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首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 中文 摘 要 本文主要针对地铁铁轨上产生的杂散电流而设计了一套补偿方案， 用以减小地铁杂散电流，从而减轻其对周围建筑物等的腐蚀、破坏作 用。 本方案采用了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、补偿电源的选择、补偿电源取样电路的设计、针对不同情况的 测试结果及分析、最后结合测试结果对真实环境中应用本方案进行了分 析。本文的重点是补偿电源与测试分析部分。 补偿电源选择了d h 1 7 1 9 型直流稳压稳流电源，根据实验室模拟装 置和此电源设计了电源采样电路。 本文针对真实环境中的地铁列车运行情况和杂散电流存在的实际状 况，对三种采样与补偿区间进行了模拟和测试。从测试结果来看，本方 案是可行的，采用本方案设计的补偿电源装置能够有效减小实验室地铁 模拟装置中杂散电流。 关键词:杂散电流 补偿 电源 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 abs t r a c t t h i s a r t i c l e i s m a i n l y a b o u t a n e w m e t h o d t h a t c a n c o m p e n s a t e t h e m e t r o s s t r a y c u r r e n t a l o n g w i t h t h e r a i l o f s u b w a y . u s i n g t h e m e a n s o f t h i s m e t h o d , w e c a n m i t i g a t e t h e e r o d e d e g r e e o f t h e n e a r b y b u i l d i n g s b y t h e me t r o s s t r a y c u r r e n t . we a d d a c o m p e n s a t i o n e l e c t r i c a l s o u r c e t h a t i s t h e a m o u n t i s e q u a l t o t h e c u r r e n t i n a p p o i n t e d a r e a , b u t t h e d i r e c t i o n i s o p p o s i t e . i n t h e a p p o i n t e d a r e a , t h e m e t r o s s t r a y c u r r e n t w i l l b e d i s a p p e a r o r m i t i g a t e . t h i s a r t i c l e d i s c u s s e s t h e e n t i r e d e s i g n , t h e s i m u l a t i o n s e t o f l a b me t r o s s t r a y c u r r e n t a n d t h e m e a s u r e s e t o f m e t r o s s t r a y c u r r e n t , t h e c h o i c e o f t h e c o m p e n s a t i o n e l e c t r i c a l s o u r c e , t h e s a m p l i n g c ir c u i t d e s i g n o f t h e c o m p e n s a t i o n e l e c t r i c a l s o u r c e , t h e t e s t r e s u l t a n d a n a ly s i s , a n d s o m e a d v i s e w h e n u s i n g t h i s m e t h o d i n r e a l e n v i r o n m e n t . t h e k e y s t o n e o f t h i s a rt i c l e i s t h e c o m p e n s a t i o n e l e c t r i c a l s o u r c e , t h e t e s t r e s u l t a n d a n a l y s i s . we c h o o s e d h 1 7 1 9 e l e c t r i c a l s o u r c e a s t h e c o m p e n s a t i o n e l e c t r i c a l s o u r c e . we d e s i g n t h e s a m p l i n g c i r c u i t a c c o r d i n g t o t h e s o u r c e a n d t h e s i m u l a t i o n s e t o f l a b m e t r o s s t r a y c u r r e n t . we t e s t t h r e e i n s t a n c e s a c c o r d i n g t o t h e m e t r o s s t r a y c u r r e n t a n d t h e t r a i n i n r e a l e n v i r o n m e n t . f r o m t h e r e s u l t o f t h e t e s t , w e c a n c o n c l u d e t h a t t h i s m e t h o d i s w e l l w o r k i n g a n d i t c a n m i t i g a t e t h e m e t r o s s t r a y c u r r e n t p r o d u c e d 勿 t h e l a b s i m u l a t i o n s e t . ke y w o r d s : m e t r o s s t r a y c u r r e n t , c o m p e n s a t i o n , e l e c t r i c a l s o u r c e a 都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 李 言 1 -p 己i 谧 岁 j 刁 了jl止 干 4 1 r 1 . 1 课题来源 本题是李永刚副教授北京市自 然科学基金课题 “ 北京地铁杂散电 流腐蚀防护研究” ( 项目号:3 0 3 2 0 0 9 )的一部分。 1 . 2 杂散电流的形成原因 地铁迷流， 又称地铁杂散电流( m e t r o s t r a y c u r r e n t ) ， 主要是指由 采用直流供电牵引方式的地铁列车在地下铁道运行时泄漏到道床及其周 围土壤介质中的电流。 国内北京、天津、上海、广州和香港地铁均采用直流电力牵引 ( d c - p o w e r e d t r a n s i t s y s t e m ) 的方式。在这种供电 方式当中 ， 列车直 流牵引系统采用正极接接触网， 而走行轨兼作负极回流线。在地铁建成 并投入运营的初期， 走行轨与道床之间的绝缘程度较高， 即轨、地过渡 电阻值较大， 由走行轨泄漏到土壤介质中的迷流也较少。但是随着地铁 运营时间的推移， 由于受到不可避免的污染、潮湿、渗水、漏水和高地 应力作用等因素的影响， 使地铁车站以及区间隧道中的轨、地绝缘性能 降低或先期防护措施失效， 势必增大了由走行轨泄漏到土壤介质中的杂 散 电 流 ， 即 迷 流 。 d i 1 . 3 杂散电流的危害 北京地铁一期工程 1 线中的木裤地至崇文门段， 其轨 值最高为 7 4 . 1 5 2 k m ， 而最低为0 . 1 6 0 k m ， 后者仅是前者的 地过渡电阻 2 2 % ， 二期工 程环线中最高区段为5 8 . 9 0 k m ， 最低区段为0 . 8 4 9 0 k m ， 后者仅是前者 的1 . 4 4 % ， 很显然如此低的过渡电阻区段必然会泄漏很大的杂散电流。 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 北京地铁采用d c 7 5 0 v 直流电压牵引， 实测结果表明， 列车在启动和运行 时流入地下的迷流值一般要大于 1 0 0 a 。而上海地铁采用额定电压为 d c 1 5 0 0 v 的直流供电 系统， 虽然牵引电 流数量减小，也同样会形成一定 数量的迷流。 ， 地铁迷流的存在对地铁周围的埋地金属管道、通讯电缆外皮以及 车站和区间隧道主体结构中的钢筋发生电化学腐蚀， 这种电化学腐蚀不 仅能缩短金属管、线的使用寿命， 而且还会降低地铁钢筋混凝土主体结 构的强度和耐久性， 甚至酿成灾难性的事故。如香港曾因地铁迷流引起 煤气管道的腐蚀穿孔， 而造成煤气泄漏的事故。2 1 迷流对埋地管线和地铁沿线的建筑物危害非常巨大，因此研究如 何有效地减少地铁迷流具有非常深刻的理论和实际意义。 1 . 4 杂散电流研究现状 迷流的影响目前已引起了国内外的重视，欧美各国、日木的铁路 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。 国内外采取的措施有:排流保护法，走行轨降阻与杂散电流收集 法， 2 ， 管道外涂层法等。, 排流保护法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， 从而相当于将 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。幻 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”的联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 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电 流模拟装置电 源补偿的实现 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mg 等) 。 降低走行轨的阻抗和提高轨、地之间的绝缘性能可减少由走行轨 泄漏的 杂散电 流数量。(2， 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， 应设置迷流收集钢筋网，目的在于收集由走行轨泄漏 出的杂散电流， 并由此将杂散电流排流回到供电所的负极。 埋地钢质管道的外腐蚀主要是电化学腐蚀， 采用外涂层的方法可减 少或阻断腐 蚀电 流， 减缓腐 蚀的 发生。 la l 目 前， 国内 外 用于埋地管道的 外 防腐层主要有六种， 即: 石油沥青、聚乙烯胶带、聚乙 烯夹克、熔结环氧 粉末、煤焦油瓷漆、环氧煤沥青。这六种防腐层在我国已有相应的国标 和行业标准。 广州地铁一号线在杂散电流防护设计中首先是采用加大钢轨泄漏 绝缘电阻， 防止泄漏; 其次针对广州地铁土建结构设施的情况， 形成整体 杂散迷流通道， 进行排流。ls j 1 . 5 本课题的研究内容 t .对地铁杂散电流进行分析研究。 z . 提出实验室地铁杂散电流模拟装置的补偿方案。 根据真实环境下地铁杂散电流产生的原因，通过比较分析， 研究出对地铁杂散电流进行补偿的原理。 根据以上分析出的补偿原理，在项目 组成员前期工作的基础 上，提出实验室环境下可操作的杂散电流地铁模拟装置中产生的 杂散电流的补偿方案。 3 . 实验室条件下对此补偿方案进行分析和研究。 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 1 . 6 本课题的意义 本课题作为 “ 北京地铁杂散电流腐蚀防护研究”的子课题，提出 了实验室地铁杂散电流模拟装置的补偿方案，为下一阶段的实验做好准 备，为这个北京市自 然科学基金项目圆满完成做出工作，也为在真实环 境下的杂散电流补偿提出了设计方案及实验数据。 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 第2 章 实验设计 2 . ， 实验室地铁杂散电流模拟装置的设计方案 根据对其它多种地铁杂散电流防治方案的研究，本课题提出了实 验室环境下的地铁杂散电流模拟装置的设计及补偿方案。 2 . 1 . 1 方案的设计思想 针对北京市地铁现状，设计了以下方案来减少地铁中的杂散电 流:在地铁机车的走行轨增加补偿电源，这个补偿电源的电流与地铁 机车的回流大小相等，方向相反，以使走行轨的电流量降低或消失。 这样，即便产生地铁迷流，它的强度也大大减弱了。如图2 . 1 所示。 列车回流方向 + 地铁走籽轨 补偿电流方向 + 补偿电源 图2 . 1 本方案的设计 思想 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 2 . 1 . 2 方案的总体设计 第一，在实验室环境下对地铁列车运行环境进行模拟，模拟出铁 轨及铁轨上泄漏的杂散电流。 第二，对这套模拟装置进行检测，检测出泄漏的电流强度。 第三，对泄漏出的电流进行补偿。加上一个与模拟铁轨上泄漏电 流大小相同，方向相反的电流，抵消泄漏电流。 还需要对补偿电流接入点的测量与分析。 2 . 2 实验室地铁杂散电流模拟装置的设计方案的分析 北京地铁采用7 5 0 v直流牵引 供电 方式 5 ， 根 据北京地 铁公司实 测 结果6 1 ， 北京地铁迷流的最大值可达2 2 0 a -3 2 6 a . 由于真实环境中地铁铁轨上的电压、电流强度大，在实验室环境 中若采用相同强度的电压及电流具有高度的危险性。因此，本课题采用 仿真的方式，用较小的电压及电流，对真实环境的铁轨及其泄漏电流进 行模拟。 本课题所采用的杂散电流补偿方案:在铁轨泄漏点加入补偿电 源，这种补偿方式可以把杂散电流的监测与防治有效的结合起来，从而 弥补了其他方案的不足。 以下各章分别讨论本设计方案的具体实现。 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 第3 章 模拟装置及电流检测 3 . ，实验室环境中地铁运行环境的模拟 本课题所提出的地铁杂散电流补偿方案是在实验室环境下来模拟 地铁列车运行环境、补偿杂散电流、以及测量、分析的。因此，首先， 我们需要对地铁列车运行环境进行模拟。我们做了以下工作来完成环境 的搭建工作。 3 . 1 . 1 地铁铁轨的模拟 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，并作了一些假设: 1 )走行轨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。 实验室的轨地电路模型可以如图3 . 1 所示。 r r 模拟单位长 度的走行轨纵向电阻 r i - r , 模拟轨地过渡电 阻， 假设它们是 等值的 图3 . 1 地铁轨地电 路实验室模型 模拟轨道采用5 0 q 大功率电阻r r 焊接而成，在焊接点处用螺线柱 固定，在该点焊接1 o c m长铜丝替代轨地过渡电阻，用于试验中插入模 拟地铁装置杂散电流泄漏介质中，作为杂散电流泄漏途径。 首都师范大学硕十学位论文实验室地铁杂散电 流模拟装置电 源补偿的实现 3 . 1 . 2 地铁杂散电流泄漏环境的模拟 在本课题中，对于模拟地铁杂散电流泄漏环境进行了简化:在一 个 塑料或有机玻璃制作的容器内，充填一些腐蚀介质 ( 例如土壤或水)， 在实验轨道模拟电路加上一定数量的直流电源电压，除了有流过大功率 电阻的电流以外，还有通过模拟轨地过渡电阻和介质电阻形成回路的杂 散电流。 我们采用一定浓度的盐溶液作为介质，模拟杂散电流的存在环境。 利用盐溶液( 浓度1 fi n ) 作为模拟装置的杂散电 流存在环境，克服了 利用 土壤盐分和湿度条件难以还原的缺点，使实验可以反复进行，实际实验 中也取得了良 好的实验效果。 3 . 1 .3 地铁供电电路的模拟 地铁直流牵引 供电 系统为高压直流电 ( d c 7 5 0 v / d c 1 5 0 o v ) ， 供电 轨 接直流电源的正极，走行轨兼作回流线，接直流电源的负极，实验室模 拟供电系统用wy k - 3 0 3 b 2 型直流稳压电 源，进行直流供电，出于安全 用电考虑，供电电压值选择在d c 5 -1 5 v之间。 3 . 1 . 4 模拟装置的实现 在实际的模拟装置中，正极和负极 ( 供电电压5 -1 5 v)直接接到 模拟轨道上， n a c l( 浓度 轨地模拟过渡电阻 ( 铜丝)伸入泄漏介质中，容器内盛 1 %)盐溶液。实际的模拟装置框图如图3 . 2 所示。 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 直呢电翻r 全月伤 花 r 9- ， 砂 ， r 栩拟沉兰 - 日士士 去 任 图3 . 2 模拟装置框图 3 . 2检测 地铁运行环境的实验室模拟装置己经搭建完成，我们需要对在模 拟轨道上产生的电流进行检测。 我们采用了如图3 .3 的电路对模拟装置上的电流进行测量。 隔离 放 大 r ,3 离 放大 隔离 放 大 隔离 放 大 多路采集a / d 转换器计算机 图3 j测量装置 我们用从模拟轨道上表示轨道电阻的r i - r . 上取得电 压，由于实 际上r i - r 。 的阻值己知，所以可以用其换算得到相应的电流。将取到的 电压经过隔离放大电路传到多路采集a i d转换器，然后送往计算机处 理 。 计算机处理采样数据是采用的是wi n d o w s 操作系统， 采样处理程 序由v b语言实现。 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 3 . 3利用模拟装置验证本补偿方案的可行性 对于本课题所提出补偿方案的可行性，我们用模拟装置进行了验 证。验证装置的框图如图3 .4 所示。 铁轨供 +一 隔离放大 模拟铁轨 ( 共a 组 ) rl r2 r3 反向补偿电源 图3 4验证装置框图 验证装置利用了本装置中的模拟铁轨、供电电路、电流检测装 置，然后在模拟轨道上加入另一电源提供的电流，此电源称为反向补偿 电源。反向补偿电源提供的电流加在模拟铁轨上，与模拟轨道的供电电 源的电流方向相反，实际操作时根据需要把电流加在不同轨道电阻 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 ( r i -r 8 ) 上。 在使用验证装置测试时， 模拟铁轨是悬空的，也就是 说没有将轨地模拟过渡电阻 ( 铜丝)放到盐溶液中。 当模拟铁轨的供电电源电压为 1 2 v时，共测试了两种情况下的数 据:反向补偿电源供电电压为0( 即未加入反向补偿电源);反向补偿 电 源电流加到r 4 , r 5 , r 6 上，调解反向 补偿电源的输出电流使r 4 , r 5 , r 6 上的电压为0 。表3 . 1 为这两种情况的测试数据，数据由万用 表测得，取的是多次测量的平均值。每个通道的数据对应相应电阻上的 电压值。 表3 :供电电 源 1 2 v时测试数据 v6c r7 v t ( i 通 道) v 2 ( 2 通 道) 灼 ( 3 通 道) v 4 ( 4 通 道) v 5 ( 5 通 道) v 6 ( 6 通 道) v 7 ( 7 通 道) v 8 ( 8 通 道) 未加入 1 . 4 91 . 4 91 . 4 9 1 . 4 夕1 . 4 91 . 4 81 . 4 91 . 5 0 加到r 5 . r 6 . r 7上 2 . 3 82 . 3 72 . 3 90002 . 3 7 2 . 4 0 为了进一步验证本方案的可行性，又测试了模拟铁轨的供电电源 电压为8 v时的数据。同样，测试了两种情况下的数据:反向补偿电源 供电电压为o v ;反向补偿电源加到r 4 , r 5 , r 6 上， 调解反向补偿电 源的输出电流使 r 4 , r 5 , r 6 上的电压为0 。表 3 .2 为这两种情况的测 试数据，数据取的是多次测量的平均值。每个通道的数据对应相应电阻 上的电流值。 表3 .2供电电源8 v时测试数据 v;r i.) 的电 压源理 解为电 流源。 18 1 对于理想的 电流源， 原电流i k 随时间恒定且具有内阻r i = -。 这类电流源称为恒流 源。 在许多场合下， 为了描述电流源而使用了电流源等效电路， 如图 5 . 1 所示。 i |卫窗.， 方 |.|上百.， 三.| 鱼拍 孙 rl 图5 . 1 电流源等效电路 从始终给出相同电流i k 的原电流源出发，这个电流的大部分流过 负载电阻r l ， 剩余部分则流过r i . 内阻r 和短路电流i k 用来评价电流源。 5 . 2 补偿电源的要求 针对本方案，我们由图4 . 1 可以看到，适合作为本方案补偿电源的 电源，应具有一些特点: 1 .补偿电源的输出电流要随着控制信号的变化而变化; 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 . 补 偿电 源的 输出 电 流 为 小电 流 ( 0 -1 0 0 m a ) .补偿电源要足够灵敏，对外界电压的变化响应时间要足够短。 5 . 3 补偿电源的选择 在进行补偿电源的设计时，我们参考了许多电源的电路及电源设 计方案。在对这些电源电路分析后，发现了d h1 7 1 9 型直流稳压稳流电 源。 d h 1 7 1 9 型直流稳压稳流电源是一种恒压 ( c v)与恒流 ( c c )自 动装换的新型电源。这种电源具有电压遥控功能，即由外部的输入电压 控制电源的电压、电流输出。这种遥控功能正是本方案所需要的，我们 对它进行了深入的研究。 5 .3 . 1 d h 1 7 1 9 型直流稳压稳流电 源的性能指标h l 1 .输入 输入电 源: 2 2 0 v 士1 0 % , 5 0 士 2 . 5 h z 功耗 ( 2 2 0 v a c )额定负载: = 2 2 0 v a 2 .输出 输出电压:0 - 3 2 v 电 压分辨力 ( 理论值): 4 m v 输出电流:0 - 3 a 电流分辨力 ( 理论值):6 m a 3 .恒压特性 源效 应 ( 电 网 电 压 变 化1 1 0 % ) : 5 x 1 0 -5 + i m v 负载效应 ( 输出电流由0 变化至 1 0 0 %):5 x 1 0 - 5 + 2 m v 周期及随机偏移 ( r .m . s ):0 . 5 m v 电 压温度系数: ( 1 x 1 0 4 + 2 0 0 11 v ) / 0c 电 压漂移:5 x1 0 4 + 1 m v / 8 h ( 2 0 1 2 0c ) 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电 源补偿的实现 遥控 ( 控制电 压/ 输出电 压):l o v / 3 2 v 4 .恒流特性 源 效 应: ( 电 网 电 压 变 化士 1 0 % ) : 5 x 1 0 气1 m a 负 载 效 应( 负 载电 阻由。 - 1 0 0 % ) : 5 x 1 0 -3 + 2 m v 周期及随 机偏移 ( r .m . s ): 5 m a 电 流 温度 系 数:( 2 x 1 0 -5 + 2 m a ) / 电 压漂移: ( 5 x 1 0 + 5 m a / 8 h( 在2 0 - 2 预热1 小时后测试) 遥控 ( 控制电压喻 出电压):l o v / 3 a 5 .恒压模式指示:c . v灯指示 ( 绿色) 6 .恒流模式指示:c .c灯指示 ( 红色) 7 .负载效应瞬态恢复 时间: ( 5 0 11 s 电 平范围 : 最 大 额定 值的5 x 1 0 8 开关机过冲 ( 最大值):1 0 % 9 .保护 输入保险丝: 2 a 输出保险丝:4 a 过压、过流保护:恒压、恒流自动切换实现过压及过流保护。 1 0 . 工作温度范围:0 - - + 4 0 0c 1 1 . 工作相对湿度范围:2 0 -9 0 % r h 1 2储存温度及湿度范围:5 -4 5 0c ， 2 0 -9 0 % r h 1 3 . 冷却方式:自 然空气冷却 1 4 . 输出电压极性:正或负接线柱接地 1 5 . 输出阻抗:在1 8 h z -1 mh z 范围内符合典型曲线 c v :最大值不得超过曲线上相应值+ 3 0 % c c :最小值不得超过曲线上相应值一 3 0 % 从以上性能指标可以看出， d h 1 9 型直流稳压稳流电源完全符合我 们补偿方案中电流源的要求。 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 5 . 4 补偿电源的工作原理 d h 1 7 1 9 型直流稳压稳流电源的特点是恒压电路把输出的电压信 号，恒流电路把输出的电流信号一起送到门电路，根据负载需要使电源 确定该处于恒压或恒流状态工作，恒压、稳流自 动解决了稳压电源的过 流保护及稳流电 源的过压保护问 题。其电路原理框图如图5 .2 所示。 基准电压 继电器开关换档 及辅助电源电路 c v 差放 遥控信号 几一 |1.引到酬引 控电- a c2 5 0 k 一 压 转换 oc|、二 粉 图 52 fq t, r 4 6 , r 4 7 组成取样分压 电阻。 稳压原理:u 5 输出的基准电 压加到误差放大器u 3 负输入端， 从r 4 6 上取样的误差电压加到u 3 的正输入端， 两个电压进行比较放大后的误差 信号， 在经放大级， 加到调整管基极， 改变调整管基极电流， 从而得到一个 稳定的输出电压。 5 . 4 .3 恒流部分工作说明 双运放u 5 下半部分为恒流部分可调基准电压电路， 调节r v 9 实现 输出电流的调节。 r 3 1 , r 3 2 , r 3 3 , r 3 4 为电流取样电阻:u 6 为a n转换器， 取样的 电流信号， 经u 6 放大输出电 压信号，, u 4 为恒流部分误差放大器。 稳流原理:u 5 的第 7 脚输出的基准电压加到c .c误差放大器负输 入端，, u 6 输出的电流信号加到c . c 差放的正输入端，两个信号 进行比较 放大，去控制调整管基极电压，达到输出电流的稳定。 5 . 4 . 4 c v / c c转换一恒压模式转入恒流模式 调节电流 ( c .c )电位器按照需要给以预置， 减少负载电阻， 输出电 流增加， 当输出电流达到预置的 恒流值时， 输出电 压减小，c .v灯灭， 而c .c 灯亮， 在恒流 模式工作时， 即 使负载电 阻 减少至零 ( 输出 短路) 其输出电 流 也不会增加， 始终保持在预置值上， 这就是说， 本仪器能够从恒压模式自 动 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电 流模拟装置电 源补偿的实现 转换至恒流模式以 保护负载不至于过流， 是自 动c v / c c交叉系统的电 源 。 5 . 4 . 5 c c / c v转换 调节电压 ( c .v)调节电位器按照需要的值给以预置，当输出电压 达到预置的恒压值时，输出电流减小，c .c灯灭，c .v灯亮。 5 . 4 . 6 输出开关电路 d h 1 7 1 9 型直流稳压稳流电 源设有专门的输出开关，在未按下此开 关以前可以预调所需的输出电压，调好后再按此开关，即有输出。 原理:由c r 1 9 . r 1 8 . r 1 9 及按键开关s 4 -4 组成的输出开关电 路，在未按输出开关时，开关电路给误差放大器u 3 的平衡脚8 腿加入- 6 v电压，使u 3 失调没有信号输出，主电路工作。当打开输出开关后 误差放大器u 3 恢复正常工作，便有输出信号加到放大器，经放大后加 到调整管基极，使主电路工作，便有电压输出。 5 . 4 . 7 遥控工作 5 . 4 . 7 . 1 遥控恒压输出 遥控恒压输出就是用外电压控制输出电压。 用o -l o v外电压，可以控制输出电压为0 一最大额定电压。 工作原理:用遥控电压代替基准电压，调节遥控电压，u 5 输出的 基准电压发生了变化，实现了输出电压的调节。 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 5 . 4 . 7 . 2 遥控恒流翰出 遥控恒流输出就是用外电压控制输出电流。 用0 -1 o v外电压，可以控制输出电流为o -最大额定电流。 工作原理:用遥控电压代替恒流部分基准电压，调节遥控恒压实 现了输出电流的调节。 5 . 5遥控恒流的使用方法 d h 1 7 1 9 型直流稳压稳流电源的输出恒流可由外部控制电压信号 0 -1 0 v进行控制。其使用方法如下: 1 .拔下输入电源线，打开机壳。卸下印制板，将印制板上的 开关s 2 扳向c位置，小心装好印制板及机壳。 2 .在仪器后部的遥控输入孔加入外控电压信号，注意 “ + ，、 “ 一 ，极。 3 .将面板上的r / l 开关扳向r“ 遥控”位。 4 .打开电源开关及输出开关。将输出端短路并调节装载面板 上的电流调节电位器，使输出电流在e 2 为 l o v时达到所 需输出的电流值。遥控恒流工作时c . c灯总是亮的。 关于这一部分的电路框图见图5 .4 . 遥控轴入 。钾一。 ol 图5 .4遥控电路框图 外控电压信号e 2 与输出电 流1 0 之间的关系可以 下式表达: 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 i o = 生im a x x e 2 x b ( a ) 式中:i ma x -最大额定电流 ( a) e 一外控电压 ( v ) o v - e 2 =1 0 即) 系数b 的范围为0 -1 ， 决定于电流调节电位器。当电流调节电位 器顺时针调至极限位置则b 为1 ， 当它逆时针旋至极限位置则b 为0 ， 在 这个系数范围内， 调节外控电 压信号e 2 可以 调节输出电流i 。 的比例关 系。 注 1 : 外控电压信号的接线采用屏蔽线， 或一对多股线。 注2 : 将r / l 开关扳向以 本地) 位时， 输出电 流可在前面板上的电 流 调节电 位器上进行人工( 本地) 控制。 注3 :注意勿使输出电流超过额定值。 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 第rr 章取样电路设计 从第4 章的图4 . 1 中可以 看到，在我们实验室地铁杂散电流模拟装 置的补偿系统中的杂散电流取样点与补偿电源之间，存在着一个采样隔 离电路。这个采样隔离电路起着转换模拟轨道取样电流与补偿电源控制 信号之间的桥梁作用。 6 . 1 取样电路的作用 本系统中的取样电路的作用主要体现在 : 1 .从模拟铁轨上取得电流信号。 a .根据从模拟铁轨上取得电流信号输出受控电流源的控制信号。 3 隔离模拟铁轨的电流与受控电流源。 4 .根据需要可以调整控制信号。 关于取样电路的第一和第二个作用比较容易理解，这里不再展开 详细讨论了。 第四个作用是， 我们可以利用取样电路来调整受控电流源的控制信 号与采样信号的比 例。这样， 当我们更换受控电流源或者要成比例调整 受控电 流源的输出电 流时 ( 例如可以 用在杂散电 流采样点与补偿电流加 入点不在同一点时 )， 可以调整取样电路的采样电 流与输出的控制信号的 比例系数。 下面我们仔细来讨论一下它的第三个作用，即隔离。 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 6 . 2 取样电路的隔离作用 6 .2 . 1 隔离的原因19 1 在工业自 动化检测、计算机数据采集系统、测量仪表等诸多工业测 量中， 需要解决的一个共性问题就是工业现场模拟信号采集过程中的抗 干扰问题。因为在进行现场测量时， 各种电磁干扰信号都会随着被测量 信号进入测量系统， 这些干扰信号迭加在有用的被测信号上会使测量的 准确度降低。另一方面， 测量系统与被测信号 “ 共地”引入的干扰也会 造成测量系统的不稳定， 从而影响微机系统的正常工作， 严重时将导致 “ 死机”现象出现。解决模拟信号通道干扰的一个有效方法是采用模拟 信号隔离技术， 也就是设法将干扰信号源与测量系统隔离，仅允许被测 量信号进入测量系统。 在本系统中，从图4 . 1 中可以看到，我们在模拟铁轨_ l 的杂散电流 采样点上取得的采样信号的 “ 地”点 ( 低电平点)并不一定是模拟轨道 供电电源 的负极，并且，这个 “ 地”点也与补偿电源的 “ 地” 点不一 定相同，这样的话，如果不进行隔离，必然会引起受控电流源的工作不 稳定。尤其是，当我们改变了模拟轨道上的采样点后，采样点的电平相 对模拟轨道供电电源的负极而言必定会有变化，而补偿电源的 “ 地”点 没有变化， 如果直接把采样信号输入到受控电流源的遥控端必然引起混 乱。因此， 在本系统中，在模拟铁轨采样点与受控电流源之间必须存在一 个起隔离作用的电路。 6 .2 .2 隔离技术 常用的隔离方法有隔离放大器法和光电隔离法。 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 隔离放大器通常采用磁藕合方法使放大器的输出和输入之间没有电 气联系， 从而使其既隔离了干扰源， 抑制了 干扰信号， 同时又能完成对信号 的放大。隔离放大器内部集成有高性能的输入、输出放大器、调制解调 器、信号祸合变压器等单元器件。它具有完全浮动的输入端和独立隔离 的输出端， 并有良 好的线性度和稳定性， 还具有较高的隔离电压和共模 抑制比。由于它能有效地将被测信号与a 9 量系统隔离以实现浮动测量， 因此既能够抑制共模信号干扰， 又能防止强干扰信号进入测量系统， 从而 提高系统的可靠性， 但隔离放大器的价格比较高， 因此只适用于要求较高 的场合。 光电隔离是常用且方便有效的隔离方法， 它是通过光电之间的相互 转换， 并利用光作为媒介进行信号传输， 在电气上使测量系统与现场信号 完全隔离的一种方法。光电隔离可以减小现场信号线以及地线干扰对系 统的影响， 保证系统安全。此外， 由于光电 祸合器的输入阻抗小于干扰源 的内阻， 因而使迭加于被测量信号上的干扰信号被极大的衰减( 基本无法 进入测量系统) ， 从而保证测量的准确度。 数字光电隔离器一般只能够隔离数字脉冲信号，如果要隔离模拟 信号，必须增加一些辅助器件，即在设计中多加一路光祸反馈通道进行 线性区的扩展，修正数字光隔本身的非线性，提高整个电路的线性度， 但是这种隔离电路的线性度不高，只能适用于要求不太高的场合。模拟 光电隔离器同样是利用光电转换原理， 以 光为媒介进行信号传输的，高 性能的线性模拟光电隔离器将外扩的光祸反馈通道集成在芯片内部，结 构简单的多，线性度也较高。与隔离放大器相比，它在结构上简单， 其 价格也低得多。 6 . 2 .3 本电 路中使用的隔离技术 通过以上分析我们决定采用高线性度的模拟光电隔离器进行模拟 信号隔离。本系统选用的是h p 公司生产的一种高线性度模拟光电祸合 器h c n r 2 0 1 ， 进行采样信号与电源控制信号的隔离。 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电 流模拟装置电 源补偿的实现 6 . 3 取样电路的设计 讨论了取样电路的作用及相关技术后，我们进行取样电路的设计 工作。 6 . 3 . 1 取样电路原理图 根据以上分析及实验室的现有资源。我们设计出了如图6 . 1 所示的 ui a -/亡1 图6 l取样电路原理图 我们在电路中选用了h p公司生产的高线性度模拟光电祸合器 h c n r 2 0 1 进行信号的隔离，前后级放大器采用单电源供电运算放大器 l m3 5 8 . 电路中v i n + 是从模拟轨道上采样点的高电 平处取得的信号，, v i n - 是从模拟轨道上采样点低电平处取得的信号。v o u t + 接到可控电流源 ( d h 1 7 1 9 型直流稳压稳流电 源)的控制信号高电 平的 输入端 ( 遥控输 入的正输入端)，v o u t 一 接到可控电流源的控制信号低电平的输入 端。 首都师范大学硕十学位论文 实验室地铁杂散电流模拟装置电 源补偿的实现 6 . 3 . 2 h c n r 2 0 1 原理 在取样电路中，我们采用了模拟光祸h c n r 2 0 1 ，下面来介绍一下 它的原理。 h c n r 2 0 1 是一种性能价格比较高的模拟光电隔离器。它的内部结 构及管脚排列如图6 .2 所示， 它由一个高性能的a l g a s l e d和两个特性十分 相近的光敏二极管p d1 和p d 2 组成。输入光敏二极管p d 1 用来检测并稳 定l e d输出光的强度， 它能够很好地抑制l e d输出 光的飘移， 改善其线性 度。输出光敏二极管p d 2 用来产生一个正比于l e d光强度的光电流。由 于两个二极管特性相近且封装在一个集成芯片内， 因此当l e d发光时， p d 1 和 p d 2 接收到l e d 光的 数量成比 例， 而 且不受外部杂散光的 干 扰， 所以 它具有很好的增益稳定性和优良 的线性度。19 1 飞 5d f c- 一 丫g 蚤 电 图6 .2 h c n r 2 0 1 内部结构及管脚排列 在使用时，可将第3 , 4输出端与第1 , 2输入端一起接入控制回路， 其中第3 , 4端的光敏二极管起反馈作用，它可将产生的输出电流再反馈 到第1 , 2 端的l e d上， 以 对输入信号进行反馈控制。w h c n r 2 0 1 的主要参数如下: 非线性度: 0 . 0 1 %; 增益误差:士5%: 增益漂移: 一6 5 p p m /; 带宽: d c -1 m i z; 耐压: 5 k v m s / m i n : 温度范围: - 最大输入电流 4 0 - 8 5 : 4 0 m a : 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电流模拟装置电源补偿的实现 线性误差: 士 0 . 0 5%: 绝缘电阻: 高达1 0 1 3 q; 输入与输出回路之间的 分布电 容: 0 . 4 p f 耐压能力: 一分钟5 0 0 0 v : 最大绝缘工作电 压: 1 4 1 4 v ; 输入/输出范围: 0 - - - 1 5 v o， ， 。 ， 图6 . 3 是h c n r 2 0 1的外围电路配置。 图6 . 3 h c n r 外围电路配置 其中i p d i 和i p 二表示l e d的输入电流厅 和光敏二极管的反向电压处在 额定值时光敏二极管中流过的电 流。该电流的大小与 厅有关。如果l e d 的 输出光强发生改变， 那么，放大器n 1 就会调节i f 以进行补偿， 并且在p d 1 , p d 2 上保持一个稳定的电流。i p d i . i ? 二的大小与i f 的关系如下: i p d i - k ! i f , i p d i = k , 吞; 其中k 1 和k 2 分别为i p d i 和i p d 2 随i f 的变化参数， 对于h c n r 2 0 1 来说， 其 参数变化应是一致的， 当典型值为1 时的取值范围为0 . 9 5 -1 . 0 5 。 对于图 6 . 3 所示电路，其输入 呱一 i p d , r , ; 输出端: 心, = i p d 2 r 2 故有: 丛 _ k r 2 . v , r 2 由此可见， 其输入与输出呈一种线性关系， 且其隔离放大器的增益司 首都师范大学硕士学位论文 实验室地铁杂散电 流模拟装置电 源补偿的实现 通过调整r 2 与r 1 的比值来实现。 6 . 3 .3 取样电路详细说明 在取样电路中，我们采用了l m3 5 8 放大器，它的管脚分布如图 6 .4 所示。 d i p i s d p a c k a 加 0 日 种目 甲 几 i n v t i i m g i n nt 岛 .口 口a n 润 目 1 1 . 6 . 侧门 t弃 口目 . 口 夔 i nn 目n 月 . 国甲甘tt 图6 .4 l m3 5 8 管脚分布 l m3 5 8 的主要参数: ii i 带宽:1 m h z 单电 源供电: 3 v - 3 2 v 输出电流 ( 灌电流典型值):2 0 n a 从图6 . 1 可以看到，h c n r 2 0 1 的l e d输入端是与前一级的运放的 输出端相连的，而h c n r 2 0 1 的l e d的工作电流要求为1 -2 0 m a ，因 此它的前一级运放输出端电流必须达到2 0 m a 。同时，根据输入电压范 围，要求运放具有相应的共模输入和输出能力。我们所采用的单电源供 电l m3 5 8 集成运放，其输出电流可以达到4 0 m a . 在光电模式下选择电阻: i , = v - v . , 一 v d i r , ; v d i : d 1 的正向压降;( 1 ) 1 . = ( 2 ) 因 为1 1 = 0 .0 0 5 1 , ， 所以 首都师范大学硕士学位论文实验室地铁杂散电 流模拟装置电 源补偿的实现 v . 一 v . : 一 v d , r , v:_ =2 u u x一; r: ( 3 ) v 。 一 v : 一 v d , = 2 0 0 . 玉 x r % r , 令r ， 二 2 0 0 8 , , 则 ( 4 ) v . , =