道岔融雪系統(tǒng)電加熱元件分時復用模塊設計實現(xiàn)

天津鐵路信號有限責任公司 楊 怡

我國北方的大部分地區(qū)在進入冬季后，鐵路運輸系統(tǒng)經(jīng)常受到冰雪天氣困擾，如不及時清掃道岔積雪或清掃不徹底，會造成道岔尖軌尖端與基本軌不密貼或道岔冰凍，將造成鐵路運輸晚點、停運，甚至成為鐵路運輸安全的隱患。目前，鐵路上普遍使用電加熱道岔融雪系統(tǒng)，采用電加熱元件安裝在道岔前部的鋼軌上，對鋼軌進行加熱，實現(xiàn)融雪、除冰的目的。

1 問題的提出

根據(jù)對長沙電務段走訪，已上道的道岔融雪系統(tǒng)電加熱元件長度不夠，無法對尖軌根部位置進行加熱，在環(huán)境溫度0℃～-5℃的雪天，尖軌根部存在夾冰現(xiàn)象。為解決以上問題，需在尖軌根部位置再增加一定長度的電加熱元件。但是，現(xiàn)場融雪變壓器容量已經(jīng)飽和，用戶希望盡量在不增加變壓器容量和供電設備的基礎上，滿足為新增電加熱元件供電的要求。

2 解決思路

2.1 思路提出

基于以上情況，考慮在減少現(xiàn)場施工量，節(jié)約成本，不增加電氣控制柜和變壓器容量，額定功率不變的情況下，設計分時復用模塊，對既有電加熱元件及新增電加熱元件進行分時加熱，以此方式滿足現(xiàn)場實際需求。

2.2 設計需求

（1）模塊在-40℃～+70℃環(huán)境溫度下正常工作；（2）模塊輸出電流最大40A；（3）模塊可實現(xiàn)兩組電加熱元件分時加熱需求；（4）模塊分時加熱的時間可調；（5）模塊分時控制占空比1:1；（6）模塊可滿足不同功率電加熱元件的分時復用加熱。

2.3 方案設計思路

通過555時基電路提供一個穩(wěn)定可調的時基頻率，為后面的數(shù)字電路提供可靠穩(wěn)定的時鐘信號。數(shù)字電路采用可逆計數(shù)器進行計數(shù)，待計數(shù)達到預定時間后，為分頻器發(fā)送時鐘信號，分頻器進行2位的循環(huán)進位輸出，輸出的數(shù)字信號驅動一個前置的光耦（隔離控制信號和后置可控硅），光耦驅動可控硅。以此實現(xiàn)2路電加熱元件的分時加熱。

具體原理如下：

（1）555時基電路（反饋型振蕩器電路）

555時基電路如圖1所示。此電路為數(shù)字電路提供穩(wěn)定可靠的時基頻率。所提供的頻率由W1、R2以及C6決定。

圖1 555時基電路

計算公式如下：

T1（充電時間）= 0.7(W1+R2)×C6

T2（放電時間）=0.7R2×C6

F（振蕩頻率）=1.4（W1+2R2）×C6

由以上計算公式可看出，此電路輸出的占空比由W1和R2決定，W1和R2阻值越懸殊，占空比越趨近于50%，而頻率由三者決定。

（2）100s內可逆計數(shù)器電路

100s內可逆計數(shù)器電路如圖2所示。當U4可逆計數(shù)器的DN管腳輸入一定頻率矩形時鐘信號時，U4會從9開始逆計數(shù)，直到變?yōu)?時，開始向TCD進位到U5的DN管腳，U5也開始從9～0逆計數(shù)，直到一個循環(huán)后，U5再向TCD進位，此時，U6分頻器的時鐘管腳接收到信號后，開始分頻移位（從Q0～Q1），直到移位到Q2時，Q2立即給U6復位端進行復位，U6進行下一個周期的移位，以此往復。

圖2 可逆計數(shù)器電路

此電路實現(xiàn)了每計數(shù)100s，Q0和Q1進行一次轉換。Q2為輸出高電平時，U6復位，Q0輸出高電平。

（3）可控硅電路

可控硅電路如圖3所示,此電路采用光耦來驅動可控硅。光耦本身具有過零觸發(fā)特性，在控制端低電平時，控制端導通，光耦會自動檢測負載的電壓。光耦作為交流開關，滿足負載較大的交流場合?？煽毓枳畲筝敵鲭娏?0A，峰值電壓600V，工作溫度-40℃～+125℃?？煽毓铻殡p向可控硅，柵極觸發(fā)電流500mA，在1管腳和3管腳之間并一個電阻R13，用來防止誤觸發(fā)。R14和C17組成一個RC電路并聯(lián)在電路中，用于衰減交流信號中的高頻尖峰信號，防止尖峰信號流入光耦，損壞器件。在可控硅的后級加交流互感器，對導通時的電流進行采集，通過發(fā)光二極管指示。

圖3 可控硅電路

3 PCB設計

如圖4所示，分時復用板卡設計大?。洪L×寬×高=108mm×76mm×30mm。

圖4 分時復用板卡

考慮到可控硅的散熱，將機殼底部設計為鋸齒狀散熱片，將可控硅L方式折角，焊接時，散熱面貼合底部散熱片。

板卡設計4個密封接頭，分別用于模塊供電、負載輸入、兩路分時復用負載輸出端。

板卡側面外漏5個發(fā)光二極管，分別是DC5V、4個可控硅負載電流采集指示燈。

4 測試驗證

在環(huán)境溫度0℃、-10℃、25℃時，用分時復用模塊控制兩組電加熱元件進行交替加熱試驗。

4.1 設置不同分時加熱時間，分析電加熱元件及鋼軌溫度變化情況

在環(huán)境溫度0℃、-10℃時，用分時復用模塊控制兩組密貼鋼軌的電加熱元件進行交替加熱試驗。兩組電加熱元件均為500W。分時復用時長分別設置30s、120s，通過溫度巡檢儀記錄電加熱元件溫度變化。

環(huán)境溫度0℃時，設置30s分時加熱時間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 0℃時30s分時加熱溫度變化曲線

環(huán)境溫度0℃時，設置120s分時加熱時間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 0℃時120s分時加熱溫度變化曲線

環(huán)境溫度-10℃時，設置30s分時加熱時間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 -10℃時30s分時加熱溫度變化曲線

環(huán)境溫度-10℃時，設置120s分時加熱時間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 -10℃時120s分時加熱溫度變化曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析：（1）當環(huán)境溫度一定，分時加熱時間越短，電加熱元件溫度波動范圍越小，影響到鋼軌的溫度越平穩(wěn)。優(yōu)點：鋼軌的溫度變化比較穩(wěn)定。缺點：鋼軌的溫度上升較慢。（2）當環(huán)境溫度一定，分時加熱時間越長，電加熱元件溫度波動范圍越大，影響到鋼軌的溫度波動越大。優(yōu)點：加熱開始階段，電加熱元件溫升高，影響到鋼軌溫升快。缺點：鋼軌的溫度波動較大。

4.2 設置不同分時加熱時間，分析電加熱元件電流及可控硅溫度變化情況

環(huán)境溫度25℃時，用分時復用模塊控制兩組電加熱元件進行交替加熱試驗。第一組電加熱元件為2650W、2000W，第二組電加熱元件為1200W、1200W。分時復用時長分別設置10s、120s進行加熱，通過溫度巡檢儀記錄電加熱元件溫度變化，通過點溫儀記錄可控硅發(fā)熱變化，通過電流表實時監(jiān)測各路電流變化情況。表1為設置10s分時加熱時長的試驗數(shù)據(jù)。

表1 25℃時10s分時加熱數(shù)據(jù)

表2為設置120s分時加熱時長的試驗數(shù)據(jù)。

表2 25℃時120s分時加熱數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析：分時復用時長設置越短，可控硅工作產(chǎn)生的熱量較少，不會使可控硅表面溫度達到最高值（110℃以上），不會造成通態(tài)電流IT1-T2下降。因此，分時復用時長設置為20～30s較為理想。

結束語：在現(xiàn)場融雪變壓器容量已經(jīng)基本飽和，并且用戶要求不再增加融雪設備及供電設備的情況下，通過分時復用模塊實現(xiàn)了電加熱元件分時交替加熱道岔尖軌根部的需求，達到了道岔尖軌部位融雪除冰的目的，保證了道岔的正常轉換；同時，此方法安裝方便，減少現(xiàn)場施工量，節(jié)約成本，省時高效，可以在現(xiàn)場融雪系統(tǒng)擴容方面得到廣泛應用。