駝峰軌道電路175 Hz測長電源設(shè)計與實施

張海旭

（西安思源科創(chuàng)軌道交通技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710054）

駝峰軌道電路175 Hz測長電源設(shè)計與實施

張海旭

（西安思源科創(chuàng)軌道交通技術(shù)開發(fā)有限公司，陜西 西安 710054）

測長軌道電路送受電一般采用50Hz或25Hz電源供電，極有可能受到由于電力機車牽引造成的電氣化軌道區(qū)段干擾，因此需要一種與電氣化軌道區(qū)段現(xiàn)有常用頻率不同的電源供電以保證安全。同時，固定頻率的變頻電源在目前也可實施。在最新設(shè)計中，測長軌道電路送受電采用175Hz電源供電。試驗研究結(jié)果表明，該175Hz測長電源設(shè)計簡潔、性能可靠、保護功能完備，可滿足駝峰測長軌道電路的供電要求。

駝峰軌道電路；測長電源；變頻電源；APFC；輔助電源；逆變電路；保護電路

0 引言

駝峰測長軌道電路是測定駝峰編組場內(nèi)各條調(diào)車線空余長度的計測裝置。駝峰測長設(shè)備是駝峰半自動控制和全自動化控制技術(shù)系統(tǒng)的一項重要基礎(chǔ)設(shè)備。在駝峰半自動控制系統(tǒng)中，調(diào)車線的空余長度是提供給車站制動操作員合理選取減速器出口速度的依據(jù)；在駝峰自動化控制系統(tǒng)中，將其引入控制計算機，作為自動計算減速器間隔制動和目的制動出口速度的參量。在編組站調(diào)度信息管理系統(tǒng)中，對于掌握編組場車輛在線情況，優(yōu)化解體與調(diào)車計劃，測長同樣具有重要作用[1-2]。

測長電源是專為此軌道電路供電的專用電源。在較早設(shè)計中，測長軌道電路送受電采用50 Hz或25 Hz電源供電，極有可能受到由于電力機車牽引造成的電氣化軌道區(qū)段干擾。因此需要一種與電氣化軌道區(qū)段現(xiàn)有常用頻率不同的電源供電才更穩(wěn)妥。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，以及新器件新材料的不斷成熟應(yīng)用，固定頻率的變頻電源變得可行。在最新設(shè)計中，測長軌道電路送受電采用175 Hz電源供電。在此重點介紹一種簡單可靠的高頻175 Hz測長電源設(shè)計與實施。

1 整體設(shè)計

175 Hz測長電源是175 Hz駝峰測長軌道電路專用供電電源，利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)將220 V/50 Hz交流電先轉(zhuǎn)換成410 V直流電（BOOST升壓電路），然后再轉(zhuǎn)換成220 V/175 Hz交流電（DC/AC逆變電路）。該電源采用先進可靠的有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)，使整個電源的功率因數(shù)高達0.99，有效降低了電源對外電網(wǎng)以及外電網(wǎng)對電源的高次諧波干擾，減少了無功損耗，使電源對外電網(wǎng)和外電網(wǎng)對電源的影響都降低到最?。还β瘦敵霾糠植捎霉怦罡綦x驅(qū)動絕緣柵型場效應(yīng)管（IGBT）作執(zhí)行器件，脈寬調(diào)制頻率可達20 kHz的高頻逆變技術(shù)；在額定輸入情況下，整機的滿載效率可以達到92%；定頻部分，將標(biāo)準正弦波信號變換成數(shù)字信號寫入EPROM芯片內(nèi)，通過分頻器以及數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生標(biāo)準175 Hz正弦波作為基準波形，該波形固定頻率1個周期校準1次，不會累積誤差，可提高輸出頻率的穩(wěn)定度。該測長電源主要由輸入整流濾波、APFC電路（功率因數(shù)校正）、輔助電源、DC/AC逆變等組成[3]。其原理示意見圖1。

該電源主要技術(shù)特點如下：

（1）DC/AC高頻變換響應(yīng)速度快、精度高，輸出電壓穩(wěn)定性好，負載效應(yīng)220 V±1%。

（2）前級BOOST變換將交流變成直流，使得對電網(wǎng)適應(yīng)能力強，源效應(yīng)220 V±1%。

（3）穩(wěn)頻精度高，一周期一校準，輸出頻率（175±0.5）Hz。

（4）正弦波脈寬調(diào)制SPWM變換頻率高，經(jīng)有效的LC濾波，輸出標(biāo)準正弦波，波形好，諧波含量低，額定輸出情況下，總諧波失真（THD）不大于5%。

（5）符合智能信號電源屏的設(shè)計標(biāo)準，兩路輸入電源相互切換或者輸入斷電0.15 s內(nèi)，測長電源輸出不間斷，輸出接口以及故障干接點設(shè)置也與智能信號電源屏模塊的技術(shù)要求完全一致，所以測長電源可以放置在電源屏內(nèi)（標(biāo)準1/2單元尺寸），也可在外單獨機柜放置，配置非常方便。

（6）采用自然對流散熱技術(shù)，大面積鋁合金散熱器消除了風(fēng)機故障的隱患，而且沒有風(fēng)機噪聲，也減少了類似定期除塵、更換風(fēng)機等維護工作量。

圖1 175 Hz測長電源原理示意圖

（7）輸入過欠壓、過溫、輸出過欠壓、限流、短路保護功能完善可靠，并可給出聲光報警和干接點信息，便于監(jiān)督和監(jiān)測。

2 工作原理

2.1 輔助電源

輔助電源采用單端反激型開關(guān)電源，由交流變換成多路相互隔離的低壓直流輸出，為各種電路供電。輔助電源設(shè)計原理見圖2。

輸入交流220 V電源經(jīng)軟啟動電路和主整流橋整流后，經(jīng)過輔助電源啟動熱敏電阻加至輔助電源開關(guān)變壓器原邊和場效應(yīng)管MOSFET的漏極，另一路經(jīng)過限流功率電阻加至輔助電源控制芯片的電源輸入，激勵脈寬調(diào)制器起振工作，控制芯片輸出調(diào)制脈沖，此脈沖通過控制場效應(yīng)管MOSFET的柵極來導(dǎo)通和截止MOSFET，隨后輔助電源進入正常工作狀態(tài)。通過反激開關(guān)變壓器輸出8路相互隔離的電源，各自經(jīng)整流濾波后變成直流，供整個電源的各種不同電路用電，其中原邊一路電源，除為主機APFC控制供電外，還兼輔助電源輸出電壓反饋和輔助電源自身供電。

單端反激開關(guān)電源是應(yīng)用最為廣泛的一種開關(guān)電源拓撲結(jié)構(gòu)，大量的小功率（200 W以下）、多路隔離輸出的電源，均采用此種電路，其特點是器件少、調(diào)制方便、線路成熟、工作穩(wěn)定、可靠性好。

2.2 APFC電路[4]

APFC電路由BOOST升壓電路、入口和出口取樣電路、APFC控制電路和APFC保護電路組成。此電路的目的是讓輸入電源的電流波形跟蹤輸入電源的電壓波形，保證輸入功率因數(shù)達到0.99，使得電源自身對電網(wǎng)呈現(xiàn)純阻性，不對電網(wǎng)產(chǎn)生額外的諧波干擾，同時因為AC/DC變換，交流變成直流后再二次變換，去除了電網(wǎng)對電源的干擾。該電路采集輸入電壓和電流的幅值波形等信號，利用乘法器運算出控制信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大后驅(qū)動大功率MOSFET，與高頻儲能電感和高壓電解電容共同作用，將不穩(wěn)定的輸入交流電壓變換成穩(wěn)定的410 V直流電壓，同時檢測APFC電路電流，在輸入過壓、輸入欠壓、輸出過壓、過熱、APFC過流等任意故障現(xiàn)象出現(xiàn)時，關(guān)閉APFC電路和整個電源。

圖2 輔助電源設(shè)計原理圖

2.3 逆變電路DC/AC

測長電源后級采用了高頻直流交流（DC/AC）變換技術(shù)[5]。

為提高測長電源的可靠性和輸出信號的各種性能，電源應(yīng)用了全橋逆變技術(shù)，由逆變主電路、SPWM控制保護、取樣電路、輸出濾波電路等組成。關(guān)鍵部分采用絕緣柵型場效應(yīng)管進行高頻變換，高頻調(diào)制頻率為20 kHz，逆變后的SPWM波經(jīng)過高頻LC濾波電路還原為175 Hz交流電壓輸出，輸出濾波電感L采用納米晶的鐵基微晶材料，效率高、溫升低、穩(wěn)定性能好；濾波電容C采用可以自恢復(fù)的聚丙烯CBB薄膜電容，體積小、效率高、損耗低；電流采樣電路選取霍爾器件來執(zhí)行，精度高、速度快、輔助器件少。

利用數(shù)字電路（EPROM）保存標(biāo)準正弦波變換成的數(shù)字信號，并用分頻器和數(shù)模變換實現(xiàn)標(biāo)準175 Hz正弦波模擬信號作為調(diào)制的基波，與另外產(chǎn)生的20 kHz三角波進行比較斬波，產(chǎn)生驅(qū)動信號，再由高頻功率光耦放大驅(qū)動信號，隔離驅(qū)動IGBT的控制柵極，以產(chǎn)生正弦波脈寬調(diào)制信號，逆變后的SPWM波經(jīng)過專用LC濾波后還原為175 Hz交流電壓輸出，實現(xiàn)DC/AC變換。由輸出電壓取樣經(jīng)調(diào)理后比較基準正弦信號電壓（外環(huán)負反饋），調(diào)整驅(qū)動信號和整個DC/AC變換電路，從而保證輸出電壓的穩(wěn)定。

2.4 保護電路

該測長電源具備各種完善的保護電路，保護自身以及用電設(shè)備的安全。當(dāng)電源保護時，電源自身進行聲光報警，并給出干接點用于監(jiān)督和監(jiān)測。主要保護功能如下：

（1）輸入D級防雷保護。采用壓敏電阻、放電管和快速熔斷器的設(shè)計，防范外電網(wǎng)受雷擊而對電源的沖擊，同時也可以保證在電源內(nèi)部短路時，切斷電源與電網(wǎng)的連接，保護電網(wǎng)。

（2）輸入過壓保護。輸入電壓過高會造成內(nèi)部器件（電解電容、MOSFET、快恢復(fù)二極管FRD）的高壓擊穿損壞。故電源在輸入電壓高于286 V時，切斷輸入軟啟動繼電器，外部高壓不能進到電源內(nèi)部，輸出關(guān)閉，直到電源檢測到輸入電壓恢復(fù)正常時（20 V的回縮值），電源自動恢復(fù)工作。

（3）輸入欠壓保護。輸入電壓過低會大大提高輸入的電流，降低電源的工作效率，可能造成MOSFET的電流擊穿，需要防護。故電源輸入電壓低于154 V時，切斷輸入軟啟動繼電器，輸出關(guān)閉，直到電源檢測到輸入電壓恢復(fù)正常時（20 V的回縮值），電源自動恢復(fù)工作。

（4）過溫保護。環(huán)境溫度過高，會造成磁性材料飽和（內(nèi)部達到居里溫度），以及功率器件的熱擊穿，也會大大降低電源整機的使用壽命，需要防護。故電源關(guān)鍵部分溫度超過（85±5）℃時，電源保護，切斷輸入軟啟動繼電器，輸出關(guān)閉，直到溫度低于保護值，電源輸出自動恢復(fù)。過溫保護的恢復(fù)因為溫度變化速度的原因，時間相對較長。

（5）輸出過壓保護。輸出電壓直接為負載用電設(shè)備供電，過高的電壓會造成用電設(shè)備損毀，必須防護。故輸出電壓高于242 V時，電源保護，輸出關(guān)閉，此故障因直接關(guān)系到用電設(shè)備，所以需要手動排除故障后，方可重新啟動恢復(fù)輸出。如因用電設(shè)備有特殊要求，此保護值可以另行設(shè)定。

（6）輸出欠壓和限流保護，輸出電壓過低或者電流超限，有可能會造成用電設(shè)備的工作不正常，可以防護，但有時是因為負載短路、負載過大、限流等因素造成的。故輸出電壓低于198 V時，電源保護，輸出不關(guān)閉，隨負載變化而變化，負載加大，電壓更低，直至短路輸出關(guān)閉，負載減小，電壓升高。輸出故障排除后，輸出電壓可以自行恢復(fù)。

（7）輸出短路保護。輸出短路一般是由于輸出配電或用電設(shè)備故障造成的，有時會造成用電設(shè)備或整體設(shè)備的故障擴大，導(dǎo)致著火、漏電、人身安全等嚴重事故，必須防護。故輸出短路時，電源保護，輸出關(guān)閉，當(dāng)短路故障排除后，電源可以自動恢復(fù)正常。

（8）輸出防雷保護。因測長電源采用輸入隔離方式，輸出電壓直接輸往室外，有可能會受到室外的雷擊浪涌，造成電源自身的雷擊損壞，必須防護。故在電源輸出端，設(shè)置壓敏電阻和放電管的D級防雷保護，保護電源在輸出有雷電浪涌竄入時，不至于損壞。

3 技術(shù)指標(biāo)與測試分析

3.1 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）工作環(huán)境溫度：－5～＋50 ℃。

（2）相對濕度：≤90%（＋25 ℃）。

（3）海拔：不超過3 000 m。

（4）輸入電源：AC 220 V±30%，（50±5）Hz。

（5）輸入電源諧波：不超過10%。

（6）額定容量：4 kVA。

（7）輸入切換：兩路輸入電源切換時間不超過0.15 s，輸出無間斷。

3.2 APFC電路的MOSFET波形測試

APFC電路自身效率可達到95%，損耗較小，此電路對于提高電源對電網(wǎng)電壓和諧波的適應(yīng)性、提高電源自身的可用性具有非常重要的作用。APFC的MOSFET波形見圖3。

圖3 APFC的MOSFET波形圖

APFC電路逐漸成為各種電源的標(biāo)配電路，在某些標(biāo)準中，500 W以下效率要求92%以上，500 W以上要求85%以上，主要是因為現(xiàn)在電網(wǎng)用電設(shè)備越來越多，種類也越來越多，阻性、感性、容性以及混合型等多種多樣，會對電網(wǎng)造成很大污染，增大無功損耗，增加電器的損壞概率。該測長電源使用專網(wǎng)供電，電網(wǎng)上也有不少其他設(shè)備用電，采用功率因數(shù)校正后，電源的抗干擾性能得到提高，對電網(wǎng)的污染也大大減少。

3.3 輸出波形測試

圖4 輸出波形圖

175 Hz測長電源輸出標(biāo)準的正弦波（見圖4），高頻DC/AC變換，響應(yīng)速度快，損耗小，效率高，控制稍顯復(fù)雜。其缺點是不隔離，如需隔離需要另外設(shè)置電路。測長電源的隔離采用輸入單獨設(shè)置工頻隔離變壓器的方法，簡單穩(wěn)定，防雷性能好。175 Hz測長電源輸出特性測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 175 Hz測長電源輸出特性測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

駝峰軌道電路175 Hz測長電源設(shè)計簡潔，性能可靠，保護功能完備，當(dāng)主備使用時，可滿足駝峰測長軌道電路的供電要求。在具體應(yīng)用中，該測長電源已經(jīng)在數(shù)十個駝峰編組場上道使用，證明是一種可靠的測長軌道電路供電電源。工程實施中按每16股道配置1套175 Hz測長電源。175 Hz測長電源將高頻開關(guān)電源的成熟先進技術(shù)應(yīng)用于交流變頻電源，屬國內(nèi)首創(chuàng)。該交流變頻電源在可靠性、效率、體積、質(zhì)量以及電磁兼容性（EMC）等方面具有良好性能。

[1] TB 10069—2000 鐵路駝峰信號設(shè)計規(guī)范[S]．北京： 中國鐵道出版社，2001.

[2] 丁廣．編組站駝峰調(diào)車場專用信號設(shè)備施工風(fēng)險與 控制[J]．中國鐵路，2012(12)：12-39.

[3] 普利斯曼，比得斯，莫瑞．開關(guān)電源設(shè)計[M]．3版． 王志強，肖文勛，虞龍，等，譯. 北京：電子工業(yè) 出版社，2010.

[4] 周志敏，紀愛華．開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計與 應(yīng)用實例[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5] 邢婭浪，趙錦成．逆變控制新技術(shù)[M]．北京：國防 工業(yè)出版社，2015.

Design and Implementation o f 175 Hz Distance-to-coup ling Measurement Power Source for Track Circuit in Hum p

ZHANG Haixu
（Xi'an Siyuan Kechuang Urban Rail Transit Technology Development Co Ltd，Xi'an Shanxi 710054，China）

In previous design, 50 Hz or 25 Hz power source is used for distance-to-coupling measurement track circuit,which is probably interfered in electrified track section due to the hauling electric locomotive. Therefore, a power source with different frequency compared with current common frequency in electrified section is more reliable. Meanwhile,power source with fixed frequency is also applicable. In the latest design, distance-to-coupling measurement track circuit use 175 Hz power source. And tests show that such design is of concise design, reliable performance and complete protection, being able to provide power for distance-to-coupling measurement track circuit in hump.

track circuit in hump；distance-to-coupling measurement power source；variable-frequency power source；APFC；auxiliary power；inverter circuit；protective circuit

U284.2

A

1001-683X（2017）09-0099-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.099

張海旭（1972—），男，高級工程師。E-mail：55592108@qq.com

責(zé)任編輯 盧敏

2017-06-29