杨　进,杨　城

(1.南京铁道职业技术学院通号学院,南京 210035;2.江苏省轨道交通控制工程技术研究开发中心,南京 210035;3.南京地铁运营有限责任公司通号中心,南京 210002)



基于反激励变流器反馈电路的铁路信号机点灯装置*

杨进1,2*,杨城3

(1.南京铁道职业技术学院通号学院,南京 210035;2.江苏省轨道交通控制工程技术研究开发中心,南京 210035;3.南京地铁运营有限责任公司通号中心,南京 210002)

摘要:为了解决XDZ-B型信号点灯装置输出电压纹波较大、瞬态冲击电流大以及上电瞬间副灯丝闪烁等问题,设计了一种新型铁路信号机点灯装置。采用TOPSwitch反激励变流器反馈电路和大电流可调电源芯片LM338组成非对称高转换效率双路冗余开关电源,可实现主副灯丝点灯与断丝报警功能。同时,改进了继电器逻辑电路,上电瞬间副灯丝不再闪亮,延长了副灯丝的使用寿命。系统简单可靠、启动冲击电流小、效率高、电压输出稳定、主副灯丝工作正常。

关键词:信号机点灯电路;开关电源;软启动;反激励变流器

近年来XDZ-B型多功能信号点灯装置已在沈阳、乌鲁木齐、成都、济南等铁路局和神华运煤专线上大量应用[1],目前在南京地铁正线和车辆段等城市轨道交通行业也大量使用。该装置虽然克服了90年代末期的XDZ型抗强雷击能力差、误告警的缺点[2]。但是近年来在南京地铁应用几年来发生多起由于信号机灭灯导致列车紧急制动事故[3]。严重影响了列车运行效率和行车安全。

文献[3]对南京地铁正线信号机断丝误报警故障进行了深入研究探讨,详细描述了故障现象及故障分析过程,虽然提出了解决方法,但是并没有真正解决客观存在的问题。近年来多起由于车辆段的信号机灯丝误报警故障又引起了多方重视。

1　灯丝断丝误报警原因

根据现场故障统计多数发生误报警的现象是串联在信号机点灯电路中的西门子信号机驱动模块(DESIMO)熔丝断丝造成的误报警。经过实验,测试方法如图1所示。L线代表相线,N线代表零线。相线和零线上为220 V(50 Hz)交流电。相线串联了一个DT9203A数字万用表,将开关拨到电流2 A档。然后将一个20 MHz模拟示波器接到电流表的两端,示波器的VOLTS/DIV设置在0.5 V 档,TIME/DIV设置在2 ms档。万用表下面的一是DESIMO的继电器接点。XDZ-B型多功能点灯装置上连接了主副灯丝。

图1　测试电路

通过切换DESIMO内部继电器的励磁状态发现XDZ-B型多功能点灯装置存在以下几个问题:上电瞬间副灯丝先闪亮,然后主灯丝才亮;上电瞬间电源交流侧电流达正常工作电流的十倍左右甚至更高,出现冲击电流的概率较大。部分测试图片如图2所示。

图2　上电瞬间灯丝点灯过程和冲击电流

文献[1]中介绍了XDZ-B型多功能点灯装置的主灯丝继电器ZJ 采用NT73 － 2C － S10 型继电器，副灯丝点灯继电器GJ 采用SLA － 12VDC － SL －A 型继电器，延时继电器YJ 采用NT73 － 2C － S10型继电器，延时时间由RC 振荡电路确定，延时时间t = － RCln( E － V /E) ，其中V 为延时电路供电电压，E 为电容分得的电压，这里可选择电阻大小为47kΩ，电容为50 μF 钽电容，延时时间为3 s，也可根据现场对延时的要求对电阻与电容大小进行修改。为了保证安全，主副灯丝两端各安装一个SPD 保护器，用来防雷电。

正常点亮信号灯时，ZJ 吸起，主灯丝点亮，同时断开副灯丝点灯电路，避免主灯丝上电瞬间副灯丝闪亮问题，经过3 s 延时YJ 吸起，然后GJ 吸起，副结构框图,其采用变压器分别为主灯丝和副灯丝电源供电。主灯丝采用自耦变压器,副灯丝采用降压隔离变压器。上电瞬间由于变压器线圈具有较大感抗,且二极管整流堆后的电容处于短路状态,导致信号灯转换灯位瞬间输入端存在很大冲击电流;同时,存在主副灯丝同时点亮的现象,造成输出端负载剧烈变化而引起交流输入端电流激增。通过示波器高速扫描可发现冲击电流特别大,远超DESIMO设备熔丝的工作值。

因此,我们有必要对XDZ-B型多功能点灯装置进行改进,这样才能满足城市轨道交通控制要求。

2　信号机点灯装置改造方案

2.1主副灯丝电源电路设计

主副灯丝电源为主灯丝和副灯丝点亮提供12V供电电源,其中,副灯丝电源还为副灯丝延时电路供电。

主灯丝电源采用基于开关电源芯片TOP224Y[4-6]设计的反激励变流器反馈电源电路[7-11],可以为主灯丝点灯提供12 V的额定电压,为主灯丝点亮提供软启动电流,保护主灯丝不受浪涌电流的影响。开关电源转换效率高,发热少、电流稳定纹波小的特点也提高了点灯单元的可靠性。副灯丝电源则采用大电流可调电源芯片LM338,为副灯丝点灯电路提供12 V点灯电源,在主灯丝断丝的情况下为副灯丝提供2 A的额定工作电流。主副灯丝电源电路如图3所示。

2.2主副灯丝点灯电路设计

主灯丝点灯电路可以用来软启动点亮信号灯主丝,避免瞬间启动的浪涌[12-16],副灯丝点灯电路包含点灯电路和延时电路,在主丝断丝情况下延时点亮副灯丝。另外,该电路在逻辑上避免主灯丝点亮前副灯丝闪亮问题。电路如图4所示。

图3　主副灯丝电源电路

图4　主副灯丝点灯电路

主灯丝继电器ZJ采用NT73-2C-S10型继电器,副灯丝点灯继电器GJ采用SLA-12VDC-SL-A型继电器,延时继电器YJ采用NT73-2C-S10型继电器,延时时间由RC振荡电路确定,延时时间t=-RCln(E-V/E),其中V为延时电路供电电压,E为电容分得的电压,这里可选择电阻大小为47 kΩ,电容为50 μF钽电容,延时时间为3 s,也可根据现场对延时的要求对电阻与电容大小进行修改。为了保证安全,主副灯丝两端各安装一个SPD保护器,用来防雷电。

正常点亮信号灯时,ZJ吸起,主灯丝点亮,同时断开副灯丝点灯电路,避免主灯丝上电瞬间副灯丝闪亮问题,经过3 s延时YJ吸起,然后GJ吸起,副灯丝由于GJ的限流电阻的作用,副灯丝电流只有10 mA左右,远远低于额定电流,副灯丝不亮。

当主灯丝断丝,ZJ继电器不构成回路,接点落下,经过3 s延时,YJ吸起,副灯丝亮同时GJ落下,副灯丝点灯完成。

2.3主副灯丝断丝报警电路设计

改进了文献[14]中关于安全型灯丝断丝报警方案,对主副灯丝断丝报警电路在主灯丝或者副灯丝断丝情况下给出断丝报警提示,其中1DSJ为该信号机灯位的断丝继电器,采用NT73-2C-S10型继电器继电器,主副灯丝断丝报警电路如图5所示。

图5　主副灯丝断丝报警电路

当主丝正常点亮,ZJ吸起,GJ落下,1DSJ失电,1DSJ接点落下,计算机采样不到断丝,不给出断丝报警。

当主丝断丝,ZJ失电落下,此时由于延时电路的作用YJ还未吸起,所以GJ未吸起,1DSJ电路接通,计算机采样到1DSJ接点吸起,3S后YJ吸起,GJ吸起,1DSJ接点又断电落下,计算机又采样不到1DSJ接点吸起,由此计算机可以根据此逻辑给出主灯丝断丝报警。

在主灯丝断丝情况下(ZJ落下),副灯丝工作,如果副灯丝断丝,GJ落下,1DSJ将持续得电,计算机将持续检测到1DSJ接点持续吸起,由此计算机可以根据此逻辑给出副灯丝断丝报警。

3　结束语

本文研究了一种利用TOP单片开关电源芯片设计高可靠信号机点灯装置的方法,系统电路简单可靠,冲击电流小,效率高,输出电压稳定,主副灯丝工作安全可靠。使用方法与XDZ-B型多功能点灯装置一样,同时,该装置采用带劣化指示的SPD保护器,防雷系统更加安全可靠。本装置也可应用在其他高可靠双路冗余输出系统中,具有广阔的应用前景。

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杨进(1980-),男,汉族,江苏南京人,讲师,现在南京铁道职业技术学院及江苏省轨道交通控制工程中心从事铁道信号、远程信息控制方向的教学与研究工作,railyangjin@163.com。

DesignofRailwaySignalLampDriveDeviceBasedonFlybackSwitchingPowerSupply*

YANGJin1,2*,YANGCheng3

(1.Department of Signal and Communication,Nanjing Institute of Railway Technology,Nanjing 210035,China;2.Railway Control Engineering Center of Jiangsu Province,Nanjing 210035,China;3.Nanjing Metro Operation Co.,Ltd.Tong Road,Nanjing 210002,China)

Abstract:To solve these problems of XDZ-B-type signal lamp drive device,such as heavy output voltage ripple,great instantaneous current,auxiliary filament flicker and so on.A new type of railway signal lamp drive device was designed.TOPSwitch flyback switching power supply feedback circuit and big current adjustable regulator LM338 are used to organize two sets of asymmetric high conversion efficiency redundant power supply.The function of alarm burnout for main and auxiliary filament could be achieved.At the same time the relay logic circuit was redesigned to solve the problem of auxiliary filament flicker and extended the useful life of auxiliary filament.The system is simple,reliable with small impulse current,high efficiency,stable output voltage.Main and auxiliary filaments work well in their normal states.

Key words:signal lamp drive circuit;switching power supply;soft start;disincentives converter

doi:EEACC:858010.3969/j.issn.1005-9490.2014.05.032

中图分类号:TM923.48

文献标识码:A

文章编号:1005-9490(2014)05-0949-04

收稿日期:2013-10-09修改日期:2013-10-26

项目来源:江苏省轨道交通控制工程技术研究开发中心开放基金项目(KFJ201206003)