硕士学位论文-基于开关电源的地铁杂散电流自动检测和动态补偿装置.pdf

摘要 地铁杂散电流对导轨、主体结构的钢筋、周围的埋地金属管线及沿线的建筑 物等造成电化学腐蚀，产生严重危害。目前国内外对地铁杂散电流防护措施多采 用被动的“堵截”或“疏导”的防护措施，取得了一些成效，但还是没有从根源 上消除杂散电流的产生。为了寻找一种积极有效的防治地铁杂散电流的方法，本 文提出了自动检测和动态补偿的开关电源补偿方案，这是一个涉及电子、检测和 电防护领域的综合应用研究。 本文介绍了地铁杂散电流产生的机理、危害以及目前所采用的防护手段。提 出了对模拟导轨进行电流补偿以有效减小或降低地铁杂散电流产生的积极防治 方案；设计并实现实验室地铁杂散电流模拟装置；基于l m 3 9 3 放大器的检测电 路的设计；在对开关电源电路分析的基础上，介绍了基于u c 3 8 4 3 芯片为核心的 电路设计。 为检测补偿电源在地铁杂散电流模拟装置上的补偿效果，设计了6 组实验， 并对每组实验数据的效果进行了详细的分析，证实了该防治方案是合理可行的。 为以后的实际工程应用提供了实验基础和科研依据。 关键词：杂散电流开关电源补偿电路 a b s t r a c t m 鼬r os t r a yc u ”e mc a u s e sa b o u cs e r 主o u s l yh a m f me l e c t m c h 枷c a lc o r r o s i o ni n s u b w a yf a i l ，r e b a ri nc o n c r e t em a i ns h u c t u r eb u r i e du n d e r g m u n dn e a 小ym e t r o ， u n d e r 和u n dm e t a ip i p e i i n ea r o u f l dt h em e t r o ，a n db u i l d i n g sa l o n gt h em e 订o u pt o n ow p a s s i v e ”i n t e r c 印t i n g ”a n d ”c h 枷e l i n g ”s a f b g u a r dp r o c e d u r e sh a v eb e e nt a k e nt o p r e v e l l tm e 拄os t r a yc u r r c l l t 硒mh a m i n ga n dw o r k e di nac e r t a i ns e n s e h o w e v e l t h el a s tg o a lh 踮n o tb e e na c h i e v e d 1 1 1 i sa n i c l ei sm a i n l ya b o u tan e wm e t h o dt 1 1 a ti s b a s e d0 na u t o m a t i cd e t e c t i o na n dd y n a m i c m p e n s 鲢i o n ，w h i c hd e a l sw i u lf i e l d s 锄o n ge l e c d n ，d e t e c t i o na n db u i l d i n g sp r o t e c t i o n t h eg e n e r a t i o nm c c h a n i s ma n dh a 盯1 1o fm c t r os 锄yc u r r e n ta sw e l la sp r c s e n t s h d t c rm e 嬲u r e sa r ei n t r o d u c c di nt l l i sp a p 乱 b e s i d e s ，ap o s i t i v ep 心v 锄t i n ga n d 舱a t i n gp m j e c ti sp u tf o 俐a r di naw a y t oe 施c t i v d yr e d u c em e 们s 仃a yc u r r e n t ，b y p e l l s a t i n gs t i m u l a t e dt h em e 仃0t r a i lc u r r e n t t h ew h 0 1 ep r o c e s so fd e s i 印i n ga 1 1 d e s t a b l i s h i n gs i m u l a t e dd e v i c eo fm e t r oi sa l s od i s c u s s e d ；t h e r cs o m ep a r a 黟a p h sa r e a b o u td c t e c t i o nc i r c u i tb a s c do nd u a ld i 仃打e n t i a lc o r n p a r a t o r sl m 3 9 3 0 n 血eb a s i s o fa n a l y s i so f t y p e so fp o w ad e t a i l e di n 胁d u c t i o no fc i r c u i td e s i 9 1 lb a s e do n u c 3 8 4 3c h i p t f i n a l l y ，s l x 乒o u p so fe x p 舐m e n td a t aa r ec o l l e c t e d 仔o ms t i m u l a t e ds u b w a yr a i l ， f 0 1 1 0 w e db yad e t a i l e da i l a l y s i so fe v e r y 莎o u p se x p 嘶m e i l tr e s u l t t h ea n a l y s e s r e s u l t sp m v et h a tm em e m o di sb e t t e rm 肌t h eo t h e r s a l lo ft | l o s ep r o v i d es u p p o r tt o p r a c t i c a la p p h c a t i o n k w o r d s ：s t r a yc u r r e n t ；s w i t c hp o w e r ；c o m p e n s a t i o nc i r c u i t 插图和附表清单 图2 1 地铁直流供电系统、杂散电流产生机理 图2 2 本方案系统设计图 图3 1 模拟地铁轨道，轨地过渡电阻示意图一 图3 2 测量装置硬件结构图 图4 i 原理图 图4 ，2 系统电路原理图一 图5 1 滤波电路原理图 图5 2 滤波器总幅频响应图 图5 - 3 比较电路图 i 墨l5 ，43 4 0 6 3 内部结构图 图5 5 检测电路板正面图 图5 6 检测电路板反面图 图6 1 开关电源分类 图6 2 反激型电路的原理图 图6 3 反激型电路工作于电流连续模式时的波形 图6 4 反激型电路c 作于电流断续模式时的波形 图6 5 反激型电路电流断续时变压器磁通密度与绕组电流的关系 图6 6u c 3 8 4 3 内部结构原理图 图6 7u c 3 8 4 3 引脚图 酬6 8 开关电源及外围电路板图正面一 图6 9 开关电源及外围电路板图反面 图7 1 j 匾爪补偿通道波形图( 红线) 图7 2 恒压来补偿通道波形图( 蓝线) 图7 3 不恒压补偿通道波形图( 红线) 幽7 4 不恒压未补偿通道波形图( 蓝线) 袁7 1 术补偿时稳定电流 图7 5 来补偿时各通道上电流数据图形 表7 2 稳压导轨补偿第 通道 刻7 6 补偿第六通道时各通道电流 表7 31 稳压补偿五、 通道 图7 7 作稳压补偿五、六通道 俐7 8 补偿两通道时，未补偿通道的l h 流 图7 9 补偿三个通道时，术补偿通道的电流强加他“m“坶加如丝筋m抬拍凹如m弘”卯勰弘珀如舵北 首都师范大学位论文原创性声明 y8 6 9 8 0 8 本人郑重声明：所呈趸的学位论文，是本人伍导帅的指导p ，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。州本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文巾以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果山木人承担。 签名铹玉嚆 日嗍刷h 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了鳃首都师范大学有关保留、使用学位论文的觏定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论丈进入学校图书馆被查阅。有权将学 位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出 版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 一签毋幺毒 门嘞删 1 1 课题来源 第一章引言 本课题为北京市自然科学基金课题“北京地铁杂散电流腐蚀防护研究”( 项 目编号：3 0 3 2 0 0 9 ) 的子课题。 1 2 地铁杂散电流形成的原因 从物理学角度看，电流离开了指定的导体而在原来不应该有电流的导体内流 动，这部分电流称为杂散电流。 地铁杂散电流，俗称地铁迷流，它的形成跟地铁这种交通工具运行原理和 系统结构是有密切关系的。地铁作为城市交通的重要工具正在迅速发展，它的运 彳亍方式多采用直流供电，直流电力作为牵引系统的动力，走行轨道作为电流回流 线路。由于列车运行跟电流的大小有着直接的关系，这就使得列车在启动、运行、 加速、减速、制动过程中，经过走行轨道流回负极的电流大小变化差别很大。由 于地面绝缘不良，导致轨道上的电流泄漏到地铁道床及周围土壤介质中，形成杂 散电流。轨、地绝缘性能降低或先期防护措施失效是导致地铁杂散电流的直接原 因。 1 3 地铁杂散电流的危害 地铁作为城市轨道交通的主于线，导轨的铺设是穿梭在城市中间的。而城市 的地下结构是由钢筋混凝土和各种会褐管道组成的，这些金属介质很容易被杂散 电流腐蚀。根据资料介绍，当杂散电流为l a 时，一年内可腐蚀3 6 k g 铅、1 1 蝇 铜、1 0 妇铁。在杂散电流比较严重的地区，电流可以达几十安培甚至上百安培， 壁厚8 9 m m 的钢管在2 3 个月内就可以穿孔。可见杂散电流造成的腐蚀相当 严重的，在直流牵引供电的地铁系统中，实测结果表明，列车在启动和加速运行 时流入地下的杂散电流值一般要大于1 0 0 a ，这么大的杂散电流可能使车站和区 问隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀，也可能使得与轨道交通系统无关的金 属在自然腐蚀的环境卜又受到电腐蚀的作用，产生很严重的局部腐蚀。如果是金 属管道，就会使其韧性降低，脆性增加，受力时很容易开裂或断裂，这种腐蚀称 为坑状腐蚀或溃疡腐蚀。长时间这样的腐蚀，町能出现漏洞，容留的液体、气体 就会泄漏出来，叮能造成重大事故；如果是建筑物混凝十中钢筋局部被腐蚀，钢 筋就会变粗，从内部对建筑物施加撑力，使建筑物整体强度和耐久性大大降低， 甚至出现丌裂、下沉。这样不仅会造成经济上的巨大损失，甚至会发生气、油泄 漏，酿成灾难事故。 地铁杂散电流给生活生产已经造成了严重后果了，香港曾因地铁迷流引起煤 气管道的腐蚀穿孔而造成煤气泄漏；北京地铁第一期工程投入运营数年后，其主 体结构钢筋发现严重腐蚀，隧道内水管腐蚀穿孔，仅东段部分区段更换穿孔水管 5 4 处；天津地铁也存在着水管被迷流迅速蚀穿的情况：国外的情况更是严重， 毕竟他们的地铁运营年数已远远超过中国使用的年数。 1 4 国内外对杂散电流防腐研究的现状 地铁杂散电流的影响目前已引起国内外的高度重视，欧美各国、门本的铁路 通讯和电力部门的研究所及高等院校均设置了专门的机构从事这方面的研究。 国内外采用的措施有：排流保护法，走行轨降阻与杂散电流收集法，管道外 涂层法等。 排流保护法 2 】主要是保护金属导体而采取的防护措施，其基本原理是将被保 护的金属导体对走行轨的阳极区用导线连接起来，从而相对于将金属导体与走行 轨短路，使被保护的管道变为阴极性的，从而防止金属发生阳极腐蚀。排流保护 法主要包括：“直接排流法”是将被保护金属导体与靠近变电所附近的回流走行 轨直接用导线连接；“选择排流法”就是在“直接排流法”的连接线上设置单向 导电的整流器，只允许被保护导体的杂散电流流向走行轨；当被保护金属的导体 处于杂散电流交替干扰区时，采用直接或选择排流法都不能将干扰电流排回走行 轨时就需要采用“强制排流法”。此外还有“牺牲阳极保护法”，这种方法需要定 期在被保护金属区埋设电极电位更低的辅助阳极( 如金属m g 等) 。 降低地铁轨道单位长度上的电阻称之为“降阻”。走行轨电阻较大时，回流 电流在其卜流过时产生的电压降也大，从而增大了泄漏到道床中去的地铁杂散电 流。通过使用新型的导轨材料，降低电阻率，是解决问题的关键，但这对材料科 学提m 了新的要求。 杂散电流收集法，即在枕木以下的混凝土整体道床内设置收集钢筋网。杂散 电流收集网与主体结构钢筋绝对不能相连，各个焊接点要牢固可靠。在收集网一i 二 设置排流接线端子，排流端予将杂散电流排回到供电所的负极。 采用高阻抗混凝七防护体系，保护导轨与地的绝缘性，是管道涂层法的实施 方法，但无形中对铁路建设增加了成本。 1 5 本课题的内容 学习和研究国内外大量的关于地铁杂散电流和关于开关电源开发设计的文 献，深入了解地铁杂散电流形成的机理，分析由其引起的电化学腐蚀过程和产生 的危害。在前面成员完成的模拟实验装置的基础之上进行改进，并设计制作出基 于开关电源的补偿装置。 1 6 本课题的意义 研究如何有效减小或降低地铁杂散电流，从而减轻地铁杂散电流对导轨、枕 木、道床、埋地管线和地铁沿线的地下建筑物的危害具有深刻的理论及现实意义。 研究的目的就是从如何有效减小或降低地铁杂散电流出发，设计出一个高效实时 根据负载电流大小动态调整补偿电流的丌关电源系统。 从实验室理论研究的角度出发，结合工程实际需要方面，加强在防治地铁杂 散电流方面研究的力度和深度。 第二章整体设计方案 2 1 地铁杂散电流源产生机理 图2 1 地铁直流供电系统、杂散电流产生机理 图2 i 为直流牵引供电方式下地铁的供电系统、电流回流、杂散电流的产生 及腐蚀发生情况示意图【3 1 。供电系统为高压直流电( d v 7 5 0 v 或d v l 5 0 0 v ) ，供 电轨接电源的正极，走行轨兼作回流导线接直流电源的负极。假设电力机车的牵 引电源为1 ，如果走行轨与地之间绝缘良好，则全部电流应该经过走行轨流回到 电源的负极，即走行轨上的回流电流i lz1 2 ；实际上走行轨与地之间无法达到 真f 绝缘而存在多个电流泄漏点，形成如图2 ，1 所示的杂散电流，真正流过走行 轨的电流只能是变化的电流1 1 ，从图中可以看出，泄漏点没有规律，泄漏出的杂 散电流的流动路径也没有规律，因此走行轨上不同部位的回流i1 是不相同的。 由于土壤介质及地下导电介质的复杂性，杂散电流腐蚀会属具有速度快，破 坏力强，几乎没有修复的可能性【4 】。当杂散电流在金属导体上流过时，每一股杂 散电流都会在金属表面形成电流流入点和电流流出点( 一般是多处发生) 。杂散 电流进入会属管道的地方呈现负电性，这一区域称为阴极区，处于阴极区的管道 一般不会受到太大的影响，若阴极区的电位值多大、时间过长，管道表面会析出 大量的氢，造成防腐绝缘老化、剥落，金属变脆而损坏。当杂散电流在余属管道 4 的某一绝缘层的损坏处流出时，管道在该区域呈现j f 电性，这一区域称为阳极区。 处于阳极区的管道就以铁离子的形式溶于周围介质中，此时阳极区的管道就会受 到严重的腐蚀。盒属构件的局部区域会意外地受到来自外部地很大电流密度地阳 极极亿，使这一局部区域很快就被腐蚀破坏，这就是由杂散电流引起的阳极溶解。 由电化学腐蚀的机理：电极电位较低的金属f e 失去电子被氧化成f e 2 + ，同时令 属周围介质中电极电位较高的非金属h + 或0 2 得到电子而被还原。地铁杂散电流 引起的腐蚀与钢铁在电解质中发生的自然腐蚀不同，自然腐蚀是自发产生的，进 行得很慢，电流值较小，必须经过很长时间才能有腐蚀迹象，如轮船长时间浸在 海水中，会慢慢地自然腐蚀。 发生腐蚀的氧化还原反应可以分为两种5 ：p h 7 时的 吸氧腐蚀。发生电腐蚀反应的化学方程式如下： ( 1 ) 析氢腐蚀： 阳极： 2 f e = 2 f 每h + 4 f 阴极： 4 h + + 4 e = 2 h 2f ( 无氧酸性环境) 4 h 2 0 + 4 e _ = 4 0 h + 2 h 2f ( 无氧环境) ( 2 ) 吸氧腐蚀： 阳极：2 f e = 2 f e ”+ 4 e - 阴极：0 2 + 2 h 2 0 + 托= 4 0 h ( 有氧碱性环境) 无论发生析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，最终在钢筋表面或是介质中有f o h ) 2 的 析出，部分f e ( 0 h ) 2 被进一步氧化成f e ( o h ) 3 或棕色的f e 2 0 3 2 x h 2 0 ( 红锈) ， 而f e ( o h ) 3 又很容易变成f e 3 0 4 ( 黑锈) 。钢筋混凝土中的钢筋表面大量堆积 f e ( o h ) 2 、f e 2 0 3 2 x h 2 0 ( 红锈) 、f e 3 0 4 ( 黑锈) 等沉淀而使钢筋混凝土破裂， 因为黑锈体积可达到远钢筋体积的2 倍，而红锈的体积可以达到原钢筋体积的4 倍。铁锈的形成，使钢筋体积膨胀，进而对周围混凝土产生横向挤压，使混凝七 沿钢筋方向开裂。因此，在杂散电流的腐蚀卜i ，钢筋混凝土结构会发隹结构性破 坏，这种破坏对承受荷载的地铁混凝士主体结构是 分危险的，它会降低混凝土 结构的强度，影响结构的耐久性和承载能力。 2 2 动态补偿方案的设计思想 针对北京市地铁现状，结合相关的技术课题，设计出以卜方案来减少地铁中 杂散电流的产生。从产生杂散电流的源头出发，尽可能的消除周围有负载介质的 轨道上的电流。在地铁机车的走行轨的杂散电流泄漏点上增加补偿系统，这个补 偿系统检测某段导轨上的电压，如果电压不在允许电压的范围内时，就会给导轨 补偿电流，当然这个电流是跟机车回流电流方向相反，补偿系统不断的检测，根 据条件不断的调整补偿的电流，直到导轨上的电压将到允许范围内为止，这时候 导轨l 电流和补偿系统的补偿电流形成一个平衡点，一旦这种平衡被扣破，补偿 系统会实时地检测出来，并调整输出电流继续维持平衡点【6 】。如图2 2 所示。 列车电流回瘴方向一 2 3 方案的任务步骤 图22 本方案系统设计图 第一，在实验室环境下对地铁列出运行环境进行模拟，模拟出铁轨泄漏杂散 电流的装置。 第二，通过采集装置，在计算机上实时显示电流大小。 第三，分模块设计并显示补偿装置的各部分电路结构。 第四，通过反复实验得到数据，并分析数据，从而得出该补偿装置的性能评 6 |_l 估，为到现场使用提供技术数据参考。 第三章实验室模拟装置的设计与实现 3 1 实验室地铁环境的模拟 由于国内外的地铁供电牵引系统基本都采用7 5 0 v 或1 5 0 0 v 直流电压供电， 供电轨接电源的正极，走行轨( 兼作回流线) 接电源的负极。因此，从安全和经 济的角度出发，实验室不能提供如此高的电鹾，只能在实验研究阶段使用低压直 流电源做模拟。 3 。1 1 地铁导轨的模拟 北京地铁采用的导轨是5 0 k g ，m 的钢轨，每段钢轨街头采用无缝焊接方式对 接，钢轨与道床之间采用绝缘扣件隔离。单个走行轨与枕木之间的绝缘电阻在新 安装时可达1 0 8q 以上，由于绝缘扣件数量众多，而且导轨通过绝缘体、绝缘扣 件和枕木获得支撑，同时也与道床取得联系，因而在整个走行区间形成密集分布 的过渡电阻r 。实验室环境下模拟地铁走行轨时，对地铁轨道和过渡电阻的情况 进行了简化，并作出一下合理的假设： l ， 同、供电区间内走行轨上的纵向电阻是均匀分布的。 2 ， 轨道对地的过渡电阻和土壤电阻也是均匀分布的。 3 ， 馈电线路的阻抗可以忽略不计。 r rr rr i -r 上 r rr r 鼢：模拟啦位艮艘i ：，k j ：皱纵向吼哦 r 卜一r 9 横撇轨道过渡也辎 图3 1 模拟地铁轨道，轨地过渡电阻示意图 模拟轨道采用5 0q 大功率电阻r r 依次焊接而成，如图3 1 ，在焊接点处用 螺线柱同定，并在该点焊接l o c m 长铜条( 3 舢2 ) 模拟轨地过渡电阻，在试验中 其还用于插入模拟地铁杂散电流泄漏环境的模拟介质中。w y k 一3 0 3 吼型直流稳压 电源给该模拟电路提供直流供电，加压范围选择在5 1 5 v 之间。 3 1 2 地铁腐蚀环境的模拟 导轨所处的环境比较复杂，在实验室可以用一定浓度的食盐溶液( 浓度l ) 模拟地铁杂散电流的存在环境。将电阻r l 等插入溶液中，因为盐溶液有导电性， 由心、r n 和溶液就组成一个复杂的回路”，模拟出最简单的腐蚀环境下的杂散 电流回路。 3 2 导轨电流的检测 地铁运行环境得实验室模型装置已经搭建完成，接下来的工作是要对模拟轨 道j 二产生的电流进行实时监测，另外配置万用表与监测结果对比，验证其是甭准 确，为补偿系统的加入做基础性工作忆 3 2 1 硬件设备 从主电路上得到电流值，可以用先取电压，再计算的方式得到。因为主路上 都是5 0 q 的精密电阻，测量出电压就可以知道电流了。硬件检测部分出以下几 个部分构成f 9 】：首先，取得电阻两端的电压，使用线性光藕隔离放大的形式，这 样因为隔离放大的好处是后面电路对前面的电路不造成干扰。其次，将得到的电 压送入采集卡的端予板，这里采用中泰p s 一0 0 3 c 1 9 】端子板，由端子板来进行传输 及电平转换。再次，端子板将信号送入采集卡，这里采用中泰p s 一6 3 3 3n i ”i 。最 后由计算机显示采集结果。如图3 2 所示。 9 3 2 - 2 采集测试软件 图32 测量装置硬件结构图 计算机处理采用数掘是采用w i n d o w s 操作系统，应用程序用v b 编写。通过 计算机直观地观察各模拟轨道上电流地变化。 o 第四章开关电源补偿方案的设计 根据地铁杂散电流模拟装置及检测装置的设计情况，设计地铁杂散电流模拟 装置的开关电源补偿方案。其中包括采集电路的设计、控制电路的设计、开关电 源的设计。要求实现对地铁杂散电流模拟装置中的导轨电流进行实时反向补偿， 使得补偿轨道上的电流似零、电位差似零。 4 1 方案分析 为什么提出使用丌关电源的方式来补偿。从地铁杂散电流的特性分析，开关 电源的结构及与线性电源的比较中，可以逐渐说明这个方案的可行性。最终的目 的是让泄漏比较多的那段导轨上的电流变成零，但是导轨上的电流存在着一定范 围内的随机性，电流的大小时刻都在变化，而且没有特定规律的变化。针对这样 的电流补偿，补偿电源输出的电流必须跟随导轨上电流的变化而变化。因此这个 补偿电源是。个受控电源。电源分为两种，一种是线性电源，一种是开关电源。 该项目之前的方案采用受控线性电源【l “，能初步达到预期效果，但是存在着很 多的不足之处。因为线性电源的调整管工作在线性放大状态。因而发热量大，效 率低( 3 5 6 0 ) ，需要加体积庞大的散热片，同时还需要大体积的工频变压 器，当要制作多组电压输出时，变压器需要带的抽头会更庞大 13 1 。受控线性电 源最难解决的问题是它的控制部分，e 文提到导轨上的电流是随机变化的，使得 这个随机变化的电流反馈给电源的调整输出，需要大量的比较、放大、基准的设 定来使电路稳定，那么实现中必然会遇到过流、过压、短路、过热、负载效应、 周期及虽难调节的随机漂零问题。，r 关电源的调整管工作在截止和饱和状态，本 身功耗比较小，因而发热量比较小，效率可以高达( 7 0 9 5 ) ，而且省掉了 大体积的工频变压器。开关电源的控制电路部分的实现比受控线性电源的控制电 路部分大大的简化开关电源的控制电路围绕着软开关p w m 集成控制芯片来完 成，从导轨上采集到的电流经过检测电路传给开关电源的控制电路，由控制电路 调整电源的输出，加载到导轨上，如果一次补偿不够量，检测电路会要求控制电 路再次补偿，一直到电流为零结束。这两种方式的补偿比较可以看出来，受控线 性电源次动作的周期相对很长，在几十s ”，电流就会出现滞留的现象，再 加上导轨电流时刻都在随机变化，于是很难找到精确的平衡点。f f 开关电源方案 税不存在这个问题，动作一次的时日j 很快，几个s 就能完成，儿乎做到了实时补 偿。 4 2 系统框图 圈4 1 悖理幽 采集导轨电压信号是从要求补偿电流的导轨上取得。采集到之后经过限流电 狙起到保护作用，然后到运放进行放火。只要导轨上有电压差，经过运放之后会 明鼎的被放大，这个放大信号直接影响到后续电路的工作状态。在丌关电源的 m c 3 8 4 3 芯片上有挣制开关电源是甭工作的锁存器，放大信号接入过流保护引 脚，过流保护引脚电压让p w m 比较器来决定是否让锁存器复位，同时它直接控 制每个周期的脉宽。当补偿过了头时，放大电压升高，控制输出脉冲提前截止， 以保护”关管，也就停止了补偿。接下来采集信号又会将当前轨道上电压结果采 集到来作为下次补偿的依据。 4 3 系统电路原理图 这罩先给出电路的原理图，后面将结合该图做进一步说明。 圉42 系统电路原理圈 第五章检测控制电路的设计与实现 5 1 检测控制电路功能概要 检测电路的输入端是导轨上补偿输出端，检测当前导轨上电压的值作为开关 电源是否继续补偿的依据。如果当前导轨卜的电雎值为零，则下一步操作是停止 开关电源工作，如果当前导轨上的电压值才i 为零，则下一步操作开启丌关电源， 继续补偿，直到导轨上的电压为零为止，当然还是需要检测电路来控制开关电源。 由于设计时，假设导轨上电流单向性，那么检测电路遇到导轨上的电压为正或者 为负时，只关心正或者只关心负，在工程实施的时候，将检测电路的正负极交换， 就可以既补偿j 下又补偿负的了。只是在应用上时灵活些，就可以大大简化电路设 计。检测电路将从导轨上采集到的电压进行滤波后传给电压比较器，由电压比较 器来控制开关电源是否工作。 5 2 信号采集与滤波 本系统由于实时性的要求，开关电源的工作频率很高，检测电路动态的要求 开关电源工作，导致整流波形畸变产生的噪声和开关波形产生的噪声会从输出端 泄漏出去表现为辐射噪声和传导噪声。而检测电路的结点就在开关电源的输出 端，这些噪声表现给检测电路的即为纹波，对下一次检测信号造成了严重的干扰， 所以，必须在检测电路输入端利用具有储能作用的电抗性元件( 如电容、电感) 组成的滤波电路来滤除电路中的工频及以上的成分以获得直流电压。 滤波器是由电感和电容组成的低通滤波电路所构成，它允许有用信号的电流 通过，对频率较高的干扰信号则有较大的衰减。由于十扰信号有差模和共模两种， 因此滤波器要对这两种干扰都具有衰减作用【l ”。其基本原理有i 种： 第一，利用电容通高频隔低频的特性，将火线、零线高频干扰电流导入地线 ( 共模) ，或将火线高频干扰电流导入零线( 差模) ； 第二，利用电感线圈的阻抗特性，将高频干扰电流反射回干扰源； 第i ，利用干扰抑制铁氧体可将一定频段的干扰信号吸收转化为热量的特 4 性，针对某干扰信号的频段选择合适的干扰抑制铁氧体磁环、磁珠直接套在需要 滤波的电缆上即可。 在滤波器的选择上，本系统遵循以下几点基本原则： 根据干扰源的特性、频率范围、电压和阻抗等参数及负载特性的要求，一般 考虑；其一，要求电磁干扰滤波器在相应j 亡作频段范围内，能满足负载要求的衰 减特性，若一种滤波器衰减量不能满足要求时，则可采用多级联，可以获得比单 级更高的衰减，不同的滤波器级联，可以获得在宽频带内良好衰减特性。其二， 要满足负载电路工作频率和需抑制频率的要求，如果要抑制的频率和有用信号频 率非常接近时，则需要频率特性非常陡峭的滤波器，才能满足把抑制的干扰频率 滤掉，只允许通过有用频率信号的要求。其三，在所要求的频率上，滤波器的阻 抗必须与它连接干扰源阻抗和负载阻抗相失配，如果负载是高阻抗，则滤波器的 输出阻抗应为低阻：如果电源或干扰源阻抗是低阻抗，则滤波器的输入阻抗应为 高阻；如果电源阻抗或干扰源阻抗是未知的或者是在一个很大的范围内变化，很 难得到稳定的滤波特性，为了获得滤波器具有良好的比较稳定的滤波特性，可以 在滤波器输入和输出端，同时并接一个围定电阻。其四，滤波器必须具有一定耐 眶能力，要根据电源和干扰源的额定电压来选择滤波器，使它具有足够高的额定 电压，以保证在所有预期工作的条件下都能可靠地工作，能够经受输入瞬时高压 的冲击。其五，滤波器允许通过应与电路中连续运行的额定电流一致。额定电流 高了，会加大滤波器的体积和重量；额定电流低了，又会降低滤波器的可靠性， 其六，滤波器应具有足够的机械强度，结构简单、重量轻、体积小、安装方便、 安全可靠。 对于本系统中模拟滤波器的设计，采用两级滤波。一级滤波为r c 低通滤波， 二级为双t 形带阻滤波。常用的低通滤波器是用电感和电容组合而成的，电容 并联在要滤波的信号线与信号地之间( 滤除差模干扰电流) 或信号线与机壳地或 大地之间( 滤除共模干扰电流) 。按照电路结构分，有单电容型( c 型) ，单电感 型，l 型和反r 型，t 型，豇型。这里采用最基本的单电容型。带阻滤波器用于 干扰频率带宽较窄，而信号频率较宽的场合，如距离大功率电台很近的电缆端口 处要安装带阻频率等于电台发射频率的带阻滤波器。本系统中主要是消除工频以 上的频率，设计为双t 形带阻滤波。 c 3c 4 图5 1 滤波电路原理图 r 。与c l 组成第一级无源低通r c 滤波器， 其响应为局例= t 志，由r 2 、 r 3 、r 4 和c 2 、c 3 、c 4 组成的二级滤波电路，即双t 带阻滤波电路，根据双t 网络 的特性可以得出r 2 = r 3 = 2r 4 = r ，c 严c 4 = c 2 2 = c ，其响应为： f s f 因此整个滤波器的传递函数为： 刑= 志嚣等等鲁怒 实际滤藏嚣簸曩 图52 滤渡器总幅频响应图 1 由于滤波的主要功能是消除工频以上的干扰，由。n = 二= 5 0 h z 2n r c = 3 1 4 1 5 r a d s ，为了选取元器件方便，可以选用，r 1 = 5 l k q ，c l = 0 ，2 2uf ，r = 1 4 k o ， c = 0 1 2 2uf ， 可得u n = 3 2 4 1 6 8r a d s ，和要求的3 1 4 1 1 5r a d s 较为接近， 整个滤波器的滤波效果如图5 2 所示。整个滤波器为低通特性，可 以很好的消除工频以上的特性。 5 3 信号处理与输出 本环节的功能是，反应导轨上是否有电压，也可以理解成补偿是否有效。从 导轨上采集到信号后，经过交流滤波后传送到放大器进行信号放大，放大器输出 的电压给开关电源的u c 3 8 4 3 的引腿3 ，作为下次是否补偿的依据。 电路图如5 3 所示，由l m 3 9 3 比较器和d c d c 转换器3 4 0 6 3 为主要器件以 及外围电路组成的一个比较电路，l m 3 9 3 比较导轨上得到的两端电压，3 4 0 6 3 用来产生一个一5 v 的电压，作为l m 3 9 3 的最终输出电压。 图5 3 比较电路圈 1 7 l m 3 9 3 系列由两个偏移电压指标低达2 0 m v 的独立精密电压比较器构成。 该产品采用单电源操作设计，且适用电压范围广。该产品也可采用分离式电源， 低电耗不受电源电压值影响。本品还有1 个特点是，即使是在单电源操作时，其 输入共模电压范围也包括接地。l m 3 9 3 系列可直接与t t l 及c m o s 逻辑电 路接口。无论时正电源还是负电源操作，当低电耗比标准比较器的优势明显时， l m 3 9 3 系列便与m o s 逻辑电路直接接几。 l m 3 9 3 是双电压比较器，单电源+ 2 + 3 6 v ，双电源l 1 8 v 。 主要参数：在电源电压为+ 5 v 时，输入偏移电压l m v ，输入偏移电流最大 5 0 n a ，电压增益2 0 0 v m v ，电源电流o 6 m a ，响应时间1 3 i l s ，低电平输出电 压o 2 v ，最大0 4 v ，输出漏电流o 1 n a ，允许耗5 0 0 m w 。 管脚：l 、通道l 输出，2 、通道l 倒相输入，3 、通道1 同相输入，4 、地， 5 、通道2 同相输入，6 、通道2 倒相输入，7 、通道2 输入，8 、电源电压。 管脚2 和管脚3 之前接两个电阻起限流保护作用。当管脚2 和管脚3 之间的 电压差值在币负变化时，管脚1 的输出就在+ 5 v 和一5 v 之间反转，反转的电压 值将作为开关电源是否补偿导轨电流的重要依据。 l m 3 9 3 管脚4 上接的一5 v 电压由d c d c 转换器3 4 0 6 3 产生反向电压来实现。 3 4 0 6 3 是一单片双极型线性集成电路专用于直流一直流变换器控制部分。片内包 含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器、驱动器和大电流输出，i ： 关，能输出1 5 a 的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器 降压式变换器和电源反向器。本系统中所采用的i f 是电源反向器的接法。3 4 0 6 3 能在3 4 0 v 输入电压下工作，短路电流限制，低静态电流等功能。 3 4 0 6 3 功能特点 能在3 o 4 0 v 的输入电压下工作 短路电流限制 低静态电流 输出开关电流可达l ，5 a ( 无外接三极管) 输出电压可调 r 1 ：作振荡频率从1 0 0 h z 至1 0 0 k h z 可构成升压降压或反向电源变换器 它的内部结构如图5 4 所示。内部框图中所表示的电路原理解释如下： 振荡器通过恒流源对外接在c t 管脚( 3 脚) 上的定时电容不断地充电和放电， 以产生振荡波形。充电和放电电流都是恒定的，所以振荡频率仅取决于外接定时 电容的容量。与门的c 输入端在振荡器对外充电时为高电平d ，输入端在比较 器的输入电平低于闽值电平时为高电平。当c 和d 输入端都变成高电平时，触 发器被置为高电平，输出开关管导通。反之，当振荡器在放电期阊，c 输入端为 低电平，触发器被复位，使得输出开关管处于关闭状态。 电流限制s i 检测端( 5 脚) 通过检测连接在v + 和5 脚之间电阻上的压降来完成 功能。当检测到电阻上的电压降接近超过3 0 0 恤v 时，电流限制电路开始工作， 这时通过c t 管脚( 3 脚) 对定时电容进行快速充电，以减少充电时间和输出开关 管的导通时间，结果是使得输出开关管的关闭时问延长。 开美静嶷咆缓* 野差蕾：5 乏魅擞 迮时电嚣 恁 圈5 43 4 0 6 3 内部结构圈 9 鞭动臂囊电擞t 奄蠢撞蠢 v + 地鞋婆艇栩饕 5 4 检测控制电路板图 图5 5 检测电路板正面图 图5 6 检测电路板反面图 第六章开关电源的设计与实现 6 1 开关电源简介 j f ：关电源( s w “c hm o d ep o w 日s “p p l y _ s m p s ) 刚以其高效率、小体积等优点 在当今通讯、航空、航天、工业自动化装置及仪器仪表等领域得到j “泛的应用。 什关电源是一种高频电源变换电路，采用直一交一直变换，能够高效率地产生 路或多路可调整的高品质的直流电压。半导体技术岛速发展所提供的高反压快速 开关晶体管o ”使无工频变压器的开关电源迅速实用化，而半导体技术的迅速发 展又为开关电源控制电路的集成开关控制器奠定r 基础，适用各类开关电源控制 电路的集成开关控制器应时而生，并迅速发展，克服了以往采用分离元件控制电 路的许多弊端，现在设计的开关电源大部分都采用集成开关控制器，其中 u n i 怕d e 公司牛产的u c 3 8 4 3 可编程p w m 控制器在实际设计中得到了广泛应 用。 6 2d c d c 变换器选型 根据电路是否具备电能回馈能力、输出端与输入端是否电气隔离以及电路的 结构形式等三个原则，：f 以将开关电源中的d c d c 变换器电力电子电路按图6 1 分类。 各利，不同的电路有各自不同的特点和应用场合。总的来说，非回馈型电路比 回镄型电路结构简单、成本低，而绝大数应用不需要开关电源具备回馈能山。因 此，非回馈型电路应用远比回馈型电路广泛非隔离型电路比隔离型电路结构简 单、成本低，但大多数应用需要开关电源的输出端与输入端隔离，或需要多组相 互隔离的输出，所以隔离型电路的应用较广泛。 互隔离的输出，所以隔离型电路的应用较广泛。 图6 1 开关电源分类 根据本系统中的要求，模拟导轨上的电压在儿伏，电流在毫安级别上，那么 补偿电流也在毫安级别上，开关电源的功率在十几瓦到几十瓦之间。由于反激型 电路的结构最为简单，元器件数少，因此成本较低，广泛适用于数瓦数十瓦的 小功率丌关电源中，经过电路的设计复杂性和成本大小的比较，决定采用隔离型 反激型电路。 典型单开关反激( f l y b a c k ) 型电路如图6 2 所示，该电路中的变压器在工作 中总是经历着储能一放电的过程。反激型电路分为电感电流连续和电流断续两种 工作模式，通过两种模式的对比，选取适合杂散电流补偿的电路。 + = 。 w l ! 研： u。； 一 s 图62 反激型电路的原理围 ( 1 ) 电流连续工作状态反激型电路工作于电流连续模式时，一个丌关周期 经历2 个肝关状态，电路中的波形如罔6 3 所示。当开关s 导通时，寿侧电流为 a b ，右侧为e g ，g h ，h f 。当开关s 断开时，右侧电流为d c ，e g ，g h ，h f 。 反激型电路中的变压器起着储能元件的作用，可以看作是一对相互耦合的电 感。 t o t l 时段：电路处于开关导通状态，v d 处于断开状态，绕组w 1 的电流线 性增长，其电感储能增加； t l t 2 时段：电路处于丌关断丌状态，绕组w 1 中的电流被切断，变压器中的 磁场能量通过绕组w 2 和二极管v d 向输出端释放。s 断开后的电压为 u 。砌+ 瓮u o 当1 。作于电流连续模式时输出、输入问的电压比为 丝：盟五：盟旦 u i n t t 啦 n l 1 一d 8 l ! ! ， 。匡玉兰! ， 毋 t 士三七士u i 图6 3 反激型电路工作于电流连续模式时的波形 ( 2 ) 电流断续工作模式此时电路在个开关周期内相继经历3 个开关状态， 电路波形如图6 4 所示。 状态1 ，开关s 导通，左侧电流从a b ，右侧为e g ，g h ，h f 。 状态2 ，开关s 断开，右侧电流从d c ，e g ，g h ，h f o 状态3 ，开关s 断开，电感电流为零。 t o t i 时段：电路处于开关状态1 ，s 开通后，二极管v d 处于断丌状态，绕 组w 1 的电流线性增长，电感储能增加。 t l t 2 时段：电路处于开关状态2 ，s 关断后，绕组w l 中的电流被切断，变 压器中的磁场能量通过绕组w 2 和二极管v d 向输出端释放，知道t 2 时刻，变压 器中的磁场能量释放完毕，绕组w 2 中的电流下降到零，v d 关断。 2 3 时段：电路处于开关状态3 ，绕组w 1 和w 2 中电流均为零，电容c 向 负载提供能量。 2 4 为 s jl l u 0 jl r t 也 刀。 0 jl r t l d 卜l 0 图6 4 反激型电路工作于电流断续模式时的波形 u i 稳态条件下，二极管v d 电流的开关周期平均值等于负载电流i o ，负载电流 如：丝 尺 如图6 4 中电感电流峰值为 弘半 而v d 的电流在一个开关周期内的平均值为 l = 委a ，。( 1 一d ) 电感电流连续的临界条件为 将上面两个式子待入，有 ，d ( 1 一d ) 2 乃 2 l 丝，些l ! 二堕塾 月一2 l 整理得 上，尘兰竖 尺乃2 式中，l 是从变压器二次侧测得的电感量。 反激型电路电流断续时的电压比为 踟fl 西。葡、i 式中 k ：l 通过两种模式电路的比较，会发现电路工作于电流连续模式时，其变压器磁 芯的利用率显著下降。在地铁杂散电流补偿电路中，采用断续模式更为妥当，但 在使用断续模式电路时注意，根据公式得出，输出电压随负载减小而升高，在负 载为零的极限情况下，u o 一一，这将损坏电路中的元器件，因此反激型电路不 应该工作于负载开路状态下。这个问题在后续部分有进一步的介绍。 因为反激型电路变压器的绕组w 1 和w 2 在工作中不会同时有电流流过，不 存在磁动势相互抵消的可能，因此变压器磁芯的磁通密度取决于绕组中电流的大 小，图6 5