铁路信号智能电源屏课件4.1

压的目的。锯齿波发生器提供恒定的时钟频率信号，利用误差放大器和PWM比较器形成
闭环调压系统。
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电源模块组成介绍—以某模块为例
主板
控制板 模块电路板 PFC板 滤波板 模块机箱 模块散热器 模块组成结构图
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模 块 组 成
通讯CPU板
电源模块组成介绍
模 块 散 热 片
模 块 空 机 箱
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电源模块组成介绍
模 块 控 制 板
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电源模块组成介绍
模块PFC主要功能：
PFC（Power Factor Correction）板的主 要功能是功率因数校 正
模块PFC主板
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电源模块组成介绍
模块滤波主要功能：
滤除模块输入电源的 高次谐波
模 块 滤 波 板
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电源模块组成介绍
模块CPU通讯板主要功能：
1、模块电压、电流及告警 信息的采集 2、与监控单元的通讯
2
额定电流
16A
1.1Ie
3
开机输出电压上升时间
3～8秒
4
纹波系数
≤0.1%
5
稳压精度
≤±0.5%
6
均流系数
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电源模块介绍—常见模块
交流220V 模块 直流模块
直流24V模块 25HZ模块 直流24V 模块
交流380V 模块
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直流220V 模块
开关电源稳压特点
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模块特点（1）
• 全电子化设备 • 体积小、重量轻、无噪声。效率高、空载电流小、备 用模块耗电小。系统输入电源切换时，输出不间断。输出 电源精度高，模块动态相应快。 • 超宽的工作电压范围 • 电源屏系统可以工作在220V±25％的电压范围内，模块工 作在220V ±30％的电压范围内，远远大于铁标的规定电 压范围－20％到＋15％之间。实际电源屏的过欠压点可以 根据用户的需要进行设置。
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三相调压器原理图
单相调压器原理图
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二、铁磁谐振稳压
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铁磁谐振稳压

磁饱和稳压器、参数式稳压器、恒压稳压器等都采取 铁磁谐振式进行稳压，它是利用电磁原理进行稳压的 一种方式。即由非线性电感与电容组成串连或并联电 路，通过改变外加电压使得电路达到谐振，一旦电路 谐振后，线圈的铁芯就处于深度饱和状态，对外电压 的变化十分“迟钝”，可利用这种特性进行稳压。这 种谐振称为铁磁谐振。
模 块 板 CPU
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25Hz模块抗扰说明

系统对机车牵引电流的抗干扰说明： 提供轨道电源与局部电源的电源模块其输出频率与相位是由模 块内部保证的，由晶体振荡器分频保证频率，由软件实现相位 超前90度，其电路拓扑形式决定其稳定性仅受到模块内部辅 助电源电压的影响，而辅助电源是由开关电源实现，不受牵引 电流影响。
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铁磁谐振稳压－特点
1．稳定电压范围宽—即使电网电压变化达±30%时，恒压器 的输出电压变化不大于±2~3%；能适应供电条件极差的地 区使用，保证设备的安全运行； ２．输出的短路保护—在输出端出现超载或短路时，输出端 电压会自动急剧下降，当输出短路时,输出电压会降至近 似"0"，当短路消除，电压又会自动恢复正常，能起到保 护设备的作用，免除因线路或设备短路时造成的严重损坏； ３．抗干扰能力强—有超强的抗电网尖峰、浪涌的能力，甚 至于一般的边缘雷击都能承受。尖峰、浪涌和经输电线传 入的雷电干扰约几千伏，恒压器有能力将其滤去，不让干 扰的高电压传至输出端，从而保护设备免遭损坏； 4、噪音大、损耗大、温升高、谐振电容需要频繁更换等
6
稳压原理
第三代产品： 自上世纪90年代末，铁路开始大量使用国际 上先进的信号设备产品，第三代电源屏铁路信号 智能电源屏开始采用高频逆变开关电源模块、微 电子补偿式（无触点自动补偿稳压器）为信号设 备提供供电电源； 铁路信号智能电源屏，是具有实时监测、报 警、记录和故障定位功能的供电设备。为铁路、 城市轨道交通系统的信号设备提供稳定可靠的交、 直流电源。
4
供电原理
IN220VA
C
OUT220VA C
IN220VA C
OUT24VD
C
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稳压原理
第二代产品： 自上世纪80年代开始，一些先进的铁路信号设 备开始陆续投入使用，第二代信号电源屏开始采用 自动补偿稳压器（机械调压型稳压、感应调压器式 稳压器）、铁磁谐振稳压（磁饱和稳压器、恒压变 压器、参数稳压器）来满足信号设备的要求； 特点： 1、稳压精度较高 2、响应速度较慢
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铁磁谐振稳压
Vl Vi Vo
Vc
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三、微电子补偿式稳压
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微电子补偿式稳压

稳压原理是在相线中串入升降压变压器，由智能单元在 模块输出端采样输出电压，判断输出电压是否超出设定 电压范围。如果输出电压低于设定电压，将适当的变压 器同相开关打开。这样就可以在变压器的次级得到适当 的与输入电源同相位的电压叠加于相电压上，从而提升 输出电压；如果输出电压高于设定电压，将适当的变压 器反向开关打开，这样就可以在变压器的次级得到适当 的与输入电源相位相反的电压叠加于相电压上，从而降 低输出电压。其中要求每个变压器均可以正向或反向接 入或断开变压器的输入。
第二章 铁路信号智能电源屏工作原理 第一节 系统工作原理 第二节 两路切换原理 第三节 稳压原理 第四节 监测原理
第五节 防雷原理
1
第三节 稳压原理 一、机械调压型稳压 二、铁磁谐振稳压 三、微电子补偿式稳压 四、开关电源稳压
Q:有几种稳压方式？
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稳压原理
随着铁路建设的迅猛发展、科技的进步以及铁路信 号先进设备的应用，铁路信号设备对供电质量的稳定、 安全、可靠性提出了更高的要求。 e.g. TTL Transistor-Transistor Logic 晶体管-晶体管逻辑(电 路) EMC Electro Magnetic Compatibility, 电磁兼容性 目前铁路电网供电质量不高，电源屏作为为设备供 电的设备，要求能起到稳压的作用，以满足信号设备的 发展要求；
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开关电源稳压原理图
关键技术－－开关电源稳压原理介绍
若用T表示开关的脉冲周期，Ton表示导通时间，占空比D=Ton/T,n表示高频变压器的
变比，在脉冲周期一定的前提下，功率变换器的输出电压Vo和输入电压Vi关系如下公式： Vo=Vi ×D ×n 开关电源的输入或者输出电压发生变化时，如电网电压升高或负载变化使输出电压 升高或者降低时，只要适当控制占空比D，就可以使输出电压保持不变。 上图的控制电路就是实现这个功能的，脉宽调制器是核心，它可产生频率固定而脉 冲宽度可调的驱动信号，控制开关管的通断状态，从而来调节输出电压的高低，达到稳
• 交流模块主备工作，切换间断时间小于150ms • 自然冷却，长寿命无尘设计 • 内置监控板，工作状态实时监测 • EMC技术
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开关电源稳压
关键技术－－有源功率因数校正电路PFC
污染电网的谐波的产生与危害
U t
10kV
电力 变压器
电力变压器 损耗增加
开关电源 （无功率因数校正）
交流电质量很差 影响用电设备的 正常运行
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开关电源模块输入特性技术指标
序号 1
项目 输入电压
指
标
铁标 －20％～＋15％
－20％～＋15％ －20％～＋20％ －30％～＋30％ 50±5Hz
2
输入交流频率
50±1Hz ≥ 0.95
3
功率因数
≥ 0.99
4
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某开关电源模块输出特性技术指标
序号 1
项
目
指
标
铁标 1％
额定电压
220VDC
模块CPU通讯板
模块主板
模 块 空 机 箱
滤 波 板
模块控制板
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PFC板
电源模块组成介绍
模块主板主要功能：
1、输入电源的全桥 整流（AC/DC) 2、直流逆变 （DC/AC） 3、输出滤波
模块主板
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电源模块组成介绍
模块控制板主要功能：
检测模块主板的电压、 电流及外部同步时钟信 号，迅速作出判断，对 模块主板进行电压调整， 保证模块的输出
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模块特点（3）
• 缺相保护 • 系统内部有电压检测电路，当输入电源缺相时，能自动报 警并切换到另一路。也可以自动恢复。 • 相序 没有相序要求，相序可以随意互换。 • 接地 要求零线、保护地线、防雷地线分开，接地电阻值小于10 欧姆，
7
稳压原理




输入电源通过切换后，将作为模块的输入电源，通过模块净化 后，直接给负载供电。 模块配电难点在于模块间的切换。铁标要求主备模块切换时间 不大于150ms 模块输出配电有直接供电、直流均流输出和交流热备输出等类 型。 智能电源模块一般都具有稳压功能。根据原理的不同，稳压方 式主要有如下四种方式：自动补偿稳压器（机械调压型稳压、 感应调压器式稳压器）、铁磁谐振稳压（磁饱和稳压器、恒压 变压器、参数稳压器）、微电子补偿式（无触点自动补偿稳压 器）稳压及开关电源稳压（PFC）。
PFC电路是个典型的升压变换器
D2 1 L2 DSEI 30-06A 2 410VDC
C5 1 1U630V
2
C6 Q1 + 470U450V
IXFK36N60
3
U=LdI/dT U:电感电压 Di:电感电流的增量 dT:电感电流的增量所对应的时间
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开关电源稳压
原理介绍
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制 开关元件的占空比来调整输出电压。
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微电子补偿式稳压的特点

它的优点是成本低、可靠性高、单机容量大、效率高， 缺点是响应慢、不能连续稳压、自身带来电源扰动。
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微电子补偿式稳压
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微电子补偿式稳压
Uo
Ui
U0＝Ui＋U感应
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微电子补偿式稳压
Uo＝Ui＋U11＋U22＋U33
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四、开关电源稳压
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开关电源稳压

高频开关电源稳压采用整流技术、逆变技术、PFC（功 率因数校正）、PWM（脉宽调制）变换技术、电子锁相 技术、DSP等技术使电源完成交流-直流-交流的变换过 程。由于其有交流-直流的变换过程，所以其输出电源 不受输入电网的波动、突变等的影响，输出稳定可靠， 成为信号智能电源屏的主流稳压方式。此方案是目前 智能电源屏稳压的主流方案。
其他用电设备
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开关电源稳压原理图
关键技术－－有源功率因数校正电路PFC
PFC电路原理
410VD C
310VD C
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开关电源稳压
关键技术－－有源功率因数校正电路PFC
电流尖峰产生的原因
• • 能量的传递过程只发生在交流电压波形的峰值点附近 交流电流波形含有高次谐波
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开关电源稳压
关键技术－－有源功率因数校正电路PFC
Q：PFC、PWM的含义是什么？
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开关电源稳压原理图
+
PFC主电路
*
交流输入
~
EMI滤波
-
直流输出
+
高频整流
DC/DC主电路 PFC驱动 PWM驱动
输出滤波
全桥整流
过压、过流保护
PFC控制
PWM控制
均流控制
检测放大
• 采用PFC技术，功率因数大于0.99 • 具有短路回缩特性，可以长时间短路 • 采用低差自主均流技术，均流性能好 • 自然冷却，长寿命无尘设计 • 内置监控板，工作状态实时监测 • EMC技术
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一、机械调压型稳压
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机械调压型稳压



机械调压型稳压、感应调压器稳压、自动补偿稳压器 机械调压型稳压方式在我国铁路信号市场占据了较长时间，其 稳压方案主要是以伺服电机带动炭刷在自耦变压器的绕组滑动 面上移动，以改变Vo对Vi的比值，以实现输出电压的调整和稳 定。 它的优点是结构简单，造价低，输出波形与输入波形一致。 缺点是碳刷移动接点易产生电火花，造成电刷损坏以致烧毁而 失效；电压调整速度慢，故障率高。此方案已逐步淡出市场。 改进方法： 1、将滑动摩擦改为滚动摩擦； 2、增加滑动接触点的接触面 3、无触点化
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稳压原理
信号电源屏目前从技术上来分来已经发展到第三代产品： 第一代产品： 信号电源屏最早在我国铁路上出现是在上世纪60年代。 传统的第一代电源屏一般都采用工频变压器加相控整流器 来完成电气隔离和电压变换任务。 特点： 1、系统大而笨重，效率和功率因数很低。 2、简单实用，能够满足当时的设备供电要求； 3、技术指标低
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模块监控 RS485 监控模块
开关电源稳压原理图
+
PFC主电路
*
交流输入
~
EMI滤波
-
交流输出
+
全桥整流
DC/AC主电路
输出滤波 过压、过流保护
PFC驱动
PWM驱动
PFC控制
PWM控制
检测放大
• 采用PFC技术，功率因数大于0.99
模块监控 RS485 监控模块
• 具有短路回缩特性，可以长时间短路
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模块特点（2）
• 过欠压保护 • 系统内部监控模块可以设置输入电源过欠压告警点，当输 入电压超过设置点时，系统会给出声光报警，此时系统仍 然正常工作，如果电压进一步升高或降低达到过欠压点时， 系统会自动将该路电源切掉，转接到另一路电源工作。当 该路电源电压恢复正常后，系统不能自动切换回来。其中 过压点为峰值检测、欠压点为有效值检测，同时在过欠压 点均设置有回差以确保在该点附近系统工作的稳定性。