高壓脈沖軌道電路系統(tǒng)穩(wěn)壓電源的設(shè)計研究

王艷艷

（1．西安思源科創(chuàng)軌道交通技術(shù)開發(fā)有限公司 陜西 西安 710054；2.西安交通大學 陜西 西安 710054）

自2008年以來，高壓脈沖軌道電路逐漸在各鐵路局內(nèi)推廣開來，尤其是在2010年，先后對羅敷、漳州等進行了整站開通，且系統(tǒng)運行穩(wěn)定，更把高壓脈沖軌道電路系統(tǒng)的應(yīng)用推向了一個高潮。高壓脈沖軌道電路在如火如荼的發(fā)展中，我們也是加大力度對系統(tǒng)的穩(wěn)壓電源進行了研究、設(shè)計。

1 設(shè)計思路與改進方向

高壓脈沖軌道電路系統(tǒng)的發(fā)碼器由電源變壓器、充放電電路、限流電阻以及觸發(fā)電路四部分組成，本文主要介紹電源變壓器的設(shè)計。

高壓脈沖系統(tǒng)分室內(nèi)集中放置和軌旁分散放置兩種方式[1]。室內(nèi)集中放置是電源屏通過穩(wěn)壓變壓器集中穩(wěn)壓，輸出50 Hz，220 V±5%交流電壓做為發(fā)碼器的輸入；軌旁分散放置是電源屏輸出電壓經(jīng)電纜傳輸后做為軌旁XB箱中發(fā)碼器的輸入電壓。 如圖 1（a）、（b）所示。

無論是室內(nèi)集中放置還是軌旁分散放置，針對電源部分，都可以存在如下可改進的空間。

1）可縮小變壓器的體積，發(fā)碼器供電為間斷的對大電容充放電的過程，此種工作方式可以適當縮小變壓器體積。

2）可降低變壓器的溫升，發(fā)碼器在充、放電過程中對電源有瞬間短路的過程，關(guān)注這一瞬間過程，有利于降低變壓器的溫升。

圖1 高壓脈沖系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)方式Fig.1 The placemen of high-voltage pulse system

2 穩(wěn)壓變壓器的原理

2.1 并聯(lián)式鐵磁諧振交流穩(wěn)壓器的原理

發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器是采用并聯(lián)式鐵磁穩(wěn)壓原理設(shè)計而成的，穩(wěn)壓變壓器的次級線圈和電容構(gòu)成一個簡易的交流穩(wěn)壓器。當一個鐵心工作在磁化曲線的飽和區(qū)，其電感L呈現(xiàn)非線性，即兩端電壓改變可以引起L值的變化，因此當非線性電感和線性電容串聯(lián)或并聯(lián)，可以通過改變外加電壓的有效值使電路諧振，稱為鐵磁諧振[2]。

并聯(lián)式鐵磁諧振交流穩(wěn)壓器是由一個線性電感L與一個并聯(lián)諧振電路相串聯(lián)而組成的。如圖2所示。

圖2 簡單的并聯(lián)式鐵磁諧振交流穩(wěn)壓器Fig.2 Simple parallel ferromagnetic resonance AC voltage stabilizer

圖3 并聯(lián)電路的伏安特性Fig.3 The volt ampere characteristic of parallel circuit

在圖 3（a）中作出了線性電感的伏安特性 VL（I），及并聯(lián)諧振電路的伏安特性 V2（I）。圖 3（b）所示為輸入伏安特性，既整個電路的伏安特性 V1（I）。 比較下 V1（I）與 V2（I）我們可以看出，V1（I）比較陡峭，而 V2（I）則比較平坦，因而，與輸入電壓V1的變化動量ΔV1相對應(yīng)的輸出電壓V2的變動量ΔV2是很小的。 例如， 當 V1=Va時，I=Ia， 而與Ia相對應(yīng)的 V2為 Vc；當V1=Vb時，I=Ib，而與 Ib相對應(yīng)的 V2為 Vd；從圖 3（a）、3（b）可見ΔV2≤ΔV1，因此圖2所示電路有明顯的交流穩(wěn)壓作用。

2.2 穩(wěn)壓變壓器的原理

以內(nèi)鐵型穩(wěn)壓器為例闡述穩(wěn)壓器的工作原理

眾所周知，在普通電源變壓器中，初、次級繞組是通過同一個磁通Φ來耦合的，當次級開路時，由初級電流所產(chǎn)生的勵磁磁通為Φ1，由Φ1在次級繞組中所感應(yīng)出的電壓為V20；當次級繞組接上負荷R時，變壓器次級形成回路，由次級負荷電流所產(chǎn)生的磁通為Φ2，方向與Φ1相反。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，初級電流必然增加以補償這部分磁通的減少，這就引起初級功率的增加，在忽略損耗的條件下，所增加的數(shù)值恰好就是負荷所獲得的功率。這就是普通變壓器的原理。如果初級電流所產(chǎn)生的磁通僅僅用來向次級傳遞能量，即完成變壓器的功能，而次級電流所產(chǎn)生的磁通用來使次級鐵心飽和，從而使輸出電壓有效值保持恒定，即完成了穩(wěn)壓器的功能，這樣，就能構(gòu)成兼有變壓器、穩(wěn)壓器雙重功能的穩(wěn)壓變壓器[3]。

圖4為在內(nèi)鐵型穩(wěn)壓變壓器鐵心內(nèi)的磁通分布，內(nèi)鐵型穩(wěn)壓器的每一部分鐵心內(nèi)部都有三部分組成，分別設(shè)為Φ1、Φ2、Φ3，它們的參考方向如圖 4所示。

其中Φ2磁通的公式為：

展開整理而得

圖4 在內(nèi)鐵型穩(wěn)壓變壓器鐵心內(nèi)的磁通分布Fig.4 The flux distribution in the power transformer core

RMf—磁分路鐵心的等效磁阻（包括氣隙磁阻）；

RM2—次級繞組所在鐵心的等效磁阻；

RM1—初級繞組所在鐵心的等效磁阻；

Re2—從次級繞組視入的等效磁阻；

設(shè)

于是磁通Φ2可以寫成

從上式可見，次級電壓由兩部分組成：V1｀與Vs，其中

是一項與輸入電壓成正比的電壓，K-1值為一取決于磁路特性與初、次級匝數(shù)比的常數(shù)，與普通的電源變壓器的匝數(shù)比略有不同，稱之為內(nèi)變比。顯然，當RMf=∞（即沒有磁分路）時

即是普通的匝數(shù)比。公式六的第二項為

按照電磁感應(yīng)定律，次級電壓為

式中LS僅取決于磁路特性與繞組匝數(shù)的常數(shù)，從物理意義上說，這一項相當于在一個等效電感LS上的電壓降。與式（4）所對應(yīng)的等值電路圖如圖4所示，次級阻抗Z是由諧振回路與負荷回路合并而成。在圖5所示穩(wěn)壓變壓器的原理圖中，次級部分是彼此之間具有磁耦合的兩個回路（耦合系數(shù)近似等于1），如圖6所示，并等效于圖7。若以圖7所示次級等效電路取代Z，則可得到圖8所示的等效電路。我們從圖8中可以明顯的看出，穩(wěn)壓變壓器兼容了變壓器、穩(wěn)壓器雙重功能。圖8中虛線的左側(cè)起到“變壓”的作用，其變壓比式（3）所示的K值（小于匝數(shù)比），虛線的右側(cè)與圖2所示的并聯(lián)式鐵磁諧振穩(wěn)壓器完全相同，因而具有明顯的穩(wěn)壓作用。

圖5 穩(wěn)壓變壓器原理圖Fig.5 Principle chart of stabilizing transformer

圖6 次級部分的兩個回路Fig.6 The two circuit of transformer secondary

圖7 次級等級回路Fig.7 The transformer secondary of the equivalent circuit

圖8 穩(wěn)壓變壓器的次級等效電路Fig.8 The stabilizing transformer secondary of the equivalent circuit

3 發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器的特點

1）綜上，從原理上闡述了穩(wěn)壓變壓器的穩(wěn)壓性能，發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器就是兼具了變壓器和穩(wěn)壓器的性能，采用非標的CD型鐵芯兩付構(gòu)成了CD型穩(wěn)壓變壓器。由于CD鐵心是卷繞的，磁分路中磁通的方向與主磁路硅鋼片是垂直的，主磁路硅鋼片之間的空氣隙累加起來相當于加大了磁分路的空氣隙，但只加內(nèi)磁分路在中小功率穩(wěn)壓器中（發(fā)碼電源變壓器為60W）等效漏磁電感值很難達到要求，故在設(shè)計中發(fā)碼穩(wěn)壓電源變壓器巧妙的增加內(nèi)磁分路和外磁分路，增加了等效漏磁電感值，使穩(wěn)壓器設(shè)計滿足技術(shù)要求。

2）在額定負荷的情況下，當輸入電壓在176～253 V變化時，輸出電壓的穩(wěn)定精度為3%[1]。在現(xiàn)場中滿負荷使用的情況不多，因為大部分軌道電路區(qū)段都是短區(qū)段，所以負荷相對輕，這樣發(fā)碼穩(wěn)壓電源變壓器的穩(wěn)壓下限可以降低，例如負載為額定負載的1/3時，其有可能在輸入電壓為160 V時，輸出電壓的穩(wěn)定精度還能保證在3%以內(nèi)。這樣相對普通變壓器，為高壓脈沖系統(tǒng)的穩(wěn)定工作提供保障。

3）發(fā)碼器是以3 Hz的頻率對電容充、放電，并向鋼軌發(fā)送脈沖的，在整個發(fā)碼器的設(shè)計中電容的充電、放電是依賴于控制發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器帶載、短路來實現(xiàn)的，即對電容充電時，發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器是帶載的狀態(tài)，電容對軌道變壓器放電時，發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器是短路的狀態(tài)[4]。雖然短路的時間非常短，但對于普通變壓器是跟本不允許的，這樣很容易使普通變壓器溫升過高、發(fā)熱、絕緣老化而導致?lián)p壞；但發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器就能克服上述的缺點，因為當輸出功率超過額定值時，其輸出電壓就失去穩(wěn)定性，開始呈現(xiàn)下垂特性，與此同時，輸入功率并不增加，并可以限制在一定范圍內(nèi)，所以在負載短路的情況下發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器不會導致溫度過高而損壞，具有輸出過功率保護功能[5]。

4）發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器，有一定的頻率選擇特性，它的輸出電壓對輸入頻率極為明感，當輸入電源頻率變化1%時，輸出電壓變化在2%左右，當輸入頻率與額定輸入頻率相差特別大時，發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器傳輸?shù)哪芰糠浅Ｓ邢?，即當輸入頻率偏差額定頻率非常大或者頻譜范圍比較寬時，發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器耦合到輸出端的電壓非常低，而雷電是頻率高、頻譜范圍寬的脈沖，所以發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器的二次側(cè)感應(yīng)過來的電壓幅值很低，故對雷電有一定的防護功能，同時也保護了發(fā)碼器中的電子元器件[6]。

4 結(jié) 論

發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器適用于發(fā)碼器這種特殊脈沖輸出的工作方式，同時它又兼顧現(xiàn)場高壓脈沖軌道電路的復雜情況，并且能適應(yīng)室外的極端氣候，為發(fā)碼器提供穩(wěn)定的電源電壓。隨著高壓脈沖系統(tǒng)在全路的推廣使用，發(fā)碼電源穩(wěn)壓變壓器的使用具有廣闊的實用價值。

[1]不對稱高壓脈沖軌道電路暫行技術(shù)條件[S].2012.

[2]崔立君.特種變壓器理論與設(shè)計[M].北京：科學技術(shù)文獻出版社，1995.

[3]吳汶麒.交流穩(wěn)壓器[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[4]不對稱高壓脈沖軌道電路維護暫行標準[S].2012.

[5]張廣明，張汝海.穩(wěn)壓變壓器[M].北京：人民郵電出版社，1982.

[6]COLONEL[M].WM.T.MCLYMAN著，龔紹文譯.中國國電力出版社，2008.