引言

在電氣化鐵道，采用二元二位相敏繼電器檢測線路上是否有機車通過。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，二元二位相敏繼電器吸合，否則斷開。這就要求信號電源提供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，針對中型車站軌道電源的特點，采用高頻鏈技術組成25 Hz高頻軌道電源，將兩種輸出整合在1個模塊中，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，兩個模塊處于工作／備份方式。其中只能有一個模塊供電，先上電模塊供電，另一模塊的輸出被封鎖；當由于某種原因工作模塊不能輸出時，備用模塊由電子開關切換到工作狀態，兩路輸出電氣互鎖，具有智能化、體積小、噪聲小等特點，提高了可靠性。

1 組成原理

本電源采用功率因數校正(PFC)技術、正弦脈沖調制(SPWM)技術、全橋功率逆變技術實現25Hz輸出。整個模塊構成如圖1所示，各個部分的功能為：輔助電源為各個功能單元提供相應工作電壓；PFC主電路和控制電路把交流電變為直流410V，使功率因數大于99 ，同時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構，將控制電路送來的SPWM 控制信號經功率放大逆變后再解調、濾波后輸出；逆變器控制電路包括SPWM 產生單元、基準三角波產生單元、基準電壓產生單元、相位控制單元，主要產生SPWM 調制波；過壓過流保護單元完成輸出過壓關機和輸出過流或短路打嗝保護；主備切換控制單元提供動態主從快速互鎖，保證兩模塊同時只能有一個輸出；監控單元主要完成輸出電壓、相位、互鎖狀態、主備狀態等模擬量和開關量檢測，并與上位機通信。

2 關鍵技術

2．1SPWM控制技術

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電源控制基準正弦波信號相差90°，從而達到鎖相要求。每路SPWM波電路由分頻器、計數器、門電路、時序邏輯電路等組成，EPROM的地址在“000H”和“800H”之間循環變化。EPROM以51．2kHz的頻率周期性輸出存儲在其中的三角波數據，經過D／A轉化后與25Hz輸出電壓反饋信號比較，產生頻率為51．2kHz的SPWM波。SPWM波的產生過程如下：設輸出正弦波反饋信號為Vc，其頻率為25Hz；三角波為載波，三角波頻率fc一51．2kHz， 遠大于25Hz，其幅值在經過D／A轉換后不變，fc決定了驅動波形的頻率。由于采用全橋功率逆變技術，同一個橋臂不能同導通。圖2中正SPWM波經過變壓器隔離后驅動一個橋臂，負SPWM波經過變壓器隔離后驅動另一個橋臂。其SPWM波的產生和波形如圖2所示，圖中波形為奇函數，且具半波對稱性質。

設每半個正弦波周期內的脈沖個數為P，第m個脈沖寬度為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個脈沖對應輸出電壓有效值為

其傅立葉級數展開為

式中， 一1，3，5? 為奇數，系數an和bn由脈沖寬度為θ、起始角為a的正脈沖和對應的負脈沖起始角π+a決定。

各系數可按下列公式求出

此方法消除了所有2P一1次諧波，此外，采用SPWM技術，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

對于電力牽引區段，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，對軌道信號的干擾已大為降低，但牽引電流的不平衡仍可能導致軌道繼電器的誤動作。另外，不平衡牽引電流通過鋼軌產生的不平衡電壓通過扼流變壓器、發送變壓器的逆向升壓作用，也會在電源輸出端造成高壓干擾，燒毀電源。對電化干擾的抑制，是新型信號電源的又一技術關鍵。為了抑制電化干擾，通過對開關管參數放寬、增加輸出瞬態抑制器、輸出端50Hz陷波器等手段，達到了預定效果。

2．3 輸入防雷和輸出防雷

25Hz信號電源負載多種多樣，位置分散，線路又長，極易遭受雷擊。由于新型信號電源采用了半導體器件，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，對輸出防雷也應予以足夠重視。為了保護電源模塊，整個系統采用了輸入輸出分別防雷的措施。對輸入采用了輸入機房防雷、輸入系統柜防雷、模塊防雷三級輸入防雷措施。在系統市電輸入端，采用C、D兩級防雷保護，在模塊內也采取了防雷措施。由于系統采用兩路單相市電供電，并能自動切換，所以C級保護采用兩組“1+1”防雷器，分別并聯在自動切換裝置之前的兩路市電上。D級保護采用裝在機柜上的D級防雷盒，裝在模塊之前，并與C級防雷器保持2．5m的電纜距離。由于用于單相保護，D級防雷盒的L1、L2、L3端子應并接到電源的相線L上；另外，切換后的交流進線共有兩路，其零線不能共用，因此必須采用兩個D級防雷盒，如圖3所示。C級防雷器有故障告警功能，不管是防雷器損壞，還是防雷空氣開關分斷，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。對輸出同樣采取了3級防雷措施。系統輸出通過防雷器件選擇，防雷拓撲方案優化、系統接地幾個方面進行綜合分析，結合1+1備份技術，實現安全要求。

2．4 穩定可靠的監控系統

現代電源系統在要求高可靠性的同時，也要求向無人值守自動化方向發展。本電源模塊中配備了監控單元，通過系統監控可以實現遙測、遙控、遙信的功能。電源監控單元提供RS232或RS485等通訊方式給系統監控。模塊監控單元的硬件框圖如圖4，其主要的功能為

采集功能：硬件系統提供多通道的模擬量和開關量的采集功能，輸入范圍滿足：-5 V～+5 V范圍內的直流電壓信號，交流信號峰峰值在-7 V～+7 V之間，開關量為標準的正邏輯電平。

通信功能：通過廣播方式完成與系統監控的通信，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位數據、1位數據／地址位、1位停止位)。

告警功能：可控制故障燈和蜂鳴器進行相應聲光提示。

掉電保護功能：配電監控在硬件設計上采用了掉電保護芯片EEPROM，當接收監控單元的下發命令后，先將其保存到EEPROM 中，即使停電，數據也不會丟失。

抗干擾能力：所有開關量采集都經過線性光耦隔離；模擬量都經過濾波和整形電路；模數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視功能，以保證系統受到強干擾而造成死機或混亂時能自動恢復。

3 結論

該電源模塊已經在電氣化軌道區段的200多個車站運用，具有安全、穩定、可靠、便于維護的特點。電源的信號精度高，穩定性好，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，這些都為軌道信號設備、自動停車設備及運行記錄裝置提供了可靠保障。