25Hz軌道電路直流穩(wěn)壓電源的研究
2017-6-30 11:12:10??????點(diǎn)擊：
引言
在電氣化鐵道，采用二元二位相敏繼電器檢測(cè)線路上是否有機(jī)車(chē)通過(guò)。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(wěn)壓電源時(shí)，二元二位相敏繼電器吸合，否則斷開(kāi)。這就要求信號(hào)直流穩(wěn)壓電源提供110 V/25 Hz和220 V/25 Hz交流直流穩(wěn)壓電源，并保證110V/25 Hz直流穩(wěn)壓電源超前220V/25 Hz直流穩(wěn)壓電源90°相位。目前大多數(shù)25 Hz直流穩(wěn)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(lèi)直流穩(wěn)壓電源的整體水平，針對(duì)中型車(chē)站軌道直流穩(wěn)壓電源的特點(diǎn)，采用高頻鏈技術(shù)組成25 Hz高頻軌道直流穩(wěn)壓電源，將兩種直流穩(wěn)壓電源輸出整合在1個(gè)模塊中，其中220 V滿(mǎn)載直流穩(wěn)壓電源輸出6.3 A，110V滿(mǎn)載直流穩(wěn)壓電源輸出8.2 A。為了保證直流穩(wěn)壓電源工作的可靠性，采用“1+1”方式，兩個(gè)模塊處于工作／備份方式。其中只能有一個(gè)模塊供電，先上電模塊供電，另一模塊的直流穩(wěn)壓電源輸出被封鎖；當(dāng)由于某種原因工作模塊不能直流穩(wěn)壓電源輸出時(shí)，備用模塊由電子開(kāi)關(guān)切換到工作狀態(tài)，兩路直流穩(wěn)壓電源輸出電氣互鎖，具有智能化、體積小、噪聲小等特點(diǎn)，提高了可靠性。
1 組成原理
本直流穩(wěn)壓電源采用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)、正弦脈沖調(diào)制(SPWM)技術(shù)、全橋功率逆變技術(shù)實(shí)現(xiàn)25 Hz直流穩(wěn)壓電源輸出。整個(gè)模塊構(gòu)成如圖1所示，各個(gè)部分的功能為：輔助直流穩(wěn)壓電源為各個(gè)功能單元提供相應(yīng)工作直流穩(wěn)壓電源電壓；PFC主直流穩(wěn)壓電源電路和控制直流穩(wěn)壓電源電路把交流電變?yōu)橹绷?10 V，使功率因數(shù)大于99 ，同時(shí)提高直流穩(wěn)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(wěn)壓電源電路的輸入直流穩(wěn)壓電源電壓；220 V和110V兩路逆變器主直流穩(wěn)壓電源電路均采用全橋結(jié)構(gòu)，將控制直流穩(wěn)壓電源電路送來(lái)的SPWM 控制信號(hào)經(jīng)功率放大逆變后再解調(diào)、濾波后直流穩(wěn)壓電源輸出；逆變器控制直流穩(wěn)壓電源電路包括SPWM 產(chǎn)生單元、基準(zhǔn)三角波產(chǎn)生單元、基準(zhǔn)直流穩(wěn)壓電源電壓產(chǎn)生單元、相位控制單元，主要產(chǎn)生SPWM 調(diào)制波；過(guò)壓過(guò)流保護(hù)單元完成直流穩(wěn)壓電源輸出過(guò)壓關(guān)機(jī)和直流穩(wěn)壓電源輸出過(guò)流或短路打嗝保護(hù)；主備切換控制單元提供動(dòng)態(tài)主從快速互鎖，保證兩模塊同時(shí)只能有一個(gè)直流穩(wěn)壓電源輸出；監(jiān)控單元主要完成直流穩(wěn)壓電源輸出直流穩(wěn)壓電源電壓、相位、互鎖狀態(tài)、主備狀態(tài)等模擬量和開(kāi)關(guān)量檢測(cè)，并與上位機(jī)通信。
2 關(guān)鍵技術(shù)
2．1 SPWM 控制技術(shù)
SPWM 波的獲得是將相位差90°的三角波分別寫(xiě)入兩片EPROM 中，使110V／25 Hz直流穩(wěn)壓電源與220V／25Hz直流穩(wěn)壓電源控制基準(zhǔn)正弦波信號(hào)相差90°，從而達(dá)到鎖相要求。每路SPWM 波直流穩(wěn)壓電源電路由分頻器、計(jì)數(shù)器、門(mén)直流穩(wěn)壓電源電路、時(shí)序邏輯直流穩(wěn)壓電源電路等組成，EPROM 的地址在“000H”和“800H”之間循環(huán)變化。EPROM 以51．2 kHz的頻率周期性直流穩(wěn)壓電源輸出存儲(chǔ)在其中的三角波數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)化后與25 Hz直流穩(wěn)壓電源輸出直流穩(wěn)壓電源電壓反饋信號(hào)比較，產(chǎn)生頻率為51．2kHz的SPWM 波。SPWM 波的產(chǎn)生過(guò)程如下：設(shè)直流穩(wěn)壓電源輸出正弦波反饋信號(hào)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(yuǎn)大于25 Hz，其幅值在經(jīng)過(guò)D／A轉(zhuǎn)換后不變，fc決定了驅(qū)動(dòng)波形的頻率。由于采用全橋功率逆變技術(shù)，同一個(gè)橋臂不能同導(dǎo)通。圖2中正SPWM 波經(jīng)過(guò)變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂，負(fù)SPWM 波經(jīng)過(guò)變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)另一個(gè)橋臂。其SPWM波的產(chǎn)生和波形如圖2所示，圖中波形為奇函數(shù)，且具半波對(duì)稱(chēng)性質(zhì)。
設(shè)每半個(gè)正弦波周期內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)為P，第m個(gè)脈沖寬度為θm，輸入直流穩(wěn)壓電源電壓幅值為U (110V 直流直流穩(wěn)壓電源電壓)，直流穩(wěn)壓電源輸出直流穩(wěn)壓電源電壓有效值為Uorms，則m個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)直流穩(wěn)壓電源輸出直流穩(wěn)壓電源電壓有效值為
其傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)為
式中， 一1，3，5? 為奇數(shù)，系數(shù)an和bn由脈沖寬度為θ、起始角為a的正脈沖和對(duì)應(yīng)的負(fù)脈沖起始角π+a決定。
各系數(shù)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(shù)，濾波器的體積變小，也減小了直流穩(wěn)壓電源模塊體積。
2．2 軌道直流穩(wěn)壓電源電路牽引直流穩(wěn)壓電源電流干擾抑制
對(duì)于電力牽引區(qū)段，鋼軌不僅要傳遞軌道占用信息，而且還要通過(guò)牽引直流穩(wěn)壓電源電流。雖然牽引直流穩(wěn)壓電源電流通過(guò)扼流變壓器引入軌道，對(duì)軌道信號(hào)的干擾已大為降低，但牽引直流穩(wěn)壓電源電流的不平衡仍可能導(dǎo)致軌道繼電器的誤動(dòng)作。另外，不平衡牽引直流穩(wěn)壓電源電流通過(guò)鋼軌產(chǎn)生的不平衡直流穩(wěn)壓電源電壓通過(guò)扼流變壓器、發(fā)送變壓器的逆向升壓作用，也會(huì)在直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源輸出端造成高壓干擾，燒毀直流穩(wěn)壓電源。對(duì)電化干擾的抑制，是新型信號(hào)直流穩(wěn)壓電源的又一技術(shù)關(guān)鍵。為了抑制電化干擾，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管參數(shù)放寬、增加直流穩(wěn)壓電源輸出瞬態(tài)抑制器、直流穩(wěn)壓電源輸出端50 Hz陷波器等手段，達(dá)到了預(yù)定效果。
2．3 輸入防雷和直流穩(wěn)壓電源輸出防雷
25 Hz信號(hào)直流穩(wěn)壓電源負(fù)載多種多樣，位置分散，線路又長(zhǎng)，極易遭受雷擊。由于新型信號(hào)直流穩(wěn)壓電源采用了半導(dǎo)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(duì)直流穩(wěn)壓電源輸出防雷也應(yīng)予以足夠重視。為了保護(hù)直流穩(wěn)壓電源模塊，整個(gè)系統(tǒng)采用了輸入直流穩(wěn)壓電源輸出分別防雷的措施。對(duì)輸入采用了輸入機(jī)房防雷、輸入系統(tǒng)柜防雷、模塊防雷三級(jí)輸入防雷措施。在系統(tǒng)市電輸入端，采用C、D兩級(jí)防雷保護(hù)，在模塊內(nèi)也采取了防雷措施。由于系統(tǒng)采用兩路單相市電供電，并能自動(dòng)切換，所以C級(jí)保護(hù)采用兩組“1+1”防雷器，分別并聯(lián)在自動(dòng)切換裝置之前的兩路市電上。D級(jí)保護(hù)采用裝在機(jī)柜上的D級(jí)防雷盒，裝在模塊之前，并與C級(jí)防雷器保持2．5 m的電纜距離。由于用于單相保護(hù)，D級(jí)防雷盒的L1、L2、L3端子應(yīng)并接到直流穩(wěn)壓電源的相線L上；另外，切換后的交流進(jìn)線共有兩路，其零線不能共用，因此必須采用兩個(gè)D級(jí)防雷盒，如圖3所示。C級(jí)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(kāi)關(guān)分?jǐn)啵暈榉览坠收?。最后在模塊上采取了防雷措施。其輸入防雷如圖3所示。對(duì)直流穩(wěn)壓電源輸出同樣采取了3級(jí)防雷措施。系統(tǒng)直流穩(wěn)壓電源輸出通過(guò)防雷器件選擇，防雷拓?fù)浞桨竷?yōu)化、系統(tǒng)接地幾個(gè)方面進(jìn)行綜合分析，結(jié)合1+1備份技術(shù)，實(shí)現(xiàn)安全要求。
2．4 穩(wěn)定可靠的監(jiān)控系統(tǒng)
現(xiàn)代直流穩(wěn)壓電源系統(tǒng)在要求高可靠性的同時(shí)，也要求向無(wú)人值守自動(dòng)化方向發(fā)展。本直流穩(wěn)壓電源模塊中配備了監(jiān)控單元，通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信的功能。直流穩(wěn)壓電源監(jiān)控單元提供RS232或RS485等通訊方式給系統(tǒng)監(jiān)控。模塊監(jiān)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(tǒng)提供多通道的模擬量和開(kāi)關(guān)量的采集功能，輸入范圍滿(mǎn)足：-5 V～+5 V范圍內(nèi)的直流直流穩(wěn)壓電源電壓信號(hào)，交流信號(hào)峰峰值在-7 V～+7 V之間，開(kāi)關(guān)量為標(biāo)準(zhǔn)的正邏輯電平。
通信功能：通過(guò)廣播方式完成與系統(tǒng)監(jiān)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(缺省；采用11位通信方式：1位起始位、8位數(shù)據(jù)、1位數(shù)據(jù)／地址位、1位停止位)。
告警功能：可控制故障燈和蜂鳴器進(jìn)行相應(yīng)聲光提示。
掉電保護(hù)功能：配電監(jiān)控在硬件設(shè)計(jì)上采用了掉電保護(hù)芯片EEPROM，當(dāng)接收監(jiān)控單元的下發(fā)命令后，先將其保存到EEPROM 中，即使停電，數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。
抗干擾能力：所有開(kāi)關(guān)量采集都經(jīng)過(guò)線性光耦隔離；模擬量都經(jīng)過(guò)濾波和整形直流穩(wěn)壓電源電路；模數(shù)之間采用全隔離方式。
硬件直流穩(wěn)壓電源電路具有“看門(mén)狗”功能：硬件與軟件都具有監(jiān)視功能，以保證系統(tǒng)受到強(qiáng)干擾而造成死機(jī)或混亂時(shí)能自動(dòng)恢復(fù)。
3 結(jié)論
該直流穩(wěn)壓電源模塊已經(jīng)在電氣化軌道區(qū)段的200多個(gè)車(chē)站運(yùn)用，具有安全、穩(wěn)定、可靠、便于維護(hù)的特點(diǎn)。直流穩(wěn)壓電源的信號(hào)精度高，穩(wěn)定性好，頻率變化率為±0.1%，110V直流穩(wěn)壓電源輸出相位超前220V直流穩(wěn)壓電源輸出85°～93°，具有完善的自檢功能，這些都為軌道信號(hào)設(shè)備、自動(dòng)停車(chē)設(shè)備及運(yùn)行記錄裝置提供了可靠保障。
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