高压脉冲轨道电路系统稳压电源的设计研究

2014-01-16王艳艳

电子设计工程 2014年24期

王艳艳

（1．西安思源科创轨道交通技术开发有限公司陕西西安 710054；2.西安交通大学陕西西安 710054）

自2008年以来，高压脉冲轨道电路逐渐在各铁路局内推广开来，尤其是在2010年，先后对罗敷、漳州等进行了整站开通，且系统运行稳定，更把高压脉冲轨道电路系统的应用推向了一个高潮。高压脉冲轨道电路在如火如荼的发展中，我们也是加大力度对系统的稳压电源进行了研究、设计。

1 设计思路与改进方向

高压脉冲轨道电路系统的发码器由电源变压器、充放电电路、限流电阻以及触发电路四部分组成，本文主要介绍电源变压器的设计。

高压脉冲系统分室内集中放置和轨旁分散放置两种方式[1]。室内集中放置是电源屏通过稳压变压器集中稳压，输出50 Hz，220 V±5%交流电压做为发码器的输入；轨旁分散放置是电源屏输出电压经电缆传输后做为轨旁XB箱中发码器的输入电压。如图 1（a）、（b）所示。

无论是室内集中放置还是轨旁分散放置，针对电源部分，都可以存在如下可改进的空间。

1）可缩小变压器的体积，发码器供电为间断的对大电容充放电的过程，此种工作方式可以适当缩小变压器体积。

2）可降低变压器的温升，发码器在充、放电过程中对电源有瞬间短路的过程，关注这一瞬间过程，有利于降低变压器的温升。

图1 高压脉冲系统旋转方式Fig.1 The placemen of high-voltage pulse system

2 稳压变压器的原理

2.1 并联式铁磁谐振交流稳压器的原理

发码电源稳压变压器是采用并联式铁磁稳压原理设计而成的，稳压变压器的次级线圈和电容构成一个简易的交流稳压器。当一个铁心工作在磁化曲线的饱和区，其电感L呈现非线性，即两端电压改变可以引起L值的变化，因此当非线性电感和线性电容串联或并联，可以通过改变外加电压的有效值使电路谐振，称为铁磁谐振[2]。

并联式铁磁谐振交流稳压器是由一个线性电感L与一个并联谐振电路相串联而组成的。如图2所示。

图2 简单的并联式铁磁谐振交流稳压器Fig.2 Simple parallel ferromagnetic resonance AC voltage stabilizer

图3 并联电路的伏安特性Fig.3 The volt ampere characteristic of parallel circuit

在图 3（a）中作出了线性电感的伏安特性 VL（I），及并联谐振电路的伏安特性 V2（I）。图 3（b）所示为输入伏安特性，既整个电路的伏安特性 V1（I）。比较下 V1（I）与 V2（I）我们可以看出，V1（I）比较陡峭，而 V2（I）则比较平坦，因而，与输入电压V1的变化动量ΔV1相对应的输出电压V2的变动量ΔV2是很小的。例如，当 V1=Va时，I=Ia，而与Ia相对应的 V2为 Vc；当V1=Vb时，I=Ib，而与 Ib相对应的 V2为 Vd；从图 3（a）、3（b）可见ΔV2≤ΔV1，因此图2所示电路有明显的交流稳压作用。

2.2 稳压变压器的原理

以内铁型稳压器为例阐述稳压器的工作原理

众所周知，在普通电源变压器中，初、次级绕组是通过同一个磁通Φ来耦合的，当次级开路时，由初级电流所产生的励磁磁通为Φ1，由Φ1在次级绕组中所感应出的电压为V20；当次级绕组接上负荷R时，变压器次级形成回路，由次级负荷电流所产生的磁通为Φ2，方向与Φ1相反。根据电磁感应定律，初级电流必然增加以补偿这部分磁通的减少，这就引起初级功率的增加，在忽略损耗的条件下，所增加的数值恰好就是负荷所获得的功率。这就是普通变压器的原理。如果初级电流所产生的磁通仅仅用来向次级传递能量，即完成变压器的功能，而次级电流所产生的磁通用来使次级铁心饱和，从而使输出电压有效值保持恒定，即完成了稳压器的功能，这样，就能构成兼有变压器、稳压器双重功能的稳压变压器[3]。

图4为在内铁型稳压变压器铁心内的磁通分布，内铁型稳压器的每一部分铁心内部都有三部分组成，分别设为Φ1、Φ2、Φ3，它们的参考方向如图 4所示。

其中Φ2磁通的公式为：

展开整理而得

图4 在内铁型稳压变压器铁心内的磁通分布Fig.4 The flux distribution in the power transformer core

RMf—磁分路铁心的等效磁阻（包括气隙磁阻）；

RM2—次级绕组所在铁心的等效磁阻；

RM1—初级绕组所在铁心的等效磁阻；

Re2—从次级绕组视入的等效磁阻；

设

于是磁通Φ2可以写成

从上式可见，次级电压由两部分组成：V1｀与Vs，其中

是一项与输入电压成正比的电压，K-1值为一取决于磁路特性与初、次级匝数比的常数，与普通的电源变压器的匝数比略有不同，称之为内变比。显然，当RMf=∞（即没有磁分路）时

即是普通的匝数比。公式六的第二项为

按照电磁感应定律，次级电压为

式中LS仅取决于磁路特性与绕组匝数的常数，从物理意义上说，这一项相当于在一个等效电感LS上的电压降。与式（4）所对应的等值电路图如图4所示，次级阻抗Z是由谐振回路与负荷回路合并而成。在图5所示稳压变压器的原理图中，次级部分是彼此之间具有磁耦合的两个回路（耦合系数近似等于1），如图6所示，并等效于图7。若以图7所示次级等效电路取代Z，则可得到图8所示的等效电路。我们从图8中可以明显的看出，稳压变压器兼容了变压器、稳压器双重功能。图8中虚线的左侧起到“变压”的作用，其变压比式（3）所示的K值（小于匝数比），虚线的右侧与图2所示的并联式铁磁谐振稳压器完全相同，因而具有明显的稳压作用。

图5 稳压变压器原理图Fig.5 Principle chart of stabilizing transformer

图6 次级部分的两个回路Fig.6 The two circuit of transformer secondary

图7 次级等级回路Fig.7 The transformer secondary of the equivalent circuit

图8 稳压变压器的次级等效电路Fig.8 The stabilizing transformer secondary of the equivalent circuit

3 发码电源稳压变压器的特点

1）综上，从原理上阐述了稳压变压器的稳压性能，发码电源稳压变压器就是兼具了变压器和稳压器的性能，采用非标的CD型铁芯两付构成了CD型稳压变压器。由于CD铁心是卷绕的，磁分路中磁通的方向与主磁路硅钢片是垂直的，主磁路硅钢片之间的空气隙累加起来相当于加大了磁分路的空气隙，但只加内磁分路在中小功率稳压器中（发码电源变压器为60W）等效漏磁电感值很难达到要求，故在设计中发码稳压电源变压器巧妙的增加内磁分路和外磁分路，增加了等效漏磁电感值，使稳压器设计满足技术要求。

2）在额定负荷的情况下，当输入电压在176～253 V变化时，输出电压的稳定精度为3%[1]。在现场中满负荷使用的情况不多，因为大部分轨道电路区段都是短区段，所以负荷相对轻，这样发码稳压电源变压器的稳压下限可以降低，例如负载为额定负载的1/3时，其有可能在输入电压为160 V时，输出电压的稳定精度还能保证在3%以内。这样相对普通变压器，为高压脉冲系统的稳定工作提供保障。

3）发码器是以3 Hz的频率对电容充、放电，并向钢轨发送脉冲的，在整个发码器的设计中电容的充电、放电是依赖于控制发码电源稳压变压器带载、短路来实现的，即对电容充电时，发码电源稳压变压器是带载的状态，电容对轨道变压器放电时，发码电源稳压变压器是短路的状态[4]。虽然短路的时间非常短，但对于普通变压器是跟本不允许的，这样很容易使普通变压器温升过高、发热、绝缘老化而导致损坏；但发码电源稳压变压器就能克服上述的缺点，因为当输出功率超过额定值时，其输出电压就失去稳定性，开始呈现下垂特性，与此同时，输入功率并不增加，并可以限制在一定范围内，所以在负载短路的情况下发码电源稳压变压器不会导致温度过高而损坏，具有输出过功率保护功能[5]。

4）发码电源稳压变压器，有一定的频率选择特性，它的输出电压对输入频率极为明感，当输入电源频率变化1%时，输出电压变化在2%左右，当输入频率与额定输入频率相差特别大时，发码电源稳压变压器传输的能量非常有限，即当输入频率偏差额定频率非常大或者频谱范围比较宽时，发码电源稳压变压器耦合到输出端的电压非常低，而雷电是频率高、频谱范围宽的脉冲，所以发码电源稳压变压器的二次侧感应过来的电压幅值很低，故对雷电有一定的防护功能，同时也保护了发码器中的电子元器件[6]。