ZPW-2000A調(diào)諧區(qū)SVA阻抗值對(duì)調(diào)諧區(qū)品質(zhì)因數(shù)的影響分析

黃文軒

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，西安 730000)

無(wú)絕緣軌道電路按照原理可以分為電氣隔離式和自然衰耗式兩種軌道電路[1]，前者又稱(chēng)為諧振式軌道電路。對(duì)于諧振電路而言，品質(zhì)因數(shù)Q的高低是衡量該電路的一個(gè)重要指標(biāo)，Q值越高，電路的信號(hào)選頻性能越好，越容易濾除干擾，也越趨于穩(wěn)定。

ZPW-2000A是國(guó)產(chǎn)化諧振式無(wú)絕緣軌道電路的一種，該種軌道電路的絕緣節(jié)為電氣絕緣節(jié)，主要由調(diào)諧單元、空心線圈及29 m鋼軌組成[2]，其中調(diào)諧單元又可以分為二元件F1型調(diào)諧單元BA1，三元件F2型調(diào)諧單元BA2。其中BA1主要用在較低頻率 1 700 Hz 和 2 000 Hz 所在區(qū)段，BA2 主要用在較高頻率 2 300 Hz 和 2 600 Hz 所在區(qū)段。BA1由電感L1和電容C1組成；BA2由電感L2和電容C2、C3組成。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì) 1 700 Hz 和 2 300 Hz進(jìn)行建模[2-5]，通過(guò)建模分析了軌道電路電氣絕緣節(jié)故障，補(bǔ)償電容故障等方面的問(wèn)題。通過(guò)分析調(diào)諧區(qū)的電氣模型，利用電路理論，給出調(diào)諧單元元件參數(shù)與空心線圈阻抗值的關(guān)系，通過(guò)MATLAB軟件仿真，獲得良好的品質(zhì)因數(shù)。

1 ZPW-2000A電氣絕緣節(jié)工作原理

ZPW-2000A電氣絕緣節(jié)通過(guò)諧振電路完成相鄰軌道電路電氣隔離。

如圖1所示，以1G和3G兩個(gè)相鄰下行區(qū)段為例，1G軌道電路發(fā)送載頻f1為1 700-1 Hz，3G軌道電路發(fā)送載頻f2為2 300-1 Hz，1G和3G用電氣絕緣節(jié)隔離。

圖1 電氣絕緣節(jié)（調(diào)諧區(qū)）原理圖Fig.1 Electrical insulated joint (tuning zone) principle diagram

在頻率f1為1 700-1 Hz時(shí)，得到調(diào)諧區(qū)等效電路如圖2所示。F1型BA呈容性，F(xiàn)2型BA由于電感L2和電容C2串聯(lián)諧振，阻抗值為0，等效為短路線，稱(chēng)其為“零阻抗”。此時(shí)鋼軌電感Lg、空心線圈SVA電感Ls和F2型BA“零阻抗”等效為電感電路，與F1容性電路相并，呈并聯(lián)諧振，導(dǎo)納值之和為0，阻抗值理論上呈無(wú)窮大，實(shí)際值為2 Ω左右，稱(chēng)其為“極阻抗”。

同理，如圖3所示，在頻率為2 300-1 Hz時(shí)，F(xiàn)2型BA呈容性，F(xiàn)1型BA由于電感L1和電容C1串聯(lián)諧振，成“零阻抗”。此時(shí)鋼軌、空心線圈SVA和F1型BA等效為電感電路，與F2容性電路相并，呈并聯(lián)諧振，導(dǎo)納值之和為0，成“極阻抗”。

圖2 載頻1 700-1 Hz對(duì)應(yīng)調(diào)諧區(qū)等效電路圖Fig.2 Equivalent circuit diagram of the tuning zone corresponding to carrier frequency of 1700-1Hz

圖3 載頻為2 300-1 Hz時(shí)調(diào)諧區(qū)等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram of the tuning zone corresponding to carrier frequency of 2 300-1Hz

2 諧振電路的品質(zhì)因數(shù)

2.1 品質(zhì)因數(shù)的定義

一個(gè)由電感、電容和電阻組成的無(wú)緣二端網(wǎng)絡(luò)，在某一頻率下，出現(xiàn)輸入電流和輸出電壓同相的情況，這種現(xiàn)象稱(chēng)為諧振，該頻率稱(chēng)為諧振頻率。諧振電路可以從不同頻率的信號(hào)中挑選出一個(gè)或一帶頻率有用的信號(hào)，具有選頻或?yàn)V波的作用。

諧振頻率是根據(jù)電路參數(shù)L和C確定，而衡量諧振電路選頻效果的重要指標(biāo)是該電路的品質(zhì)因數(shù)Q。品質(zhì)因數(shù)Q的廣義定義為諧振時(shí)L或C無(wú)功功率的絕對(duì)值與諧振時(shí)電路損耗的有功功率之比[6]。諧振電路的頻率特性如圖4所示，由圖可知品質(zhì)因數(shù)越高，曲線越尖銳，信號(hào)的選頻性能越好[7]。

2.2 品質(zhì)因數(shù)的計(jì)算

根據(jù)經(jīng)典電路理論可以得到串聯(lián)諧振電路和并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)為：

圖4 串聯(lián)諧振電路的頻率特性Fig.4 Frequency characteristics of series resonant circuits

但是對(duì)于復(fù)雜的調(diào)諧電路，可以將其分解為兩部分，電容串電阻和電感串電阻兩部分。然后可以根據(jù)最后需要的電路模型，將其整合為標(biāo)準(zhǔn)的串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路，再根據(jù)公式（1）或（2）求得Q值。其中最重要的步驟是串聯(lián)電路變并聯(lián)電路，因此設(shè)串聯(lián)電路A+Bj和并聯(lián)電路C||Dj等效，可以得到以下公式：

根據(jù)公式(3)可以得出并聯(lián)改串聯(lián)公式：

串聯(lián)改并聯(lián)公式：

3 ZPW-2000A電氣絕緣節(jié)建模仿真

3.1 調(diào)諧區(qū)建模

諧振電路根據(jù)電容、電感和電阻的連接方式可以分為兩類(lèi)，一種是串聯(lián)諧振，另外一種為并聯(lián)諧振。ZPW-2000A無(wú)絕緣軌道電路的調(diào)諧區(qū)恰好包含以上兩種諧振方式，分別是“零阻抗”和“極阻抗”?！傲阕杩埂痹趯?duì)應(yīng)頻率諧振后呈短路線，防止相鄰兩區(qū)段信號(hào)電干擾；“極阻抗”在對(duì)應(yīng)頻率諧振后近似為開(kāi)路，減小對(duì)本區(qū)段信號(hào)的損耗。

國(guó)內(nèi)學(xué)者在調(diào)諧區(qū)小軌道電路建模時(shí)，為求取結(jié)果方便，常常忽略調(diào)諧區(qū)鋼軌連接線電阻值、鋼軌電阻值、空心線圈電阻值，而且在實(shí)際鋼軌連接線使用的過(guò)程中，BA和SVA均通過(guò)兩根并行的鋼軌引接線接至鋼軌。雖然仿真計(jì)算后的L1、C1、L2、C2、C3數(shù)值和普速鐵路維規(guī)中給定的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)誤差不大，但是這種模型卻無(wú)法計(jì)算調(diào)諧區(qū)品質(zhì)因數(shù)，所以本文給出較為詳細(xì)的小軌道電路建模，如圖5所示。

圖5 調(diào)諧區(qū)小軌道電路建模Fig.5 Small rail circuit modeling in tuning zone

其中Rt和Lt是鋼軌連接線的電阻值與電感值，Rg和Lg是鋼軌的電阻值和電感值，Ls和Rs是空心線圈的電阻值和電感值。

3.2 調(diào)諧單元各參數(shù)計(jì)算

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中空心線圈SVA作為諧振回路的電感，可提高電氣絕緣節(jié)（調(diào)諧區(qū)）諧振的品質(zhì)因數(shù)[8]，平衡牽引電流，保證設(shè)備和人身安全。因此，本文根據(jù)普速鐵路維護(hù)規(guī)則給出的相關(guān)參數(shù)，對(duì)調(diào)諧區(qū)重新建模，以空心線圈阻抗為自變量，計(jì)算不同頻率下調(diào)諧單元L1、L2、C1、C2、C3的相應(yīng)公式，并對(duì)品質(zhì)因數(shù)進(jìn)行求取。本文以1 700和2 300 Hz 為例，2 000 和 2 600 Hz 公式與之相同。

3.2.1 1 700 Hz時(shí)調(diào)諧區(qū)電氣特性

調(diào)諧區(qū)按照電路的感性和容性可以分為兩部分。一部分是F1型BA，在1 700 Hz時(shí)呈容性；F2型BA此時(shí)呈串聯(lián)諧振，故另一部分由鋼軌電路、空心線圈SVA和F2型BA組成，它們等效呈感性電路。這兩部分電路相并，呈并聯(lián)諧振，調(diào)諧區(qū)的導(dǎo)納值之和虛部為零，等效電路如圖6所示。

圖6 1 700 Hz對(duì)應(yīng)調(diào)諧區(qū)等效電路圖Fig.6 Equivalent circuit diagram of the tuning zone corresponding to 1 700 Hz

根據(jù)圖6可以推出以下公式：

其中，ω1為 1 700 Hz的角頻率；Z1為 F1型BA與鋼軌連接線總阻抗；Z2為鋼軌電路、空心線圈SVA、鋼軌連接線和F2型BA等效阻抗；Yv為空心線圈與14.5 m鋼軌和F2型BA等效導(dǎo)納；ZM1為調(diào)諧區(qū)總阻抗值；RM1為極阻抗值，理論值相等；Q1為品質(zhì)因數(shù)。

3.2.2 2 300 Hz時(shí)調(diào)諧區(qū)電氣特性

對(duì)于F2型BA，在2 300 Hz時(shí)呈容性；此時(shí)F1型BA呈串聯(lián)諧振，鋼軌、SVA和F1型BA等效為感性電路。這兩部分電路相并呈并聯(lián)諧振，調(diào)諧區(qū)導(dǎo)納之和虛部為0，等效電路如圖7所示。

圖7 2 300 Hz對(duì)應(yīng)調(diào)諧區(qū)等效電路圖Fig.7 Equivalent circuit diagram of the tuning zone corresponding to 2 300 Hz

其中，ω2為 2 300 Hz的角頻率；Z3為 F2型BA與鋼軌連接線總阻抗；Z4為鋼軌電路、空心線圈SVA、鋼軌連接線和F1型BA等效阻抗；Yw為空心線圈與14.5 m鋼軌和F1型BA等效導(dǎo)納；ZM2為調(diào)諧區(qū)總阻抗值；RM2為極阻抗值，理論值相等；Q2為品質(zhì)因數(shù)。

3.3 建模驗(yàn)證

圖5所示模型是以工程背景為基礎(chǔ)建立的，其中鋼軌阻抗和鋼軌連接線參數(shù)均參考國(guó)標(biāo)值，對(duì)該模型進(jìn)行電氣分析后，比對(duì)各元件參數(shù)國(guó)標(biāo)參考值，分析其精確性以及規(guī)律性。

3.3.1 調(diào)諧區(qū)各元件參數(shù)求取

在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，調(diào)諧區(qū)各元器件參數(shù)值有Ls、Rs和C23 個(gè)量取經(jīng)驗(yàn)值，Ls為 33 μH，Rs為4.5 mΩ，C2為 90.9 μF。其中Rg，Lg各頻率取值如表1所示，Rt，Lt各頻率取值如表2所示。

表1 混凝土橋梁地段鋼軌參數(shù)[9]Tab.1 Rail parameters of concrete bridge section

對(duì)公式(6)進(jìn)行變換，可將其等效為：

其中，XC1為Z1等效容抗；R1為等效電阻。

然后對(duì)公式(9)進(jìn)行變換，可將其等效為：

表2 連接線電感、電阻參考值Tab.2 Reference value of inductance and resistance of connection line

其中，Y2為Z2對(duì)應(yīng)的導(dǎo)納；BL2為Z2等效電納；G2為等效電導(dǎo)。由于并聯(lián)諧振電路要求總導(dǎo)納虛部為0，所以可以得出：

針對(duì)新課改下對(duì)于語(yǔ)文教學(xué)的改革與創(chuàng)新，要求教師在課堂教學(xué)中充分運(yùn)用各種資源和活動(dòng)形式，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。在學(xué)習(xí)不同題材的語(yǔ)文知識(shí)時(shí)，教師不能一味進(jìn)行枯燥的文字解說(shuō)，或僅是單純地自我講述，不與學(xué)生進(jìn)行交流和互動(dòng)。例如，在學(xué)習(xí)詩(shī)歌散文類(lèi)的文章時(shí)，教師習(xí)慣于使用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，對(duì)文章內(nèi)容進(jìn)行分析和解說(shuō)。這個(gè)過(guò)程就限制了學(xué)生的思維，使學(xué)生無(wú)法與老師思想同步。應(yīng)當(dāng)進(jìn)行角色扮演或者舉辦詩(shī)歌朗誦的賞析會(huì)，讓學(xué)生真正地融入課堂內(nèi)容中，品讀作者當(dāng)時(shí)的心境與語(yǔ)境。

由此可解出L1和C1的值。同理，也可以解出L2、C2和C3的值。頻率為 1 700 和 2 300 Hz 時(shí)，求出調(diào)諧單元各元件值如表3所示。

表3 1 700、2 300 Hz調(diào)諧單元元件參數(shù)值Tab.3 1 700 Hz and 2 300 Hz tuning element parameter value

由于未考慮電感L1，L2，C1，C2，C3元件自身的電感電阻和電容電阻值，所以與測(cè)量值存在小范圍的誤差(2%～6%)，然后再計(jì)算，容性調(diào)諧單元阻抗，如表4所示，與容性調(diào)諧單元阻抗值表[10]進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)對(duì)比阻抗值，發(fā)現(xiàn)計(jì)算值與測(cè)量值的誤差保持在5%以?xún)?nèi)，結(jié)合之前的對(duì)比數(shù)據(jù)，得出該組數(shù)據(jù)比較接近現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)ZPW-2000A型無(wú)絕緣軌道電路調(diào)諧單元建模后，得出的元件參數(shù)數(shù)據(jù)如表5、6所示。

表4 容性調(diào)諧單元阻抗值Tab.4 Impedance value of capacitive tuning unit

表5 文獻(xiàn)[1]中1 700、2 300 Hz調(diào)諧單元參數(shù)Tab.5 1 700 Hz and 2 300 Hz tuning element parameters

表6 文獻(xiàn)[4]中1 700、2 300 Hz調(diào)諧單元參數(shù)Tab.6 1 700 Hz and 2 300 Hz tuning element parameters

由于以上兩位學(xué)者在建模過(guò)程中，對(duì)鋼軌和鋼軌連接線的自身電阻以及鋼軌引接線的連接方式考慮不充分，使得誤差較大。

3.3.2 空心線圈阻抗與BA各元件參數(shù)的關(guān)系

在保證電路諧振的前提下，通過(guò)MATLAB仿真空心線圈電阻值和電感值變化，觀察對(duì)調(diào)諧單元元件參數(shù)值的影響。如圖8、9、10和11可以看出，空心線圈的電感值變化對(duì)諧振電路元件影響遠(yuǎn)高于電阻值變化。

圖8 空心線圈阻抗值對(duì)L1感值影響Fig.8 Influence of impedance of air core coil on L1 inductance

圖9 空心線圈阻抗值對(duì)C1容值的影響Fig.9 Influence of impedance of air core coil on C1 capacitance

圖10 空心線圈阻抗值對(duì)C3容值的影響Fig.10 Influence of impedance of air core coil on C3 capacitance

在諧振電路中電感值和電容值總是處于一種平衡狀態(tài)下，相對(duì)而言電阻的變化對(duì)感值和容值影響較小。由于空心線圈作為一個(gè)感性元件存在，其感抗增大勢(shì)必要引起相對(duì)應(yīng)的容抗增大，所以C1和C3的電容值變小，容抗增大。同時(shí)要保證L1與C1的串聯(lián)諧振，故L1感值增大；在實(shí)際工程中，由于C2的容值為固定經(jīng)驗(yàn)值，與之串聯(lián)的L2要保證諧振效果，所以該值變化幅度較小。

圖11 空心線圈阻抗值對(duì)L2感值的影響Fig.11 Influence of impedance of air core coil on L2 inductance

3.3.3 調(diào)諧區(qū)品質(zhì)因數(shù)與極阻抗

調(diào)諧區(qū)作為一種諧振電路，也有與之對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因數(shù)，例如在頻率為1 700 Hz情況下，通過(guò)公式(6)和公式(9)得到調(diào)諧單元對(duì)應(yīng)阻抗Z1和Z2，通過(guò)串并聯(lián)互換公式(5)將其等效為經(jīng)典并聯(lián)諧振電路，通過(guò)公式(2)，計(jì)算出調(diào)諧單元品質(zhì)因數(shù)；調(diào)諧區(qū)極阻抗為并聯(lián)諧振后等效阻抗的值，約2 Ω，可由公式(10)得出，圖5所建模型計(jì)算得到的品質(zhì)因數(shù)如表7所示。

表7 調(diào)諧單元品質(zhì)因數(shù)與極阻抗計(jì)算值Tab.7 Tuning element quality factor and pole impedance calculation value

3.3.4 SVA阻抗值對(duì)調(diào)諧單元品質(zhì)因數(shù)的影響

圖12 SVA阻抗值變化對(duì)Q值的影響Fig.12 Influence of SVA impedance variation on Q value

通過(guò)MATLAB仿真空心線圈電阻值和電感值變化，觀察并分析它對(duì)調(diào)諧單元品質(zhì)因數(shù)的影響，通過(guò)觀察仿真圖形如圖12所示發(fā)現(xiàn)SVA電感自身電阻值與品質(zhì)因數(shù)成負(fù)相關(guān)的關(guān)系。因?yàn)榭招木€圈電阻增大，整體電阻增大，分析并聯(lián)諧振品質(zhì)因數(shù)計(jì)算公式(2)，可得到電阻和品質(zhì)因數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系；還可以發(fā)現(xiàn)隨著空心線圈感值增長(zhǎng)，在1 700 Hz條件下，調(diào)諧單元品質(zhì)因數(shù)在 20 μH 處獲得最大為 8.636 1，經(jīng)驗(yàn)值為 33 μH，結(jié)果為8.381 3。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)ZPW-2000A型無(wú)絕緣軌道電路調(diào)諧區(qū)建模和仿真，分析空心線圈阻抗值對(duì)調(diào)諧單元電氣參數(shù)的影響得出：空心線圈的電阻值對(duì)整個(gè)調(diào)諧區(qū)各元件參數(shù)值影響較小。但是如果忽略空心線圈電阻，則會(huì)影響調(diào)諧單元品質(zhì)因數(shù)，直接影響選頻效果；空心線圈電感值對(duì)整個(gè)調(diào)諧區(qū)元件參數(shù)影響較為明顯，并且隨著SVA電感值的變化，調(diào)諧單元品質(zhì)因數(shù)在范圍內(nèi)可取極值。在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果確定了鋼軌阻抗和調(diào)諧區(qū)長(zhǎng)度，可以通過(guò)該仿真獲得諧振效果優(yōu)秀的各元件具體參數(shù)值。