探索电子设备电子设备在铁路机车车辆中运用

论文导读：
【摘要】在铁路机车车辆上安装电子设备，可以代替易损坏的机电部件，并可通过电子装置实现复杂的功能而改善运行特性。本文简略地介绍了铁路机车车辆应用的电子设备及其屏蔽技术。
【关键词】电子设备；高速铁路；技术
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目前，将功率电子设备和控制电子设备应用于铁路机车车辆上主要有两个基本目的：一是用电子器件代替机电部件，以改善机电部件容易损耗的缺点，从而提高机车车辆的经济性；二是电子装置能够实现复杂的控制功能，可以使机车获得更加复杂可靠的运行特性。
变流器可以实现功率传输的动态调节和多种电流制的转换，从而最优化工作任务的功率匹配。对于铁路的机车来说，这就意味着其牵引技术指标的大幅度提高。
对于控制电子设备和功率电子设备来讲，在任意极限运动的情况下稳定地调节大牵引力。因此机车在最大负载的情况下，也能够实现牵引。为了使近郊机车无冲击，可采用较高的起动加速度和制动减速度，并且机车运行时间短而舒适。电流变换时损耗较小可以实现节能优化，同样地当采用具有能量反馈的再生制动系统时候，也可以轻松的实现节能优化。对于近郊机车，为了实现电流变换，一般采用直流电流调节器和交流传动。与机电部件相比较，电子装置静止和无磨损的工作方式可大大减少维修费用，没必要进行磨损部件的预防维修，并且提高工作效率。

一、电子设备的可靠性

电子器件可靠性高，这就意味着其故障率很低。故障率即为工作每小时的故障数。例如晶体管的基本故障率为5×10-8次/小时，其倒数为故障间隔的平均时间（MTBF），约为4000年。单个电子器件的可靠性非常高，而电位器和继电器由于有机械运动件存在，所以其可靠性低。与采用单个工作电路可靠性相比，采用集成电路（IC）可靠性得到了提高。由大量元件和连线组成的大规模的电路可以由一块集成电路代替。而在集成电路中，数字集成电路的可靠性更好。随着集成电路功能不断的强化，其故障率也仅略为增加。因此，在机车中采用集成化电路可以大大提高其工作可靠性，降低故障率。
每种元器件都有其固定的故障率及MTBF时间。由于负载、壁垒层温度和工作方法及使用的环境条件等对元器件可靠性影响很大，所以这些数值的变化范围很广。一个系统的故障率，不能按其组成部件的故障率简单地相加或相乘而求得。在实际工作中，采用冗余技术可显著提高机车工作可靠性，这是因为机车同时发生很多故障的情况极少，这样系统的功能可以全部或部分得到保持而不受到破坏。因此，冗余电子系统大的实用价值很高，所以在机车车辆上运用十分普遍。
考察机车故障率可以得知，改善机车车辆运行的不利环境条件和减少元器件数量是研制机车车辆电子设备的两种大趋势。

二、变流器功率器件

采用大功率半导体元件是变流器功率器件的发展趋势，并且尽量减少可控硅元件的数量。对于近郊机车，这个目标已基本达到。机车每个功能仅采用一个元件来控制实现。在功率范围为1000千瓦以下时，没有必要串联或并联可控硅元件。对于地铁和动车，是通过交流传动的，各有一个可控硅元件和二极管安置在相序逆变器的臂上，所以总共有六个二极管和六个可控硅元件。
对于大功率机车，必须增加半导体元件数。当大功率机车功率超过1000千瓦时，必须将可控硅元件和二级管串联或并联，或者在某些情况下，必须在一台机车上设置多个变流器系统，从而提高大功率机车元件的使用率，并将半导体元件的数目控制在较小的范围内，采用相应的结构，组成对环境影响不敏感和无需维护的变流器。在空气冷却方面，将冷却空气导入仅放置有散热器的风筒内皆可以实现上述目标。可控硅元件安装于散热器之间冷却气流之外，目的是为了防止灰尘积聚附加有塑料环。采用这种结构的变流器不需要维护，适当的配制散热器和通风设备，可以使半导体元件具有良好的散热效率。
采用油冷却可以使变流器结构紧凑，从而更好地将集中在可控硅元件内部的热量排出。因此，每个半导体元件的功率都可以单独增大。为了排除热量，必需采用一个没有中冷器的循环油路。
机车的蒸发冷却可以利用流体的汽化热，流体蒸发时吸热，冷却时又将放热。正因为这样，热量可由半导体元件的散热器传送至中冷器而不存在温度梯度。机车上半导体元壁垒层至环境空气的温度路可用于传送少许热量；而热阻减小又使得从可控硅元件排出的热里增加。因此，即使是大功率可控硅元件，其散热效率也很高，每个半导论文导读：
体元件都能传送最大的功率。

三、控制装置

随着机车车辆上变流器功能的多样化，其负荷效率已接近容许负荷的极限。因此，要求其具有更完善的监控和控制功能。此外，从实际使用情况出发，对机车控制装置的信息传递和处理也提出了更高的要求。虽然模拟调节装置的集成运算放大器和数字控制装置的集成电路的功能范围均较宽，但依然令整个电子集成装置的体积达到了极限。电流型三相逆变装置的传动调节部分仅有两层，并装有LUB电网侧整流器和相序逆变器。根据机车和变流器的调节和控制功能来专门研制印刷电路板，可减少其相应的投资。这样，机车电子装置就满足了技术经济指标的高要求。
通过采用微型计算机，控制装置可以得到进一步的发展。它可以进行简单的逻辑和算术运算，几乎可以满足所有必需的调节、控制功能的计算需要。
专门应用于机车上的微型计算机系统已由某电气制造商研制成功。它将具有数据处理功能的计算机、数据和程序的储存器以及将计算机与机车相连接的模拟量与数字量的接口集成为一个整体。它可以在计算机系统上依次实现所有的控制功能，并且具有处理速度快、功能多等优点。因此可利用其基本部件，实现减小复杂控制装置电子设备的目的，处理大量的控制信号，如交流传动机车的控制装置。
通过提高微型计算机部件的可靠性，或者减少部件的数量，可以改善微型计算机控制系统的使用可靠性。由于设置有足够多的监控以及故障检测系统，使得发生故障情况时的中断时间很短。甚至可以用其检测瞬时故障，帮助分析和查找偶然故障出现的原因。
大量的控制功能可以集成到电子装置上。因此，需要有功能强大的信息传输装置将这些电子装置相联接。微型计算机的总线系统和串行数据处理过程可采用多路数据传输装置。此方法与集中式机车可逆控制装置相集成（接于机车的UIC电缆上），已应用于鲁尔市内的铁路上。由于机车和动车上的功率电子装置和控制电子装置的电缆线紧密排列，会产生互相干扰的现象。且由于光导纤维可传输大量信息而没有电位，也不存在电磁兼容性的问题。若在机车上采用光导纤维可提高装置的可靠性。

四、电磁屏蔽技术

电磁干扰现象在机车上是普遍存在的，其可以造成受干扰设备的功能降低甚至丧失，甚至造成设备的部件或软件不可恢复性的损坏。因此，应根据电磁兼容的原理，在进行电子装置的结构设计时，采用有效的屏蔽方法来避免电子设备由于电磁干扰造成的部件损坏或数据丢失。
电磁干扰是以“场”的方式沿空间进行传播的。因此，可以通过提高电子装置机箱对周围电磁场的反射损耗，降低吸收损耗，来减弱或消除电磁干扰对系统内设备的干扰。为了实现电磁兼容，采取的屏蔽措施按照屏蔽级别的不同进行分级，包括有PCB板屏蔽、插箱/子架屏蔽、机柜屏蔽、元器件屏蔽、模块屏蔽等。下面对模块屏蔽、插箱/子架屏蔽和机柜屏蔽进行简要的说明。
模块屏蔽是指将某些辐射大或抗干扰能力差的模块或单板，在屏蔽盒中单独安装。通常情况下，电抗器、变压器等可通过在绕组线圈和铁芯环路外包一层或多层金属短路来减少漏磁通量；电源板、IGBT等功率模块可用金属网罩进行屏蔽。
机柜屏蔽是通过金属壳体将整个系统屏蔽起来，利用金属外壳对电磁场干扰的吸收和反射损耗，来切断机箱内干扰信号的传播。
相对于机柜屏蔽，插箱/子架屏蔽方法的最大优点是可以在出线的接插件上面采取屏蔽措施，如SS7E型机车的逆变电源采用插箱把逆变、整流部分和控制部分隔离开来，通过屏蔽转接插座控制部分、电磁兼容连接器、电缆与功率模块之间的信号传输，从而避免相互干扰。插箱/子架屏蔽与模块屏蔽类似，只是屏蔽体为插箱/子架。
五、结论
随着电子器件的发展，不断将功率电子设备和控制电子设备应用到铁路机车上，使其电气设备达到了很高的水平。由于机车车辆的特殊性，实现这种可能性及经济性的前提是工业与运输部门在设计、试验过程中的不断努力。
参考文献：
冯晓芳.中国高速铁路的发展与展望[J].科技资讯，2009（1）：129-130.
TB/T 3021-200

1.铁道机车车辆电子装置[S].

白同云，吕晓德.电磁兼容设计[M].北京：北京邮电大学出版社.