中铁一局集团新运工程有限公司朔黄铁路肃宁分公司
摘要:在我国铁路干线客运、货运电力机车中，交直传动电力机车仍广泛使用，此类机车在正常运行时，牵引电机、硅整流柜、主变压器、平波电抗器、制动电阻带等都需要通风冷却，如果风道中的实际风速达不到设计规定值，被冷却装置的温度会升高，严重时会烧毁机车零部件。因此在电力机车中，通风系统都设有风道继电器，在风速或风压达到规定值时发出电信号，接通相关装置控制回路，允许电力机车运行。微电子风道继电器是基于风道继电器的基本功能原理，以解决传统风道继电器触点易老化、高故障率为目的重新设计的一款电力机车工业产品。微电子风道继电器采用SMI公司的微压差传感器采集风压，通过STC单片机芯片做出逻辑判断并将数据送至数码管显示，最终经过光电隔离后驱动继电器动作，将信号传递到机车控制系统。
关键词：电力机车 风道继电器 微压差传感器 STC单片机芯片
一、绪论
1.1膜片式风道继电器
风道继电器在我国电力机车通风管道风力检测中普遍使用，目前市面上使用最广泛的膜片式风道继电器存在可靠性差、高故障率、触头易老化等问题。机务段现场人员调研统计，膜片式风道继电器触头烧蚀率接近100%，触头平均寿命只有3个月，维修工作量大，工作稳定性无法保证。经工作人员分析，造成膜片式风道继电器触头易烧蚀的主要原因是风道内部风压在300Pa上下波动时，膜片式风道继电器会存在反复通断与不完全接通的状态，这种不稳定状况会造成风道继电器触头拉弧加速老化，而老化后的触头即使紧密结合也无法导通，使得风道继电器寿命大大降低的同时工作也变得不稳定，严重影响机车的正常运行。
1.2风道风机转速继电器
有公司针对膜片式风道继电器问题对风道继电器进行了技术改造，不足之处是技改之后的风道继电器在进风口完全或部分堵塞情况下，风机不能有效工作导致风道温度上升依然显示可正常运行的工作危象，存在重大隐患，不适合替换现有膜片式风道继电器。
1.3新型电子风道继电器
针对传统膜片式风道继电器以及技改后的风道风机转速继电器表现的设计隐患，我公司从原理上重新设计了风道继电器。新型电子风道继电器采用电子器件采集风压，避开了传统膜片式风道继电器机械结构易老化问题；增加软件控制，从逻辑判断上过滤无效尖峰，解决了继电器反复通断问题；增加温度传感器，在风压逻辑判断的基础上增加温度逻辑判断，在风道温度上升到预设值时断开继电器，不会因风机不能有效工作导致风道温度上升，而机车告警处依然显示可正常运行的工作危象。
二、主电路设计
新型电子风道继电器主电路由电源电路、数字电路、显示电路和模拟电路组成。工作时由电源电路提供芯片供电电源，模拟电路采集风压信号送至数字电路，数字电路对风压信号和温度信号做逻辑判断并与显示电路通讯显示气压与温度，并控制模拟电路中继电器通断。
2.1电源电路
新型电子风道继电器电源电路由TOP224主控芯片、变压器、TLP432和其他阻容电路组成的反激式隔离电源，电源电路输入端为110V与GND,输出端为5V与GND1，电源电路产生的5V电源通过0Ω电阻R3接入数字、模拟电路。电源电路原理图如图2.1所示：
图2.1 电源电路原理图
表2.1 STC15W408AS芯片引脚说明
2.2 数字电路
数字电路采用STC15W408AS芯片作为主控芯片，STC15W408AS是STC生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是集宽电压/高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令完全兼容传统8051，单速度快8-12倍，内部集成高精度时钟（±0.3%），±1%温漂（-40℃~+85℃），内部集成高可靠复位，3路CCP/PWM/PCA，8路高速10位A/D转换，功能强大。主电路设计中用芯片集成程序刷写、温度检测、显示电路、气压校正、模数转换及继电器驱动等功能，功能引脚分配表如表2.1所示，电路原理图如图2.3所示：
图2.3 数字电路原理图
2.3 模拟电路
模拟电路主要由SM5852微压差传感器及继电器驱动电路组成。SM5852 系列为硅微结构 OEM压力传感器，结合了先进的 COMS 数字信号处理技术及最先进的压力传感器加工技术生产的具有放大、充分校准、多阶压力修正和温度补偿双列直插式封装的高性能压力传感器。SM5852具备放大、校准和温度补偿高输出跨度（0.5V 至 4.5V 信号），其数字温度和校准压力可通过 I2C 接口，输出电压与输入电压成比例关系，满载温度系数为±1%FS，误差在10Pa以内。模拟电路设计中SM5852采集风压送入数字电路给单片机处理，单片机逻辑判断后驱动继电器驱动电路动作，将信号传给电力机车。模拟电路原理图如图2.4所示：
图2.4 模拟电路原理图
图2.5 显示电路原理图
2.4 显示电路
显示电路主要由TM1650和数码管组成。TM1650 是一种带键盘扫描接口的 LED（发光二极管显示器）驱动控制专用电路。内部集成有 MCU输入输出控制数字接口、数据锁存器、LED 驱动、键盘扫描、辉度调节等电路。TM1650 性能稳定、质量可靠、抗干扰能力强，可适用于 24 小时长期连续工作的应用场合。显示电路设计中TM1650通过I2C总线与模拟电路中单片机通讯，取得要显示的电压与温度信号，然后交替在数码管上显示。显示电路原理图如图2.5所示：
三、结构设计
新型电子风道继电器在结构设计上采用了与传统膜片式风道继电器安装尺寸相兼容的设计，安装尺寸与膜片式设计相兼容，可直接替换原有的膜片式风道继电器，方便电力机车上风道继电器升级，安装尺寸如图3.1所示：
四、 软件设计
新型电子风道继电器软件中加入了继电器动作滤波功能，通过这个功能，继电器在动作时能滤除峰值谷值干扰，减少继电器连续开关闭合，从而减少继电器寿命损耗。软件运行流程图如图4.1所示:
图3.1 安装尺寸图
图4.1 软件流程图
结论
微电子风道继电器集成了气压采集、温度采集、气压显示、温度显示、气压校正、数字滤波等功能，从动作原理上与传统膜片式风道继电器完全不同，通过数字滤波功能有效提高了风道继电器的使用寿命，更增加了温度检测及温度异常保护功能，气压、温度显示简单直观，实用性优于传统膜片式风道继电器。新型风道继电器经研发试验验证，能通过GB\T 25119-2010 轨道交通 机车车辆电子装置高温低温验证；通过装车试验，经验证实际功能符合设计预期，性能优良，适用于对电力机车市面上应用广泛的膜片式风道继电器做升级换代使用。
参考文献
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[3]GB 2900. 17—1994 电工名词术语 继电器及继电保护装置[S]. 1994.
论文作者:刘成伟
论文发表刊物:《基层建设》2017年第34期
论文发表时间:2018/4/4
标签：风道论文; 继电器论文; 电路论文; 膜片论文; 电力机车论文; 温度论文; 风压论文; 《基层建设》2017年第34期论文;