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)車通過。二元二位相敏繼電器的工作原理是在其上加兩組25Hz、相位差為90°的110V和220V交流電源時(shí)，二元二位相敏繼電器吸合，否則斷開。這就要求信號(hào)電源提供110V／25Hz和220V／25Hz交流電源，并保證110V／25Hz電源超前220V／25Hz電源90°相位。目前大多數(shù)25Hz電源都采用220V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。為提高此類電源的整體水平，針對(duì)中型車站軌道電源的特點(diǎn)，采用高頻鏈技術(shù)組成25 Hz高頻軌道電源，將兩種輸出整合在1個(gè)模塊中，其中220V滿載輸出6．3 A，110V滿載輸出8．2A。為了保證電源工作的可靠性，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，另一模塊的輸出被封鎖；當(dāng)由于某種原因工作模塊不能輸出時(shí)，備用模塊由電子開關(guān)切換到工作狀態(tài)，兩路輸出電氣互鎖，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)25Hz輸出。整個(gè)模塊構(gòu)成如圖1所示，各個(gè)部分的功能為：輔助電源為各個(gè)功能單元提供相應(yīng)工作電壓；PFC主電路和控制電路把交流電變?yōu)橹绷?10V，使功率因數(shù)大于99 ，同時(shí)提高電源的抗干擾性能；410V作為220V和11OV逆變器主電路的輸入電壓；220 V和110V兩路逆變器主電路均采用全橋結(jié)構(gòu)，將控制電路送來的SPWM 控制信號(hào)經(jīng)功率放大逆變后再解調(diào)、濾波后輸出；逆變器控制電路包括SPWM 產(chǎn)生單元、基準(zhǔn)三角波產(chǎn)生單元、基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生單元、相位控制單元，主要產(chǎn)生SPWM 調(diào)制波；過壓過流保護(hù)單元完成輸出過壓關(guān)機(jī)和輸出過流或短路打嗝保護(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)輸出；監(jiān)控單元主要完成輸出電壓、相位、互鎖狀態(tài)、主備狀態(tài)等模擬量和開關(guān)量檢測(cè)，并與上位機(jī)通信。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2．1SPWM控制技術(shù)

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／25Hz電源與220V／25Hz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波電路由分頻器、計(jì)數(shù)器、門電路、時(shí)序邏輯電路等組成，EPROM的地址在“000H”和“800H”之間循環(huán)變化。EPROM以51．2kHz的頻率周期性輸出存儲(chǔ)在其中的三角波數(shù)據(jù)，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)化后與25Hz輸出電壓反饋信號(hào)比較，產(chǎn)生頻率為51．2kHz的SPWM波。SPWM波的產(chǎn)生過程如下：設(shè)輸出正弦波反饋信號(hào)為Vc，其頻率為25Hz；三角波為載波，三角波頻率fc一51．2kHz， 遠(yuǎn)大于25Hz，其幅值在經(jīng)過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)過變壓器隔離后驅(qū)動(dòng)一個(gè)橋臂，負(fù)SPWM波經(jīng)過變壓器隔離后驅(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，輸入電壓幅值為U (110V 直流電壓)，輸出電壓有效值為Uorms，則m個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)輸出電壓有效值為

其傅立葉級(jí)數(shù)展開為

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，也減小了電源模塊體積。

2．2 軌道電路牽引電流干擾抑制

對(duì)于電力牽引區(qū)段，鋼軌不僅要傳遞軌道占用信息，而且還要通過牽引電流。雖然牽引電流通過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，不平衡牽引電流通過鋼軌產(chǎn)生的不平衡電壓通過扼流變壓器、發(fā)送變壓器的逆向升壓作用，也會(huì)在電源輸出端造成高壓干擾，燒毀電源。對(duì)電化干擾的抑制，是新型信號(hào)電源的又一技術(shù)關(guān)鍵。為了抑制電化干擾，通過對(duì)開關(guān)管參數(shù)放寬、增加輸出瞬態(tài)抑制器、輸出端50Hz陷波器等手段，達(dá)到了預(yù)定效果。

2．3 輸入防雷和輸出防雷

25Hz信號(hào)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)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)輸出防雷也應(yīng)予以足夠重視。為了保護(hù)電源模塊，整個(gè)系統(tǒng)采用了輸入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2．5m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，還是防雷空氣開關(guān)分?jǐn)?，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(duì)輸出同樣采取了3級(jí)防雷措施。系統(tǒng)輸出通過防雷器件選擇，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)代電源系統(tǒng)在要求高可靠性的同時(shí)，也要求向無人值守自動(dòng)化方向發(fā)展。本電源模塊中配備了監(jiān)控單元，通過系統(tǒng)監(jiān)控可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙控、遙信的功能。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關(guān)量的采集功能，輸入范圍滿足：-5 V～+5 V范圍內(nèi)的直流電壓信號(hào)，交流信號(hào)峰峰值在-7 V～+7 V之間，開關(guān)量為標(biāo)準(zhǔn)的正邏輯電平。

通信功能：通過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：所有開關(guān)量采集都經(jīng)過線性光耦隔離；模擬量都經(jīng)過濾波和整形電路；模數(shù)之間采用全隔離方式。

硬件電路具有“看門狗”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

該電源模塊已經(jīng)在電氣化軌道區(qū)段的200多個(gè)車站運(yùn)用，具有安全、穩(wěn)定、可靠、便于維護(hù)的特點(diǎn)。電源的信號(hào)精度高，穩(wěn)定性好，頻率變化率為±0.1%，110V輸出相位超前220V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)停車設(shè)備及運(yùn)行記錄裝置提供了可靠保障。