劉玉高 上海鐵路局合肥機(jī)務(wù)段

1 引言

東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車為了防止因電壓調(diào)整器失控等原因引起啟動(dòng)發(fā)電機(jī)過壓、輔助和控制電路電壓超高，造成輔助回路和控制回路中的電機(jī)、電器損壞和蓄電池充電電流超高，均設(shè)置了輔助回路過壓、過流保護(hù)電路。該保護(hù)電路采用電阻測(cè)流、測(cè)壓方式來監(jiān)測(cè)機(jī)車輔助發(fā)電、充電回路的保護(hù)條件，并且由測(cè)流、測(cè)壓電阻驅(qū)動(dòng)繼電器的方式來實(shí)現(xiàn)機(jī)車輔助發(fā)電過壓、過流的保護(hù)，但原設(shè)計(jì)存在如下弊端：

（1）由于蓄電池狀態(tài)的差別，造成保護(hù)值得不到準(zhǔn)確調(diào)整，電壓保護(hù)值和電流保護(hù)值的確定只是一個(gè)模糊量。

（2）由于設(shè)計(jì)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)由繼電器實(shí)現(xiàn)，動(dòng)作值由繼電器彈簧的壓縮量來確定，整定值的精度較差。

（3）由于設(shè)計(jì)中使用同一電阻來獲得保護(hù)電流和保護(hù)電壓2個(gè)參數(shù)，并由取樣電阻實(shí)施繼電器電源供給，無法客觀反映過壓和過流狀態(tài)。

2 目前過流、過壓繼電器使用現(xiàn)狀分析

2.1 過流繼電器FLJ

FLJ主要裝在東風(fēng)4B、東風(fēng)12和東風(fēng)7C型內(nèi)燃機(jī)車上，是一種電磁繼電器，如圖1所示。其驅(qū)動(dòng)裝置由鐵芯、磁軛、銜鐵、復(fù)原彈簧以及套在鐵芯上的線圈組成，線圈與一個(gè)可調(diào)電阻Rgy串聯(lián)后與蓄電池充電電阻Rc并聯(lián)，然后串聯(lián)在蓄電池充電回路中。在蓄電池狀態(tài)正常情況下，當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)電壓因故上升至127V左右時(shí)，充電電流可達(dá)100A，充電電阻Rc兩端電壓可達(dá)12.2V，這時(shí)流過FLJ線圈電流達(dá)到0.5A，F(xiàn)LJ動(dòng)作，使機(jī)車轉(zhuǎn)入固定發(fā)電工況。顯然，F(xiàn)LJ能夠防止正常情況下因輔助發(fā)電機(jī)電壓過高所造成的蓄電池充電電流過大以及蓄電池虧電或某些單節(jié)短路所造成的蓄電池充電電流過大，但是FLJ本身及其對(duì)輔助發(fā)電機(jī)供電回路的保護(hù)存在著如下缺陷。

（1）在蓄電池充放電的過程中，F(xiàn)LJ線圈中一直都有電流流過，那么它對(duì)銜鐵一直都有電磁力存在（只是在正常情況下，這個(gè)電磁力沒有達(dá)到克服復(fù)原彈簧的阻力而使FLJ動(dòng)作而已），因而復(fù)原彈簧在長期使用后會(huì)出現(xiàn)材質(zhì)疲勞而彈力減弱的情況，這樣FLJ動(dòng)作值就會(huì)變小，易誤動(dòng)作。

（2）即使在同樣的輔助發(fā)電機(jī)電壓下，由于蓄電池狀態(tài)的差別，其充電電流也是不同的，因而設(shè)定的FLJ動(dòng)作值只能是一個(gè)模糊量，故其保護(hù)精度不夠。

（3）當(dāng)蓄電池充電回路出現(xiàn)斷路或由于其它原因造成回路電阻過大，這時(shí)即使輔助發(fā)電機(jī)電壓大于127V，流過FLJ線圈的電流也不會(huì)達(dá)到其動(dòng)作值，F(xiàn)LJ也就不可能動(dòng)作，當(dāng)然也就起不到保護(hù)作用。過高電壓會(huì)造成輔助發(fā)電機(jī)供電回路電器燒損甚至?xí)砀蠼?jīng)濟(jì)損失。

2.2 過壓繼電器GYJ

GYJ主要裝在東風(fēng)4C、4D、4DD和東風(fēng)5型內(nèi)燃機(jī)車上，如圖2所示。

圖1 過流繼電器FLJ接線圖

圖2 過壓繼電器GYJ接線圖

它是一個(gè)電子器件繼電器，輔助發(fā)電機(jī)電壓是GYJ的輸入信號(hào)，當(dāng)輔助發(fā)電機(jī)電壓超過127V時(shí)，GYJ動(dòng)作，使機(jī)車轉(zhuǎn)入固定發(fā)電工況。顯然采用GYJ比采用FLJ能更好地限制輔助發(fā)電機(jī)過電壓，可靠性也更高。但是，當(dāng)機(jī)車蓄電池出現(xiàn)虧電或短路，即使輔助發(fā)電機(jī)電壓達(dá)不到GYJ的動(dòng)作值也可能會(huì)造成蓄電池充電電流超過100A，大電流會(huì)迅速使蓄電池或短路點(diǎn)發(fā)熱，造成蓄電池爆裂、火災(zāi)等嚴(yán)重后果。

3 方案的制定與實(shí)施

3.1 方案的提出

針對(duì)上述設(shè)計(jì)存在的弊端及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中存在的困難，為了更好更全面地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)車輔助發(fā)電機(jī)供電回路的保護(hù)功能，通過查閱資料以及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，提出采用一個(gè)集FLJ和GYJ功能和優(yōu)點(diǎn)與一體的裝置“GLYJ”，即"過流過壓繼電器"，來同時(shí)滿足上述兩個(gè)元器件的功用。該裝置具有如下特點(diǎn)：

（1）工作電源采用穩(wěn)壓電路，將機(jī)車110V電源調(diào)整為低電壓提供給裝置。

（2）比較電路分為電流和電壓比較雙路，分別設(shè)定合理的輔助發(fā)電機(jī)電壓和蓄電池充電電流，當(dāng)電壓或電流數(shù)值超出規(guī)定時(shí)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，由功率器件驅(qū)動(dòng)GFC動(dòng)作，機(jī)車由輔助發(fā)電狀態(tài)改變?yōu)楣潭òl(fā)電狀態(tài)，起到保護(hù)作用。

（3）對(duì)該裝置使用電子器件進(jìn)行集成化、模塊化設(shè)計(jì)，具有更高的可靠性、更小的體積。

3.2 電路原理框圖

裝置由電源、電壓取樣比較、電流取樣比較及驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。原理框圖如圖3所示：

圖3 輔助發(fā)電機(jī)供電回路過流過壓繼電器器原理框圖

3.3 電路工作原理

電路主要由分立元件和集成電路組成。由于整個(gè)系統(tǒng)功耗較低，同時(shí)考慮到裝置制作的小型化，在試驗(yàn)中將原設(shè)計(jì)的開關(guān)電源電路由穩(wěn)壓管電路來實(shí)現(xiàn)；考慮到控制器與機(jī)車電線路的隔離作用和驅(qū)動(dòng)電路的穩(wěn)定性，最終驅(qū)動(dòng)由繼電器來實(shí)現(xiàn)。

3.3.1 過流過壓繼電器接線圖如圖4所示

圖4 過流過壓繼電器接線示意圖

3.3.2 過流過壓繼電器控制電路圖如圖5所示

圖5 內(nèi)燃機(jī)車輔助回路過壓過流控制器電路圖

3.3.3 具體工作原理

（1）反饋電壓經(jīng)D1、R0、C1濾波后，一支路經(jīng)過穩(wěn)壓電路（由 R1、R2、D4、C2組成）產(chǎn)生+15V 的電源，供 U2使用，再經(jīng)R3、U1產(chǎn)生2.5V的基準(zhǔn)電壓，該基準(zhǔn)電壓再經(jīng)過放大電路（由 R4、U2C、R5、R6、R7組成）放大 2倍至 5.00V 的基準(zhǔn)電壓，簡稱5V基準(zhǔn)。5V基準(zhǔn)加在U2A-2腳及U2D-13腳上，分別作為過壓保護(hù)和過流保護(hù)的比較基準(zhǔn)。

（2）反饋電壓經(jīng) D1、R0、C1 濾波后，另一支路經(jīng) R9、R10分壓加在比較器的同相端U2A-3。當(dāng)反饋電壓高于125V時(shí)，U2A-3大于10V,輸出端 U2A-1大于10V，此電壓經(jīng)D2、R11再加到U2A-3，使得輸出端U2A-1的電壓始終被鎖定為大于10V，直到撤掉工作電源才能恢復(fù)。因此，過壓動(dòng)作后要恢復(fù)為自動(dòng)發(fā)電工況，必須斷開5K，再重合5K。

（3）過流保護(hù)利用U2B、R31～R40組成的差動(dòng)放大器完成信號(hào)處理，此信號(hào)經(jīng)R41加到U2D-12端。當(dāng)充電電流達(dá)到90A時(shí)，輸出端U2D-14大于10V，此電壓經(jīng)D33、R43再加到U2D-12，使得輸出端U2D-14的電壓始終被鎖定為大于10V，直到撤掉工作電源才能恢復(fù)。因此，過流動(dòng)作后要恢復(fù)為自動(dòng)發(fā)電工況，必須斷開5K，再重合5K。

（4）U2A 與U2D輸出電壓經(jīng)或門電路（由D91、D92、R12、R122組成）來驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管Q1，并最終決定繼電器K1的動(dòng)作。

3.3.4 過流過壓繼電器設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)物圖如圖6所示

圖6 GLYJ過流過壓繼電器設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)物圖

3.4 應(yīng)用效果

GLYJ于2009年11月在我段DF4C-5190、5191等五臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車上安裝使用，根據(jù)檢修人員和運(yùn)用乘務(wù)員反應(yīng)，GLYJ性能可靠、穩(wěn)定，無一起誤動(dòng)作現(xiàn)象發(fā)生，大大提高了機(jī)車運(yùn)行的安全性、可靠性，消除了安全、質(zhì)量隱患。同時(shí)，也減少了相關(guān)檢修人員工作量，試驗(yàn)取得了圓滿成功，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

4 結(jié)束語

GLYJ---過流過壓繼電器的成功研制與應(yīng)用，使我段東風(fēng)型內(nèi)燃機(jī)車輔助發(fā)電機(jī)供電回路的保護(hù)更加全面，有力地確保了運(yùn)輸生產(chǎn)安全，具有很好的市場(chǎng)推廣及應(yīng)用前景。