引言

在电气化铁道，采用二元二位相敏继电器检测线路上是否有机车通过。二元二位相敏继电器的工作原理是在其上加两组25 Hz、相位差为90°的110V和220 V交流直流稳压电源时，二元二位相敏继电器吸合，否则断开。这就要求信号直流稳压电源提供110 V/25 Hz和220 V/25 Hz交流直流稳压电源，并保证110V/25 Hz直流稳压电源超前220V/25 Hz直流稳压电源90°相位。目前大多数25 Hz直流稳压电源都采用220 V市电变频，变频器体积大、噪音大、精度差，两路相互切换可能造成供电中断。为提高此类直流稳压电源的整体水平，针对中型车站轨道直流稳压电源的特点，采用高频链技术组成25 Hz高频轨道直流稳压电源，将两种直流稳压电源输出整合在1个模块中，其中220 V满载直流稳压电源输出6.3 A，110V满载直流稳压电源输出8.2 A。为了保证直流稳压电源工作的可靠性，采用“1+1”方式，两个模块处于工作／备份方式。其中只能有一个模块供电，先上电模块供电，另一模块的直流稳压电源输出被封锁；当由于某种原因工作模块不能直流稳压电源输出时，备用模块由电子开关切换到工作状态，两路直流稳压电源输出电气互锁，具有智能化、体积小、噪声小等特点，提高了可靠性。

1 组成原理

本直流稳压电源采用功率因数校正(PFC)技术、正弦脉冲调制(SPWM)技术、全桥功率逆变技术实现25 Hz直流稳压电源输出。整个模块构成如图1所示，各个部分的功能为：辅助直流稳压电源为各个功能单元提供相应工作直流稳压电源电压；PFC主直流稳压电源电路和控制直流稳压电源电路把交流电变为直流410 V，使功率因数大于99 ，同时提高直流稳压电源的抗干扰性能；410 V作为220 V和110 V逆变器主直流稳压电源电路的输入直流稳压电源电压；220 V和110V两路逆变器主直流稳压电源电路均采用全桥结构，将控制直流稳压电源电路送来的SPWM 控制信号经功率放大逆变后再解调、滤波后直流稳压电源输出；逆变器控制直流稳压电源电路包括SPWM 产生单元、基准三角波产生单元、基准直流稳压电源电压产生单元、相位控制单元，主要产生SPWM 调制波；过压过流保护单元完成直流稳压电源输出过压关机和直流稳压电源输出过流或短路打嗝保护；主备切换控制单元提供动态主从快速互锁，保证两模块同时只能有一个直流稳压电源输出；监控单元主要完成直流稳压电源输出直流稳压电源电压、相位、互锁状态、主备状态等模拟量和开关量检测，并与上位机通信。

2 关键技术

2．1 SPWM 控制技术

SPWM 波的获得是将相位差90°的三角波分别写入两片EPROM 中，使110V／25 Hz直流稳压电源与220V／25Hz直流稳压电源控制基准正弦波信号相差90°，从而达到锁相要求。每路SPWM 波直流稳压电源电路由分频器、计数器、门直流稳压电源电路、时序逻辑直流稳压电源电路等组成，EPROM 的地址在“000H”和“800H”之间循环变化。EPROM 以51．2 kHz的频率周期性直流稳压电源输出存储在其中的三角波数据，经过D／A转化后与25 Hz直流稳压电源输出直流稳压电源电压反馈信号比较，产生频率为51．2kHz的SPWM 波。SPWM 波的产生过程如下：设直流稳压电源输出正弦波反馈信号为Vc，其频率为25 Hz；三角波为载波，三角波频率fc一51．2 kHz， 远大于25 Hz，其幅值在经过D／A转换后不变，fc决定了驱动波形的频率。由于采用全桥功率逆变技术，同一个桥臂不能同导通。图2中正SPWM 波经过变压器隔离后驱动一个桥臂，负SPWM 波经过变压器隔离后驱动另一个桥臂。其SPWM波的产生和波形如图2所示，图中波形为奇函数，且具半波对称性质。

设每半个正弦波周期内的脉冲个数为P，第m个脉冲宽度为θm，输入直流稳压电源电压幅值为U (110V 直流直流稳压电源电压)，直流稳压电源输出直流稳压电源电压有效值为Uorms，则m个脉冲对应直流稳压电源输出直流稳压电源电压有效值为

其傅立叶级数展开为

式中， 一1，3，5⋯ 为奇数，系数an和bn由脉冲宽度为θ、起始角为a的正脉冲和对应的负脉冲起始角π+a决定。

各系数可按下列公式求出

此方法消除了所有2P一1次谐波，此外，采用SPWM技术，滤波器的体积变小，也减小了直流稳压电源模块体积。

2．2 轨道直流稳压电源电路牵引直流稳压电源电流干扰抑制

对于电力牵引区段，钢轨不仅要传递轨道占用信息，而且还要通过牵引直流稳压电源电流。虽然牵引直流稳压电源电流通过扼流变压器引入轨道，对轨道信号的干扰已大为降低，但牵引直流稳压电源电流的不平衡仍可能导致轨道继电器的误动作。另外，不平衡牵引直流稳压电源电流通过钢轨产生的不平衡直流稳压电源电压通过扼流变压器、发送变压器的逆向升压作用，也会在直流稳压电源直流稳压电源输出端造成高压干扰，烧毁直流稳压电源。对电化干扰的抑制，是新型信号直流稳压电源的又一技术关键。为了抑制电化干扰，通过对开关管参数放宽、增加直流稳压电源输出瞬态抑制器、直流稳压电源输出端50 Hz陷波器等手段，达到了预定效果。

2．3 输入防雷和直流稳压电源输出防雷

25 Hz信号直流稳压电源负载多种多样，位置分散，线路又长，极易遭受雷击。由于新型信号直流稳压电源采用了半导体器件，抗雷击能力较差，所以其防雷要求很高。不但输入要采取防雷措施，对直流稳压电源输出防雷也应予以足够重视。为了保护直流稳压电源模块，整个系统采用了输入直流稳压电源输出分别防雷的措施。对输入采用了输入机房防雷、输入系统柜防雷、模块防雷三级输入防雷措施。在系统市电输入端，采用C、D两级防雷保护，在模块内也采取了防雷措施。由于系统采用两路单相市电供电，并能自动切换，所以C级保护采用两组“1+1”防雷器，分别并联在自动切换装置之前的两路市电上。D级保护采用装在机柜上的D级防雷盒，装在模块之前，并与C级防雷器保持2．5 m的电缆距离。由于用于单相保护，D级防雷盒的L1、L2、L3端子应并接到直流稳压电源的相线L上；另外，切换后的交流进线共有两路，其零线不能共用，因此必须采用两个D级防雷盒，如图3所示。C级防雷器有故障告警功能，不管是防雷器损坏，还是防雷空气开关分断，均视为防雷故障。最后在模块上采取了防雷措施。其输入防雷如图3所示。对直流稳压电源输出同样采取了3级防雷措施。系统直流稳压电源输出通过防雷器件选择，防雷拓扑方案优化、系统接地几个方面进行综合分析，结合1+1备份技术，实现安全要求。

2．4 稳定可靠的监控系统

现代直流稳压电源系统在要求高可靠性的同时，也要求向无人值守自动化方向发展。本直流稳压电源模块中配备了监控单元，通过系统监控可以实现遥测、遥控、遥信的功能。直流稳压电源监控单元提供RS232或RS485等通讯方式给系统监控。模块监控单元的硬件框图如图4，其主要的功能为

采集功能：硬件系统提供多通道的模拟量和开关量的采集功能，输入范围满足：-5 V～+5 V范围内的直流直流稳压电源电压信号，交流信号峰峰值在-7 V～+7 V之间，开关量为标准的正逻辑电平。

通信功能：通过广播方式完成与系统监控的通信，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位数据、1位数据／地址位、1位停止位)。

告警功能：可控制故障灯和蜂鸣器进行相应声光提示。

掉电保护功能：配电监控在硬件设计上采用了掉电保护芯片EEPROM，当接收监控单元的下发命令后，先将其保存到EEPROM 中，即使停电，数据也不会丢失。

抗干扰能力：所有开关量采集都经过线性光耦隔离；模拟量都经过滤波和整形直流稳压电源电路；模数之间采用全隔离方式。

硬件直流稳压电源电路具有“看门狗”功能：硬件与软件都具有监视功能，以保证系统受到强干扰而造成死机或混乱时能自动恢复。

3 结论

该直流稳压电源模块已经在电气化轨道区段的200多个车站运用，具有安全、稳定、可靠、便于维护的特点。直流稳压电源的信号精度高，稳定性好，频率变化率为±0.1%，110V直流稳压电源输出相位超前220V直流稳压电源输出85°～93°，具有完善的自检功能，这些都为轨道信号设备、自动停车设备及运行记录装置提供了可靠保障。