6、AD变化电路单元7、MCU2单元8、状态指示1单元9、USB接口单元10、Zigbee通信模块1单元11、EEPROM存储器单元12、Zigbee通信模块2单元13、MCU3单元14、状态指示2单元15、声光报警单元16。
接触器单元1前后端输出端(SW-A1/SW-A2)与开关状态检测单元2输入端相连,检测接触器开关状态。接触器单元1前后端输出与触点电阻检测单元3输入端相连,获取接触器触点接触电阻值。开关状态检测单元2输出与MCU1单元5相连,开关状态量输入MCU1。触点电阻检测单元3输出与模拟量多路选择单元4输入相连,模拟量多路选择单元4输出与AD变化电路单元7相连。AD变换电路单元7输出与MCU1单元5相连输入触点接触电阻值数字量,MCU1分析处理前端输入开关量和数字量。MCU1单元5串行口(TXD1/RXD1)与光电隔离串行口单元6相连,光电隔离串行口单元6与MCU2单元8串行口(TX2/RX2)相连,实现MCU1与MCU2之间电气隔离的高速数据通信。MCU2单元8与状态指示1单元9相连,给出接触器状态指示。MCU2单元8与USB接口单元10相连可以下载EEPROM存储器单元12中的数据进行后续数据分析,找出接触器可能存在的技术隐患。MCU2单元8与Zigbee通信模块1单元11相连可以实现与驾驶室状态终端通信。MCU2单元8与EEPROM存储器单元12相连实现接触器触点开关量与触点电阻数字量存储。Zigbee通信模块2单元13与MCU3单元14相连,MCU3单元14与态指示2单元15相连,MCU3单元14与声光报警单元16相连,司机根据状态指示和声光报警信息进行应急处理,保证机车正常、畅通运行。
如图1所示,MCU1单元5、MCU2单元8和MCU3单元14选用双串口、带SPI总线单片机(STC12C5A60S2),实现单片机之间数据通信、Zigbee通信模块之间通信、EEPROM数据存储和USB数据下载等功能。
结合图2,开关状态检测单元2的电路包括:压敏电阻R2与R7(270V/7D),稳压管D1-2(1N4749),三极管V1-2(2N2222)及电阻。压敏电阻R2与R7、稳压管D1-2构成两级抗干扰电路来抑制电力机车浪涌干扰;抗干扰电路输出与三极管V1-2(2N2222)开关电路相连,V1-2的集电极输出开关量信号。
结合图3,触点电阻检测单元3的电路包括:分压电阻R11-14、过压保护二极管D1-4(1N41481)、噪声抑制电路R15=R16=1K、C1=C3(1uF)与C1(10uF)、仪表放大器U1(INA128)及增益调节电阻R17(1K)。分压电阻R11-14与R17选用0.1%精密电阻、仪表放大器选用温漂(典型值:(±0.2±2/Gain)uV/℃)与偏移量(典型值:(±10±100/Gain)uV)数值极小的INA128,保证触点电阻检测单元3自身误差对接触器触点电阻测量精度影响很小,在一定温度范围内可以忽略不计。INA128内置差分电路具有良好的电阻匹配性能,可进一步抑制信号中的共模噪声。对触点电阻检测单元3的电路分析计算,R15、C1与R16、C3构建共模滤波器,其截止频率fCM
fCM=1/(2πR15C1)=159Hz
R15、R16与C3构建差模滤波器,其截止频率fDIF
fDIF=1/[2π×2R15×(C2+1/2C1)]=8Hz
由上式可知,满足了fCM>10fDIF,这就防止了因元件参数误差导致共模噪声被转换为差模噪声;同时,fCM与10fDIF频率很低,对差分信号中噪声可以得到有效抑制。
假设接触器两个触点合计电阻为10mΩ;触点流过电流20A,触点压降0.2V,分压比K1为1/55,仪表放大器电压增益为
Gain=(1+50K/R17)=51
放大器输出Ua1为:
Ua1=K1×Gain(VA1-VA2)=185mV
如触点电阻值大于初始值10时,Ua1=1.85V,说明Ua1有足够的动态范围供后级AD变换单元7进行模数变换,并根据Ua1数字量做出准确判定和给出警示信息。
结合图4,模拟量多路选择单元4与AD变换单元7的电路包括:8选1多路选择器U2(74HC4051)、AD变换器U3(AD7940)、R18与C4低通滤波器。U2实现最多8路模拟量选择,输出经R18与C4低通滤波抑制噪声,输入到14位AD变换器,其1LSB为
1LSB=FSR/2n=5/214=0.31mV
转换成电阻值分辨率为16.8uΩ,由此说明AD变换器可以很好满足触点电阻检测要求。
结合图5,光电隔离串行口单元6的电路包括:高速光耦合器U4-5(6N138)、电阻R22-25。高速光耦合器6N138传输速率为100Kb/s,可以满足MCU1单元5与MCU2单元8通信速率要求。MCU1单元5的TXD1与光电隔离串行口单元6的高速光耦合器U4发送端3脚相连,U4输出端6脚与MCU2单元8的RX2相连;MCU1单元5的RXD1与光电隔离串行口单元6的高速光耦合器U5输出端6脚相连,U5发送端6脚与MCU2单元8的RX2相连。
结合图6,MCU2单元8与状态指示1单元9的电路包括:单片机U7(STC12C5A60S2)、串行口复用插座JP2和高亮LED灯D7-14。当单片机U7收到某个接触器触点出现过流保护时,对应LED灯闪烁报警。

Claims (6)

1.一种和谐号电力机车辅助风机控制接触器触点状态监测装置,其特征在于,包括数据采集与信号处理显示终端和驾驶室状态显示终端;其中数据采集与信号处理显示终端包括接触器单元(1)、开关状态检测单元(2)、触电电阻检测单元(3)、MCU1单元(5)、A/D变换电路单元(7)、光电隔离串行口单元(6)、MCU2单元(8)、状态指示1单元(9)、通信单元1(11)、数据存储单元(12);驾驶室状态显示终端包括通信单元2(13)、MCU3单元(14)、状态指示2单元(16)、声光报警单元(15);
接触器单元(1)输入端与电力机车待测端连接且输出端分别与开关状态检测单元(2)输入端、触电电阻检测单元(3)输入端连接,开关状态检测单元(2)输出端与MCU1单元(5)输入端连接,触电电阻检测单元(3)输出端与A/D变换电路单元(7)输入端连接,A/D变换电路单元(7)输出端与MCU1单元(5)输入端连接,MCU1单元(5)输出端通过光电隔离串行口单元(6)与MCU2单元(8)输入端连接,MCU2单元(8)输入端还与数据存储单元(12)连接,MCU2单元(8)输出端分别与状态指示1单元(9)、通信单元1(11)连接;
通信单元2(13)与通信单元1(11)通信且输出端与MCU3单元(14)输入端连接,MCU3单元(14)输出端分别与状态指示2单元(16)、声光报警单元(15);
开关状态检测单元(2)检测接触器单元(1)开关状态,
触电电阻检测单元(3)获取接触器单元(1)触点接触电阻值,
A/D变换电路单元(7)将电阻值转换为数字信号,
MCU1单元(5)对接触器开关量与电阻值进行处理,
MCU2单元(8)处理MCU1单元(5)馈送的信号,
状态指示1单元(9)根据MCU2单元(8)的输出信号发出不同指示信号,
通信单元1(11)将MCU2单元(8)处理信号发送,
数据存储单元(12)用于存储接触器状态数据,
通信单元2(13)接收数据存储单元(12)发出的信号,
MCU3单元(14)对通信单元2(13)接收的信号进行处理,
状态指示2单元(16)根据MCU3单元(14)的输出信号发出不同指示信号,
声光报警单元(15)根据MCU3单元(14)的输出信号发出警报。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,接触器单元(1)若干分别与不同电力机车待测端连接,开关状态检测单元(2)和触电电阻检测单元(3)与接触器单元(1)数量匹配且对应连接;装置还包括与所有触电电阻检测单元(3)输出端连接模拟量多路选择单元(4),用于一时刻仅有一路电阻值数据送至A/D变换电路单元(7)。
3.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,接触器单元(1)和开关状态检测单元(2)包括接触器(K1)、第二压敏电阻(R2)、第一电阻(R1)、第一稳压管(D1)、第三电阻(R3)、第一三极管(V1)、第五电阻(R5)、第六电阻(R6)、第七压敏电阻(R7)、第八电阻(R8)、第二稳压管(D2)、第九电阻(R9)、第二三极管(V2)、第十电阻(R10);其中
接触器(K1)触点前端与第二压敏电阻(R2)、第一电阻(R1)和第一稳压管(D1)组成抗干扰电路输入相连,
抗干扰电路输出分别与第一三极管(V1)、第三电阻(R3)、第五电阻(R5)组成开关电路和第四电阻(R4)相连,
输出开关量与MCU1单元(5)相连,
接触器(K1)触点后端与第七压敏电阻(R7)、第六电阻(R6)和第二稳压管(D2)组成抗干扰电路输入相连,
抗干扰电路输出分别与第二三极管(V2)、第八电阻(R8)、第十电阻(R10)组成开关电路和第九电阻(R9)相连,
输出开关量与MCU1单元相连,
第四电阻(R4)、第九电阻(R9)接地。
4.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,触电电阻检测单元(3)包括第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)、第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第十五电阻(R15)、第十六电阻(R16)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第十七电阻(R17)、放大器(U1);其中
接触器单元(1)的接触器(K1)触点前后端分别与第十一电阻(R11)、第十二电阻(R12)组成的前端分压电路和第十三电阻(R13)、第十四电阻(R14)组成的后端分压电路相连,
前端分压电路与第三二极管(D3)、第四二极管(D4)组成的前端过压保护电路并联方式相连,
后端分压电路与第五二极管(D5)、第六二极管(D6)组成的后端过压保护电路并联方式相连,
前端过压保护电路、后端过压保护电路与第十五电阻(R15)、第十六电阻(R16)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)组成的噪声抑制电路连接,
前端过压保护电路、后端过压保护电路输出的信号分别与放大器(U1)的负输入端、正输入端连接,
放大器(U1)的RG端接增益电阻(R17),
放大器(U1)的输出端输出测量的电阻数值。
5.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,光电隔离串行口单元(6)由高速光耦合器实现。
6.根据权利要求1或2所述的装置,其特征在于,装置还包括USB接口单元(10),该USB接口单元(10)与MCU2单元(8)连接。
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