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地铁车辆照明驱动电源模块故障分析

时间:2020-09-28 10:56:47 | 作者:责任编辑
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摘要:针对南宁地铁某项目车辆客室照明驱动电源模块在应用中频繁发生的短路故障,从驱动电源模块的组成和控制原理进行分析,发现驱动电源模块故障的根本原因为冗余电路设计不良,导致客室照明驱动电源模块内部的DC48V电源模块长期处于不良的工作状态,导致驱动电源模块故障。提出优化驱动电源模块冗余电路的解决方案,并通过实验证明该方案,确保改进后安全、可靠。

关键词:地铁车辆;驱动电源模块;DC48V电源模块;反馈电路;冗余

目前,国内地铁车辆客室照明普遍采用由驱动电源模块控制的LED灯,其优点在于:集中驱动控制,色彩纯度高,寿命长,节能环保,且可通过PWM来控制照明亮度,使用低压直流电源驱动控制,安全可靠,采用LED照明大大提高了控制效率和质量。南宁地铁车辆客室照明采用的是由驱动电源模块控制的LED灯。正线运营时,车辆客室照明一直处于常开状态,若驱动电源故障客室照明熄灭,将严重影响客运服务质量。本文针对地铁车辆照明的驱动电源模块故障问题进行分析并提出相应解决方案。

1故障案例

南宁地铁某项目车辆在正线运营时,频繁突发整侧客室照明熄灭,严重影响正线运营服务质量。检修人员打开继电器柜检查,发现故障侧对应的客室照明断路器跳闸,复位后客室照明恢复正常。列车回库后,检查客室照明驱动电源模块接线无松动、无毛刺,使用万用表测量故障侧照明的两驱动电源的输入电压正常,测量驱动电源1输出电压为48.3V,驱动电源2输出电压为0.6V,故判断为驱动电源模块2内部故障,导致断路器跳闸致使整侧客室照明灯不亮。更换新的驱动电源模块2后,客室照明恢复正常。拆开故障件驱动电源检查内部元器件,使用万用表测量DC48V电源模块Vout正负极脚之间阻抗为零,判断为48V电源模块内部元件损坏导致无DC48V电压输出。分解DC48V电源模块,发现内部输出陶瓷电容严重损坏,PCB内层大面积损坏严重,如图1所示,电容损坏原因为两个电源模块中的DC48V模块在热冗余的状态下长时间过压、高温工作,造成电容损坏。检查其他部件发现故障信号反馈回路的R14、R32电阻均有不同程度烧损现象,如图2所示,使用万用表测量R14、R32电阻阻值相对标定值变小。

2故障原因分析

2.1驱动电源模块组成

单节车客室照明有4个驱动电源模块,每侧各2个,同侧2个驱动电源模块采用并联连接且互为冗余,当任一个驱动电源模块发生故障时,另一个模块仍能正常输出电压驱动整侧照明模块,同侧2个驱动电源模块共同驱动一侧灯带的数个光源(如3所示);驱动电源模块额定输入电压为DC110V,输出电压在DC43V-DC48V之间,主要由EMC电路、控制单元、48V电源模块、12V电源模块、5V电源模块、故障反馈电路、冗余电路等组成。

2.2驱动电源模块控制原理分析

客室照明驱动电源模块从电客车取电DC110V,并设置断路器控制整个照明回路。DC110V经EMC电路防雷单元和滤波单元,通过DC110V转DC48V电源模块,经变压器降压隔离,最终输出DC48V为光源模块供电。此外,驱动电源内部设置DC48V转DC12V电源模块,输出DC12V,主要为模块中集成运算放大器提供DC12V工作电压;同时,设置DC12V转DC5V模块,主要为处理器STM8单片机提供工作电压。驱动电源模块原理图如图4所示。驱动电源中的控制单元模块实现PWM调光控制和应急照明控制功能,通过控制光耦通断频率来控制MOS管Q2的导通与关断,从而改变回路电流大小,实现PWM控制调光功能,当控制单元模块故障时,调光功能失效,照明呈100%亮度,另设应急电路将故障应急信号反馈给单片机处理,实现应急照明功能。从驱动电源模块控制原理图整体分析可知,造成整侧照明不亮的原因主要分两种情况,第一为冗余电路,由于两个驱动电源模块呈热冗余状态,当任一个驱动电源模块故障短路时,均会造成另一驱动电源模块接地而无法正常工作;第二种情况即列车DC110V电路短路接地造成过流导致断路器跳闸。

2.3DC48V电源模块原理分析

电源模块其输入端为DC110V,内部经过滤波再经变压器降压隔离整流后输出DC48V,且同一侧两个客室照明驱动电源模块中的DC48V一直处于热冗余状态,热冗余状态下导致DC48V电源模块功耗变大,其中,功耗主要表现为热量损耗,P=U•I,W=∫UIdt=U•I•t,随着应用时间t的累加,模块内部热量若迅速累积到一定程度不能及时散热,造成电容元器件的损坏。

2.4R14、R32电阻原理分析

R14、R32为故障反馈电路电阻,故障反馈电路包含电压比较器和故障反馈,通过电压的比较是否正常来控制故障反馈电路信号的通断,电压比较器是一种常用集成运算电路,在驱动电源模块中用于监测电源电压,如图5所示,待比较电压:参考电压:U3=12V,当U2>U3(正常状态),U1输出低电平即“1”与“4”脚导通接地,故障预警红灯不亮;当U2<U3(故障状态),U1输出高电平即“1”脚和“4”脚断开,则故障预警红灯亮,并将故障信号GZ输出给反馈端,从而实现故障预警功能。当DC48V电源模块故障,电压比较器中“1”“4”脚断开,如图6所示,电流从GZ点输入,经过光耦U3,触发光耦内的三极管的“4”脚和“3”脚导通,DC110V电压经过三极管后,一路电经过R14电阻,一路电经过R30电阻给DXMe反馈故障信息,若长时间处于故障状态,R14电阻一直通电发热导致烧损短路,DC110V短路接地,造成DC110V的断路器跳闸,同侧两个驱动电源模块失电,整侧客室照明熄灭。

2.5故障原因分析总结

(1)客室照明驱动电源模块故障原因为:两个客室照明驱动电源模块内部的DC48V电源模块长期处于热冗余状态,电压波动较大,导致DC48V电源模块内部电容发热,进而击穿造成模块内部短路。(2)内部DC48V电源模块发生故障后,反馈电路的电阻在长时间通电状态下发热,电阻烧损短路造成DC110V电路短路接地,过流引发断路器跳闸,造成整侧照明熄灭。

3解决方案

故障原因出自冗余电路,解决方案为在冗余电路中增加保险盒,如图7所示。在冗余电路中加一个保险盒,使两驱动电源模块由热冗余变为冷冗余状态。如图8所示,保险盒内部原理为两个电源正常情况下,比较器输出低电平,继电器K1不工作,两个电源输出冗余端分开单独带载,处于冷冗余状态,避免对DC48V电源模块的冲击。如图9所示,当其中一个电源出故障无48V输出时,比较器输出高电平,12V电压通过电阻R11将电压信号给到三极管Q31脚,K1继电器动作,分隔故障电源,且自动接到正常电源48V输出端,实现冗余功能,有效避免两驱动电源模块长期处于热冗余状态造成电压波动损坏DC48V电源模块,也可避免当有一个驱动电源模块故障内部出现短路后不影响另一个驱动电源模块的正常运转,从而避免了客室照明熄灭故障。

4试验

(1)将保险盒装上后,两驱动电源模块输出端被隔断单独带载即将热冗余切换为冷冗余,测量两驱动电源模块的输出电压稳定,解决热冗余状态可能导致驱动电源模块出现相互干扰的问题。(2)将一个驱动电源模块保险丝取掉,模拟当其中一个电源出现故障时,保险盒内的继电器自动吸合,将故障驱动电源所带灯具切换至正常电源带载端,照明功能正常,实现冗余功能。(3)将一个电源内部的12V对短路时,未发生整侧照明熄灭和断路器跳闸故障,另一个电源正常工作,同时,实现了两个电源间的12V冗余,将正常电源的12V冗余给到故障电源,故障反馈电路正常工作。

5执行改造措施后的效果跟踪

通过对客室照明驱动电源模块增加保险盒后,跟踪6个月,统计整侧客室照明故障发生0起,DC48V电源模块故障0起。通过以上数据得出结论,增加保险盒后故障大大降低,有效避免了驱动电源模块故障频发。

6结语

本文结合实际典型故障案例,对客室照明驱动电源模块进行拆解分析,得出故障原因为DC48V电源故障和冗余电路问题,最后,提出相应的解决方案并进行验证后跟踪,有效避免了地铁车辆客室照明故障频发,可为地铁行业客室照明提供一定借鉴。

参考文献:

[1]杨恒.LED照明驱动电路设计与实例精选[M],北京中国电力出版社,2008.

[2]来清民.高亮度LED照明及驱动电路设计[M],北京航空航天大学出版社,2012.

[3]桂林海威科技股份有限公司.南宁地铁3号线客室照明驱动电源模块内部组成及组成部分的作用说明[Z],2018.

[4]桂林海威科技股份有限公司.南宁地铁3号线客室照明系统维护手册[Z],2018.

作者:郑吴富 姜送来 李文龙 单位:南宁轨道交通集团有限责任公司运营分公司


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