25Hz軌道電路直流穩壓電源的研究
2017-6-30 11:12:10??????點擊：
引言
在電氣化鐵道，采用二元二位相敏繼電器檢測線路上是否有機車通過。二元二位相敏繼電器的工作原理是在其上加兩組25 Hz、相位差為90°的110V和220 V交流直流穩壓電源時，二元二位相敏繼電器吸合，否則斷開。這就要求信號直流穩壓電源提供110 V/25 Hz和220 V/25 Hz交流直流穩壓電源，并保證110V/25 Hz直流穩壓電源超前220V/25 Hz直流穩壓電源90°相位。目前大多數25 Hz直流穩壓電源都采用220 V市電變頻，變頻器體積大、噪音大、精度差，兩路相互切換可能造成供電中斷。為提高此類直流穩壓電源的整體水平，針對中型車站軌道直流穩壓電源的特點，采用高頻鏈技術組成25 Hz高頻軌道直流穩壓電源，將兩種直流穩壓電源輸出整合在1個模塊中，其中220 V滿載直流穩壓電源輸出6.3 A，110V滿載直流穩壓電源輸出8.2 A。為了保證直流穩壓電源工作的可靠性，采用“1+1”方式，兩個模塊處于工作／備份方式。其中只能有一個模塊供電，先上電模塊供電，另一模塊的直流穩壓電源輸出被封鎖；當由于某種原因工作模塊不能直流穩壓電源輸出時，備用模塊由電子開關切換到工作狀態，兩路直流穩壓電源輸出電氣互鎖，具有智能化、體積小、噪聲小等特點，提高了可靠性。
1 組成原理
本直流穩壓電源采用功率因數校正(PFC)技術、正弦脈沖調制(SPWM)技術、全橋功率逆變技術實現25 Hz直流穩壓電源輸出。整個模塊構成如圖1所示，各個部分的功能為：輔助直流穩壓電源為各個功能單元提供相應工作直流穩壓電源電壓；PFC主直流穩壓電源電路和控制直流穩壓電源電路把交流電變為直流410 V，使功率因數大于99 ，同時提高直流穩壓電源的抗干擾性能；410 V作為220 V和110 V逆變器主直流穩壓電源電路的輸入直流穩壓電源電壓；220 V和110V兩路逆變器主直流穩壓電源電路均采用全橋結構，將控制直流穩壓電源電路送來的SPWM 控制信號經功率放大逆變后再解調、濾波后直流穩壓電源輸出；逆變器控制直流穩壓電源電路包括SPWM 產生單元、基準三角波產生單元、基準直流穩壓電源電壓產生單元、相位控制單元，主要產生SPWM 調制波；過壓過流保護單元完成直流穩壓電源輸出過壓關機和直流穩壓電源輸出過流或短路打嗝保護；主備切換控制單元提供動態主從快速互鎖，保證兩模塊同時只能有一個直流穩壓電源輸出；監控單元主要完成直流穩壓電源輸出直流穩壓電源電壓、相位、互鎖狀態、主備狀態等模擬量和開關量檢測，并與上位機通信。
2 關鍵技術
2．1 SPWM 控制技術
SPWM 波的獲得是將相位差90°的三角波分別寫入兩片EPROM 中，使110V／25 Hz直流穩壓電源與220V／25Hz直流穩壓電源控制基準正弦波信號相差90°，從而達到鎖相要求。每路SPWM 波直流穩壓電源電路由分頻器、計數器、門直流穩壓電源電路、時序邏輯直流穩壓電源電路等組成，EPROM 的地址在“000H”和“800H”之間循環變化。EPROM 以51．2 kHz的頻率周期性直流穩壓電源輸出存儲在其中的三角波數據，經過D／A轉化后與25 Hz直流穩壓電源輸出直流穩壓電源電壓反饋信號比較，產生頻率為51．2kHz的SPWM 波。SPWM 波的產生過程如下：設直流穩壓電源輸出正弦波反饋信號為Vc，其頻率為25 Hz；三角波為載波，三角波頻率fc一51．2 kHz， 遠大于25 Hz，其幅值在經過D／A轉換后不變，fc決定了驅動波形的頻率。由于采用全橋功率逆變技術，同一個橋臂不能同導通。圖2中正SPWM 波經過變壓器隔離后驅動一個橋臂，負SPWM 波經過變壓器隔離后驅動另一個橋臂。其SPWM波的產生和波形如圖2所示，圖中波形為奇函數，且具半波對稱性質。
設每半個正弦波周期內的脈沖個數為P，第m個脈沖寬度為θm，輸入直流穩壓電源電壓幅值為U (110V 直流直流穩壓電源電壓)，直流穩壓電源輸出直流穩壓電源電壓有效值為Uorms，則m個脈沖對應直流穩壓電源輸出直流穩壓電源電壓有效值為
其傅立葉級數展開為
式中， 一1，3，5? 為奇數，系數an和bn由脈沖寬度為θ、起始角為a的正脈沖和對應的負脈沖起始角π+a決定。
各系數可按下列公式求出
此方法消除了所有2P一1次諧波，此外，采用SPWM技術，濾波器的體積變小，也減小了直流穩壓電源模塊體積。
2．2 軌道直流穩壓電源電路牽引直流穩壓電源電流干擾抑制
對于電力牽引區段，鋼軌不僅要傳遞軌道占用信息，而且還要通過牽引直流穩壓電源電流。雖然牽引直流穩壓電源電流通過扼流變壓器引入軌道，對軌道信號的干擾已大為降低，但牽引直流穩壓電源電流的不平衡仍可能導致軌道繼電器的誤動作。另外，不平衡牽引直流穩壓電源電流通過鋼軌產生的不平衡直流穩壓電源電壓通過扼流變壓器、發送變壓器的逆向升壓作用，也會在直流穩壓電源直流穩壓電源輸出端造成高壓干擾，燒毀直流穩壓電源。對電化干擾的抑制，是新型信號直流穩壓電源的又一技術關鍵。為了抑制電化干擾，通過對開關管參數放寬、增加直流穩壓電源輸出瞬態抑制器、直流穩壓電源輸出端50 Hz陷波器等手段，達到了預定效果。
2．3 輸入防雷和直流穩壓電源輸出防雷
25 Hz信號直流穩壓電源負載多種多樣，位置分散，線路又長，極易遭受雷擊。由于新型信號直流穩壓電源采用了半導體器件，抗雷擊能力較差，所以其防雷要求很高。不但輸入要采取防雷措施，對直流穩壓電源輸出防雷也應予以足夠重視。為了保護直流穩壓電源模塊，整個系統采用了輸入直流穩壓電源輸出分別防雷的措施。對輸入采用了輸入機房防雷、輸入系統柜防雷、模塊防雷三級輸入防雷措施。在系統市電輸入端，采用C、D兩級防雷保護，在模塊內也采取了防雷措施。由于系統采用兩路單相市電供電，并能自動切換，所以C級保護采用兩組“1+1”防雷器，分別并聯在自動切換裝置之前的兩路市電上。D級保護采用裝在機柜上的D級防雷盒，裝在模塊之前，并與C級防雷器保持2．5 m的電纜距離。由于用于單相保護，D級防雷盒的L1、L2、L3端子應并接到直流穩壓電源的相線L上；另外，切換后的交流進線共有兩路，其零線不能共用，因此必須采用兩個D級防雷盒，如圖3所示。C級防雷器有故障告警功能，不管是防雷器損壞，還是防雷空氣開關分斷，均視為防雷故障。最后在模塊上采取了防雷措施。其輸入防雷如圖3所示。對直流穩壓電源輸出同樣采取了3級防雷措施。系統直流穩壓電源輸出通過防雷器件選擇，防雷拓撲方案優化、系統接地幾個方面進行綜合分析，結合1+1備份技術，實現安全要求。
2．4 穩定可靠的監控系統
現代直流穩壓電源系統在要求高可靠性的同時，也要求向無人值守自動化方向發展。本直流穩壓電源模塊中配備了監控單元，通過系統監控可以實現遙測、遙控、遙信的功能。直流穩壓電源監控單元提供RS232或RS485等通訊方式給系統監控。模塊監控單元的硬件框圖如圖4，其主要的功能為
采集功能：硬件系統提供多通道的模擬量和開關量的采集功能，輸入范圍滿足：-5 V～+5 V范圍內的直流直流穩壓電源電壓信號，交流信號峰峰值在-7 V～+7 V之間，開關量為標準的正邏輯電平。
通信功能：通過廣播方式完成與系統監控的通信，支持IEEE485或RS232方式，通信速率支持2400 b／s、4 800b／s、9600 b／s(缺??；采用11位通信方式：1位起始位、8位數據、1位數據／地址位、1位停止位)。
告警功能：可控制故障燈和蜂鳴器進行相應聲光提示。
掉電保護功能：配電監控在硬件設計上采用了掉電保護芯片EEPROM，當接收監控單元的下發命令后，先將其保存到EEPROM 中，即使停電，數據也不會丟失。
抗干擾能力：所有開關量采集都經過線性光耦隔離；模擬量都經過濾波和整形直流穩壓電源電路；模數之間采用全隔離方式。
硬件直流穩壓電源電路具有“看門狗”功能：硬件與軟件都具有監視功能，以保證系統受到強干擾而造成死機或混亂時能自動恢復。
3 結論
該直流穩壓電源模塊已經在電氣化軌道區段的200多個車站運用，具有安全、穩定、可靠、便于維護的特點。直流穩壓電源的信號精度高，穩定性好，頻率變化率為±0.1%，110V直流穩壓電源輸出相位超前220V直流穩壓電源輸出85°～93°，具有完善的自檢功能，這些都為軌道信號設備、自動停車設備及運行記錄裝置提供了可靠保障。
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