（通信与信息系统专业论文）一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现.pdf

首都师范大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，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。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：如静月踟 首都师范大学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，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文进入学校图书馆被 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。 i、 学位论文作者签名：7 - i 中 日期：峭月g 同 首都师范大学硕士学位论文 一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 中文摘要 杂散电流对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及地铁主体结构钢筋等发 生电化学腐蚀，会产生严重的危害。因此防治杂散电流成为许多专业研究人员的课题， 本文针对地铁铁轨上产生的杂散电流，提出补偿技术，采用加入与地铁供电电流大小 相等、方向相反的一个补偿电流的方法，来减小或抵消在特定区间内产生的杂散电流。 本文结合杂散电流补偿的原理，从地铁杂散电流的研究入手，以开关电源为核心， 以补偿为目的，以实用为主，设计了一种可携带，不需要外接供电电源( 或电池) ，并 可随时显示补偿效果的杂散电流补偿装置。该种装置不仅能补偿地铁杂散电流，而且 对于石油，化工，燃气管道的杂散电流同样有补偿作用。 本文论述了该方案的整体设计、实验室杂散电流模拟装置及电流检测装置、介绍 了开关电源的基本原理和拓扑结构选择，详细阐述了开关补偿电源、a d 转换和显示部 分的电路设计以及测试实验结果等。对于开关补偿电源的主电路部分，特别是反激式 变换器设计、p w i v l 控制芯片选择、显示电路的设计进行了详细的阐述。最后对实验结 果，进行了必要的分析。 通过系统调试和实验结果分析，证明该补偿装置能够实现对杂散电流补偿和防治， 具有一定的补偿能力和稳定性，基本满足了实际需要。 关键词：杂散电流开关电源p w l v l反激式变换器 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 a b s t r a c t m e t r os t r a yc u r r e n tc a u s es e r i o u se l e c t r o c h e m i c a lc o r r o s i o ni nt h em e t a l p i p e l i n e s ，c o m m u n i c a t i o nc a b l ee p i d e r m i sa n dr e b a r si nc o n c r e t em a i ns t r u c t u r e b u r i e du n d e r g r o u n dn e a r b ym e t r o s op r e v e n t i n ga n dt r e a t i n gs t r a yc u r r e n ti s a n i m p o r t a n tr e s e a r c hp r o j e c tf o rm a n ys c i e n t i s t s w ea d dac o m p e n s a t i o n e l e c t r i c a ls o u r c et h a ti st h ea m o u n ti se q u a lt ot h ec u r r e n ti na p p o i n t e da r e a ， b u tt h ed i r e c t i o ni so p p o s i t e i nt h ea p p o i n t e da r e a ，t h em e t r o ss t r a yc u r r e n t w i l lb ed i s a p p e a ro rm i t i g a t e w ed e s i g nas t r a yc u r r e n tc o m p o s i t i o nd e v i c e ，i ti sp o r t a b l e ，a n dn o td e m a n d s e x t e r n a lp o w e rs u p p l y i na d d i t i o n ，i te q u i p sad i s p l a ym o d u l e i nt h i sw a y w e m a ym o n i t o rc o m p e n s a t i o nv o l t a g ea ta n ym o m e n t t h i sd e v i c en o to n l y c o m p e n s a t e sm e t r os t r a yc u r r e n tb u ta l s oc o m p e n s a t e st h es t r a yc u r r e n to f p e t r o l e u mp i p e l i n e so rg a sp i p e l i n e s t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h ee n t i r ed e s i g n 、t h es i m u l a t i o ns e to ft a bm e t r o s s t r a yc u r r e n ta n dt h em e a s u r es e to fm e t r o ss t r a yc u r r e n t 、i ti n t r o d u c e st h e b a s i ct h e o r yo fs w i t c h i n gs u p p l yp o w e ra n dt o p o l o g ys e l e c t i o n ，a n de x p l o r e r s t h ep r o c e s so fd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fs w i t c h i n gp o w e ri nl a b o r a t o r yi sa l s o i n t r o d u c e di nd e t a i1 a sf o rt h em a i np a r to fs w i t c h i n gp o w e r ，i np a r t i c u l a r ， m o r ed e t a i li nt h et r a n s f o r m e rd e s i g n ，p w mc o n t r o l l e rs e l e c t i o n 。a n da d c o n v e r s i o na n dd i s p l a ym o d u l e 。a tl a s t ，ia n a l y z et h et e s t i n gr e s u l t t h r o u g h t e s t i n gt h i ss y s t e ma n da n a l y z i n gt h ed a t a ，e x p e r i m e n t sp r o v e dt h a t t h iss w i t c h i n gp o w e rc o m p e n s a t i o nd e v i c ec a nc o m p e n s a t es t r a yc u r r e n ti ne f f e c t a n dt h i ss y s t e m sl i n e a r i t ya n ds t a b i l i t ya r ev e r yg o o d s oi tc a ns a t i s f y t h en e e do fr e s e a r c hw o r k k e yw o r d s ：m e t r o ：s t r a yc u r r e n t ：s w it c hin gp o w e r ：p 硼，f l y b a c k 2 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 第一章引言 1 1 地铁杂散电流的原因及危害n 1 地铁的运行方式多采用直流供电。在列车运行过程中以及负载不同情况下，走行轨 上会形成大小差别很大的工作电流。该电流绝大部分能经过走行轨流回电源的负极，而 总有一小部分从轨道与地面绝缘不良的位置泄漏到地铁道床及周围土壤介质中，形成杂 散电流，俗称地铁迷流 在某个区段的一股不太小的杂散电流，不仅可能使车站和区间隧道主体结构中的 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下又 受到电腐蚀的作用，如果是金属管道，就会在腐蚀点处变薄，久而久之，可能出现漏 洞，容留的液体、气体就会泄露出来，可能造成重大事故：如果是建筑物的钢筋局部 被腐蚀，建筑物整体强度就会降低，甚至会出现开裂、下沉、甚至更严重的事故。 1 2 杂散电流的研究现状m 地铁杂散电流防治问题目前已引起了国i 勾# l - 的重视，欧美各国、日本的铁路通讯和 电力部门的研究所及高等院校内均设置了专门机构从事这方面的研究。研究内容和方法 采用被动的“堵截”和“疏导”。具体从“控流”、“降阻”、“防流”、“排流”、 “收流”和采用高阻抗混凝土防护体系等六个方面着手： 一、控制和削弱杂散电流产生的根源，即所谓“控流” 二、降低地铁道轨单位长度上的电阻，即所谓“降阻” 三、对杂散电流作用加强防护，即所谓“防流” 四、为保护金属导体而采取的直接将导体上的电流排放到道轨而采取的防护措旌， 我们在此称其为“排流”。该方法又可细分为“直接排流法”、“选择排流法”、“强 制排流法”三种 五、除枕木穿孔固定用的钢筋外，在枕木以下的混凝土整体道床内，应设置杂散电 流收集钢筋网，收集由道轨泄露的杂散电流，即“收流”。 6 首都师范大学硕士学位论文 一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 六、采用高阻抗混凝土防护体系对修筑地铁的混凝土通过改变其组成、改善其内部 结构来提高它的绝缘和屏蔽性能，从混凝土材料本身来控制杂散电流。 通过对国内外专家研究成果的分析总结，我们显然可以得出：由于地铁走行轨泄漏的 杂教电流具有分散性和不可预测性，以前仅从“堵截”和“疏导”两个方面着手进行 研究。李永刚副教授在多年对地铁杂散电流研究分析研究的基础上，另外提出了一种 观念，即补偿的方法解决杂散电流，并对此做了大量的研究工作。 1 3 本课题的来源和研究内容 本课题是以李永刚副教授为项目负责人的北京市自然科学基金项目( 3 0 3 2 0 0 9 ) 北 京地铁杂散电流腐蚀防护研究的课题。该自然科学基金项目的研究内容是在实验室 制作一个模拟地铁直流供电环境的装置，利用地铁的物理实验室模型，杂散电流情况 的实时监测，利用特殊功能开关电源对模拟轨道分区进行电流补偿，从根源上抑制杂 散电流的产生，并讨论其工程防护方案的有效性。 7 首都师范丈学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 第2 章杂散电流实验室模拟装置的设计 2 1 轨道交通杂散电流的产生 地下金属 地下金属 图2 - 1 地铁杂散电流产生的示意图 图2 - 1 为地铁杂散电流产生的示意图供电系统为高压直流电，供电轨、走行轨分别 与高压直流电源的正、负极相连设定电力机车的牵引电流为，如果走行轨与地之间 完全绝缘，则全部电流都应该流过走行轨：而实际上走行轨与地之间不可能完全绝缘， 它们之间存在着多个电流泄漏点，形成如图所示的杂散电流石、五等，真正流过走行 轨的电流只为五，从图中可以看出，由于杂散电流没有规律，因此走行轨上不同部位的 回流五是不相同的通过各个泄漏点泄漏出来的和流回来的杂散电流也是没有规律的， 即形成杂乱的迷流，如果迷流五、五流过的区域有金属物体，则电流就会通过金属，每 一股流过金属物体的迷流都会在金属的表面形成一个电流流入点和一个电流流出点， 因为金属物表面的电流流出点直接与土壤接触，潮湿且呈现酸性或碱性的土壤充当了 电解质，于是电流流出点处的金属物就会被逐渐电解腐蚀，变成氧化物或盐类走行轨 与地之间的泄漏点越多，走行轨与地之问的绝缘电阻越小，土壤越潮湿，流入土壤中的 杂散电流与走行轨上流过的电流的比例就越大：同样，机车运行的电流越大、钢制的走 行轨本身的电阻越大，流入土壤的杂散电流的比例也就越大地铁列车的位置离走行轨 连接负极的距离越远，杂散电流产生的范围就越大 2 2 实验室模拟装置的设计嘲 由于已经运营的城市轨道交通系统正在承担着城市交通的重要角色，必须保证全 年安全、正点、可靠地连续运行特别是地下铁道系统的各种建筑结构和设施大多数深 埋地下是半永久性的城市轨道交通线路，一般在修建时都设计了良好的轨道绝缘、牵 8 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂教电流补偿装置的研究与实现 引回流系统及排流系统但是随着运营年代的增加，将不可避免地会出现轨道与道床 之间的绝缘老化。走行轨本身电阻自然增大、轨道接缝受损并受到积水、雨雪、导电粉 尘、油污等恶劣的外界环境影响，地下温度、湿度、土壤酸碱度、污染等地质条件都会 随时发生变化，使走行轨对道床的绝缘下降，导致杂散电流逐年增加，使周边设施遭受 杂散电流的腐蚀但是由于地下铁道的特殊环境，实际很难在现场进行实验，因此这类 课题的研究和实验，多数情况下往往要在实验室里进行，通过实验室中的地铁运行状况 的模拟实验装置取得重要的实验参数和结论 图2 - 2 是实验室模拟地铁杂散电流的产生和对地下金属腐蚀作用的实验装置即在 一个塑料或有机玻璃制作的容器内，按照地铁实际的采样结果充填一些腐蚀介质( 例如 土壤或食盐溶液) ，将几个阻值相等的电阻膏串联起来，代替走行轨，同时在每个电阻连 接点向下引出一段导线，将导线插入腐蚀介质中，在腐蚀介质里埋入一段金属物件( 一 般为铁) 当给实验电路加上直流电源后，代替走行轨且串联在一起的电阻斤就会有电 流流过，这个电流在串联电阻上形成一定的电压降该电压的存在，会形成流过腐蚀介 质的模拟杂散电流，该电流的一部分就会流经埋在其中的金属，金属在电流的作用下就 产生电腐蚀作用通过实时监测电源电压、总电流与杂散电流的大小，同时分析埋在土 壤里的金属腐蚀情况，就可以得到规律性的结论因为金属电腐蚀的结果需要经历一个 比较长的时间( 可以为几百小时甚至上千小时以上) ，所以如何长时间连续实时监测并 且记录下数据足实验成功的关键，也是科学地分析杂散电流电腐蚀过程的重要依据 电 图2 - 2 实验室模拟装置 2 3 模拟装置的电流数据采集 9 首都师范大学硕士学位论文 一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 图2 2 中的肋模拟地铁走行轨的分段电阻，如果其上流过的电流相等，则电流在每 个电阻厅上形成的电压也应该相等但是由于模拟装置中每个电阻之间连接点都向下 面的土壤或食盐溶液引出一段金属线，而土壤或食盐溶液的电阻率较小，必然会形成杂 散电流，可以看到土壤或食盐溶液中的杂散电流的通路是没有规律的当实验中向主 电路提供一定的直流电源f 时，流过模拟地铁走行轨的串联电阻上会有电流，同时还会 产生杂散电流我们可以通过分别采集暴露在土壤或食盐溶液上面的各个电阻霄上流 过的电流，当有杂散电流时，各个电阻詹上形成的电压降就会不同采集各个电阻詹上 流过的电流以及通过这些电流值计算杂散电流时，应该采用多点同时监测的形式为了 避免电平的偏移，在实验室模拟实验装置中，要对各个电阻斤上面的电压分别进行隔离 放大，将放大后的电压信号通过线性光耦的隔离，分别传送到多路采集a d 转换器的各 个输入端数据采集电路如图2 - 3 所示实验进行中，在计算机的控制指令的作用下，按 照预先设定好的总采样时间间隔，自动轮流对各路的电压信号采集一遍，经过a d 转换 器，再经过还原得到一组不同部位电阻厅上流过电流值的数据，同时将结果记录下来 由于埋在土壤或食盐溶液中的金属电腐蚀是缓慢地，因此要经过很长的实验过程，才能 得到金属电腐蚀的结果，所以整个实验过程中实验数据的变化缓慢，总采样时间间隔可 以为数小时采集一次，每次对各点进行的电压信号轮流采集可以问隔数秒在这个过程 中还要对总电源电压、总电流、温度、土壤湿度、土壤酸碱度等数据及其变化进行检 测并记录 图2 - 3 多路数据采集放大电路 l o 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 第3 章杂散电流补偿电路的设计 3 1 补偿装置原理设计 3 ，1 1 地铁杂散电流补偿系统总体示意图 图3 - 1 地铁杂散电流补偿装置总体框图 地铁走行轨作为机车供电回路的回流线，有很大的电流i 。通过，根据欧姆定律， 在轨道上电压差存在，轨道与地面的接触，就相当于对大地外加了一个电压源，一部 分电流就会流失，产生了杂散电流本题采用从轨道上的1 - 4 间取电压然后补偿给某 一段轨道2 - 3 的方式，只要轨道上有电流通过，而且达到一定的额度，开关电源就会 工作，在2 - 3 间加上大小相等，方向相反的电流i ，抵消i ，从而达到降低2 - 3 段 带来的腐蚀。前期的实验数据表明，电流的泄漏点在轨道上的分布是不均匀的，因此 2 - 3 段的选择应该尽量选择泄漏较为严重的区间。 3 1 2 补偿装置系统框图 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 图3 2 补偿系统原理框图 图3 - 2 是为本课题所设计的补偿系统的原理框图，本装置以开关电源为核心，主 要可分为反激式变换器部分，补偿部分，显示部分，p 删控制器部分，反馈部分。由 系统框图可以看出，本装置电源取于地铁自身的的电压，不需要提供另外的外接电源， 便于携带，而且加装拉显示部分，可以随时随地补偿，并且可以立即显示补偿效果。 下面我们从开关电源原理部分来分析设计本补偿装置。 3 2 开关电源的相关知识 3 2 1 开关电源的电路结构“习 开关电源的基本电路由“交流一直流转换电路”、“开关型功率变换”“控制电 路”和“整流滤波电路”等组成( 见图3 3 ) 输人的电网电压通过“交流一直流转换 电路”中的整流器和滤波器转换成直流电，该直流电源作为“开关型功率变换器”的 输入电流，经过“开关型功率变换器”将直流电转变为高频脉冲方波电压输出给“整 流渡波电路”，变成平滑直流供给负载，控制电路则起着控制“开关型功率变换器”工 作的作用 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 岛勺竺 塑 3 2 2 开关电源的分类“2 1 图3 - 3 开关电源原理图 开关型功率变换器是开关电源的主电路开关电源的能量转换，电压变换就由它来 承担。主要可分为推挽式开关型功率变换器，全桥式开关型功率交换器，半桥式开关 型功率变换器，单端正激式开关型功率变换器，单端反激式开关型功率变换器，快速 磁放大器式开关型功率变换器等，谐振式功率变换器等。其控制方法可分为脉冲宽度 调制( p w m ) 和脉冲频率调制( p f m ) 两种。 开关电源变压器是开关型功率变换器中的核心部件，其作用有：磁能转换、电压变 换和绝缘隔离，在开关晶体管的开关作用下，将直流电转变成方波施加于开关电源变压 器上，经开关电源变压器的电磁转换，将输人功率传递到负载，输出所需要的电压。 由于开关变压器的工作频率很高，因此它的体积和重量比工频变压器大为缩小，同时 变压器的分布参数亦不能忽略。开关变压器的性能好坏，不仅影响变压器本身的发热 和效率等，而且还会影响到开关电源的技术性能和可靠性。所以在设计制作时，对磁 心材料的选择，磁心与线圈的结构，绕制工艺等都要有周密考虑。 3 2 3 单极性开关电源变压器 单极性开关电源变压器即激励源是一个单向方波脉冲电压，单端正激式和单端反 激式变换器即属此类 开关变压器工作时，磁心中磁通沿着交流磁滞回线的第一象限部分上下变动，变压 器磁心受单向励磁，磁感应强度从最大值b m 到剩磁b r 之变化，见图3 4 1 3 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 单极性开关变压器由于磁心工作于其磁滞回线单象限，磁心损耗小，约为双极性开关 变压器的磁心损耗的一半。交变磁感应为a b ( a b = b , 一b ”) ，为了降低剩磁b r ，除了 可采用宽恒磁性材料外，一般采取磁路中加气隙的办法来降低剩余磁感应强度并使磁 化曲线倾斜，提直流工作磁场，见图3 4 曩 矗- 圹 蟊 ， 力 珂 图3 - 4 磁滞洄线 3 2 4 双极性开关电源变压器 双极性开关变压器可看成是方波激励的高频电源变压器，磁性材料工作于整个磁 滞回线，见图3 - 4 所示，变压器效率较单极性开关变压器相比高出一倍以上，适合大 功率电源采用。 双极性开关电源变压器要求磁性材料具有高的动态磁导率，较低的高频损耗。单 极性开关电源变压器要求磁性材料具有高的磁感应强度和较低的剩余磁感应强度，也 就是要求磁性材料具有大的脉冲磁感应增量 3 2 5 隔离与耦合技术“习 ( 1 ) 光电耦合技术 光电三极管的内部结构如图3 - 5 所示，从其特性曲线中我们就可以看出，当发光管 两端所加的电压达到u 时，通过光电接收管中的电流便可达到最大值i * 因此，当加在 发光管两端的电压信号在u o 到瞻之间发生变化时，光电接收管中流过的电流就会在0 到i 之间以近似于正比关系变化 1 4 首都师范大学磺士学位论文 一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 图p 5 光耦内部结构图及外部特性曲线 图3 - 6 所示的电路是由光电耦合器构成的反馈闭环控制回路的开关电源电路，该 电路的工作原理为，当输出电压升高时，流过光电耦合器中发光二极管的电流就会增加， 因而发出的光强度也会相应地增加，使光电耦合器中光电接收器的电流随之增加，最后 就会导致晶体三极管的集电极电流增加，功率开关v 基极的电流随之相应下降，这样就 缩短了功率开关v 的导通时间，使输出电压降低，实现了稳定输出电压的目的 图3 - 6 具有一路光电耦合的开关电源原理图 ( 2 ) 变压器磁耦合技术 与光电耦合技术相比较，变压器磁耦合技术的优点是可以采用单独的磁耦合变压 器来实现，也可以采用与功率开关变压器加工在一起的混合方法来实现，而且不需要 像光电耦合电路那样要另设供电电源。它的电路形式比较灵活，可以自行设计，其缺 点是加工起来比较麻烦，一致性较差。 首都师范丈学硕士学位论文 一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 l 图3 - 7 采用变压器磁耦合技术的开关稳压电源电路 3 2 6 反激式开关电源变压器工作原理 因为本补偿装置电压低，功率小，所以一般采用单极性开关电源的一种反激式变 换器结构。故本论文中主要介绍反激式变换器为主。 1 、基本电路 图3 8 为单端反激式开关电源的基本电路。当开关晶体管被激励导通时，输入电 压加到变压器初级绕组，初级绕组流过电流，由于变压器次级整流二极管反接，次级 绕组无电流流过，能量在变压器电感中以磁能的形式储存起来，当开关晶体管截止时， 变压器感应电压与输入电压反向，使整流二极管导通，变压器储存的能量释放出来， 供负载及电容充电。因此，这种电路输出是倒相型的。“4 图3 8 单端反激式开关电源的基本电路 单端反激式开关电源变压器输出电压不仅与初、次绕组的匝比有关，而且和导通 时间有关，由于在开关晶体管截止期间变压器绕组电感中储存的能量向负载释放，因 此，变压器初级绕组电感值不同将直接影响放电时间常数，并且对电路中的电压、电 流波形都有很大影响。图3 - 9 列出了电感为不同值时的电压电流波形。从图中可以看 出，电感越小，充放电时间常数越小，峰值电流放大。这不仅对开关晶体管等元件的 选择要求高，而且造成输出电压纹波增大，当电感过小时会造成负载电流不连续的间 断波形，电感电流不连续模式( 又称为d c m 模式) ，如图3 9 c 所示。 单端反激式开关电薄变压器初级电感大于临界电感时，在开关晶体管截止期间电感中 储存的能量并未完全释放，还储存一部分能量，见图3 - 9 。此时峰值电流小，纹波小， 1 6 首都师范大学硕士学位论文 一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 这种方式称为电感电流连续方式( 又称为c c m 模式如图3 - 9 a ) 但电感过大，造成变 压器体积增大，漏感上升和成本升高。因此，应根据负载的不同要求选择合适的变压 器初级电感 ，nr 、r 、卜、卜八人 厶。一一：，l ，1 从 图3 - 9 电感电压对电流的影响 2 、反激式变换器的几个主要考虑问题 储能能力：当变压器工作于c c m 方式时，由于出现了直流分量，需加气隙，使磁化曲 线向h 轴倾斜，从而使变压器能承受较大的电流，传送更多的能量。 fb s p 岷b p 锄 v e ：磁芯和气隙的有效体积。 或p ：l p * ( i 一f 2 - 一i r a 2 ) 式中i i 。为导通周期末，始端相应的电流值 由于反激式变压器磁芯只工作在第一象限磁滞回线，磁芯在交直流作用下的bh 效果与气隙的大小密切关联，如图3 一l o 1 7 妙 乳 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 墨jl 在h d c 2 时无气l b 曲和 胍缮篡 i | k 一誓嬲节j 妊磁烫罗一易缓缓照一 ：辕疋以 啊环么默。 矿 善 h 柏 h髓 也h o 口 图3 一l o 有无气隙时反激变压器磁芯第一象限磁滞回路 在交流电流下气隙对b a c 无改变效果，但对ah a c 将大大增加，这是有利的一面， 可有效减小磁芯的有效磁导率和减少原边绕组的电感。 在直流电流下气隙的加入可使磁芯承受更加大的直流电流去产生h d c ，而b d c 欲维 持不变，因此在大的直流偏置下可有效地防止磁芯饱和，这对能量的储存与传送都是 有利的。当反激变压器工作于c c m 时，有相当大的直流成分，这时必须有气隙。 外加的伏秒值，匝数和磁芯面积决定了b 轴上a b a c 值，直流的平均电流值，匝数和 磁路长度决定了h 轴上h d c 值的位置。b a c 对应了h a c 值的范围。可以看出，气隙 大ah a c 就大。如此，就必须有足够的磁芯气隙来防止饱和状态并平稳直流成分。 传输功率。由于磁芯材料特性，变压器形状，表面的热辐射，允许温升，工作环境等 的不稳定性，设计时不可把传输功率与变压器大小简单的做联系，应视特定要求作决 定。 原副边绕组每匝伏数应保持相同。设计时往往会遇到副边匝数需由计算所得数值 取整，而导致副边每匝伏数低于原边每匝伏数。如此引起副边的每匝伏秒值小于原边， 为使其达到平衡就必须减小t 。时间，用较长的时间来传输电能到输出端。即要求导通 占空比d 小于0 5 。使电路工作于d c m 模式。但在此需注意：若l p 太大，电流上升斜 率小，t 。时间又短( 5 0 = 很可能在“导通”结束时，电流上升值不大，出现电路没 有能力去传送所需功率的现象。可通过增加气隙和减小电感l p ，是自我限制作用不会 产生来解决。 1 采 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 电感值l p 。电感l p 在变压器设计初期不做重点考虑。因为l p 值影响开关电源的工作 方式。因此，此参数由电路工作方式要求作调整。l p 的最大值与变压器损耗最小值 是一致的。如果设计所得l p 大，又要求以c c m 方式工作，则正合适而如果要以d c m 方式工作时，则只能用增大气隙，降低l p 来达到要求，这样，就不会使变压器偏离设 计。 在实际设计中通过调整气隙大小来选择能量的传送方式( d c m c 0 4 ) 。若工作于d c m 方式，传送同样的能量峰值电流是很高的。工作中开关管t r ，输出二极管d 以及电容c 产生最大的损耗，变压器自身产生最大的铜损( 1 2 r ) 。若工作于c c m 方式，电感较大 时，电流上升效率低，虽然这种状况下损耗最小，但大的磁化直流成分和高的磁滞将 使大多数铁磁物质产生磁饱和。所以设计时应使用一个这种的方法，使峰值电流大小 适中，峰值与直流有效值的比值比较适中。只要调整一个合适的气隙，就可得到这一 传送方式。实现噪音小，效率合理的状况。 3 2 7 直流变换器中的功率开关 因为我们主要用到反激式变换器，所以只介绍反激式中所用的功率开关，在单管 它激式反激型直流变换器电路中，所使用的功率开关v 1 必须满足三个条件，即在功率 开关v l 截止时，集电极要能够承受得住功率开关变压器初级绕组上所产生的反向电动 势的尖峰电压：在功率开关v 1 导通时，集电极与发射极之间要能够经受得住功率开关 变压器充电电流的尖峰值，在功率开关v 1 介于导通与截止和截止与导通的临界状态时 功率开关v 1 要能够承受得住由功率开关v l 的漏电流和电压降所产生的功率损耗 功率开关v 1 截止时，集电极所能承受的反向尖峰电压值，可由下式计算 r ，一旦 。“一i 一 式中u 。为输出直流电压，n 。为功率开关v 1 的最大占空比，即功率开关v l 导通时间 与工作周期时间之比，为了保证功率开关v 1 集电极的安全电压，最大占空比应设计得 相对低一些，一般要低于5 0 ，也就是要保证d _ 。 o 5 ，在实际应用中d - 。一般均取0 4 左 右，这样一来，就可以将功率开关v 1 集电极的峰值电压限制为u 。一 2 2 u 。，。 功率开关v l 导通时，集电极与发射极之问要能够经受得住的峰值电流，主要是功 率开关变压器初级绕组的充电电流，可由下式计算 驴m 等 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 如果输出功率凡。和最大占空比k 是已知的，那么功率开关v 1 导通时，集电极与 发射极之间要能够经受得住的峰值电流还可以由下式计算 i ：兰丝坐旦 。u i n d m a x n p 功率开关v 1 介于导通与截止的临界状态下，所能承受的由于功率开关v l 漏电流和 电压降所导致的功率损耗的计算是较为复杂的，实际应用中为减小和降低这种损耗常 采用以下几种方法。 ( 1 ) 选择高速度的功率开关 ( 2 ) 驱动信号方波的上升沿和下降沿一定要陡 ( 3 ) 对于g t r 型功率开关，驱动电路一定要加加速电容，使功率开关进入饱和导通的速 度要快，对于m o s f e t 型功率开关。驱动电路一定要加泄放电阻，使功率开关从饱和状态 退出而进入截止状态的速度要快 ( 4 ) 功率开关变压器的初级绕组两端应外接吸收电路，使功率开关集电极所产生的尖峰 电压不超标。m 1 3 3 开关电源变压器的设计 3 3 1 功率控制电路的设计注意事项 功率处理电路分为a c - a c ，a c - i ) c ，d c d c ，d c a c 四类。其中d c d c 主要是改变和控 制输出电压幅度，a c - d c 是控制输入的交流电流，输出的直流电压。d c - a c 主要是产生 幅度和频率可控制的正弦波， c - a c 用于改变输入电压的幅度和频率。本文主要针对 d c d c 作产品。 对功率系统而言，高效率是必须的要求，效率也是衡量一个开关电源性能的主要 指标之一。开关电源除了要求自身损耗小，还要求小尺寸和能高可靠的工作。小尺寸 和轻重量一直是电源发展所最求的目标。 如果要讲适合电路设计，在信号处理电路中，应该尽量避免使用磁性元件。磁性元件 的运用将造成信号的失真和衰减。但在功率处理电路中，出于效率的考虑，应该尽量 避免使用电阻和其他线性元件( 如工作在放大状态的半导体元件) 。 3 3 2 高频变压器 首都师范大学硕士学位论文 一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 使用变压器首先是隔离开输入和输出，使电源的使用符合安全规范的须要变压 器次级绕组匝数的不同。也可以同时提供不同的电压。现在为了减少变压器的体积， 一个主要的方法就是提高电源的工作频率，和使用磁集成器件。 ( 1 ) 磁化曲线和磁滞洄线 b b m a x b r 一一一， 徭尝f 上 f h c h f 图3 - 1 1 变压器磁芯的磁化曲线和磁滞洄线 如图3 一l l ，作为正激和桥式变换器，大都工作在区域l 和2 。这两个区的特点是： 外磁场很小，并且磁化过程是可逆的。对1 区有b = u 。h ，u 。为起始磁导率，显然是线性的。 对输出功率不大、频率不高的电源变压器，可以极为精确的计算工作时的b 值。在2 区有b = u 。h + b h 2 。其中b 为瑞利常数。这个区已经不是线性的了，但磁化过程仍然可 逆。通常针对这两个区，在工程应用上我们仍然取近似公式：b = u ，h 。由于可逆，故正 激变换器几乎没有磁滞( 实际上由于工艺等原因，仍然存在不可逆磁化，仍有磁滞，只 不过比较小) 。对于输入输出相同的电源，若分别采用正激和反激拓扑，只要工作频率 相同，正激变压器的效率一定高于反激变压器 对于反激变压器而言，其工作区域是1 ，2 ，3 区。其中3 区属于不可逆磁化区这 个区域是磁滞的主要形成区，故反激变压器定有磁滞损耗的成分。它是工作在中等磁 场范围内，此时当磁场的变化范围很小时，b 的变化十分显著，其磁导率迅速增大并 达到最大值，这个区也是最大磁导率区。显然l ，2 ，3 各区的磁导率并不相等。但在变 压器的参数计算时，我们采用公式b = u 脚。其中u 。为有效磁导率，使将1 ，2 ，3 中的b 一一h 曲线等效为一根直线得出的b 和h 的比值。需要说明的是这个式子适应于以d c m 方式 工作的反激变换器。以c c m 方式工作的反激变换器，精确的计算须使用增量磁导率。 2 1 线 首都师范大学硕士学位论文 一种地铁杂散电流朴偿装置的研究与实现 正激变换器中的储能电感的计算同样要考虑d c m 方式使用u ，c c m 方式使用增量磁导 率 对于最大磁滞洄线。磁化过程不能按原路返回，则必然有能量的消耗，磁化一周 消耗的功率就等于磁化曲线包围的面积。为降低功耗，我们在选择磁芯时，总是希望 磁滞洄线越瘦越好。这样才更近似于一条过坐标零点的直线。当用公式b = u 1 i 时，才 更接近实际情况。由于b - - u h 是个近似的公式，而磁芯的b m a x 又是随温度的上升而降 低，因而在设计变压器时a b 值一定要留有余量。( d c m 方式通常不应超过其标称b m a x 值的2 3 ，注意这个值对应产品可能工作的最高温度) ，如果该值余量不大，电源过流 保护的流限延迟，也必须考虑。通常情况，一个设计正确的电源，满负载情况下，在 全电压输入范围内开环工作，变压器的磁芯是不会饱和的。 对于变压器而言，如果所有的次级绕组都不相连，则初级就相当于一个电感，流 过初级的所有电流，都是磁化电流在直流状态，变压器相当于短路元件，不能传递能 量，当磁化电流很大时，变压器将饱和，此时，传递能量的效率急剧下降在实际的工 程测量中，测量某个绕组的漏感，一般把其他绕组全部短路进行测量。 次级绕组开路时的初级电流即为励磁电流。相应次级开路时的初级电感则可近似认为 是励磁电感。对于一个固定的变压器，励磁电流主要决定于施加在初级上的电压，而 励磁电感是一个真实的电感，理想变压器仅仅是一个传递能量的黑盒子。 对于正激变压器和类似正激变压器工作的变换器，必须要有磁复位，励磁电感通过复 位电路，实现伏秒平衡反激电源不须要磁复位，因为，反激工作的过程，本身就是一 个磁复位的过程。常见的复位电路有l j c 谐振复位，r c 或r c d 复位，有源钳位，单绕 组复位。 ( 2 ) 气隙的控制 对反激变压器，本质是个电感其全部电流都为励磁电流，由电感的储能公 式：w = 三2 知，要增大其储能，表面看来可采用两种方式：第一，增大电感量( 即增 2 加匝数) 。这样变压器的体积会大大增加，还有一个问题是，由于磁芯的x b m a x 不变， 则最大工作电流必然减小，所以采用增大电感量来增加储能是不明智的。第二，就是 增加工作电流。电流对磁芯储能的贡献却成平方倍增长，导致最终，磁芯总储能的增 加。 虽然开气隙后的磁导率小于未开气隙时的磁导率，但到达磁芯磁化饱和的磁场强 度( 与电流成正比) 却大大增加了。有利于储存更多的能量。加气隙后磁阻的增大，必 2 2 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂敌电流补偿装置的研究与实现 然增加漏磁，尤兵是在气骤的周围如果萤藏小精感则线豳司亘摄绕征气i 艰上，但茌气 隙周围的线圈将处在很强的变化磁场中，会在导线中产生局部涡流，长时间后会把漆 包线烧变色对于气隙分散的铁粉心，减小漏感的最佳方式是分散的均匀的绕满整个 磁芯通常的气隙长度为0 2 m m - - l m m 之间 关于变压器气隙的计算表达式 首先根据磁路欧姆定律： = 筹 ， n 为线圈匝数，毗为磁阻，n i 为磁位势( 类似电动势) 有磁介质时磁场的安培环路定理 由安培环路定律有：4 h d l = n i ，代入有， 4 ：旦：b e s e 口= 一2 。 r m 西：n 1 = z o t t , h s , r m b e = o i t e h le=itopeser ， 可得磁阻的表达式： 2 l e , u o a e _ d e 由开气隙的磁路知，总磁阻等于材料磁阻与气隙磁阻的和，即：总磁阻= 材料的磁 阻+ 气隙的磁阻。由于材料的磁导率远大于气隙的磁导率。所以材料的磁阻远小于气隙 的磁阻，故而忽略掉材料的磁阻。 即：r m ： 丝 ： ! 塑 + ! l l a o l a e s ep o p 忱s e # l o s e 上式砌* 去肌彪= m 由电感的储能公式： 扣2 = 1 n 1 b s e 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 由安培环路定律： 导出1 9 n lb k p t p e lp i t 2 芮 胁为真空磁导率：4 n x l 0 e - 7 i 即i 。初级峰值电流 b 即b s 额定工作中的磁感应强度值 s e 即a e 有效截面积 ( 3 ) 漏感的控制 弋_ + 1 2 7 _ j 一1 一 i 堑 专 ， 弘f 、 l 一 l r ， | i 励源 a “ 一 磁麓 图3 - 1 2 实际变压器中的磁链分布 图3 - 1 2 为一个双绕组的变压器，n p 为初级，n s 为次级。丸为初级偶合到次级的 磁通量，而妒。和妒。：则为没有彼此偶合的磁通量，即为漏感。由于初级漏感的存在， 将延迟一段时间后，再向次级传递能量实际使用中，变压器有两种绕法：顺序绕法和 夹层绕法。这两种绕法对e m i 和漏感有不同的影响。顺序绕法一般漏感为电感量的5 9 6 左右，但由于初，次级只有一个接触面，耦合电容较小，所以e m i 比较好。夹层绕法 一般漏感为电感量的卜3 左右，绕组顺序：夹层绕法一般是先初级，后次级的1 2 一i 3 变压器形状：长宽比越大的变压器漏感越小但由于初，次级只有两个接触面，耦合电 首都师范大学硕士学位论文一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 容较大，所以e m i 比较难过。一般3 0 - 4 0 1 以下，功率不大，漏感能量还可以接受，所 以用顺序绕法比较多，4 0 w 以上，漏感的能量较大，一般只能用夹层绕法。 图3 一1 3s m p s 中电感电流的实际分布 图3 1 3 显示初级漏感的存在导致能量的传递延迟了一个a t 的时间。实践经验表 明，当把漏感控制在0 5 9 6 0 8 9 6 时，电源整机的效率显著上升，e m 工测试中，传导 和辐射也会留有更多的余量。这是因为，漏感小后，m o s 关断时d _ s 端的震荡波形的 幅度会减小，而这是最重要的干扰源，小了干扰能量会降低，同时，漏感的减小缩短 了能量传递的时间，效率当然会上升。经验值为：顺序绕法( 先初级，后次级) 一般漏感 为电感量的5 左右。三明治绕法，一般在3 以下，用屏蔽好的磁心和绕线顺序可达 1 以下。 ( 4 ) 反激式电源的控制过程分析 在反激电源中，初级电流和次级电流实际是没有突变的，理论上，初级绕组的电 流和次级绕组的电流经过磁偶合顺利过度，各绕组自身的电流是可以突变的，但实际 如上图，是没有突变的。详细的工作过程如下：m o s 关断后，初级电流给m o s 输出电容 和变压器杂散电容充电( 实际杂散电容放电，为简单，统一说充电) ，然后开关管的d s 端电压谐振上升，由于电流很大，谐振电路q 值很小，所以基本上是线形上升，当d s 端电压上升到在次级的电压达到输出电压加整流管的电压后，本应该次级就导通，但 由于次极漏感的影响，电压还会上升一些来克服次级漏感的影响，这样反映到初级的 电压也略高于正常反射电压，在这样条件下，次级电流开始上升，初级电流开始下降， 首都师范大学硕士学位论文 一种地铁杂散电流补偿装置的研究与实现 但不要忘记初级的漏感，它由于不能偶合，所以它的能量要释放，这时是漏感和m o s 输出电容，变压器杂散电容谐振，电压冲高，形成几个震荡，能量在嵌位电路消耗掉， 注意，漏感的电流始终是和初级电流串联的，所以漏感电流的下降过程就是次级电流 的上升过程，而漏感电流的下降过程是由嵌位电路电容上的电压和反射电压的差来决 定的，此差越大，下降越快，转换过程越快，明显效率会提高，转换的过程是电压电 流叠加的过程用r c 做吸收时，由于稳态时c 上的电压和反射电压差别不是太大，所 以转换过程慢，效率低，用t v s 做吸收时，其允许电压和反射电压差很多，所以转换 快，效率高，当然r c 也比t v s 耗电，但价格便宜 当电源采用r c d 作为吸收回路时，在次级电流建立的过程中，加在电容上的直流 电压不是( ( n * ( y o 十v d ) ) ，一定会比这个电压高。r c d 吸收回路吸收的能量，由两部 分组成，一部分是漏感的能量，还有一部分是初级电感储能。r c 时间常数如果是开关 周期的i i 0 到1 5 那损耗就会很大，在反激过程中，将会大量的吸收次级的能量， 造成电源效率的降低。