胡建功，師君恕，王錚赫，王立成

（蘭州局集團(tuán)公司蘭州西機(jī)務(wù)段，甘肅 蘭州 730000）

和諧系列機(jī)車車頂高壓絕緣檢測(cè)子系統(tǒng)，是機(jī)車車載安全防護(hù)系統(tǒng)（6A 系統(tǒng)）的一個(gè)重要組成部分，用于檢測(cè)車頂高壓設(shè)備的絕緣狀態(tài)，工作時(shí)主要由機(jī)車高壓絕緣檢測(cè)箱（以下簡(jiǎn)稱檢測(cè)箱）、高壓電壓互感器以及連接的線纜組成[1]，在日常的維護(hù)中最容易出問題的部分就是檢測(cè)箱。目前我段承修的檢測(cè)箱大約有6 種，它們的工作原理大同小異，本篇文章將對(duì)HXD1C 機(jī)車上安裝的xxxx 牌的檢測(cè)箱進(jìn)行講解，主要內(nèi)容有檢測(cè)箱的工作原理、安全保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)過程、內(nèi)部繼電器電子電路的邏輯控制，以及典型故障的維修流程圖，以此達(dá)到快速檢修檢測(cè)箱的目的。

1 高壓絕緣檢測(cè)箱工作原理簡(jiǎn)述

高壓絕緣檢測(cè)箱主要部分就是一個(gè)逆變電源，將機(jī)車蓄電池的直流電，通過閉環(huán)開關(guān)電源技術(shù)和直流逆變交流技術(shù)，轉(zhuǎn)化為工頻0～100 V 的正弦交流電（不同車型對(duì)應(yīng)的電壓不同），提供給機(jī)車高壓電壓互感器的二次側(cè)，在一次側(cè)感應(yīng)出約25 kV 的高壓電，來檢測(cè)車頂高壓設(shè)備絕緣狀態(tài)，逆變電源為兩級(jí)逆變器，前級(jí)為DC/DC變換電路，后級(jí)為DC/AC 的逆變電路，整個(gè)電路由輔助開關(guān)電源，中央處理單元及顯示電路、TL494 脈寬調(diào)制（PWM）、高頻升壓電路、整流濾波電路、正弦波驅(qū)動(dòng)（SPWM）、H 橋電路、輸入輸出接口電路8 大部分組成。通過K1-K6 繼電器的邏輯控制，將這8 部分根據(jù)操作順序和實(shí)現(xiàn)功能串接到一起，同時(shí)根據(jù)電路的運(yùn)行狀況，用指示燈、顯示屏、蜂鳴器來進(jìn)行工作指示和報(bào)警指示（圖1）。

圖1 高壓絕緣檢測(cè)箱原理框圖

在DC/DC 變換電路中，通過藍(lán)鑰匙旋轉(zhuǎn)開關(guān)將機(jī)車蓄電池110 V 直流電輸入到輔助開關(guān)電源，降壓后輸出3 路相互獨(dú)立的12 V 低壓直流電，1 路電壓送往CPU 及繼電器的供電，2 路送往前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路，3 路送往后級(jí)驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)110 V 的CPU 供電指示燈點(diǎn)亮，表明各路供電正常?？刂葡渥詣?dòng)進(jìn)入自檢狀態(tài)，TL494 對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，得到等效含有形狀和幅值的PWM波形[2]，輸入到推挽升壓電路的2 個(gè)開關(guān)管的柵極上，交替驅(qū)動(dòng)2 個(gè)MOS 管，經(jīng)高頻變壓器耦合輸出矩形波交變電流，經(jīng)整流濾波變?yōu)樾枰闹绷麟妷汉碗娏?，為后面的逆變提供足夠的功率?/p>

在DC/AC 的逆變環(huán)節(jié)中，正弦波脈寬調(diào)制（SWPM）采用的是單相純正弦波逆變器驅(qū)動(dòng)板，專門用于單相正弦波逆變器的驅(qū)動(dòng)，控制芯片為EG8010，驅(qū)動(dòng)芯片采用的是IR2110S，專用于MOSFET 的驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)板上集成了電壓、電流、溫度保護(hù)、LED 告警顯示等功能[3]，在進(jìn)行出庫檢查或運(yùn)行檢測(cè)時(shí)，驅(qū)動(dòng)板輸出4 路共地的正弦波調(diào)制信號(hào)提供給H 橋來驅(qū)動(dòng)4 顆MOS 管，將橋式整流濾波后的直流電轉(zhuǎn)換成50 Hz、0～100 V 的正弦交流電。

2 保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)

2.1 外網(wǎng)有電保護(hù)

當(dāng)受電弓未降下時(shí)高壓互感器的次邊會(huì)感應(yīng)出正弦交流電，送入檢測(cè)盒的JP2 接口插座1-5、7-11 針腳上，通過K6 繼電器的常閉觸點(diǎn)（1-5）和（2-6）進(jìn)入檢測(cè)電路，經(jīng)D31 整流和C73 的濾波后，流過光耦U18 的發(fā)光二極管側(cè)，光耦獲得導(dǎo)通電流，三極管側(cè)導(dǎo)通將JP01-12腳電平拉低，并通知CPU 點(diǎn)亮面板上“外網(wǎng)有電”紅色故障指示燈，液晶顯示屏顯示“外網(wǎng)有電”字符，蜂鳴器發(fā)出“滴滴”報(bào)警聲。R104 為分壓電阻，R103 為限流電阻，以防電流過大燒損光耦。當(dāng)進(jìn)入到出庫檢測(cè)和運(yùn)行檢測(cè)環(huán)節(jié)時(shí)，K6 繼電器吸合常開觸點(diǎn)（3-5）、（4-6）接通，逆變電源產(chǎn)生的正弦波電壓輸出到高壓互感器的二次側(cè)，同時(shí)常閉觸點(diǎn)斷開切除外網(wǎng)有電保護(hù)電路（圖2）。

圖2 外網(wǎng)有電檢測(cè)電路

2.2 電鑰匙開的保護(hù)

機(jī)車電鑰匙打開時(shí)接口插座JP2 的14 針腳就會(huì)有110 V 電壓送到D38 上，點(diǎn)亮D39 發(fā)光二極管，光耦U23 二極管側(cè)有電流過，三級(jí)管側(cè)導(dǎo)通將JP01 的7 腳電位拉低，CPU 點(diǎn)亮面板上“電鑰匙開”紅色故障指示燈，液晶顯示屏顯示“電鑰匙開”字符，蜂鳴器發(fā)出“滴滴”報(bào)警聲，同時(shí)110 V 擊穿D40 穩(wěn)壓管給三極管Q7的基級(jí)提供偏置，Q7 導(dǎo)通短路Q8 的基級(jí)供電，K5 繼電器不能吸合，逆變電源前級(jí)驅(qū)動(dòng)無法工作，不能進(jìn)入自檢環(huán)節(jié)（圖3）。

圖3 電鑰匙開和K5、K6 繼電器的工作電路

3 檢測(cè)箱繼電器的邏輯控制

3.1 K1 繼電器線圈的供電電路

3.1.1 K1 繼電器的吸合過程

110 V+電源經(jīng)R106 的降壓和D29 穩(wěn)壓后，再經(jīng)K1繼電器的線圈加到三極管Q15 的集電極上，另一路電在通電的一瞬間經(jīng)電容C181 電阻R107 加到Q15 的基極上，使Q15 飽和導(dǎo)通，過K2-J2 常閉觸點(diǎn)到110-端，K1繼電器吸合，同時(shí)觸點(diǎn)K1-J1 閉合短接Q15 使K1 繼電器自鎖（圖4）。

圖4 K1 繼電器的工作電路

上電的瞬間C181 充電，Q15 導(dǎo)通K1 繼電器吸合，輔助開關(guān)電源得電，檢測(cè)箱可以進(jìn)行自檢，如遇異常想重復(fù)上述操作，由于電容C181 已充滿電處于阻斷狀態(tài)，無法為Q15 的基級(jí)提供電壓偏置，所以必須斷藍(lán)鑰匙等待5 s 以上，使C181 的電荷釋放后可進(jìn)行下一次操作。

3.1.2 K1 繼電器吸合的作用

當(dāng)K1 繼電器吸合時(shí)K2 繼電器處于釋放狀態(tài)，K1-J1 閉合自鎖K1，K1-J2 觸點(diǎn)閉合接通110 V 到輔助開關(guān)電源的供電，輔助開關(guān)電源降壓輸出三路低壓直流電，為全電路提供能源（圖1）。

3.2 K2、K3、K4 繼電器線圈的供電電路

輔助開關(guān)電源工作后變壓器T1 的a5-x5 繞組輸出的交流電，經(jīng)D28 整流和C36、C37 濾波后加到U16-LM7812 的輸入端，在輸出端通過L5 和C38 組成的LC濾波器濾波后輸出穩(wěn)定的12 V 直流電，加到K2、K3、K4繼電器的線圈上，同時(shí)D49 指示燈點(diǎn)亮表明1 路12 V輸出正常（圖5）。

3.2.1 K2 繼電器的吸合過程

當(dāng)自檢和出庫檢測(cè)、運(yùn)行檢測(cè)完成后在120 s 內(nèi)沒有操作時(shí)，CPU 通過JP01 接口的8 腳輸出高電平加到Q16 的基級(jí)上，Q16 導(dǎo)通K2 繼電器吸合（圖5）。

3.2.2 K2 繼電器吸合的作用

K2 繼電器吸合后常閉觸點(diǎn)K2-J2 斷開，切斷K1 繼電器負(fù)端回路迫使K1 繼電器釋放，K1-J2 觸點(diǎn)切斷輔助開關(guān)電源的供電，造成整個(gè)裝置處于斷電狀態(tài)（圖1）。

3.2.3 K3 繼電器的吸合過程

當(dāng)?shù)玫阶詸z或檢測(cè)命令時(shí)，CPU 通過JP01 接口的11 腳輸出高電平加到Q17 的基級(jí)上，Q17 導(dǎo)通K3 繼電器吸合（圖5）。

圖5 K2、K3、K4 繼電器的工作電路

3.2.4 K3 繼電器的吸合作用

K3 繼電器吸合后，觸點(diǎn)K3-J1 閉合為前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路（TL494 脈寬調(diào)制PWM）以及反饋電路供電12 V，K3-J2觸點(diǎn)閉合為后極驅(qū)動(dòng)電路（正弦波驅(qū)動(dòng)電路SPWM）供電12 V 和5 V（圖1）。

3.2.5 K4 繼電器的吸合過程

在檢測(cè)箱沒有操作時(shí)，JP01 的9 腳始終為高電平，當(dāng)進(jìn)行自檢或絕緣檢測(cè)時(shí)，JP01 的9 腳被CPU 拉低，Q14 的基級(jí)變?yōu)榈碗娖剑?2 V 電源通過K4 繼電器線圈加到PNP 三極管Q14 的發(fā)射極，Q14 導(dǎo)通K4 繼電器吸合（圖5）。

3.2.6 K4 繼電器的吸合作用

K4 繼電器吸合后K4-J2 觸點(diǎn)閉合，接通K5、K6、U22 及其他負(fù)端回路到EMI 后電源總負(fù)端，為K5、K6 繼電器的吸合做好準(zhǔn)備（圖3）。

3.3 K5、K6 繼電器線圈的供電電路

機(jī)車藍(lán)鑰匙旋轉(zhuǎn)到“開”位置時(shí)，DC110 V+通過C52、C53 和共模電感T4 組成的EMI 電路，對(duì)電源進(jìn)一步濾波，在通過熱敏電阻R71 整流二極管D32 加入到K5、K6 繼電器的線圈上，熱敏電阻R71 冷態(tài)電阻大，熱態(tài)電阻小，在上電的瞬間可對(duì)C54 的沖擊電流加以抑制（圖3）。

3.3.1 K5 繼電器的吸合過程

110 V+通過K5 繼電器的線圈加到三極管Q8 的集電極上，同時(shí)110 V+經(jīng)R91 的降壓D41 的穩(wěn)壓C65 進(jìn)一步濾波后，過D42 以及電阻R96 給Q8 基級(jí)提供偏置，Q8 有了基級(jí)驅(qū)動(dòng)電壓而導(dǎo)通K5 繼電器吸合（見圖3）。

3.3.2 K5 繼電器的吸合作用

K5 繼電器吸合后接通前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路（TL494 脈寬調(diào)制PWM）及反饋電路的負(fù)端，接通推挽升壓電路的110 V 直流供電，接通輔助開關(guān)電源穩(wěn)壓反饋電路的負(fù)端（圖1）。

3.3.3 K6 繼電器的吸合過程

當(dāng)進(jìn)行出庫檢測(cè)和運(yùn)行檢測(cè)時(shí)，CPU 接到指令后通過JP01 的10 腳輸出高電平，電流流過R99 和光耦U22的發(fā)光二極管側(cè)，光耦發(fā)生光電效應(yīng)三極管測(cè)導(dǎo)通，電流經(jīng)R97 加到三極管Q9 的基級(jí)上，使Q9 導(dǎo)通K6 繼電器吸合（圖3）。

3.3.4 K6 繼電器吸合的作用

K6 繼電器只有在出庫檢測(cè)和運(yùn)行檢測(cè)時(shí)吸合，從常開觸點(diǎn)輸出正弦交流電壓到電壓互感器二次側(cè)，同時(shí)常閉觸點(diǎn)斷開“外網(wǎng)有電”檢測(cè)電路（圖3、圖5）。

表1 為K1-K6 繼電器功能表，對(duì)以上電路進(jìn)行的總結(jié)。

表1 繼電器序號(hào)及功能表

4 典型故障的維修

經(jīng)過以上介紹，我們對(duì)檢測(cè)盒的作用原理有了一個(gè)大致的了解，維修時(shí)就有了方向，下面針對(duì)電路板容易出現(xiàn)的典型故障的維修流程進(jìn)行說明。

4.1 自檢時(shí)顯示“ 設(shè)備故障”，無正弦波交流電或電壓不足

和諧系列機(jī)車，由于高壓互感器的變比不同，逆變所需要產(chǎn)生的交流電壓不同，HXD1C 的變比為100 V/25 kV，也就是說逆變電源產(chǎn)生交流電應(yīng)該是AC100 V，空載實(shí)際的測(cè)量應(yīng)該是110 V，無電壓和電壓過低時(shí)自檢是無法通過的，針對(duì)此故障檢修思路如圖6 所示。

圖6 自檢故障無正弦交流電或電壓不足檢修流程圖

4.2 輔助開關(guān)電源無輸出或某一路無輸出

輔助開關(guān)電源無輸出，各部供電均不正常，或某一路無輸出逆變電源不工作，無法進(jìn)入自檢環(huán)節(jié)，檢測(cè)箱報(bào)“設(shè)備故障”，檢查順序如圖7 所示。

圖7 輔助開關(guān)電源無輸出或某一路無輸出故障檢修流程圖

4.3 無正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)（ SPWM）

檢修思路如圖8 所示。

圖8 無正弦波驅(qū)動(dòng)信號(hào)（SPWM）故障檢修流程圖

5 結(jié)束語

本文對(duì)車頂高壓絕緣檢測(cè)箱的工作原理進(jìn)行了講解，詳細(xì)介紹了2 種保護(hù)電路的實(shí)現(xiàn)過程，以及6 組繼電器的邏輯控制電路，對(duì)高壓絕緣檢測(cè)箱的故障診斷，有了一定的技術(shù)理論支持，從而制定出科學(xué)合理的檢修策略，達(dá)到了快速維修的目的。