專利名稱：通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鐵路信號(hào)燈，尤其涉及采用智能方式驅(qū)動(dòng)和控制鐵路信號(hào)燈的電源。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)燈電源方案是，將中控室送來(lái)的交流電源經(jīng)過(guò)鐵路信號(hào)燈工頻電源變壓器的AC180V或AC220V接口輸入，再?gòu)腁C13V、 AC14V和AC16V三路輸出中選擇合適的輸出電壓驅(qū)動(dòng)鐵路信號(hào)燈。隨著鐵路相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)節(jié)能環(huán)保要求的不斷提高，傳統(tǒng)的鐵路信號(hào)燈電源出現(xiàn)缺陷，主要表現(xiàn)為(1)工頻變壓器的轉(zhuǎn)換效率太低，通常情況下只有30%~60%。 (2)工頻變壓器供電方案容易受到電網(wǎng)電壓的不穩(wěn)定或電壓波形受干擾畸變而嚴(yán)重影響信號(hào)燈發(fā)光強(qiáng)度和壽命。(3)工頻變壓器供電方案的安裝連線受到距離的影響較大，不同安裝距離的連線方式不一樣。(4)在工頻變壓器電源驅(qū)動(dòng)新式的LED鐵路信號(hào)燈的方案中，由于鐵路電氣化干擾而容易引起LED鐵路信號(hào)燈的誤動(dòng)作。(5)工頻變壓器供電方案需要配套專門的信號(hào)燈電流監(jiān)測(cè)和報(bào)警電路才能正常工作。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，能使鐵路信號(hào)燈在電網(wǎng)電壓不穩(wěn)定、電網(wǎng)波形畸變和復(fù)雜安裝環(huán)境條件下高效工作，連線方式不受安裝距離的影響且可兼容新式的LED鐵路信號(hào)燈和老式的白熾燈鐵路信號(hào)燈。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是將具有三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器的電磁兼容電路的輸入端連接中控室的電流繼電器、輸出端分別連接主電源電路和輔助電源；其中主電源電路具有有源功率因素矯正電路、離線式DC-DC和帶SPD輸出電路；將信號(hào)處理電路的外圍分別連接主電源、輔助電源、電網(wǎng)電壓檢測(cè)、溫度檢測(cè)、具有狀態(tài)顯示和報(bào)警繼電器狀態(tài)輸出的狀態(tài)輸出控制電路、電流檢測(cè)B、輸出反饋和電流檢測(cè)A，將主電源的離線式DC-DC輸出連接電流檢測(cè)A的輸入，帶SPD輸出電路連接電流檢測(cè)B的輸入，電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路的輸入端連接輔助電源的輸出端；電流檢測(cè)B的輸出連接鐵路信號(hào)燈。
本發(fā)明的有益效果是
1、采用浪涌保護(hù)、開關(guān)電源、微控制器和信號(hào)采集與處理等技術(shù)，具有三級(jí)浪涌防護(hù)功能，工作溫度按照工業(yè)級(jí)(-40。C +85。C)和汽車工業(yè)級(jí)(-40。C +125。C)進(jìn)行設(shè)計(jì)，能在寬電壓范圍和惡劣環(huán)境下正常工作。在工作于輸出端短路(包括接線錯(cuò)誤)、變換器故障、欠壓、過(guò)壓和過(guò)熱時(shí)，報(bào)警繼電器和電流繼電器能輸出不同的吸合和釋放時(shí)序信號(hào)，從而使受報(bào)警繼電器控制的指示燈或其它設(shè)備產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的故障類別提示信號(hào)，功能全面且安裝連線簡(jiǎn)單。符合TB/T3202-2008規(guī)定的外型尺寸和技術(shù)要求等指標(biāo)要求。
2、 可在輸入電壓范圍為130 275Vrms (電壓有效值)，頻率為48 62Hz的工頻或直流電源系統(tǒng)中正常工作。安裝連線不受安裝距離影響，提供給鐵路信號(hào)燈的電源電壓恒定輸出。
3、 電磁兼容(EMC/EMI)電路采用帶放電間隙的具有共模和差模共同防護(hù)功能的三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器(SPD)結(jié)構(gòu)，可工作于野外和高山站等場(chǎng)合，SPD的放電間隙參數(shù)設(shè)計(jì)符合常規(guī)安裝氣壓要求；SPD的瀉流通道采用氧化鋅壓敏電阻和氣體放電管串聯(lián)構(gòu)成組合型SPD結(jié)構(gòu)，具有IEC61000-4-5標(biāo)準(zhǔn)的4級(jí)試驗(yàn)等級(jí)規(guī)范的浪涌保護(hù)功能；符合TB/T2311-2008規(guī)定的交流電源SPD的H型(高標(biāo)稱放電電流,In》40kA， Imax》80kA)和M1型(中標(biāo)稱放電電流，In》20kA， Imax》40kA)要求。
4、 本發(fā)明的外殼和輸入輸出接口采用屏蔽和密封措施，具有防濕和抗鐵路電氣化干擾功能，符合TB/T3201-2008要求。
5、 內(nèi)部電源由輔助電源、有源功率因素矯正器和離線式DC-DC開關(guān)電源(直流輸入直流輸出電源)三個(gè)高頻電源組成，在為新式LED鐵路信號(hào)燈供電時(shí)，不會(huì)受到鐵路電氣化干擾，電源電子變換器的總轉(zhuǎn)換效率》80%。
6、 信號(hào)處理電路中的微程序處理器(MCU)適時(shí)監(jiān)測(cè)各檢測(cè)電路送來(lái)的信號(hào)，當(dāng)出現(xiàn)異常信號(hào)時(shí)，微程序處理器及時(shí)向主電源和報(bào)警繼電器發(fā)送對(duì)應(yīng)的處理信號(hào)，同時(shí)，中控室的電流繼電器和受報(bào)警繼電器控制的電路單元可收到對(duì)應(yīng)的故障狀態(tài)信號(hào)。
7、 報(bào)警信號(hào)是繼電器的吸合和釋放(常閉)狀態(tài)，當(dāng)變換器處于異常工作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)控制繼電器輸出對(duì)應(yīng)的吸合和釋放時(shí)序狀態(tài)，故障提示信號(hào)時(shí)序狀態(tài)與故障類別一一對(duì)應(yīng)，故障排除后鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器能正?；謴?fù)工作。
8、 當(dāng)本發(fā)明出現(xiàn)損壞時(shí)，報(bào)警繼電器始終處于釋放(常閉)輸出狀態(tài)，中控制室的電流繼電器始終處于不吸合狀態(tài)。
9、 本發(fā)明的輸出端兼容LED鐵路信號(hào)燈和老式的白熾鐵路信號(hào)燈，系統(tǒng)默認(rèn)的驅(qū)動(dòng)對(duì)象是LED鐵路信號(hào)燈，根據(jù)實(shí)際需要，經(jīng)過(guò)內(nèi)部設(shè)置后可以在不改變老式鐵路信號(hào)燈光學(xué)系統(tǒng)的前提下可以直接使用。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)連接示意圖。
圖2是圖1中電磁兼容9的結(jié)構(gòu)圖，圖中包括三級(jí)串聯(lián)SPD和抗工頻干擾電路圖，其中圖2a是高共模電流結(jié)構(gòu)圖，圖2b是中低共模電流結(jié)構(gòu)圖。圖3是圖1中輔助電源電路11的結(jié)構(gòu)連接圖。圖4是圖1中主電源電路10的有源功率因素矯正電路結(jié)構(gòu)連接圖。圖5是圖1中主電源電路10的離線式DC-DC電源和帶SPD輸出電路結(jié)構(gòu)連接圖。圖6是本發(fā)明在異常工作狀態(tài)提示輸出時(shí)序圖。圖7是圖1中信號(hào)處理電路12的微處理器UC的程序流程圖。圖8是圖1中電網(wǎng)電壓檢測(cè)14和溫度檢測(cè)15的原理圖。
圖9是圖1中電流檢測(cè)A 17,即主電源輸出過(guò)流(短路或錯(cuò)接等)電流檢測(cè)A 17的原理圖。
圖10是圖1中電流檢測(cè)B 16，即鐵路信號(hào)燈7的電流異常電流檢測(cè)B 16和狀態(tài)輸出控制電路13的原理圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，將電源電子變換器1的輸入接線端子2和輸出接線端子4分別通過(guò)屏蔽雙絞電纜組3和雙絞電纜5串接在中控室中的電流繼電器8和鐵路信號(hào)燈7之間，使電源電子變換器1機(jī)殼屏蔽接地線6、機(jī)殼和雙絞電纜屏蔽層之間有良好的連接。電源電子變換器1包括電磁兼容(EMC/EMI)9、主電源電路IO、輔助電源ll以及信號(hào)處理電路12。其中，電磁兼容9具有連接接地系統(tǒng)的三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器(SPD)，將電磁兼容9的輸入端通過(guò)屏蔽雙絞電纜組3連接電流繼電器8，輸出端分別連接主電源電路lO和輔助電源ll。電磁兼容9中的電源輸入端連接三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器。主電源電路10的電路結(jié)構(gòu)帶有源功率因素矯正電路、離線式DC-DC和帶SPD輸出電路。電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路14的輸入連接輔助電源11中與電磁兼容9連接的整流橋輸出端。信號(hào)處理電路12的外圍分別連接主電源10、輔助電源ll、電網(wǎng)電壓檢測(cè)14、溫度檢測(cè)15、電流檢測(cè)A 17、電流檢測(cè)B 16、輸出反饋18和狀態(tài)輸出控制電路13。狀態(tài)輸出控制電路13具有狀態(tài)顯示和報(bào)警繼電器狀態(tài)輸出。主電源10的輸出先連接輸出端SPD后連接電流檢測(cè)B 16，電流檢測(cè)B 16的輸出連接鐵路信號(hào)燈7。
如圖2所示，電磁兼容9電路中的三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器SPD具有抗雷擊和其它電網(wǎng)操作過(guò)壓SEMP、靜電放電ESD、核電磁脈沖NEMP以及微波輻射WR等所有防護(hù)浪涌過(guò)壓和過(guò)流功能。具有自動(dòng)脫鉤功能的共模和差模共同防護(hù)功能。按照"TB/T2311-2008鐵路信號(hào)設(shè)備用浪涌保安器"，定義為交流電源SPD， H型(高標(biāo)稱放電電流，In》40kA, Imax》80kA)和Ml型(中標(biāo)稱放電電流，In》20kA， Imax》40kA)。各級(jí)SPD間分別以線圈Ll和線圈L2連接。第一級(jí)由放電間隙Vs， Y電容SC1A、 SC1B，壓敏電阻Z1 (如圖2a或圖2b)和氣體放電管G1 (如圖2a或圖2 b)構(gòu)成組合型SPD;第二級(jí)由X電容SC2，壓敏電阻Z2和氣體放電管G2構(gòu)成組合型SPD;第三級(jí)由X電容SC3，瞬態(tài)電壓抑制二極管Dl和工頻保險(xiǎn)絲FD，壓敏電阻Z3和氣體放電管G3構(gòu)成組合型SPD;電路在輸入接線端的SPD之前有一個(gè)5A工頻保險(xiǎn)絲Fl，當(dāng)SPD意外失效時(shí)電路與電網(wǎng)自動(dòng)脫離。
放電間隙Vs的電擊穿參數(shù)由帕邢定律(Paschen'sLaw)公式F; = "ff"確定。式中的
ln(~ln丄
A和B為常數(shù)，Ks為擊穿電壓，戶為大氣壓強(qiáng)，d為放電間隙間距,y為二次電子發(fā)射系數(shù)。
Rz的值按照RC電路放電規(guī)律，由公式&S 0'51ge確定，C的大小由SC1-SC3的
C(l-lg3)
實(shí)際值確定，e為自然對(duì)數(shù)的底。
采用壓敏電阻器(MOV)和氣體放電管(GDT)串聯(lián)構(gòu)成具備失效開路(自動(dòng)與電路脫鉤)功能的組合型SPD結(jié)構(gòu)，其中SPD I和SPDII的瀉流容量均》25kA， SPDIII的瀉流容量》
15kA。電感Ll和L2的對(duì)SPD I SPDIII的能量分配的參數(shù)由公式=丄^, K。 = ^^F,,
丄> ^^A/鵬和巧S AZ《r2共同確定的方程進(jìn)行估算。
公式中的r,和K代表浪涌波形在鐵路上傳輸?shù)牟ㄇ皶r(shí)間和半峰時(shí)間，L為L(zhǎng)l和L2的感量，K和K。分別代表L1和L2的輸入和輸出端電壓。實(shí)際設(shè)計(jì)中，還應(yīng)滿足以下條件(l)Ll采用空心電感結(jié)構(gòu)，銅導(dǎo)線總長(zhǎng)度》5m,電感量》20uH。 L2采用差模電感結(jié)構(gòu)，電
感量》5. OmH; (2) Ll和L2的自諧振蕩(SRF)頻率/。 = ~~^= 25M他；(3)具有較高^(guò)￡
值(込代表電感品質(zhì)因素，分布電容Co對(duì)仏的值有影響)，導(dǎo)線直徑應(yīng)按負(fù)載電流計(jì)算。
如圖3所示，中控室送來(lái)的交流電網(wǎng)電壓經(jīng)過(guò)圖2的電磁兼容9電路的AC220A和AC220B兩個(gè)端口輸入，再?gòu)膱D2的AC1和AC2端口后送入連接的圖1的輔助電源ll的整流橋BR2，
7經(jīng)過(guò)整流橋BR2整流后的電壓Vin2連接濾波電容CA1和反擊變壓器AT，輔助電源控制器 Ul連接開關(guān)管QA的柵極，整流管DA2的輸出電壓VCC通過(guò)整流管DAf、電阻RAf和三極管 Qf構(gòu)成的輸出反饋網(wǎng)絡(luò)控制輔助電源控制器Ul的FB引腳的電壓，輔助電源控制器Ul根 據(jù)FB引腳的電壓狀態(tài)調(diào)整開關(guān)管QA的開關(guān)信號(hào)占空比，從而達(dá)到調(diào)整輸入電壓VCC大小 的目的。連接在輸入VCC上的電阻RA2A、濾波電容CA4和穩(wěn)壓二極管M3為微處理器UC 提供電源VDD。輔助電源的輸出電壓VCC連接且為電源電子變換器1中的有源功率因素矯 正(PFC)控制器、離線式DC-DC開關(guān)電源控制器等電路供電。
如圖4所示有源功率因素矯正電路，圖2的電磁兼容9電路中的三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器 的輸出端AC1和AC2與送至圖1的主電源10的整流橋BR1，整流橋BR1整流后的電壓經(jīng)過(guò) PFC電感L后與開關(guān)管PQ1和整流二極管PD連接，由輸出電壓VCC供電的PFC控制器U2 的Drv端與開關(guān)管PQ1的柵極連接，整流二極管PD的輸出端連接濾波電容PCol，輸出電 壓VH通過(guò)電阻PR1和PR2構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)向控制器U2的FB引腳反饋輸出電壓。
有源功率因素矯正(PFC)電路的相關(guān)參數(shù)由公式C。 -A^xZx/^x/^ >P。U,,
乙-_%_和/ =乙><_^_確定。其中^。代表電感L的存儲(chǔ)能量，尸。w為高壓VH端 "乙 "鵬
的輸出功率，/。 為VH端的輸出電流平均值，/^為電感L的峰值電流，A^為控制器輸
出開關(guān)信號(hào)的最大占空比，"為轉(zhuǎn)換效率，/。p為控制器工作頻率。
如圖5所示離線式DC-DC開關(guān)電源電路，該電路的高頻變壓器PT初級(jí)線圈、緩沖網(wǎng)絡(luò) 的R和C連接在圖4所示的有源功率因素矯正電路的輸出端VH上，開關(guān)電源控制器U3的 Drv引腳與開關(guān)管PQ2的柵極和補(bǔ)償網(wǎng)連接，PQ2的源極與高頻變壓器PT的初級(jí)線圈連接， PQ2的漏極和取樣電阻RPS的公共端與電流檢測(cè)A和補(bǔ)償網(wǎng)連接，補(bǔ)償網(wǎng)將Drv和RPS的 信號(hào)處理后，將輸出信號(hào)與U3的CS(電流反饋)引腳連接，變壓器PT的次級(jí)與整流二極管 PD2連接，連由TVS管D2與工頻保險(xiǎn)絲FD2構(gòu)成的主電源輸出端浪涌保護(hù)器(SPD)、濾波 電容PC1接在PD2的輸出端Vout和地線之間。輸出端Vout的電壓經(jīng)過(guò)隔離反饋網(wǎng)與U3的 FB引腳連接。電流檢測(cè)B的輸出與微處理器UC的GP1端口連接，當(dāng)系統(tǒng)處于異常工作狀 態(tài)時(shí)，微處理器UC向開關(guān)電源控制器U3的使能輸入端EN發(fā)信號(hào)，控制主電源按照?qǐng)D6 的時(shí)序狀態(tài)工作。
由于前端采用了 PFC電路，在離線式DC-DC電源的變壓器PT初級(jí)所加的電壓VH恒
8定不變，將離線式DC-DC電源的控制器的最大占空比A^定義為0.5，則初次級(jí)匝比N由以 下公式TV- x^^一確定。變壓器的初級(jí)電感，初級(jí)平均電流/。"初級(jí)峰值
「owf + 1 — "max
電流；，由公式匕=~%"，；匕X^"和^^4;7X4x/ix/。p共同確定。
7x^ p D鵬 2
以上公式中的尸。w為變壓器輸出功率，；/為轉(zhuǎn)換效率，/。p為工作頻率，^為次級(jí)整流 器的正向?qū)▔航怠?br>
次級(jí)整流輸出二極管PD2的反向耐壓Vmn由反激變壓器的次級(jí)反向電壓峰值
/>/廠=^><{^+1^,+1^(即^ = ^ =-^-)確定。
h。"',、 Ws尸^-(乙+W
如圖5所示的功率電阻R、高壓電容C快速恢復(fù)二極管D構(gòu)成RCD緩沖電路。該電 路并聯(lián)在離線式DC-DC電源的高頻變壓器PT的初級(jí)線圈上。RCD緩沖電路對(duì)圖5的開關(guān) 管PQ2上端的漏感電流進(jìn)行分流，從而減緩開關(guān)管PQ2上端的電壓上升，通過(guò)選取足夠大 的C,減小了開關(guān)管PQ2上端的上升電壓與下降的電流的重疊部分，從而顯著降低開關(guān)管
PQ2的損耗。RCD緩沖器的參數(shù)由公式C-ii和/ -^^給出。^為開關(guān)管PQ2的
下降時(shí)間，/p為變壓器PT初級(jí)峰值電流，" (^)為最小開通時(shí)間。
主電源10的損耗主要由變壓器損耗、緩沖器電阻損耗、開關(guān)管損耗和整流器損耗構(gòu)成。 其中，變壓器損耗主要由變壓器的設(shè)計(jì)和制作工藝引起，可以通過(guò)改進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化制 作工藝而使其損耗降到最低。帶圖5所示的RCD緩沖電路結(jié)構(gòu)中，緩沖器能量損耗由公式
尸D^0.5C/。UH平定；圖4的開關(guān)管PQ1開關(guān)損耗為會(huì)C。D2/。,圖5中帶RCD
緩沖電路結(jié)構(gòu)的開關(guān)管PQ2的開關(guān)損耗為戶D。 ~~h '"，圖4和圖5的開關(guān)
w 6
管PQl和PQ2的導(dǎo)通損耗由公式PZ)。-(/。n"i 。n確定；在圖4和圖5的電路結(jié)構(gòu)中，整流
器的能量傳導(dǎo)損耗由公式i^,。M =/。,￡:^^確定，其中F,為整流二極管PD和PD2的正向
導(dǎo)通壓降。在整流器的參數(shù)設(shè)計(jì)中還應(yīng)保證trr足夠小。這樣才能使PN結(jié)的反向高頻載波 盡量減小而達(dá)到進(jìn)一步提高整流效率的目的。
圖1的信號(hào)處理電路12由圖5中的微處理器UC和圖5、 8、 9、 IO中與微處理器UC的GP0-GP5端口相連接的外圍電路構(gòu)成。微處理器UC外圍電路完成鐵路信號(hào)燈電源電子 變換器l的輸出端故障(包括接線開路、短路和極性接反)，輸入線路開路，變換器故障， 電網(wǎng)電壓異常(欠壓和過(guò)壓)，溫度異常(過(guò)熱)時(shí)的信號(hào)檢測(cè)功能。微處理器UC監(jiān)測(cè) 電源系統(tǒng)的各項(xiàng)工作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)間，微處理器UC控制報(bào)警繼電器和系 統(tǒng)主電源10按照?qǐng)D6所示的不同吸合和釋放時(shí)序狀態(tài)圖，從而使受報(bào)警繼電器控制的指示 燈或其它設(shè)備產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的故障提示信號(hào)。同時(shí)，中控室的電流繼電器8也可以輸出對(duì)應(yīng)的 工作狀態(tài)。根據(jù)報(bào)警繼電器和電流繼電器8的吸合和釋放時(shí)序狀態(tài)圖，可以判定設(shè)備的故 障類別。微處理器UC采用貼片14腳及以下封裝的Microchip公司的PIC系列汽車工業(yè)級(jí) 處理器或TI公司的MSP430F20xx系列工業(yè)級(jí)處理器。 如圖6所示的異常工作時(shí)序狀態(tài)輸出描述如下
過(guò)熱當(dāng)鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器1的溫度超過(guò)安全工作范圍時(shí)，圖10中微處 理器UC的GP5引腳發(fā)出控制信號(hào)，控制報(bào)警繼電器按圖6-A時(shí)序輸出狀態(tài)。當(dāng)溫度低于 安全工作范圍時(shí)，圖10中微處理器UC的GP5引腳發(fā)出控制信號(hào)，控制報(bào)警繼電器按圖 6-B時(shí)序輸出狀態(tài)。過(guò)壓當(dāng)電網(wǎng)電壓超過(guò)預(yù)定最高工作電壓時(shí)，圖10中微處理器UC的 GP5引腳發(fā)出控制信號(hào)，控制報(bào)警繼電器按按圖6-C時(shí)序輸出狀態(tài)。欠壓當(dāng)電網(wǎng)電壓低 于預(yù)定最低工作電壓時(shí)，圖10中微處理器UC的GP5引腳發(fā)出控制信號(hào)，控制報(bào)警繼電器 按按圖6-D時(shí)序輸出狀態(tài)。輸出端短路當(dāng)鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器1的主電源10 輸出斷過(guò)流(短路等)時(shí)，圖10中微處理器UC的GP5引腳發(fā)出控制信號(hào)，控制報(bào)警繼電 器按按圖6-E時(shí)序輸出狀態(tài)。燈電流異常圖10中微處理器UC的GP5引腳發(fā)出控制信號(hào)， 控制報(bào)警繼電器按按圖6-F時(shí)序輸出狀態(tài)。輸出端短路，電壓異常，溫度異常時(shí)圖5中 微處理器UC的GP0引腳控主電源控制器U3的使能端EN動(dòng)作，串接在電源電子變換器1 上的電流繼電器8輸出圖6-G時(shí)序輸出狀態(tài)。本發(fā)明故障、輸入接線端2開路、輸出接線 端4開路時(shí)本發(fā)明的輸入電流足夠小，電流繼電器8輸出圖6-H時(shí)序輸出狀態(tài)，圖12的 報(bào)警繼電器輸出圖6-F時(shí)序輸出狀態(tài)。
如圖7所示的MCU程序流程圖，信號(hào)處理電路12中的微處理器UC循環(huán)采集電網(wǎng)電 壓、溫度信號(hào)和電流信號(hào)，當(dāng)電壓或溫度出現(xiàn)異常時(shí)啟動(dòng)圖6對(duì)應(yīng)的時(shí)序輸出狀態(tài)程序； 其工作過(guò)程是系統(tǒng)啟初始化后進(jìn)入電網(wǎng)電壓采集程序，若電網(wǎng)電壓異常，判斷是否過(guò)壓， 如果過(guò)壓，則執(zhí)行過(guò)壓波形產(chǎn)生子程序并執(zhí)行圖6-C、 G時(shí)序輸出狀態(tài)，否則執(zhí)行欠壓波 形產(chǎn)生子程序并執(zhí)行圖6-D、 G時(shí)序輸出狀態(tài)；若電網(wǎng)電壓正常則執(zhí)行溫度采集程序，并 判斷溫度是否異常，如果溫度過(guò)高，則執(zhí)行過(guò)熱波形產(chǎn)生子程序并則執(zhí)行圖6-A、 G時(shí)序輸出狀態(tài)，否則執(zhí)行過(guò)冷波形產(chǎn)生子程序并執(zhí)行圖6-B、 G時(shí)序輸出狀態(tài)；當(dāng)出現(xiàn)主電源 過(guò)流時(shí)，微處理器UC的GP1接收到中斷信號(hào)，執(zhí)行主電源電流中斷服務(wù)子程序，進(jìn)入過(guò) 流波形產(chǎn)生子程序并執(zhí)行圖6-E、 G時(shí)序輸出狀態(tài)；當(dāng)鐵路信號(hào)燈7的電流異常時(shí)，微處理 器UC的GP4接收到中斷信號(hào)，執(zhí)行鐵路信號(hào)燈7電流中斷服務(wù)子程序，進(jìn)入鐵路信號(hào)燈 7電流異常波形產(chǎn)生子程序并執(zhí)行圖6-F時(shí)序輸出狀態(tài)。
如圖8所示為供電電網(wǎng)電壓和工作溫度檢測(cè)15電路。從圖3的整流橋BR2輸出的電壓 Vin2經(jīng)過(guò)電阻VR1和VR2分壓通過(guò)微處理器UC的GP2引腳送入內(nèi)部ADC0進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 微處理器UC的CPU循環(huán)讀取ADC0采集到的電網(wǎng)電壓是否處于規(guī)定的范圍內(nèi)。如果電網(wǎng) 電壓出現(xiàn)異常，則向報(bào)警繼電器和主電源10發(fā)出控制信號(hào)；當(dāng)鐵路信號(hào)燈7電源系統(tǒng)處于 惡劣環(huán)境溫度時(shí)，通過(guò)緊貼散熱器安裝的溫度傳感器NTC、電阻TR、濾波電容TC和微處 理器UC的GP3引腳內(nèi)部的ADC1構(gòu)成的溫度檢測(cè)17電路對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行采集。當(dāng)溫度 處于正常的范圍時(shí)，溫度傳感器NTC和電阻TR構(gòu)成的分壓電路在電容TC兩端的電壓處 于預(yù)先設(shè)定的范圍內(nèi)，微處理器UC內(nèi)部的ADC隨時(shí)監(jiān)測(cè)電容兩端的電壓，當(dāng)出現(xiàn)溫度異 常(過(guò)熱或過(guò)冷)時(shí)，微處理器UC向報(bào)警繼電器發(fā)送相應(yīng)時(shí)序的報(bào)警控制信號(hào)。
如圖9所示的電路是圖1的電流檢測(cè)A17的電路原理圖。由CR1和CR2構(gòu)成的低通濾 波器連接在圖5的離線式DC-DC電源的取樣電阻RPS上端，當(dāng)主電源10的輸出端出現(xiàn)短路、 極性接反和其它錯(cuò)誤操作引起過(guò)流時(shí)，電阻RPS兩端將出現(xiàn)比正常情況下更高的電壓脈沖， 當(dāng)電壓脈沖超過(guò)預(yù)定值時(shí)低通濾波器送到電壓比較器Al同相端的電壓超過(guò)參考電壓 Vrefl，電壓比較器A1通過(guò)上拉電阻CR2輸出高電平，觸發(fā)三極管CQ導(dǎo)通放電，并向微 處理器UC發(fā)出對(duì)應(yīng)的中斷信號(hào)。此時(shí)，微處理器UC執(zhí)行對(duì)應(yīng)的子程序，控制主電源和 報(bào)警繼電器按照預(yù)先設(shè)定好的狀態(tài)工作。
在設(shè)計(jì)時(shí)，規(guī)定圖9的CR1和CC1構(gòu)成的RC濾波器的截止頻率,=2/。p， CR1和
CC1的參數(shù)由公式<formula>formula see original document page 11</formula>確定，/。p為離線式DC-DC開關(guān)電源的控制器開關(guān)
頻率。脈沖延電平時(shí)的長(zhǎng)短由RT和CT構(gòu)成的充電函數(shù)確定。
如圖10所示的電路是圖1中的電流檢測(cè)B16和狀態(tài)輸出控制電路13，圖3的離線式 DC-DC的輸出電壓Vout通過(guò)電流取樣電阻RS后向鐵路信號(hào)燈7供電。在LED鐵路信號(hào) 燈7中，當(dāng)出現(xiàn)部分LED損壞時(shí)，鐵路信號(hào)燈7的電流會(huì)變小。此時(shí)，圖10的電流取樣 電阻RS兩端的電壓降低，電流放大器A2的輸出電壓低于電壓比較器A3同相端參考電壓 Vref2，電壓比較器A3的輸出端通過(guò)電阻RM1和光電隔離器UP1共同輸出低電平。此時(shí)，三極管QR截止，報(bào)警繼電器控制端釋放，Lok熄滅，Lerr發(fā)光。同時(shí)，光電隔離器UP1 向微處理器UC送高電平信號(hào)；在鐵路信號(hào)燈7電流正常的情況下，三極管QR導(dǎo)通，控 制報(bào)警繼電器常開端吸合，Lok發(fā)光，Lerr熄滅，光電隔離器UP1向微處理器UC送低電 平信號(hào)；如圖10所示的電路中的光電隔離器UP2、電阻RM3和微處理器UC的GP5引腳 共同構(gòu)成圖1中的報(bào)警繼電器輸出控制電路，當(dāng)電源電子變換器1處于異常工作狀態(tài)時(shí)， 微處理器UC的GP5引腳向光電隔離器UP2發(fā)送信號(hào)，從而UP2控制三極管QR開關(guān)動(dòng)作， 使報(bào)警繼電器輸出圖6的故障狀態(tài)控制電路時(shí)序信號(hào)；當(dāng)電源電子變換器l損壞、輸入開 路、輸出開路和鐵路信號(hào)燈7電流小于預(yù)定的值時(shí)，圖IO中的三極管QR關(guān)斷，報(bào)警繼電 器常開端釋放，輸出圖6-E或圖6-G的時(shí)序信號(hào)，根據(jù)圖6實(shí)際輸出的時(shí)序信號(hào)狀態(tài)，可 以確定電源電子變換器1處于何種故障狀態(tài)。
另外，電源電子變換器1的輸出端電壓可兼容老式的白熾鐵路信號(hào)燈(默認(rèn)的驅(qū)動(dòng)對(duì) 象是LED鐵路信號(hào)燈)，根據(jù)實(shí)際需要，經(jīng)過(guò)內(nèi)部設(shè)置后可以在不改變老式鐵路信號(hào)燈光 學(xué)系統(tǒng)的前提下可以直接使用該電源系統(tǒng)。
電源電子變換器1的輸入輸出接線端子均帶有獨(dú)立的屏蔽接地端；圖1中的輸入接線 端2的電纜組采用屏蔽雙絞電纜(STP)組3，輸出接線端4的電纜采用屏蔽雙絞電纜(STP) 5，所有電纜的蔽線均與大地6有良好的連接。
電源電子變換器1采用具有抗強(qiáng)電磁干擾的金屬外殼進(jìn)行干擾屏蔽；外殼邊沿采用環(huán) 氧樹脂等材料進(jìn)行防塵和防濕密封。
1權(quán)利要求
1.一種通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，其特征是采用如下步驟1)將具有三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器的電磁兼容(9)電路的輸入端連接中控室的電流繼電器(8)、輸出端分別連接主電源(10)以及輔助電源(11)；其中主電源(10)具有有源功率因素矯正電路、離線式DC-DC和帶SPD輸出電路；2)將信號(hào)處理電路(12)的外圍分別連接主電源(10)、輔助電源(11)、電網(wǎng)電壓檢測(cè)(14)、溫度檢測(cè)(15)、具有狀態(tài)顯示和報(bào)警繼電器狀態(tài)輸出的狀態(tài)輸出控制電路(13)、電流檢測(cè)B(16)、輸出反饋(18)和電流檢測(cè)A(17)。3)將主電源(10)的離線式DC-DC輸出連接電流檢測(cè)A(17)的輸入，帶SPD輸出電路連接電流檢測(cè)B(16)的輸入，電網(wǎng)電壓檢測(cè)電路(14)的輸入連接輔助電源(11)的輸出；電流檢測(cè)B(16)的輸出連接鐵路信號(hào)燈(7)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，其特征 是在所述三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器的輸入端連接一個(gè)5A工頻保險(xiǎn)絲(F1)，各級(jí)用壓敏電阻和 氣體放電管串聯(lián)后并在電容兩端，將瞬態(tài)電壓抑制二極管(D1)串聯(lián)工頻保險(xiǎn)絲(FD)后并聯(lián) 在第三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器兩端，三級(jí)間以線圈(Ll、 L2)串聯(lián)；第一級(jí)和第二級(jí)浪涌保護(hù) 器的標(biāo)稱放電電流均大于或等于25kA，第三級(jí)標(biāo)稱放電電流大于或等于15kA;線圈(Ll) 采用空心電感結(jié)構(gòu)，線圈(L2)采用差模電感結(jié)構(gòu)，線圈(Ll、 L2)的自諧振蕩頻率大于 25MHz。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，其特征 是將所述三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器的輸出端連接輔助電源(11)的整流橋(BR2)，整流橋(BR2) 的輸出連接濾波電容(CA1)和反擊變壓器(AT)，將輔助電源控制器(Ul)連接開關(guān)管(QA) 的柵極；整流管(DA2)的輸出通過(guò)穩(wěn)壓二極管(DAf)、電阻(RAf)和三極管(Qf)構(gòu)成 輸出反饋網(wǎng)絡(luò)連接輔助電源控制器(Ul)的電壓反饋端引腳；接入輸出電壓(VCC)的電阻(RA2)、濾波電容(CA4)和穩(wěn)壓二極管(DA3)連接且提供電源給信號(hào)處理電路(12)，輸 出電壓(VCC)連接且提供電源給狀態(tài)輸出控制電路(13)、電網(wǎng)電壓檢測(cè)(14)電路、溫 度檢測(cè)(15)電路和主電源(10)的有源功率因素矯正和離線式DC-DC電路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，其特征 是將所述三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)器的輸出端連接主電源(10)的整流橋(BR1)，整流橋(BR1) 的輸出連接電感(L)后與開關(guān)管(PQ1)和整流二極管(PD)連接，由所述輸出電壓(VCC) 供電的有源功率因素矯正控制器(U2)與開關(guān)管(PQ1)的柵極連接，整流二極管(PD)的 輸出端連接濾波電容，輸出電壓(VH)通過(guò)電阻(PR1、 PR2)構(gòu)成反饋網(wǎng)絡(luò)向有源功率因素矯正控制器(U2)反饋輸出電壓。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，其特征 是所述輸出電壓(VH)連接在高頻變壓器(PT)初級(jí)線圈、緩沖網(wǎng)絡(luò)的電阻(R)和電容(C)上，開關(guān)電源控制器(U3)與開關(guān)管(PQ2)的柵極和補(bǔ)償網(wǎng)連接，開關(guān)管(PQ2)的 源極與高頻變壓器(PT)的初級(jí)線圈連接，開關(guān)管(PQ2)的漏極和取樣電阻(RPS)的公 共端與電流檢測(cè)A (17)和補(bǔ)償網(wǎng)連接，補(bǔ)償網(wǎng)將開關(guān)電源控制器(U3)的信號(hào)處理后反 饋，變壓器(PT)的次級(jí)與整流二極管(PD2)連接，瞬態(tài)電壓抑制二極管(D2)與工頻保 險(xiǎn)絲(FD2)構(gòu)成主電源(10)的帶SPD輸出電路，濾波電容(PC1)接在整流二極管(PD2) 的輸出端和地線之間，整流二極管(PD2)輸出端的電壓經(jīng)隔離反饋網(wǎng)與開關(guān)電源控制器(U3) 連接；電流檢測(cè)A (17)的輸出與信號(hào)處理電路(12)的微處理器(UC)連接，微處理器(UC)連接開關(guān)電源控制器(U3)的使能輸入端。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，其特征 是將整流橋(BR2)的輸出電壓(Vin2)通過(guò)相連的電阻(VR1)和電阻(VR2)分壓構(gòu)成 電網(wǎng)電壓檢測(cè)(14)電路連接微處理器(UC)，溫度傳感器(NTC)、電阻(TR)和濾波電容(TC)構(gòu)成的溫度檢測(cè)(15)電路連接微處理器(UC)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，其特征 是將離線式DC-DC電源的取樣電阻(RPS)連接由電阻(CR1)和電容(CC1)構(gòu)成的低通 濾波器，電壓比較器(Al)連接三極管(CQ)和電阻(CR2)后連接微處理器(UC)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，其特征 是將離線式DC-DC的輸出電壓(Vout)通過(guò)電流取樣電阻(RS)連接鐵路信號(hào)燈(7)， 由光電隔離器(UP2)、電阻(RM3)和微處理器(UC)構(gòu)成報(bào)警繼電器狀態(tài)輸出的控制電路， 將光電隔離器(UP2)連接三極管(QR)。<formula>formula see original document page 3</formula>
9.、 TRie儀^J安水丄/7l訟tfJ旭/tl坐't大it哲1日""JXI lif目5PB仏 、PQ丁文:T犬琉trj嘆1T/H;S，興'十寸1iC 是將電磁兼容(9)的輸入接線端(2)通過(guò)屏蔽雙絞電纜組(3)連接中控室中的電流繼電器(8)，電流檢測(cè)B (16)的輸出通過(guò)輸出接線端(4)和雙絞電纜(5)連接鐵路信號(hào) 燈(7)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種通用型鐵路信號(hào)燈智能電源電子變換器的設(shè)計(jì)方法，將變換器串接在中控室的電流繼電器和鐵路信號(hào)燈之間，將具有三級(jí)串聯(lián)浪涌保護(hù)功能的電磁兼容、主輔電源、有源功率因素矯正電路和離線式DC-DC、外圍連接各種檢測(cè)電路的信號(hào)處理電路和狀態(tài)輸出控制電路連接而成，本發(fā)明采用浪涌保護(hù)、開關(guān)電源、微控制器和信號(hào)采集與處理等技術(shù)，安裝連線簡(jiǎn)單，不受安裝距離影響，提供給鐵路信號(hào)燈的電源電壓恒定，總轉(zhuǎn)換效率≥80％，專為L(zhǎng)ED新式鐵路信號(hào)燈供電，并可經(jīng)內(nèi)部設(shè)置后在不改變老式鐵路信號(hào)燈光學(xué)系統(tǒng)的前提下直接使用。
文檔編號(hào)H05B37/00GK101640956SQ20091002984
公開日2010年2月3日 申請(qǐng)日期2009年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月18日
發(fā)明者娟 周, 周國(guó)華, 張福章, 朱昌平, 怡 王, 陳秉巖, 顧文斌 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū);常州市良久機(jī)械制造有限公司