中车大连电力牵引研发中心有限公司 辽宁大连 116052
【摘要】继电器通过触点的闭合和断开实现控制电路对强电电路的控制,其在轨道车辆控制电路中有着广泛的应用。提出一种继电器防止粘连解决方案,对继电器设计进行改进,以克服现有应用中继电器粘连导致其无法断开的问题。可对电力机车控制电路进行升级改造,在控制中降低继电器粘连的可能,尤其利于在故障安全导向断开的工况中使用。
【关键词】继电器;粘连;机车;控制;
【作者简介】王延超(1984~),男;中车大连电力牵引研发中心有限公司工程师;研究方向:硬件技术
一、引言
继电器通过触点的闭合和断开实现控制电路对强电电路的控制,其在轨道车辆控制电路中有着广泛的应用。轨道车辆(包含动车组,电力机车,地铁车辆等)控制电路中的继电器要适应振动、高温、低温、潮湿以及油、盐、水等侵蚀性恶劣环境,并且需要具有寿命长、高可靠、体积小、低功耗、具有强电磁兼容性、阻燃性、响应速度快等性能(1)。继电器一旦故障,立即会引起列车的控制系统部分功能的瘫痪,甚至会引起整个列车不能正常运行(2)。
继电器的常见故障是继电器粘连,继电器粘连是指继电器的触点粘住、断不开,继电器粘连的原因是受电压或电流冲击负载作用,在闭合和断开继电器瞬间会产生电弧,电弧对触点进行烧蚀,导致继电保护回路动作冲击大,产生触点粘连现象,影响了正常的继电器闭合和断开,造成继电器失效(3)。
本文提出一种继电器防止粘连问题解决方案,对继电器设计进行改进,以克服现有应用中继电器粘连导致继电器断不开的问题,可对电力机车控制电路进行升级改造,在控制中降低继电器的彻底粘连的可能性。
二、方案架构
防粘连继电器分为如下几部分。
1)触点;
2)电感线圈;
3)控制端;
4)接点;
防粘连继电器由多个线圈和触点构成,至少需要N个电感线圈、2N个内部触点和外壳,在外壳上设置有两个外部接点和两个控制端,N为大于或等于2的正整数。
N个电感线圈串联,串联后与两个控制端连接,每个电感线圈用于控制两个内部触点的断开或闭合,两个控制端用于对所述N个电感线圈通电。
每个电感线圈控制的其中一个内部触点,串联后形成第一触点组件;每个电感线圈控制的另一个内部触点串联后形成第二触点组件,第一触点组件和第二触点组件并联后与两个外部接点连接;两个外部接点和负载连接。原理框图如图1所示。
图1 原理框图
三、设计原理
以N=2时介绍原理。两个电感线圈L1和L2,共有4个内部触点K1、K2、K3和K4,电感线圈L1和L2串联后的两个接线端与外壳上的外部控制端3、4连接,电感线圈L1用于控制内部触点K1和K2的断开或闭合,电感线圈L2用于控制内部触点K3和K4的断开或闭合,内部触点K1和K3串联形成第一触点组件,内部触点K2和K4串联形成第二触点组件,第一触点组件和第二触点组件并联,并联后形成的两个接线端与外壳上的两个外部接点1、2连接。
外部控制端3、4用于和电源连接,通过控制端3、4向电感线圈L1和L2通电,当电感线圈L1和L2通电后,电感线圈L1和L2中会流过一定的电流,从而产生电磁效应,电磁效应会产生磁场,如果内部触点K1-K4为常开触点,那么在磁场的作用下,内部触点K1-K4会关闭,如果内部触点K1-K4为常闭触点,那么在磁场的作用下,内部触点K1-K4会断开。相应的,如果通过外部控制端3、4对电磁线圈L1和L2断电,对于常开的内部触点K1-K4会断开,对于常闭的内部触点K1-K4会闭合。
图1所示例子中以N的取值为2为例进行说明,当然N还可以取更大的值,随着N值的增大,继电器发生粘连故障的可能性会越低,随着N值的增大,也会导致继电器的体积、成本增大,在实际使用过程中,可以根据需要选择N的取值。
两组触点组件并联后与外部接点1、2连接,可以降低每组触点组件上流过的电流,从而可以进一步降低粘连的可能性。另外,该触点串联还可以提高继电器的耐压等级,由于内部触点K1和K3串联,内部触点K2和K4串联,串联的分压作用可以两倍的提高继电器的耐压等级。假设只有电感线圈L1,那么内部触点K1和K2的耐压电压为1000V,如果有两个电感线圈L1和L2,由于每个内部触点K1和K3串联,假设K1和K3的耐压电压都为1000V,那么继电器的耐压电压就为2000V。同理,电感线圈的个数越多,那么继电器的耐压电压就会越大,相应的,每组触点组件上的电流就越小。
本文提出的继电器,可包括N个串联的线圈,每个线圈控制两个内部触点的断开和闭合,每个电感线圈控制其中一个内部触点串联后形成第一触点组件,每个电感线圈控制的另一个内部触点串联后形成第二触点组件,第一触点组件和第二触点组件并联后与两个外部接点连接,当其中一个电感线圈断电后其控制的内部触点粘连时,由于N个电感线圈串联,其他电感线圈也断电,相应的控制对应的内部触点断开,由于同一触点组件内部的串联关系,
与粘连触点连接的外部节点也会断开,从而能够保证继电器正常工作。防粘连的继电器特别适合在故障时继电器需要断开的工况应用。
四、试验测试
由于本文提出的防粘连继电器并没有实际生产试制,所以采用现有双触点继电器串联后,对其原理进行试验测试。试验原理如下图所示。
试验过程:
1)使用开关控制继电器线圈电压。
2)使继电器触点工作在临界电压下。
3)对继电器进行断开、闭合疲劳测试,使用周期性脉冲信号控制其动作。
4)逐渐提高电流负载值,直至某个触点粘连。
图2 实验室测试
试验测试发现,在不断地提高电流负载后,当某个触点粘连时,与其串联的触点仍能够可靠断开。
五、结语
继电器粘连问题急需解决,特别是在故障安全导向需要断开继电器的工况。
本文提出的方案针对继电器粘连问题提出了有效的解决方案,并不对电感线圈的电感值和类型进行限制,对防粘连继电器的设计应用及推广具有重要意义。
【参考文献】
[1]卢晨,葛俊良,朱合标. BMS绝缘检测对继电器粘连检测判断的影响车载子系统[J]. 电子世界, 2019,(10).
[2] 赵志鹏,王翔. 应用于复兴号的C3车载设备紧急制动技术研究[J]. 第十三届中国智能交通年会大会论文集, 2018, 535-541