一种电力机车辅助系统保护装置论文和设计-王择

全文摘要

本实用新型涉及一种电力机车辅助系统保护装置，包括用于控制机车辅助电源系统的供电设备的工作状态以及驱动负载的运行主控系统，且负载通过接地线路接地，其特征在于，还包括与主控系统电性连接数据采集系统，所述的数据采集系统通过电力线与机车辅助电源系统的采样辅机电性连接，在辅机上设有辅机剩余电流传感器、辅机U相电流传感器、辅机V相电流传感器和辅机W相电流传感器。其优点是：通过采集机车辅助电源系统的辅机的各电流传感器输出的相电流和剩余电流信号，可以非常简便地在辅机故障初始阶段检测出存在的故障及类型，方便司机、检修人员及时切除和排查故障电机，避免机车由于辅机的故障而引起的机故。

主设计要求

1.一种电力机车辅助系统保护装置，包括用于控制机车辅助电源系统的供电设备的工作状态以及驱动负载的运行主控系统，且负载通过接地线路接地，其特征在于，该接地故障保护装置还包括通过CAN通信接口与主控系统电性连接数据采集系统，所述的数据采集系统通过电力线与机车辅助电源系统的采样辅机电性连接，在辅机上设有辅机剩余电流传感器、辅机U相电流传感器、辅机V相电流传感器和辅机W相电流传感器，用于采集机车辅助电源系统的辅机剩余电流传感器、辅机U相电流传感器、辅机V相电流传感器和辅机W相电流传感器上输出的相电流和剩余电流信号作为接地故障信号传送给所述主控系统，以供所述主控系统控制机车辅助电源系统的供电设备停止工作。

设计方案

2.根据权利要求1所述一种电力机车辅助系统保护装置，其特征在于：所述辅机包括辅机Ⅰ、辅机Ⅱ和辅机N，在所述的辅机Ⅰ上设有辅机剩余电流传感器Ⅰ、辅机U相电流传感器Ⅰ、辅机V相电流传感器Ⅰ和辅机W相电流传感器Ⅰ；在所述的辅机Ⅱ上设有辅机剩余电流传感器Ⅱ、辅机U相电流传感器Ⅱ、辅机V相电流传感器Ⅱ和辅机W相电流传感器Ⅱ；在所述的辅机N上设有辅机剩余电流传感器N、辅机U相电流传感器N、辅机V相电流传感器N和辅机W相电流传感器N。

3.根据权利要求2所述一种电力机车辅助系统保护装置，其特征在于：所述数据采集系统包括数据采集模块I、数据采集模块Ⅱ及数据采集模块N，所述的数据采集模块I对应采集辅机Ⅰ上各传感器上输出电压信号，所述的数据采集模块Ⅱ对应采集辅机Ⅱ上各传感器上输出电压信号，所述的数据采集模块N对应采集辅机N上各传感器上输出电压信号。

4.根据权利要求3所述一种电力机车辅助系统保护装置，其特征在于：所述数据采集模块I、数据采集模块Ⅱ及数据采集模块N，数据采集模块I、数据采集模块Ⅱ及数据采集模块N均采用相同结构的数据采集模块，包括采集电源模块，分别与采集电源模块连接的采集通道选择器、信号处理器、模数转换器、STM32F103微控制器、采集通信模块和CAN通信接口。

5.根据权利要求4所述一种电力机车辅助系统保护装置，其特征在于：所述主控系统包括主控模块TMS320数字处理器，分别与主控模块TMS320数字处理器电性连接的电源模块、数据储存模块、开关量输入\/输出模块、计数器、系统时钟与复位信息模块、信息显示模块、网络通信接口和主控通道选择器，所述的主控通道选择器与数据采集模块的CAN通信接口电性连接。

6.根据权利要求5所述一种电力机车辅助系统保护装置，其特征在于：所述主控模块采用TMS320F28335处理芯片。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及电力机车辅助系统技术领域，特别涉及一种电力机车辅助系统保护装置。

背景技术

冶金行业厂矿的铁路运输部门使用的电力机车辅助系统由以下几类负载构成：

1）三相变频变压机车负载回路，有牵引电机通风机、主变流器复合冷却塔通风机组；

2）三相恒频恒压机车负载回路，包含机车总风压缩机、水泵、油泵、机械间通风机、司机室空调、充电机和380V\/230V变压器；

3）单相交流230V\/50 Hz回路，包括司机室的加热电炉、玻璃加热器以及屏柜加热器等；

4）机车直流负载回路，包括司机室及机械间照明灯具、用于受电弓的辅助压缩机、冰箱以及风扇等。

电力机车辅助系统的辅助变流器（APU），将主变压器次边提供的交流电（399V，50Hz）转换为DC750V直流电，一方面为机车充电装置 PSU 提供电源，另一方面通过逆变器单元转换成 380 V 交流电为各负载提供电源。

在电力机车正常运行时，两组辅助变流器 APU均工作，APU1以变压变频（VVVF）方式工作，APU2以恒压恒频（CVCF）方式工作。当其中一组APU发生故障时，机车微机控制系统（TCMS）通过设备监控接口，断开故障 APU 相对应的输出接触器（KM11 或KM12），闭合故障转换接触器（KM20），切除故障 APU，将故障 APU 一侧的负载切换至另一组 APU上。

现有电力机车辅助系统存在的问题：

1）电力机车中辅助变流器APU的额定输出功率为230kVA, 额定输出电压为380V，可以计算出APU的额定输出电流为350 A。APU设计输出电流过流保护值约为370～400A，发生过流时的最小冗余电流只有20A，而电力机车各辅助电机（简称辅机）断路器QA的动作值较额定值远大于20 A。当辅助系统中一个或多个辅机出现接地故障后，因QA尚未达到动作值，没有实现物理隔离，导致APU冗余转换后仍然会检测到输出接地而进行再次保护，最终造成APU全部封锁，机车辅助系统停止工作，机车丧失牵引力。

2）按电力机车设计原理，当APU输出回路绝缘检测装置监测到绝缘电阻下降时，将监测到的故障信息通知APU，进而由APU变流控制系统封锁触发脉冲，禁止APU输出，以避免接地故障的扩大。但绝缘检测装置无法判断究竟具体是哪个辅机发生了接地，也无法自动切除有故障的辅机，需要司机将所有的辅机断开、再分别合闸，以判断故障辅机的位置，大大延长了机车故障的排除时间，容易导致故障暂停的机车超时而引起事故扩大。特别是存在辅机动态接地时，司机无法判断接地辅机位置，容易导致故障的扩大。

3）旋转电机的故障并不是突然发生的，而是有个缺陷积累的过程。目前电力机车上没有相应的装置及时发现电机潜在故障缺陷，只能在辅机发生故障后，由司机通过听声音来大致判断，对机车的安全运行极为不利。因此，需要一种技术方案解决现有问题的不足。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种电力机车辅助系统保护装置，为提高电力机车辅助系统的可靠性，通过非接触手段及时发现辅机潜在接地故障缺陷，使机务检修部门能及时检修和更换存在故障缺陷的辅机。

为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案实现：

本实用新型的一种电力机车辅助系统保护装置，包括用于控制机车辅助电源系统的供电设备的工作状态以及驱动负载运行主控系统，且负载通过接地线路接地，其特征在于，该接地故障保护装置还包括通过CAN通信接口与主控系统电性连接数据采集系统，所述的数据采集系统通过电力线与机车辅助电源系统的采样辅机电性连接，在辅机上设有辅机剩余电流传感器、辅机U相电流传感器、辅机V相电流传感器和辅机W相电流传感器，用于采集机车辅助电源系统的辅机剩余电流传感器、辅机U相电流传感器、辅机V相电流传感器和辅机W相电流传感器上输出电压信号作为接地故障信号传送给所述主控系统，以供所述主控系统控制机车辅助电源系统的供电设备停止工作。

作为本实用新型的进一步优化，所述辅机包括辅机Ⅰ、辅机Ⅱ和辅机N，在所述的辅机Ⅰ上设有辅机剩余电流传感器Ⅰ、辅机U相电流传感器Ⅰ、辅机V相电流传感器Ⅰ和辅机W相电流传感器Ⅰ；在所述的辅机Ⅱ上设有辅机剩余电流传感器Ⅱ、辅机U相电流传感器Ⅱ、辅机V相电流传感器Ⅱ和辅机W相电流传感器Ⅱ；在所述的辅机N上设有辅机剩余电流传感器N、辅机U相电流传感器N、辅机V相电流传感器N和辅机W相电流传感器N。

作为本实用新型的进一步优化，所述数据采集系统包括数据采集模块I、数据采集模块Ⅱ及数据采集模块N，数据采集模块I、数据采集模块Ⅱ及数据采集模块N，所述的数据采集模块I对应采集辅机Ⅰ上各传感器上输出电压信号，所述的数据采集模块Ⅱ对应采集辅机Ⅱ上各传感器上输出的相电流和剩余电流信号，所述的数据采集模块N对应采集辅机N上各传感器上输出电压信号。

所述数据采集模块I、数据采集模块Ⅱ及数据采集模块N，数据采集模块I、数据采集模块Ⅱ及数据采集模块N均采用相同结构的数据采集模块，包括采集电源模块，分别与采集电源模块连接的采集通道选择器、信号处理器、模数转换器、STM32F103微控制器、采集通信模块和CAN通信接口。

作为本实用新型的进一步优化，所述主控系统包括主控模块TMS320数字处理器，分别与主控模块TMS320数字处理器电性连接的电源模块、数据储存模块、开关量输入\/输出模块、计数器、系统时钟与复位信息模块、信息显示模块、网络通信接口和主控通道选择器，所述的主控通道选择器与数据采集模块的CAN通信接口电性连接。

作为数据采集模块控制核心器件，本实用新型所述主控模块TMS320数字处理器采用TMS320F28335处理芯片。

本实用新型的优点是：

由于本实用新型数据采集模块采用STM32F103作为数据采集芯片+主控模块采用TMS320F28335作为主处理芯片的双处理器结构设置，主控模块作为主控板，数据采集模块作为前端数据采集板，通过设置在N个辅机定子电流三相电力线上的电流传感器，实时进行数据高速读取采集，以及对信号进行高速频谱分析处理辅机的相电流和剩余电流，可以非常简便地在辅机故障初始阶段检测出存在的故障及类型，方便司机、检修人员及时切除和排查故障电机，避免机车由于辅机的接地故障而引起的机故。本实用新型通过非接触手段及时发现辅机潜在故障缺陷，使机务检修部门能及时检修和更换存在故障缺陷的辅机，可方便司机、检修人员及时切除和排查故障辅机。

附图说明

图1是本实用新型的工作原理框图。

图2是本实用新型的网络组成结构示意图。

图3是本实用新型的数据采集系统组成结构示意图。

图4是本实用新型的主控系统组成结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，本实用新型的一种电力机车辅助系统保护装置，包括用于控制机车辅助电源系统的供电设备的工作状态以及驱动负载的运行主控系统，且负载通过a接地线路接地，其特征在于，该接地故障保护装置还包括与所述的数据采集系统通过电力线与机车辅助电源系统的采样辅机电性连接，通过CAN通信接口与辅机主控系统电性连接数据采集系统，上设有辅机剩余电流传感器、辅机U相电流传感器、辅机V相电流传感器和辅机W相电流传感器，用于采集机车辅助电源系统的辅机剩余电流传感器、辅机U相电流传感器、辅机V相电流传感器和辅机W相电流传感器上输出电压信号作为接地故障信号传送给所述主控系统，以供所述主控系统控制机车辅助电源系统的供电设备停止工作。

如图2所示，作为本实用新型的进一步优化，所述辅机包括辅机Ⅰ、辅机Ⅱ和辅机N，在所述的辅机Ⅰ上设有辅机剩余电流传感器Ⅰ、辅机U相电流传感器Ⅰ、辅机V相电流传感器Ⅰ和辅机W相电流传感器Ⅰ；在所述的辅机Ⅱ上设有辅机剩余电流传感器Ⅱ、辅机U相电流传感器Ⅱ、辅机V相电流传感器Ⅱ和辅机W相电流传感器Ⅱ；在所述的辅机N上设有辅机剩余电流传感器N、辅机U相电流传感器N、辅机V相电流传感器N和辅机W相电流传感器N。

如图3所示，所述数据采集模块I、数据采集模块Ⅱ及数据采集模块N，数据采集模块I、数据采集模块Ⅱ及数据采集模块N均采用相同结构的数据采集模块，包括采集电源模块，分别与采集电源模块连接的采集通道选择器、信号处理器、模数转换器、STM32F103微控制器、采集通信模块和CAN通信接口。

本实用新型STM32F103微控制器控制采集通道选择器选择将定子电流三相电流的各个电流传感器数据采集并同步化最终整合通过电力线输送给数据采集模块。数据采集系统具备采集通道选择器，实现模拟信号的高速采集。采集到的模拟信号经过信号处理器进行滤波调理处理，信号处理器滤除模拟信号中的50Hz工频噪声，使其滤波后的模拟信号由模数转换器转换成数字信号传输至STM32F103微控制器。

为实现高精度采样与矢量计算，数据采集系统采用了直流同步采样技术。数据采集模块以10 kHz 的速率进行采样，同时通过瞬时频率跟踪算法计算实时频率，进而改变采样间隔并启动ADC 进行采样，从而实现直流同步采样。该工作是由数据采集系统上的STM32F 103微控制器实现的；数字信号进入STM32 F 103微控制器、并由STM32 F 103微控制器在极短周期内完成数据预处理，并将数据发送至采集通信模块，通过并通过CAN通信接口后置的主控系统，以供所述主控系统控制机车辅助电源系统的供电设备停止工作。

如图4所示，作为本实用新型的进一步优化，本实用新型所述主控系统包括主控模块，分别与主控模块TMS320数字处理器电性连接的电源模块、数据储存模块、开关量输入\/输出模块、计数器、系统时钟与系统复位信息模块、信息显示模块、网络通信接口和主控通道选择器，所述的主控通道选择器与数据采集模块的CAN通信接口电性连接。

由于需要对辅机相电流进行高速采集和频谱分析，普通的单片机无法满足高速数据处理和分析的要求，因此，作为数据采集模块控制核心器件，本实用新型所述主控模块采用TMS320F28335处理芯片。采用30 M外部晶振作为系统时钟与系统复位模块的外部时钟输入，内部配置为150 M；TMS320F28335 的内部存储器用作数据运算区域，为方便对故障数据的保存，在主控模块上外扩数据存储模块；

所述主控模块TMS320数字处理器控制主控通道选择器选择接入前置数据采集模块的电流信息数据实现与各个前置数据采集模块的直流载波方式通讯，并进行数据高速读取采集，以及对信号进行高速频谱分析处理，对错误数据进行丢弃处理，并且高速采集和频谱分析将处理结果显示在信息显示模块的信息显示屏上，以及高速采集和频谱分析将处理结果保存在数据存储模块中，记录的数据中包含了时间信息，该时间信息由计数器提供，所述数据存储模块提供存储空间存储数据，备查；所述主控模块TMS320数字处理器通过网络通信接口及有线网络链路与车载控制器链接实时通信，整个主控模块的供电是由DC电源输入的直流电源供电。

所述主控模块还包含一路开关量输入和一路开关量输出通道，所有开关量输入\/输出采用光耦隔离，开关量输入为DC 110 V，开关量输出采用节点输出方式；当本实用新型检测出存在故障隐患的辅机时，可通过网络通信接口及有线网络链路通知电力机车的车载控制器，开关量输出节点同时触发本节点带电激励电机自动开关，使带电激励电机自动开关跳闸，从而达到自动保护辅机的功能。

以上实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

设计图

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