CRH380B系列动车组西门子直流接触器的研究.pdf

技术探讨与研究TECHNIQUERESEARCHCRH380B系列动车组西门子直流接触器的研究ResearchonSiemensDCcontactorofCRH38oBSeriesEMU青岛动车段团委徐永峰（XuYongfeng)青岛动车段青岛北动车所褚方舟（ChuFangzhou)摘要：青岛动车段配属的CRH380B系列动车组在运行过程中常发接触器故障，影响到列车各关键系统的安全稳定性。以西门子3RT1直流接触器为研究原型，分析了接触器“断续燃弧”产生的原因，详细介绍了接触器的开关控制电路工作原理，总结出接触器在实际运用过程中的故障易发点。最后，结合动车组实际运用中发生的两起典型行车故障案例，给出动车组接触器故障检查和处置的流程，针对具有普遍性的故障开展专项普查整治，消除故障隐患。关键词：CRH380B系列动车组；直流接触器；断续燃弧；行车故障案例；普查整治Abstract:The CRH38oB series EMU attached to Qingdao Railway station often causes contactor breakdown duringoperation,which affects the safety and stability of the key train systems.Taking Siemens 3RT1 DC contactor as the researchprototype.The paper analyzes the causes ofIntermittent arc of contactor,and introduces the working principle of theswitch control circuit of contactor in detail.Suming up the trouble spot of contactor in practical application.At last,according to the two typical cases of train breakdown in the practical application of EMU,the process of fault check anddisposal for the contactor of Emu is given,eliminate hidden trouble.Key words:CRH380B series EMU;DC contactor;Intermittent arc;Typical breakdown case;Census and rectification【中图分类号】U279.3+32【文献标识码】B【文章编号】156 1-0 330(2 0 2 3)0 5-0 0 7 4-0 61引直流接触器作为一种自动开关控制电器，广泛应用于动车组列车的辅助电气、供风制动和网络及辅助控制等系统的远程控制，适合频繁开通和关断交直流主电路及大容量控制电路，在系统发生故障时能迅速、有效地切断电源，并具有低电压释放功能 2-1。青岛动车段共配属有CRH380B系列动车组合标准编共146 列，2 0 2 1年和2 0 2 2 年因接触器问题导致列车报出故障18 6 起，经过调查分析，接触器内部烧损10余起，因卡滞或黏连等问题导致报出故障达12 0 余起。因此，接触器的可靠性和电寿命直接影响整个系统的可靠性和安全性。本文结合CRH380B系列动车组的西门子3RT1直流接触器，研究主电路及各控制电路，通过原理分析查找故障易发点，结合动车组实际运用中发生的典型故障案例处置措施，研判动车组故障风险防控措施，降低动车组故障率。74THEWORLD OF INVERTERS2西门子3RT1接触器西门子3RT1接触器，采用螺钉接线或笼行卡头接线方式，所有的基本单元都可以用辅助触头模块扩展，带有2 常开触点和2 常闭触点的触头组，利用连接组件，可以与断路器或过载继电器快速、简洁、清晰地连接起来形成回路。西门子3RT1接触器的实物图及三维图如图1所示。SIEMENSCEC(a）实物图图1西门子3RT1接触器(b)三维图第2 6 卷第0 5期变频器世界2 0 2 3年0 5月3RT1型接触器采用电磁式自动开关，用来接通或断开带负载的交-直流电路或大容量控制电路的自动化切换器，主要控制对象是电动机，具有低电压释放保护作用。线圈工作额定电压为DC110V，温度在-40 至+70之间，当工作温度持续大于6 0 时，会降低接触器的机械耐久性，从而影响导电路径的载流能力和开关频率。3RT1接触器控制结构图如图2 所示，通过两极插入式连接，开关触点在A1/A2处施加控制电源电压，PLC输出DC24V电压、30 mA电流对接触器进行控制。+PLC OUTPUTDC24V30mA厂+。DC24V图2 3RT1接触器控制结构图3动车组接触器故障产生原因动车组列车在实际运行中，不可能持续保持DC110V稳定地输出，而是在DC110V左右、7 7 V至132V的范围内波动，因此较大浪涌电压或电流对接触器的电力电子器件产生冲击，造成电力电子器件的损坏。此外，直流接触器在动车组列车的应用中，经常频繁地接通、关断以控制交-直主回路大功率负载，而在线圈的通电瞬间，因线圈电流的突然变化，会产生很高的自感电动势 4，它与电源电压叠加在触电的间隙上，形成弧光放电，可能会烧坏接触器的触点。同时，接触器线圈得电吸合过程中，其动、静触头不会一次就完全吸合，而会产生弹跳现象，发生多次的“断续燃弧”，且燃弧的时间越长，电弧产生的能量越大，能量越大对触头的磨损越严重 5。另一方面，接触器线圈失电断开的过程中，动、静触头的接触力迅速变小，且接触面积迅速变小，此时电弧产生的较大能量集中在非常小的金属触头上，引起爆炸式的汽化而产生金属蒸汽，在接触器内部狭小的空间内，随着接触器触点的断开产生“拉弧”现象，且线圈失电过程中的“拉弧”现象要比“弹跳”时的“断续燃弧”更为严重，进而，对电路的其他元件造成破坏 6-8 。动车组直流接触器在实际应用中的烧损现象如图3所示，可以看出整体电路板已经被烧糊，图3（a)中限压电阻已经被完全烧脱落，图3（b）图中金属触头脱落，且MOS管有明显电击穿痕迹。(a）电路板背面图3烧毁的接触器电路板A1A23RT1(b）电路板正面4工作原理4.1直流接触器主电路结构运用在动车组列车的直流接触器电路结构包括：限压单元、控制及转换电路、控制电路、保护回路。控制电路由弹跳电弧消除电路、分断电弧消除电路和开关驱动电路组成，其中，弹跳电弧消除电路又由下降沿检测输出电路和延时输出控制电路组成 9。直流接触器的结构框图如图4所示。电源及转换电路控制线圈图4直流接触器结构框图为了抑制浪涌电压以及接触器开关过程中产生的“拉弧”现象，接触器多采用混合式开关电路结构。限压单元与控制线圈主触头并联，承受浪涌电压。在线圈初得电且触头完全吸合前，先由功率半导体器件导通，经一短暂延时（通常大于接触器触头弹跳时间），之后自行关断。在线圈失电时刻，设有缓冲电路吸收电弧释放的能量，减小对器件的损坏10 。因此，得到如图5所示的接触器工作原理时序图。WWW.CA168.COM75接触器弹跳电弧消除电路机械开关接触器分断电弧吸收电路保护电路技术探讨与研究TECHNIQUERESEARCHAt线圈电压LAt触头电压11电力电子器件1触发信号t1图5直流接触器工作原理时序图在t1时刻，接触器的线圈初得电，之后，通过检测到线圈的上升信号由控制电路驱动电力电子器件在t2时刻先于触头导通。在t3时刻，触头第一次吸合导通并产生一小段弹跳，经过t的时间后，触头电压达到稳定，此时关断电力电子器件，让机械触头保持导通状态。同理，在t5时刻检测到线圈电压下降信号，由电力电子器件在t6时刻先导通，经（t7-t6)时间的延时后，触头断开，随后达到稳定状态。在此期间，必须保证电力电子器件的导通时间t2覆盖触头电压的弹跳时间t3，同时，也要保证在机械触头完全释放之前，先由电力电子器件导通，实现无弧通断 。4.2隔离采样电路隔离采样电路主要由光电耦合器件及反相器构成，光电耦合器以光为媒介，把发光器与受光器封装在同一管壳内，实现电信号光信号电信号的转换，对直流接触器的触头闭合信号进行传递。如下图6 所示，当触头K处于断开状态时，光耦合器件G1处于导通状态，输出的OUT信号为低电平0，经过反相器U1输出OUT1=1高电平。当触点闭合后，光耦器件无电流通过，输出OUT为高电平1，则输出OUT1=0低电平信号。+110VK4.3控制电路控制电路是整个直流接触器的核心关键部分，在线圈得电时，负责接收隔离采样电路输出的触点第一次闭合信号，并持续输出一段高电平，驱动电力电子开关动作。在线圈失电时，保证接触器有足够的时间将分离电弧的能量转移到储能电容中。At2控制电路包括一个1458 4BG型号的六路逻辑反向1t2t3光耦合图6 隔离采样电路t4t55VU1OUTGNDt6t7OUT1器、两个功率MOSFET管（型号为17 N80C3）和若干稳压二极管、PNP三极管、NPN三极管等。其中，1458 4BG逻辑反相器，按照事先设定好的时间间隔，周期性地采集用户信息，一共14个引脚，其中有6 对反向逻辑输出通路，额定工作电压为3至18V，工作温度为12 5，输出电流为土4.2 mA，根据产品种类的不同，传播延时时间为2 50 ns、10 0 n s 或80ns。控制电路原理图如图7 所示。其中，图中的位置为驱动电路部分，与继电器线圈并联，的位置为下降沿检测输出电路和延时输出控制电路。+110VDID12R6R7下降沿检测输出电路如图8 所示。+D1OOUTC2延时输出控制电路如图9所示。驱动电路原理图如图10 所示。根据图7 至图10，可得控制电路工作原理：R5Q9R9本D13图7 控制电路原理图R4U3U2R6Rsb图8 下降沿检测输出电路D15?Q10D14Q1C3eINO1RvU4Q2继电器线圈CID2OUT276THEWORLDOFINVERTERS第 2 6 卷第0 5期变频器世界2 0 2 3年0 5月十INR7G2OUT3（1）当线圈接通机车110 V直流电，线圈得电，IN（线圈电压）由低电平0 到高电平1的瞬间，控制电路开始工作，记为tl时刻。此时，隔离采样电路的触点K未闭合，光耦G1呈导通态，经反相器输出OUT1=1。下降沿检测电路的NPN三极管Q2工作在放大区，集电极c输出高电平脉冲，使得OUT2输出高电平，即OUT2=1。在延时输出电路中，IN输入的高电平给C4和C5充电，OUT3=0。同时，电源电压将开始通过电阻R5给电容C1充电，使C1达到110 V电压。（2）在IN=1且OUT1=1的稳态时，Q1工作在放大区，集电极为高电平，则或非门U4输出低电平。Q2的基极电流增加到一定程度后，呈饱和导通状态，Q2的集电极为低电平，即OUT2=0，下降沿检测电路检测到OUT2的下降沿。（3）线圈得电后一小段时间，随着延时输出电路的C4和C5电压逐渐升高到IN，O U T 3=1。O U T 3输出高电平后，驱动电路的G2光耦导通，驱动MOSFET导通，使其承担触点弹跳的电流应力。（4）接触器K吸合后，当OUT1由10 的瞬时，IN=1，下降沿检测电路的电容C2、C3迅速放电，起到平滑电压的作用，Q1截止状态，集电极C输出低电平，U4输出高电平，即OUT2=1。（5）当OUT1=0的稳态时，OUT2=0，C4和C5充电完成，则U5输出为高电平，U6输出为低电平，即OUT3=0。此时,MOS管断开，由金属触头承受导通电流。（6）当线圈失电时，控制电路中MOS管Q9截止，D3D4伞C5C4UsR8Q3图9 延时输出控制电路R11R13R2Q6C10图10 驱动电路原理图电容C1开始放电，使MOS管Q10导通，这样使继电器继续有一定的吸合作用，减轻“断续燃弧”的现象。U6D5