驼峰轨道电路175 Hz测长电源设计与实施

张海旭

（西安思源科创轨道交通技术开发有限公司，陕西 西安 710054）

驼峰轨道电路175 Hz测长电源设计与实施

张海旭

（西安思源科创轨道交通技术开发有限公司，陕西 西安 710054）

测长轨道电路送受电一般采用50Hz或25Hz电源供电，极有可能受到由于电力机车牵引造成的电气化轨道区段干扰，因此需要一种与电气化轨道区段现有常用频率不同的电源供电以保证安全。同时，固定频率的变频电源在目前也可实施。在最新设计中，测长轨道电路送受电采用175Hz电源供电。试验研究结果表明，该175Hz测长电源设计简洁、性能可靠、保护功能完备，可满足驼峰测长轨道电路的供电要求。

驼峰轨道电路；测长电源；变频电源；APFC；辅助电源；逆变电路；保护电路

0 引言

驼峰测长轨道电路是测定驼峰编组场内各条调车线空余长度的计测装置。驼峰测长设备是驼峰半自动控制和全自动化控制技术系统的一项重要基础设备。在驼峰半自动控制系统中，调车线的空余长度是提供给车站制动操作员合理选取减速器出口速度的依据；在驼峰自动化控制系统中，将其引入控制计算机，作为自动计算减速器间隔制动和目的制动出口速度的参量。在编组站调度信息管理系统中，对于掌握编组场车辆在线情况，优化解体与调车计划，测长同样具有重要作用[1-2]。

测长电源是专为此轨道电路供电的专用电源。在较早设计中，测长轨道电路送受电采用50 Hz或25 Hz电源供电，极有可能受到由于电力机车牵引造成的电气化轨道区段干扰。因此需要一种与电气化轨道区段现有常用频率不同的电源供电才更稳妥。随着现代电力电子技术的发展，以及新器件新材料的不断成熟应用，固定频率的变频电源变得可行。在最新设计中，测长轨道电路送受电采用175 Hz电源供电。在此重点介绍一种简单可靠的高频175 Hz测长电源设计与实施。

1 整体设计

175 Hz测长电源是175 Hz驼峰测长轨道电路专用供电电源，利用现代电力电子技术将220 V/50 Hz交流电先转换成410 V直流电（BOOST升压电路），然后再转换成220 V/175 Hz交流电（DC/AC逆变电路）。该电源采用先进可靠的有源功率因数校正（APFC）技术，使整个电源的功率因数高达0.99，有效降低了电源对外电网以及外电网对电源的高次谐波干扰，减少了无功损耗，使电源对外电网和外电网对电源的影响都降低到最小；功率输出部分采用光耦隔离驱动绝缘栅型场效应管（IGBT）作执行器件，脉宽调制频率可达20 kHz的高频逆变技术；在额定输入情况下，整机的满载效率可以达到92%；定频部分，将标准正弦波信号变换成数字信号写入EPROM芯片内，通过分频器以及数模转换产生标准175 Hz正弦波作为基准波形，该波形固定频率1个周期校准1次，不会累积误差，可提高输出频率的稳定度。该测长电源主要由输入整流滤波、APFC电路（功率因数校正）、辅助电源、DC/AC逆变等组成[3]。其原理示意见图1。

该电源主要技术特点如下：

（1）DC/AC高频变换响应速度快、精度高，输出电压稳定性好，负载效应220 V±1%。

（2）前级BOOST变换将交流变成直流，使得对电网适应能力强，源效应220 V±1%。

（3）稳频精度高，一周期一校准，输出频率（175±0.5）Hz。

（4）正弦波脉宽调制SPWM变换频率高，经有效的LC滤波，输出标准正弦波，波形好，谐波含量低，额定输出情况下，总谐波失真（THD）不大于5%。

（5）符合智能信号电源屏的设计标准，两路输入电源相互切换或者输入断电0.15 s内，测长电源输出不间断，输出接口以及故障干接点设置也与智能信号电源屏模块的技术要求完全一致，所以测长电源可以放置在电源屏内（标准1/2单元尺寸），也可在外单独机柜放置，配置非常方便。

（6）采用自然对流散热技术，大面积铝合金散热器消除了风机故障的隐患，而且没有风机噪声，也减少了类似定期除尘、更换风机等维护工作量。

图1 175 Hz测长电源原理示意图

（7）输入过欠压、过温、输出过欠压、限流、短路保护功能完善可靠，并可给出声光报警和干接点信息，便于监督和监测。

2 工作原理

2.1 辅助电源

辅助电源采用单端反激型开关电源，由交流变换成多路相互隔离的低压直流输出，为各种电路供电。辅助电源设计原理见图2。

输入交流220 V电源经软启动电路和主整流桥整流后，经过辅助电源启动热敏电阻加至辅助电源开关变压器原边和场效应管MOSFET的漏极，另一路经过限流功率电阻加至辅助电源控制芯片的电源输入，激励脉宽调制器起振工作，控制芯片输出调制脉冲，此脉冲通过控制场效应管MOSFET的栅极来导通和截止MOSFET，随后辅助电源进入正常工作状态。通过反激开关变压器输出8路相互隔离的电源，各自经整流滤波后变成直流，供整个电源的各种不同电路用电，其中原边一路电源，除为主机APFC控制供电外，还兼辅助电源输出电压反馈和辅助电源自身供电。

单端反激开关电源是应用最为广泛的一种开关电源拓扑结构，大量的小功率（200 W以下）、多路隔离输出的电源，均采用此种电路，其特点是器件少、调制方便、线路成熟、工作稳定、可靠性好。

2.2 APFC电路[4]

APFC电路由BOOST升压电路、入口和出口取样电路、APFC控制电路和APFC保护电路组成。此电路的目的是让输入电源的电流波形跟踪输入电源的电压波形，保证输入功率因数达到0.99，使得电源自身对电网呈现纯阻性，不对电网产生额外的谐波干扰，同时因为AC/DC变换，交流变成直流后再二次变换，去除了电网对电源的干扰。该电路采集输入电压和电流的幅值波形等信号，利用乘法器运算出控制信号，经驱动电路放大后驱动大功率MOSFET，与高频储能电感和高压电解电容共同作用，将不稳定的输入交流电压变换成稳定的410 V直流电压，同时检测APFC电路电流，在输入过压、输入欠压、输出过压、过热、APFC过流等任意故障现象出现时，关闭APFC电路和整个电源。

图2 辅助电源设计原理图

2.3 逆变电路DC/AC

测长电源后级采用了高频直流交流（DC/AC）变换技术[5]。

为提高测长电源的可靠性和输出信号的各种性能，电源应用了全桥逆变技术，由逆变主电路、SPWM控制保护、取样电路、输出滤波电路等组成。关键部分采用绝缘栅型场效应管进行高频变换，高频调制频率为20 kHz，逆变后的SPWM波经过高频LC滤波电路还原为175 Hz交流电压输出，输出滤波电感L采用纳米晶的铁基微晶材料，效率高、温升低、稳定性能好；滤波电容C采用可以自恢复的聚丙烯CBB薄膜电容，体积小、效率高、损耗低；电流采样电路选取霍尔器件来执行，精度高、速度快、辅助器件少。

利用数字电路（EPROM）保存标准正弦波变换成的数字信号，并用分频器和数模变换实现标准175 Hz正弦波模拟信号作为调制的基波，与另外产生的20 kHz三角波进行比较斩波，产生驱动信号，再由高频功率光耦放大驱动信号，隔离驱动IGBT的控制栅极，以产生正弦波脉宽调制信号，逆变后的SPWM波经过专用LC滤波后还原为175 Hz交流电压输出，实现DC/AC变换。由输出电压取样经调理后比较基准正弦信号电压（外环负反馈），调整驱动信号和整个DC/AC变换电路，从而保证输出电压的稳定。

2.4 保护电路

该测长电源具备各种完善的保护电路，保护自身以及用电设备的安全。当电源保护时，电源自身进行声光报警，并给出干接点用于监督和监测。主要保护功能如下：

（1）输入D级防雷保护。采用压敏电阻、放电管和快速熔断器的设计，防范外电网受雷击而对电源的冲击，同时也可以保证在电源内部短路时，切断电源与电网的连接，保护电网。

（2）输入过压保护。输入电压过高会造成内部器件（电解电容、MOSFET、快恢复二极管FRD）的高压击穿损坏。故电源在输入电压高于286 V时，切断输入软启动继电器，外部高压不能进到电源内部，输出关闭，直到电源检测到输入电压恢复正常时（20 V的回缩值），电源自动恢复工作。

（3）输入欠压保护。输入电压过低会大大提高输入的电流，降低电源的工作效率，可能造成MOSFET的电流击穿，需要防护。故电源输入电压低于154 V时，切断输入软启动继电器，输出关闭，直到电源检测到输入电压恢复正常时（20 V的回缩值），电源自动恢复工作。

（4）过温保护。环境温度过高，会造成磁性材料饱和（内部达到居里温度），以及功率器件的热击穿，也会大大降低电源整机的使用寿命，需要防护。故电源关键部分温度超过（85±5）℃时，电源保护，切断输入软启动继电器，输出关闭，直到温度低于保护值，电源输出自动恢复。过温保护的恢复因为温度变化速度的原因，时间相对较长。

（5）输出过压保护。输出电压直接为负载用电设备供电，过高的电压会造成用电设备损毁，必须防护。故输出电压高于242 V时，电源保护，输出关闭，此故障因直接关系到用电设备，所以需要手动排除故障后，方可重新启动恢复输出。如因用电设备有特殊要求，此保护值可以另行设定。

（6）输出欠压和限流保护，输出电压过低或者电流超限，有可能会造成用电设备的工作不正常，可以防护，但有时是因为负载短路、负载过大、限流等因素造成的。故输出电压低于198 V时，电源保护，输出不关闭，随负载变化而变化，负载加大，电压更低，直至短路输出关闭，负载减小，电压升高。输出故障排除后，输出电压可以自行恢复。

（7）输出短路保护。输出短路一般是由于输出配电或用电设备故障造成的，有时会造成用电设备或整体设备的故障扩大，导致着火、漏电、人身安全等严重事故，必须防护。故输出短路时，电源保护，输出关闭，当短路故障排除后，电源可以自动恢复正常。

（8）输出防雷保护。因测长电源采用输入隔离方式，输出电压直接输往室外，有可能会受到室外的雷击浪涌，造成电源自身的雷击损坏，必须防护。故在电源输出端，设置压敏电阻和放电管的D级防雷保护，保护电源在输出有雷电浪涌窜入时，不至于损坏。

3 技术指标与测试分析

3.1 主要技术指标

（1）工作环境温度：－5～＋50 ℃。

（2）相对湿度：≤90%（＋25 ℃）。

（3）海拔：不超过3 000 m。

（4）输入电源：AC 220 V±30%，（50±5）Hz。

（5）输入电源谐波：不超过10%。

（6）额定容量：4 kVA。

（7）输入切换：两路输入电源切换时间不超过0.15 s，输出无间断。

3.2 APFC电路的MOSFET波形测试

APFC电路自身效率可达到95%，损耗较小，此电路对于提高电源对电网电压和谐波的适应性、提高电源自身的可用性具有非常重要的作用。APFC的MOSFET波形见图3。

图3 APFC的MOSFET波形图

APFC电路逐渐成为各种电源的标配电路，在某些标准中，500 W以下效率要求92%以上，500 W以上要求85%以上，主要是因为现在电网用电设备越来越多，种类也越来越多，阻性、感性、容性以及混合型等多种多样，会对电网造成很大污染，增大无功损耗，增加电器的损坏概率。该测长电源使用专网供电，电网上也有不少其他设备用电，采用功率因数校正后，电源的抗干扰性能得到提高，对电网的污染也大大减少。

3.3 输出波形测试

图4 输出波形图

175 Hz测长电源输出标准的正弦波（见图4），高频DC/AC变换，响应速度快，损耗小，效率高，控制稍显复杂。其缺点是不隔离，如需隔离需要另外设置电路。测长电源的隔离采用输入单独设置工频隔离变压器的方法，简单稳定，防雷性能好。175 Hz测长电源输出特性测试数据见表1。

表1 175 Hz测长电源输出特性测试数据

4 结束语

驼峰轨道电路175 Hz测长电源设计简洁，性能可靠，保护功能完备，当主备使用时，可满足驼峰测长轨道电路的供电要求。在具体应用中，该测长电源已经在数十个驼峰编组场上道使用，证明是一种可靠的测长轨道电路供电电源。工程实施中按每16股道配置1套175 Hz测长电源。175 Hz测长电源将高频开关电源的成熟先进技术应用于交流变频电源，属国内首创。该交流变频电源在可靠性、效率、体积、质量以及电磁兼容性（EMC）等方面具有良好性能。

[1] TB 10069—2000 铁路驼峰信号设计规范[S]．北京： 中国铁道出版社，2001.

[2] 丁广．编组站驼峰调车场专用信号设备施工风险与 控制[J]．中国铁路，2012(12)：12-39.

[3] 普利斯曼，比得斯，莫瑞．开关电源设计[M]．3版． 王志强，肖文勋，虞龙，等，译. 北京：电子工业 出版社，2010.

[4] 周志敏，纪爱华．开关电源功率因数校正电路设计与 应用实例[M]．北京：化学工业出版社，2012.

[5] 邢娅浪，赵锦成．逆变控制新技术[M]．北京：国防 工业出版社，2015.

Design and Implementation o f 175 Hz Distance-to-coup ling Measurement Power Source for Track Circuit in Hum p

ZHANG Haixu
（Xi'an Siyuan Kechuang Urban Rail Transit Technology Development Co Ltd，Xi'an Shanxi 710054，China）

In previous design, 50 Hz or 25 Hz power source is used for distance-to-coupling measurement track circuit,which is probably interfered in electrified track section due to the hauling electric locomotive. Therefore, a power source with different frequency compared with current common frequency in electrified section is more reliable. Meanwhile,power source with fixed frequency is also applicable. In the latest design, distance-to-coupling measurement track circuit use 175 Hz power source. And tests show that such design is of concise design, reliable performance and complete protection, being able to provide power for distance-to-coupling measurement track circuit in hump.

track circuit in hump；distance-to-coupling measurement power source；variable-frequency power source；APFC；auxiliary power；inverter circuit；protective circuit

U284.2

A

1001-683X（2017）09-0099-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.09.099

张海旭（1972—），男，高级工程师。E-mail：55592108@qq.com

责任编辑 卢敏

2017-06-29