23电压调整器二.docx
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23电压调整器二
DF4A、B机车改进以及DF4D机车用电压调整器
Hyj87073
教学内容
本课学习内容包括：
电压调整器在机车上的作用；两种电压调整器的工作原理；电压调整器使用的集成块知识；电压调整器的试验与维修。
教学目标
目的及要求
了解电压调整器在机车上的作用，培养职工整体掌握部件的作用增加判断故障处所的能力。
学习电压调整器的原理以及集成电路的知识，通过对集成块的了解、整箱原理分析，培养职工电压调整器的实际维修能力。
过程与方法
1、通过课前搜集电压调整器相关的内容，自己组织有关的信息，讲述自己思路中、实际使用电压调整器的作用、原理。
2、通过讲解和实际操作，培养职工的实际试验电压调整器的方法。
3、通过集成电路的了解，使职工在原理分析和故障判断的基础上能够熟练维修电压调整器。
教学重、难点及解决措施
重点
电压调整器的原理。
难点
电压调整器的故障判断。
教学解决措施
对于两种电压调整器的原理这一重点，通过设计一系列学习任务，由职工进行讨论、交流、分段讲解等手段来突破。
为解决教学难点，教师通过引导启发，让职工从集成块作用、原理分析、波形解读等方面分析出故障处所并加以排除。
教学准备
教师准备
1、提前预习并查找有关资料。
2、绘制电路原理图以及相关内容有关的文字、图片等资料。
3、撰写教学教案。
教学方法
理论讲解与实际操作相互结合教学
教学课时
5个课时
教学提纲
一、电压调整器：
目前DF4A、B以及DF5型内燃机车上的电压调整器，DF4D使用双倍份电压调整器，DF8B使用微机柜内的辅机控制插件，其原理都是用于机车辅助发电机的电压调整。
当辅助发电机因其转速或负荷变化引起电压变化时，电压调整器则通过改变辅助发电机的励磁电流来维持其电压恒定。
目前这两种电压调整器多了一个空压机启动电路，而辅机控制插件还多了过压保护输出。
其原理框图如下：
二、电压调整器工作原理：
1、电压调整器外围线路：
2、TPZ9电压调整器原理：
TPZ9型电压调整器除具有普通电压调整器的功能外，还可以对空压机实行软启动控制，避免由于YRC犯卡或接触不良造成的事故。
其整个系统分为两个部分，一部分将辅助电机电压稳定在110±2V，另一部分为空压机软启动控制部分，其在接到空压机启动指令，控制辅助发电机电压在一定时间内（2.5±0.5秒）降至20V以下，并输出空压机合闸指令，再经过一定时间（4秒）将辅助发电机电压上升至110V。
其整个系统电路图如下：
其电路具体可以分为电源、基准电压、稳压控制、软启动控制四个模块，现结合电路图具体说明：
（1）电源模块：
110V电压正端通过二极管V15，电阻R27在稳压二极管V12上得到+15V电源，该电源一方面提供集成运算放大器的电源，另一方面做为空压机启动时的参考电压，其电压为13.5～15V。
（2）稳压控制的基准电压模块：
稳压控制基准电压也是110V电压正端通过二极管V15，电阻R18在精密稳压二极管V11上得到基准电压（6±0.2V）再经过电阻R17向C7充电，并在R16+R4分压得到稳压控制基准电压（4±0.2V）。
（3）稳压控制模块：
辅助发电机反馈电压经R1+R2与电位器R3、RP1分压后得到一个电压值加在集成运算放大器的2端，调整R3、RP1可以改变这一电压值，并与稳压控制精准电压输入的集成运算放大器3端比较，使当辅助发电机输出电压高于110V时，集成运算放大器2端输入电压高于3端稳压控制精准电压，集成运算放大器1端输出低电平，V2截止辅助发电机的输出电压降低，当辅助发电机输出电压反馈低于110V时，集成运算放大器2端输入电压低于3端稳压控制精准电压，集成运算放大器1端输出高电平，V2饱和导通，辅助发电机的输出电压升高，这样周而复始使辅助发电机输出电压稳定在110±2V。
调整R3、RP1可以改变辅助发电机输出电压值。
（4）空压机软启动控制模块：
空压机启动指令没有输入前，集成运算放大器6端、12端输入为低电平（0V），5端为15*2/（2+10）=2.5V，13端为15*10/（10+12）=6.9V，其集成运算放大器输出端7端为高电平（13.5V），这样因为V8的阻断不影响辅助发电机稳压控制，14端为低电平，V14截止，没有输出控制指令。
空压机启动指令输入时，集成运算放大器6端输入110*5.1/（100+5.1）=5.3V电压，其集成运算放大器输出端7端输出为低电平，C7放电为低电平，则集成运算放大器3端变为低电平（0.7V），其输出亦为之改变，辅助发电机输出电压降低，由于辅助发电机绕组的电感作用，在2.5秒左右减低到110*0.7/4=19.5V左右。
另一方面空压机启动指令输入时，110*10/（100+10）=10V电压经过R21向C8充电，输入集成运算放大器12端经过2.5秒左右上升到7.5V左右，其集成运算放大器输出端14端输出为高电平（13.5V），V14导通，继电器K1吸合，输出空压机合闸指令；同时其输出为高电平（13.5V）经过R14、V10输入到集成运算放大器5端，使集成运算放大器输出端7端输出由低电平翻转为高电平，V8阻断，精准电压6V经过R17向C7从0.7V开始充电，经过4秒左右上升到稳压控制精准电压（4V），相应地辅助发电机输出电压也从19.5V左右上升到110±2V，空压机启动过程完成，同时C8通过V9、R20放电，为下一次空压机启动做准备。
3、辅机A控制插件原理：
辅机控制插件的稳压控制、空压机软启动工作原理基本与TPZ9型电压调整器原理相同，其电源、基准电压电路略有不同，并增加了辅机过压保护。
现将其电源、基准电压、稳压控制、空压机软启动、辅机过压保护五个模块分别介绍。
辅机A控制插件位于辅机/电源插箱内的55、67插槽，共有两块，两块辅机A插件互为热备份，当其中一块出现故障时可以通过微机控制柜上的万能转换开关进行转换，使另一块继续运行。
辅机A控制插件主要分为三个部分：
第一部分辅助发电机稳压控制部分，该部分将辅机发电电压维持在DC110V±2％。
当辅助发电机的电压不在DC110V±2％时，反馈电压反馈到辅机A控制插件后通过比较器驱动场效应管，控制辅助发电机励磁电流的大小，使辅助发电机的端电压控制在DC110V±2％以内。
其控制过程十分迅速，因而辅助发电机的端电压能够保持恒定。
第二部分压缩机软启动控制部分，该部分在得到压缩机启动指令后，先降低辅助发电机的电压为零，2.5秒后发出和闸指令，使辅助发电机的端电压由零逐渐上升到DC110V±2％。
（如果机车装有空调，此项功能将与之冲突，不予使用。
）
第三部分辅机过压保护部分，该部分当反馈电压超过124V时，辅机A控制插件就会自动切除电压调整，使机车电路转为固定发电。
辅机A插件需要重新工作必须重新给电源才能恢复。
辅机A控制插件的工作框图如下：
现结合电路图作具体说明：
（1）电源模块、基准电压模块：
辅机A用稳压电源部分，当机车FLC合闸时，其一方面使辅助发电机励磁绕组一端接入110V（＋）电源电压，辅助发电机励磁绕组另一端通过辅机A的端子X1/6.8dbz接入辅机A；另一方面通过辅机A插件板的端子X1/18.20dbz端子送给辅机A插件，并通过V2、L2、V8得到一个稳定的电源，这个电源不但作为辅机A插件板的供电电源，供给集成运算放大器电源，而且还是空压机启动时的参考电压、稳压控制的基准电压、辅机A过压保护的参考电压等；同时110V电源送入插件板经过V2、L2处理后作为辅机A插件板上的所有继电器线圈的供电电源。
（2）稳压控制模块：
当机车FLC合闸时，继电器线圈的供电电源通过R10、V11、C6在集成运算放大器同相输入端得到一定的电压值，同时集成运算放大器的反相输入端得到V8通过R9、V9、C5、R11、C7提供一定的电压值，但是其值小于同相输入端的电压值，故集成运算放大器输出高电位，并通过R12、R13、R14、V12致使V13导通，继电器K1的线圈得电，K1闭合，其常开触头闭合，将辅机励磁线圈接入；辅助发电机反馈电压从2/4dbz端子进入，经过R15、R16与R17、R18分压后得到一定的电压值送入集成运算放大器的反相输入端，集成运算放大器的正相输入端得到V8通过R33、R41、R34与没有空压机电机启动指令时集成运算放大器输出的高电位通过V19、R19形成的分压电路约12V。
当辅助发电机的电压低于110V时，集成运算放大器的反相输入端电压低于集成运算放大器的正相输入端电压，其输出高电平，驱动V5、V6导通，提供辅助发电机励磁电流，使其端电压上升；当辅助发电机的电压上升到110V或大于110V时，集成运算放大器的反相输入端电压等于或者高于集成运算放大器的正相输入端电压，则其输出低电平，使V5、V6截止，辅助发电机励磁电流受阻，使其端电压下降。
当其低于110V时，集成运算放大器输出高电平，驱动V5、V6导通，使辅助发电机端电压上升，如此周而复始十分迅速地进行循环调整，从而保持辅助发电机输出电压恒定。
（3）辅机过压保护模块：
当反馈电压超过124V时，辅机A控制插件就会自动切除电压调整，使机车电路转为固定发电。
辅机A插件需要重新工作必须重新给电源才能恢复。
当稳压控制模块不能有效控制辅助发电机的输出电压，使反馈电压超过124V时，其经过R22、C9、R23、V26输入到集成运算放大器的正相输入端使其电压大于精准电压通过R24输入到集成运算放大器反相输入端的电压，其输出高电平，一方面通过运算放大器反馈到正相输入端使其保持输出高电平；二方面其通过R26、R27使V18导通，控制K3继电器动作，向外输出辅机过压信号；三方面通过V30输入到控制继电器K1动作的集成运算放大器反相输入端，使其电压高于正相输入端，故控制继电器K1动作的集成运算放大器输出低电位，并通过R12、R13、R14、V12致使V13截止，继电器K1的线圈失电，K1断开，其常开触头断开，将辅机励磁线圈断开，保护辅机控制插件以及辅机安全并使故障励磁接入。
（3）空压机软启动模块：
空压机启动指令没有输入前，集成运算放大器6端、12端输入为低电平（0V），5端得到V8输出并经过R32、R31分压的电压，13端精准电压经过R40降压后的电压，其集成运算放大器输出端7端为高电平，这样因为V19的阻断不影响辅助发电机稳压控制，14端为低电平，V24截止，没有输出控制指令。
空压机启动指令输入时，集成运算放大器6端输入R35、R36分压电压，高于5端输入电压，其集成运算放大器输出端7端输出为低电平，C11放电为低电平，则集成运算放大器3端变为低电平，其输出亦为之改变，辅助发电机输出电压降低，由于辅助发电机绕组的电感作用，在2.5秒左右减低到设计要求电压。
另一方面空压机启动指令输入时，R37、R39分压电压经过R38向C14充电，输入集成运算放大器12端经过2.5秒左右上升到大于13端电压，其集成运算放大器输出端14端输出为高电平，V24导通，继电器K2吸合，输出空压机合闸指令；同时其输出高电平经过V20、R30输入到集成运算放大器5端，使集成运算放大器输出端7端输出由低电平翻转为高电平，V19阻断，V8输出电压经过R34向C11开始充电，经过4秒左右上升到稳压控制精准电压，相应地辅助发电机输出电压也上升到110±2V，空压机启动过程完成，同时C8通过V9、R20放电，为下一次空压机启动做准备。
4、DF4D机车用TTY—4型双倍份电压调整器：
DF4D机车用电压调整器为了在机车运用中提高保险系数一般采用双倍份电压调整器，运行中万一电压调发生故障，机车乘务员可立即切换使用另一备份，保持机车正常运行。
TTY—4型双倍份电压调整器专为DF4D机车设计，电压调整器为双备份设计，设计驱动部分采用大功率管，无二次击穿现象，工作寿命长，故障率低，维修成本低；基本电路简单，仅采用较少的元件完成电压调整任务，对于维修易于掌握。
现我段的现有机车以TTY—4型双倍份电压调整器为主，以其中一套为例说明其原理。
（1）插座（CA20-JA）管脚
插座（CA20-JA）管脚定义表
引脚
信号名称
1、11
辅助发电机的电压+
2、12
空管脚
3、13
空管脚
4、14
空管脚
5、15
蓄电池电源110V+
6、16
空管脚
7、17、18
辅助发电机的励磁线圈
8
空管脚
19
空管脚
9、10、20
蓄电池电源110V-
（2）电源：
110V电压正端通过R5、C2、DW2得到一稳定电压电源，该电源一方面40106集成电路的电源。
（3）稳压控制：
由基准电压源给出基准电压，经取样电路检测启动发电机输出电压（经分压后的低电压）与基准电压进行比较，发出偏差信号。
当启动发电机输出电压低于110V时，发出正偏差信号，经功率放大后调节启动发电机励磁电流增大，以使输出电压上升；当输出电压高于110V时，则发出负偏差信号，调节励磁电流减小，以使输出电压下降。
这样使启动发电机输出电压恒定在110V左右。
（4）基本检查和故障处理方法
基本检查和故障处理方法
序号
内容
检查标准
故障现象
处理方法
1
输入电源检查
测量插座5、10脚电压应当在121V～77V之间
110V电压过低
检查、安装牢固接插件，重新引入电源
2
输入信号检查
测量插座1、10脚电压应当在105V～125V之间
110V电压过低
检查接插件安装牢固及焊接线是否正确
3
输出电流检查
测量插座7脚与外线应当接通
110V电压过低
检查接插件安装牢固及焊接线是否正确
4
电压调外观检查
电压调外观检查，应当无异常
110V电压过低
上面检查正常，换备用电压调
5
电位器检查
电位器电阻正常，稳定
稳压值变化
更换电位器
6
常规检查
电压调外观检查，发现异常或者有元件损坏
110V电压过低
换备用电压调
三、电压调整器使用的集成块简介：
1、LM124（单个放大器符号）：
单个放大器符号
外形以及管脚
内部放大器以及外部管脚
内部单个放大器电路
这些器件包含四个独立的高增益频率补偿的运算放大器，主要用于宽范围电源电压的应用。
如果两个电源之差在3V到12V（LM2902为3V到26V）之间，而且VCC至少比输入共模电压大1.5V，那么使用两个分离电源供电也是可以的。
低源电流漏极独立于源电压的幅度。
应用包括传感器放大器，直流放大模块，以及传统的运放电路，现在可以用单电源电压系统更简单地实现。
例如，在数字系统中LM124可以直接以标准的5V电源供电，非常方便地提供所需的接口要求，而无需±15V电源。
图1.单位增益放大器
图2.噪声测试电路
2、TL431（符号）：
3个引脚分别为：
阴极（CATHODE）、阳极（ANODE）和参考端（REF）。
德州仪器公司（TI）生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值（如图2）。
该器件的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。
TL431的具体功能可以用如图1的功能模块示意。
图1
由图可以看到，VI是一个内部的2.5V基准源，接在运放的反相输入端。
由运放的特性可知，只有当REF端（同相端）的电压非常接近VI（2.5V）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着REF端电压的微小变化，通过三极管图1的电流将从1到100mA变化。
当然，该图绝不是TL431的实际内部结构，所以不能简单地用这种组合来代替它。
但如果在设计、分析应用TL431的电路时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的，本文的一些分析也将基于此模块而展开。
恒压电路应用：
图2
前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压，所以当在REF端引入输出反馈时，器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流，控制输出电压。
如图2所示的电路，当R1和R2的阻值确定时，两者对Vo的分压引入反馈，若Vo增大，反馈量增大，TL431的分流也就增加，从而又导致Vo下降。
显见，这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定，此时Vo=（1+R1/R2）Vref。
选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出，特别地，当R1=R2时，Vo=5V。
需要注意的是，在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件，就是通过阴极的电流要大于1mA。
当然，这个电路并不太实用，但它很清晰地展示了该器件的工作原理在应用中的方法。
将这个电路稍加改动，就可以得到在很多实用的电源电路，如图3，4。
图3大电流的分流稳压电路
图4精密5V稳压器
恒流电路应用
由前面的例子我们可以看到，器件作为分流反馈后，REF端的电压始终稳定在2.5V，那么接在REF端和地间的电阻中流过的电流就应是恒定的。
利用这个特点，可以将TL431应用很多恒流电路中。
图5
如图5是一个实用的精密恒流源电路。
原理很简单，不再赘述。
但值得注意的是，TL431的温度系数为30ppm/℃，所以输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极管好得多，因而在应用中无需附加温度补偿电路。
下面就介绍一个用该器件为传感器电桥提供恒定偏流的电路，如图6。
这是一个已连成桥路的硅压传感器的前级处理电路。
Vref/R2的值应设为电桥工作所必要的恒定电流，该电流值通常会由传感器制造商提供。
流经TL431阴极的电流由R1和电源电压Vs决定，在应用中通常让它等于桥路电流，但一定要注意大于1mA。
由于TL431非常易于实现恒压或恒流，而且有很好的温度稳定性，因此很适合于仪表电路、传感器电路等设计应用。
在此方面的应用例子很多，设计原理并不复杂，本文不再一一介绍。
可控分流特性的应用
由第1节介绍的功能模块图，当REF端的电压有微小变化时，从阴极到阳极的分流将随之在1～100mA内变化。
利用这种可控分流的特性，可以用小的电压变化控制继电器、指示灯等，甚至可直接驱动音频电流负载。
如图7是此应用的一个简单400mW单声道功率放大电路。
图7
图8
在开关电源上的应用
采用TL431的开关电源有以下特点：
输出经过TL431（可控分流基准）反馈并将误差放大，TL431的沉流端驱动一个光耦的发光部分，而处在电源高压主边的光耦感光部分得到的反馈电压，用来调整一个电流模式的PWM控制器的开关时间，从而得到一个稳定的直流电压输出。
上图是一个实用的4W开关型5V直流稳压电源的电路。
该电路采用了此种拓扑结构并同时使用了TOPSwitch技术。
图中C1、L1、C8和C9构成EMI滤波器，BR1和C2对输入交流电压整流滤波，D1和D2用于消除因变压器漏感引起的尖峰电压，U1是一个内置MOSFET的电流模式PWM控制器芯片，它接受反馈并控制整个电路的工作。
D3、C3是次极整流滤波电路，L2和C4组成低通滤波以降低输出纹波电压。
R2和R3是输出取样电阻，两者对输出的分压通过TL431的REF端来控制该器件从阴极到阳极的分流。
这个电流又是直接驱动光耦U2的发光部分的。
那么当输出电压有变大趋势时，Vref随之增大导致流过TL431的电流增大，于是光耦发光加强，感光端得到的反馈电压也就越大。
U1在接受这个变大反馈电压后将改变MOSFET的开关时间，输出电压随改变而回落。
事实上，上面讲述的过程在极短的时间内就会达到平衡，平衡时Vref=2.5V，又有R2=R3，所以输出为稳定的5V。
这里要注意的是，不再能通过简单地改变取样电阻R2、R3的值来改变输出电压，因为在开关电源中每个元件的参数对整个电路工作状态的影响都会很大。
按图中所示参数时，电路可在90VAC～264VAC（50/60Hz）输入范围内，输出+5V，精度优于±3%，输出功率为4W，最大输出电流可达0.8A，典型变换效率为70%。
3、CD40106
CMOS六施密特触发器
密特触发器的用处：
迟滞回路
和电阻电容能组成一个固定频率的触发电路
整流、滤波都可以的
触发！
做一些信号时序设计
输入信号从低电平上升的过程中，电路状态转换时对应的输入电平与输入信号从高电平下降过程中对应的输入转换电平不同。
使输出电压的波形的边沿变得很陡。
可以防止波动，跳来跳去的
例如，设计一个保护电路。
如果刚好设定在5V的话，那么当电源在5V附近小范围的波动时，就会导致检测电路不停的动作。
如果加上一个施密特触发器的话，就可以设定一个范围了。
例如电压跌落到4.7V就断开，但要回升到5V才能接通。
同样，也可以将它用在复位电路中。
可以用来跟踪你的设定波形，使得输出波形在一定的波动范围跟踪你的设定波形，如PFC功率因素校正。
有抗干扰的作用
有反向器的功能
此外，加斯密特反相器的最主要原因，可能还是为了提高抗干扰能力吧。
主要是斯密特反相器的输入端，在阈值电压附近具有大约0.1V的迟滞回线特性，使得的小幅值干扰不能对反相器产生影响，从而避免了误动作的发生。
本课总结
在学习了TPZ9型电压调整器、辅机控制插件、TTY-4型双倍份电压调整器的作用、原理框图、工作原理，对于各种我段内燃机车使用的电压调整有了初步的了解，在以后的维修实践中只要多根据工作原理判断故障处所并加以验证，且多总结维修中的经验，就能够对电压调整器有全面的了解，也能够加快故障的判断。
附图四张分别为TPZ9、辅机控制插件、TTY-4图纸。
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