天津鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司 楊 怡

我國(guó)北方的大部分地區(qū)在進(jìn)入冬季后，鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)經(jīng)常受到冰雪天氣困擾，如不及時(shí)清掃道岔積雪或清掃不徹底，會(huì)造成道岔尖軌尖端與基本軌不密貼或道岔冰凍，將造成鐵路運(yùn)輸晚點(diǎn)、停運(yùn)，甚至成為鐵路運(yùn)輸安全的隱患。目前，鐵路上普遍使用電加熱道岔融雪系統(tǒng)，采用電加熱元件安裝在道岔前部的鋼軌上，對(duì)鋼軌進(jìn)行加熱，實(shí)現(xiàn)融雪、除冰的目的。

1 問(wèn)題的提出

根據(jù)對(duì)長(zhǎng)沙電務(wù)段走訪，已上道的道岔融雪系統(tǒng)電加熱元件長(zhǎng)度不夠，無(wú)法對(duì)尖軌根部位置進(jìn)行加熱，在環(huán)境溫度0℃～-5℃的雪天，尖軌根部存在夾冰現(xiàn)象。為解決以上問(wèn)題，需在尖軌根部位置再增加一定長(zhǎng)度的電加熱元件。但是，現(xiàn)場(chǎng)融雪變壓器容量已經(jīng)飽和，用戶希望盡量在不增加變壓器容量和供電設(shè)備的基礎(chǔ)上，滿足為新增電加熱元件供電的要求。

2 解決思路

2.1 思路提出

基于以上情況，考慮在減少現(xiàn)場(chǎng)施工量，節(jié)約成本，不增加電氣控制柜和變壓器容量，額定功率不變的情況下，設(shè)計(jì)分時(shí)復(fù)用模塊，對(duì)既有電加熱元件及新增電加熱元件進(jìn)行分時(shí)加熱，以此方式滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。

2.2 設(shè)計(jì)需求

（1）模塊在-40℃～+70℃環(huán)境溫度下正常工作；（2）模塊輸出電流最大40A；（3）模塊可實(shí)現(xiàn)兩組電加熱元件分時(shí)加熱需求；（4）模塊分時(shí)加熱的時(shí)間可調(diào)；（5）模塊分時(shí)控制占空比1:1；（6）模塊可滿足不同功率電加熱元件的分時(shí)復(fù)用加熱。

2.3 方案設(shè)計(jì)思路

通過(guò)555時(shí)基電路提供一個(gè)穩(wěn)定可調(diào)的時(shí)基頻率，為后面的數(shù)字電路提供可靠穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。數(shù)字電路采用可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，待計(jì)數(shù)達(dá)到預(yù)定時(shí)間后，為分頻器發(fā)送時(shí)鐘信號(hào)，分頻器進(jìn)行2位的循環(huán)進(jìn)位輸出，輸出的數(shù)字信號(hào)驅(qū)動(dòng)一個(gè)前置的光耦（隔離控制信號(hào)和后置可控硅），光耦驅(qū)動(dòng)可控硅。以此實(shí)現(xiàn)2路電加熱元件的分時(shí)加熱。

具體原理如下：

（1）555時(shí)基電路（反饋型振蕩器電路）

555時(shí)基電路如圖1所示。此電路為數(shù)字電路提供穩(wěn)定可靠的時(shí)基頻率。所提供的頻率由W1、R2以及C6決定。

圖1 555時(shí)基電路

計(jì)算公式如下：

T1（充電時(shí)間）= 0.7(W1+R2)×C6

T2（放電時(shí)間）=0.7R2×C6

F（振蕩頻率）=1.4（W1+2R2）×C6

由以上計(jì)算公式可看出，此電路輸出的占空比由W1和R2決定，W1和R2阻值越懸殊，占空比越趨近于50%，而頻率由三者決定。

（2）100s內(nèi)可逆計(jì)數(shù)器電路

100s內(nèi)可逆計(jì)數(shù)器電路如圖2所示。當(dāng)U4可逆計(jì)數(shù)器的DN管腳輸入一定頻率矩形時(shí)鐘信號(hào)時(shí)，U4會(huì)從9開始逆計(jì)數(shù)，直到變?yōu)?時(shí)，開始向TCD進(jìn)位到U5的DN管腳，U5也開始從9～0逆計(jì)數(shù)，直到一個(gè)循環(huán)后，U5再向TCD進(jìn)位，此時(shí)，U6分頻器的時(shí)鐘管腳接收到信號(hào)后，開始分頻移位（從Q0～Q1），直到移位到Q2時(shí)，Q2立即給U6復(fù)位端進(jìn)行復(fù)位，U6進(jìn)行下一個(gè)周期的移位，以此往復(fù)。

圖2 可逆計(jì)數(shù)器電路

此電路實(shí)現(xiàn)了每計(jì)數(shù)100s，Q0和Q1進(jìn)行一次轉(zhuǎn)換。Q2為輸出高電平時(shí)，U6復(fù)位，Q0輸出高電平。

（3）可控硅電路

可控硅電路如圖3所示,此電路采用光耦來(lái)驅(qū)動(dòng)可控硅。光耦本身具有過(guò)零觸發(fā)特性，在控制端低電平時(shí)，控制端導(dǎo)通，光耦會(huì)自動(dòng)檢測(cè)負(fù)載的電壓。光耦作為交流開關(guān)，滿足負(fù)載較大的交流場(chǎng)合?？煽毓枳畲筝敵鲭娏?0A，峰值電壓600V，工作溫度-40℃～+125℃?？煽毓铻殡p向可控硅，柵極觸發(fā)電流500mA，在1管腳和3管腳之間并一個(gè)電阻R13，用來(lái)防止誤觸發(fā)。R14和C17組成一個(gè)RC電路并聯(lián)在電路中，用于衰減交流信號(hào)中的高頻尖峰信號(hào)，防止尖峰信號(hào)流入光耦，損壞器件。在可控硅的后級(jí)加交流互感器，對(duì)導(dǎo)通時(shí)的電流進(jìn)行采集，通過(guò)發(fā)光二極管指示。

圖3 可控硅電路

3 PCB設(shè)計(jì)

如圖4所示，分時(shí)復(fù)用板卡設(shè)計(jì)大小：長(zhǎng)×寬×高=108mm×76mm×30mm。

圖4 分時(shí)復(fù)用板卡

考慮到可控硅的散熱，將機(jī)殼底部設(shè)計(jì)為鋸齒狀散熱片，將可控硅L方式折角，焊接時(shí)，散熱面貼合底部散熱片。

板卡設(shè)計(jì)4個(gè)密封接頭，分別用于模塊供電、負(fù)載輸入、兩路分時(shí)復(fù)用負(fù)載輸出端。

板卡側(cè)面外漏5個(gè)發(fā)光二極管，分別是DC5V、4個(gè)可控硅負(fù)載電流采集指示燈。

4 測(cè)試驗(yàn)證

在環(huán)境溫度0℃、-10℃、25℃時(shí)，用分時(shí)復(fù)用模塊控制兩組電加熱元件進(jìn)行交替加熱試驗(yàn)。

4.1 設(shè)置不同分時(shí)加熱時(shí)間，分析電加熱元件及鋼軌溫度變化情況

在環(huán)境溫度0℃、-10℃時(shí)，用分時(shí)復(fù)用模塊控制兩組密貼鋼軌的電加熱元件進(jìn)行交替加熱試驗(yàn)。兩組電加熱元件均為500W。分時(shí)復(fù)用時(shí)長(zhǎng)分別設(shè)置30s、120s，通過(guò)溫度巡檢儀記錄電加熱元件溫度變化。

環(huán)境溫度0℃時(shí)，設(shè)置30s分時(shí)加熱時(shí)間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 0℃時(shí)30s分時(shí)加熱溫度變化曲線

環(huán)境溫度0℃時(shí)，設(shè)置120s分時(shí)加熱時(shí)間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 0℃時(shí)120s分時(shí)加熱溫度變化曲線

環(huán)境溫度-10℃時(shí)，設(shè)置30s分時(shí)加熱時(shí)間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 -10℃時(shí)30s分時(shí)加熱溫度變化曲線

環(huán)境溫度-10℃時(shí)，設(shè)置120s分時(shí)加熱時(shí)間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 -10℃時(shí)120s分時(shí)加熱溫度變化曲線

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：（1）當(dāng)環(huán)境溫度一定，分時(shí)加熱時(shí)間越短，電加熱元件溫度波動(dòng)范圍越小，影響到鋼軌的溫度越平穩(wěn)。優(yōu)點(diǎn)：鋼軌的溫度變化比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)：鋼軌的溫度上升較慢。（2）當(dāng)環(huán)境溫度一定，分時(shí)加熱時(shí)間越長(zhǎng)，電加熱元件溫度波動(dòng)范圍越大，影響到鋼軌的溫度波動(dòng)越大。優(yōu)點(diǎn)：加熱開始階段，電加熱元件溫升高，影響到鋼軌溫升快。缺點(diǎn)：鋼軌的溫度波動(dòng)較大。

4.2 設(shè)置不同分時(shí)加熱時(shí)間，分析電加熱元件電流及可控硅溫度變化情況

環(huán)境溫度25℃時(shí)，用分時(shí)復(fù)用模塊控制兩組電加熱元件進(jìn)行交替加熱試驗(yàn)。第一組電加熱元件為2650W、2000W，第二組電加熱元件為1200W、1200W。分時(shí)復(fù)用時(shí)長(zhǎng)分別設(shè)置10s、120s進(jìn)行加熱，通過(guò)溫度巡檢儀記錄電加熱元件溫度變化，通過(guò)點(diǎn)溫儀記錄可控硅發(fā)熱變化，通過(guò)電流表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各路電流變化情況。表1為設(shè)置10s分時(shí)加熱時(shí)長(zhǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 25℃時(shí)10s分時(shí)加熱數(shù)據(jù)

表2為設(shè)置120s分時(shí)加熱時(shí)長(zhǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 25℃時(shí)120s分時(shí)加熱數(shù)據(jù)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：分時(shí)復(fù)用時(shí)長(zhǎng)設(shè)置越短，可控硅工作產(chǎn)生的熱量較少，不會(huì)使可控硅表面溫度達(dá)到最高值（110℃以上），不會(huì)造成通態(tài)電流IT1-T2下降。因此，分時(shí)復(fù)用時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為20～30s較為理想。

結(jié)束語(yǔ)：在現(xiàn)場(chǎng)融雪變壓器容量已經(jīng)基本飽和，并且用戶要求不再增加融雪設(shè)備及供電設(shè)備的情況下，通過(guò)分時(shí)復(fù)用模塊實(shí)現(xiàn)了電加熱元件分時(shí)交替加熱道岔尖軌根部的需求，達(dá)到了道岔尖軌部位融雪除冰的目的，保證了道岔的正常轉(zhuǎn)換；同時(shí)，此方法安裝方便，減少現(xiàn)場(chǎng)施工量，節(jié)約成本，省時(shí)高效，可以在現(xiàn)場(chǎng)融雪系統(tǒng)擴(kuò)容方面得到廣泛應(yīng)用。