本實(shí)用新型涉及一種用于地鐵雜散電流模擬裝置的補(bǔ)償電源電路,主要用于地鐵軌道，通過(guò)分段電流補(bǔ)償來(lái)防治地鐵雜散電流，具體涉及一種補(bǔ)償電源電路。

背景技術(shù)：

地鐵作為城市軌道交通的重要工具正在迅速發(fā)展，地鐵的運(yùn)行方式多采用直流供電、直流電力牽引系統(tǒng)和把走行軌作為電流回流線。在列車運(yùn)行啟動(dòng)、加速、勻速、滑行、減速、制動(dòng)、倒車、停止等過(guò)程中以及負(fù)載不同空載、輕載、重載的情況下,走行軌上會(huì)形成大小差別很大的工作電流。該電流絕大部分能經(jīng)過(guò)走行軌流回到電源負(fù)極,而總有一小部分從軌道與地面絕緣不良的位置泄漏到地鐵道床及周圍土壤介質(zhì)中，形成雜散電流，俗稱地鐵迷流，雜散電流經(jīng)過(guò)在地下無(wú)規(guī)律流動(dòng)，最后絕大部分還會(huì)流回到電源供電系統(tǒng)的負(fù)極。當(dāng)然也存在極少的雜散電流無(wú)法流回到直流供電電源的負(fù)極,而成為真正的迷流。

資料顯示,當(dāng)雜散電流為1A時(shí),一年內(nèi)可腐蝕36kg鉛、11kg銅和10kg鐵。在雜散電流干擾比較嚴(yán)重的地區(qū),電流可達(dá)幾十安培甚至幾百安培,壁厚8～9mm鋼管,快則2～3個(gè)月就會(huì)穿孔，因此雜散電流造成的腐蝕相當(dāng)嚴(yán)重。在直流電壓牽引供電的地鐵系統(tǒng)中,實(shí)測(cè)結(jié)果表明,列車在啟動(dòng)和加速運(yùn)行時(shí)流入地下的雜散電流值一般要大于100A。又由于地鐵線路長(zhǎng),周圍的地下金屬結(jié)構(gòu)多,雜散電流不僅腐蝕地鐵主體工程的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)和地鐵系統(tǒng)內(nèi)的埋地金屬管線,而且也腐蝕城市用的各種公共金屬管道。

隨著地鐵運(yùn)營(yíng)年限的增加,環(huán)境的改變,絕緣材料的老化,軌道散落物的堆積,同時(shí)由于受到不可避免的污染、潮濕、滲水、漏水和列車對(duì)道軌的強(qiáng)作用力等因素的影響,地鐵軌道與地面的絕緣程度也會(huì)變差,使軌、地絕緣性能降低或先期防護(hù)措施失效，這樣就有大量雜散電流泄漏到周圍的土壤介質(zhì)中去,相對(duì)于自然腐蝕,雜散電流在數(shù)值上要大幾十倍,甚至上千倍,而且自然腐蝕的電流是自發(fā)的,腐蝕速度很慢,一般要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的腐蝕才能觀察到而雜散電流數(shù)值大,使金屬被腐蝕的較快,經(jīng)常遭受雜散電流腐蝕的管線有時(shí)幾個(gè)月便可能會(huì)穿孔。

由于地鐵走行軌泄漏的雜散電流具有分散性和不可預(yù)測(cè)性，國(guó)內(nèi)外根據(jù)對(duì)影響地鐵雜散電流大小因素的分析，采用被動(dòng)防治方法和提出的一種積極有效的防治方法,設(shè)計(jì)適合實(shí)驗(yàn)室使用的地鐵雜散電流模擬補(bǔ)償裝置，該裝置包括雜散電流模擬裝置的補(bǔ)償電源裝置。國(guó)內(nèi)外至今還沒(méi)有找到一個(gè)最終消除地鐵雜散電流危害的辦法,所以在此基礎(chǔ)上本專利設(shè)計(jì)出了適合模擬裝置的補(bǔ)償電源。

國(guó)內(nèi)外的地鐵供電牽引系統(tǒng)基本都采用750V或1500V直流電壓供電,供電軌接電源的正極,走行軌(兼作回流線)接電源的負(fù)極。而實(shí)驗(yàn)室一般不可能提供如此高的供電電壓,即使能提供如此高的供電電壓,也不經(jīng)濟(jì)而且對(duì)實(shí)驗(yàn)人員不安全。因此,在實(shí)驗(yàn)研究階段使用低壓直流電源做模擬。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種用于地鐵雜散電流模擬裝置的補(bǔ)償電源電路。

本實(shí)用新型在實(shí)驗(yàn)室中模擬地鐵雜散電流產(chǎn)生、泄漏點(diǎn)及流動(dòng)路徑的主要目的是為了論證:地鐵軌道進(jìn)行分段電流補(bǔ)償對(duì)防治地鐵雜散電流是有效的。所以設(shè)計(jì)模擬裝置只要能夠滿足模擬軌道在模擬供電情況下產(chǎn)生可檢測(cè)的雜散電流，通過(guò)對(duì)比補(bǔ)償前后的泄露情況。

本實(shí)用新型的做法是在一個(gè)塑料或有機(jī)玻璃制作的容器里，充填一些具有導(dǎo)電性的介質(zhì)(水或土壤)來(lái)模擬。

本實(shí)用新型解決技術(shù)問(wèn)題所采取的具體技術(shù)方案為：

一種用于地鐵雜散電流模擬裝置的補(bǔ)償電源電路，包括變流濾波模塊、采樣模塊、限流保護(hù)模塊、降壓擴(kuò)流模塊、升壓模塊、顯示模塊。

變流濾波模塊由220V交流電源、變壓器、第一二極管VD1、第二二極管VD2、第三二極管VD3、第四二極管VD4、第一電容C1、第一電阻R1組成。變壓器原邊的一端接220V交流電源的正向端，變壓器原邊的另一端接220V交流電源的負(fù)向端，變壓器副邊的一端接第一二極管VD1的負(fù)極端和第三二極管VD3的正極端，變壓器副邊的另一端接第二二極管VD2的負(fù)極端和第四二極管VD4的正極端。第一二極管VD1的正極端與第二二極管VD2的正極端、第一電容C1的負(fù)向端和第一電阻R1的一端連接并接地；第三二極管VD3的負(fù)極端與第四二極管VD4的負(fù)極端、第一電容C1的正向端、第一電阻R1的另一端連接。

采樣模塊由第五二極管VD5、第一晶體管G1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4組成。第一晶體管G1的基極端接第三電阻R3的一端和第四電阻R4的一端。第一晶體管G1的發(fā)射極端接第五二極管VD5的負(fù)極端和第二電阻R2的一端。第二電阻R2的另一端接第四電阻R4的另一端，第五二極管VD5的正極端接第三電阻R3的另一端；第一晶體管G1的集電極與變流濾波模塊的輸出端連接。

限流保護(hù)模塊由第六二極管VD6、第二晶體管G2、第三晶體管G3、第四晶體管G4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第十一電阻R11組成。

第五電阻R5的一端與第六二極管VD6的負(fù)極端、第四晶體管G4的基極端、第八電阻R8的一端連接并作為限流保護(hù)模塊的輸出端。第五電阻R5的另一端接第六電阻R6的一端和第二晶體管G2的基極端。第二晶體管G2的發(fā)射極端接第六二極管VD6的正極端和第七電阻R7的一端。第二晶體管G2的集電極端接第九電阻R9的一端。第九電阻R9的另一端與第十一電阻R11的一端、第三晶體管G3的發(fā)射極連接并接地。第十一電阻R11的另一端接第十電阻R10的一端和第四晶體管G4的發(fā)射極端。第十電阻R10的另一端接第八電阻R8的另一端。第四晶體管G4的集電極端接第三晶體管G3的基極端。第三晶體管G3集電極與第六電阻R6的另一端、第七電阻R7的另一端連接并接地。

降壓擴(kuò)流模塊由集成芯片LM2596ADJ、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第一電感L1、MOS場(chǎng)效應(yīng)管和第七二極管VD7組成。

第二電容C2正向端與第三電容C3的正向端、集成芯片LM2596ADJ輸入端Vi、MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極端連接并接限流保護(hù)模塊的輸出端；第二電容C2的負(fù)向端和第三電容C3的負(fù)向端接地。MOS場(chǎng)效應(yīng)管的源極端接芯片LM2596ADJ的輸出端Vo,MOS場(chǎng)效應(yīng)管的漏極端接第七二極管VD7的正極端和第一電感L1的一端。第七二極管VD7的負(fù)極端接地。第一電感L1的另一端與第四電容C4的正向端、第十二電阻R12的一端、第五電容C5的正向端連接并作為升壓模塊的輸入端。第四電容C4的負(fù)向端接地。第十二電阻R12的另一端與芯片LM2596ADJ的FB端、第十三電阻R13的一端連接。第十三電阻R13的另一端接地。第五電容C5的負(fù)向端接地。芯片LM2596ADJ的No端和GND端接地。

升壓模塊由集成芯片MC34063A、第十四電阻R14、第十五電阻R15、第十六電阻R16、第十七電阻R17、第十八電阻R18、第一電位器RP1、第六電容C6、第七電容C7、第八電容C8、第二電感L2、第八二極管VD8組成。

第十四電阻R14的一端接第十五電阻R15的一端，之后接集成芯片MC34063A的7號(hào)引腳。第十四電阻R14另一端與第十五電阻R15的另一端、集成芯片MC34063A的6號(hào)引腳連接并接輸入電壓端。第十六電阻R16的一端接第六電容C6的正向端，第六電容C6的負(fù)向端接地。第十六電阻R16的另一端接第十七電阻R17的一端和第二電感L2的一端。第十七電阻R17的另一端接集成芯片MC34063A的8號(hào)引腳。第二電感L2的另一端接第八二極管VD8的正極端，之后接集成芯片MC34063A的1號(hào)引腳。第八二極管VD8的負(fù)極端與第一電位器RP1的一端、第八電容C8的正向端連接并做作為輸出連接顯示器。第八電容C8的負(fù)向端接地。第一電位器RP1的另一端接第十八電阻R18的一端，之后接集成芯片MC34063A的5號(hào)引腳。第十八電阻R18的另一端接地。集成芯片MC34063A的2號(hào)引腳接地。第七電容C7的正向端接集成芯片MC34063A的3號(hào)引腳，第七電容C7的負(fù)向端接地。集成芯片MC34063A的4號(hào)引腳接地。

顯示模塊由電壓顯示器和電流顯示器組成。

作為優(yōu)選，集成芯片AD637模塊代替變流濾波模塊；該模塊包括集成芯片AD637、正負(fù)5V直流電源、第十九電阻R19、第九電容C9、第十電容C10。集成芯片AD637的BUFFIN引腳接第九電容C9的正向端和第十九電阻R19的一端。第九電容C9的負(fù)向端接地。第十九電阻R19的另一端接第十電容C10的正向端和集成芯片AD637的RUSOUT引腳，第十電容C10的負(fù)向端接集成芯片AD637的CAV引腳。集成芯片AD637的+VS引腳接正5V直流電源，集成芯片AD637的-VS引腳接負(fù)5V直流電源。集成芯片AD637的COMMON引腳接地。集成芯片的DEVIN引腳接集成芯片的BUFFOUT引腳作為輸出，集成芯片AD637的VIN引腳接變壓器的輸出作為輸入。集成芯片AD637的其他引腳懸空。

本實(shí)用新型中變流濾波模塊給降壓擴(kuò)流等各類電路提供均穩(wěn)定的工作電壓，降壓擴(kuò)流模塊給升壓等各類電路提供了可靠的工作電流。本實(shí)用新型綜合電路外加51單片機(jī)STC12C5A60S2最小系統(tǒng)進(jìn)行過(guò)流保護(hù)，1062液晶顯示屏進(jìn)行顯示，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整功率因數(shù)，進(jìn)過(guò)反復(fù)的測(cè)試，針對(duì)不同的結(jié)果，采取相應(yīng)的措施，提高了系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。

附圖說(shuō)明

圖1為結(jié)構(gòu)示意框圖；

圖2為軌道模擬模塊示意圖；

圖3為變流濾波模塊電路原理圖；

圖4為采樣模塊電路原理圖；

圖5為限流保護(hù)模塊電路原理圖；

圖6為降壓擴(kuò)流模塊電路原理圖；

圖7為升壓模塊電路原理圖；

圖8為集成芯片AD637模塊電路原理圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說(shuō)明。

本實(shí)用新型的具體實(shí)施例如附圖所示，圖1所示一種用于地鐵雜散電流模擬裝置的補(bǔ)償電源的研制的電路結(jié)構(gòu)示意框圖，主要是變流濾波模塊、采樣模塊、限流保護(hù)模塊、降壓擴(kuò)流模塊、升壓模塊、顯示模塊、軌道模擬模塊。

如圖2所示，軌道模擬模塊包括軌道、道床、枕木，管線。

如圖3所示，交流濾波模塊包括220V交流電源、變壓器、第一二極管VD1、第二二極管VD2、第三二極管VD3、第四二極管VD4、第一電容C1、第一電阻R1。

在變流濾波模塊電路中，耦合隔離變壓器的兩端通入220V的交流電源。變壓器的a1端接220V交流電源的正向端，變壓器的a2端接220V交流電源的負(fù)向端。變壓器的b1、b2端作為輸出，分別接第一二極管VD1的負(fù)極端和第三二極管VD3的正極端和第二二極管VD2的負(fù)極端和第四二極管VD4的正極端。第一二極管VD1的正極端接第二二極管VD2的正極端，之后接第一電容C1的負(fù)向端和第一電阻R1的一端。第一電容C1的負(fù)向端和第一電阻R1的一端接地。第三二極管VD3的負(fù)極端接第四二極管VD4的負(fù)極端，之后接第一電容C1的正向端和第一電阻R1的另一端。第一電容C1兩端的輸出信號(hào)作為下一模塊的輸入信號(hào)。此電路主要是將提供的220V交流電轉(zhuǎn)換為可供后面電路使用的直流電壓及電流。

如圖4所示，采樣模塊包括第五二極管VD5、第一晶體管G1、第二電阻R2、第三電阻R3、第四電阻R4。

第一晶體管G1的基極端接第三電阻R3和第四電阻R4的一端。第一晶體管G1的發(fā)射極端第五二極管VD5的負(fù)極端和第二電阻R2的一端。第二電阻R2的另一端接第四電阻R4的另一端，第五二極管VD5的正極端接第三電阻R3的另一端，第一晶體管G1的集電極與上一模塊的輸出端連接。

如圖5所示，限流保護(hù)模塊包括第六二極管VD6、第二晶體管G2、第三晶體管G3、第四晶體管G4、第五電阻R5、第六電阻R6、第七電阻R7、第八電阻R8、第九電阻R9、第十電阻R10、第十一電阻R11。

第五電阻R5的一端接第六二極管VD6的負(fù)極端和第四晶體管G4的基極端，之后接第八電阻R8的一端。第五電阻R5的另一端接第六電阻R6的一端和第二晶體管G2的基極端。第二晶體管G2的發(fā)射極端接第六二極管VD6的正極端和第七電阻R7的一端。第二晶體管G2的集電極端接第九電阻R9的一端。第九電阻R9的另一端接第十一電阻R11的一端，之后接地。第十一電阻R11的另一端接第十電阻R10的一端和第四晶體管G4的發(fā)射極端。第十電阻R10的另一端接第八電阻R8的另一端。第四晶體管G4的集電極端接第三晶體管G3的基極端。第三晶體管G3的發(fā)射極端和集電極端接地，六電阻R6的另一端接地，第七電阻R7的另一端接地。

如圖6所示，降壓擴(kuò)流模塊包括芯片LM2596ADJ、第二電容C2、第三電容C3、第四電容C4、第五電容C5、第十二電阻R12、第十三電阻R13、第一電感L1、MOS場(chǎng)效應(yīng)管和第七二極管VD7。

在降壓擴(kuò)流模塊電路中，變流濾波模塊的輸出信號(hào)作為集成芯片LM2596ADJ的輸入信號(hào)，接集成芯片LM2596ADJ的輸入端Vi。第二電容C2和第三電容C3的正向端接變流濾波模塊的輸出端。芯片LM2596ADJ的輸入端Vi接第二電容C2和第三電容C3的正向端，之后接MOS場(chǎng)效應(yīng)管的柵極端。第二電容C2和第三電容C3的負(fù)向端接地。芯片LM2596ADJ的輸出電流只要幾百毫安，為了達(dá)到題意要求的輸出電流，需要外接MOS場(chǎng)效應(yīng)管起到擴(kuò)流的作用。MOS場(chǎng)效應(yīng)管的源極端接芯片LM2596ADJ的輸出端Vo,MOS場(chǎng)效應(yīng)管的漏極端接第七二極管VD7的正極端和第一電感L1的一端。第七二極管VD7的負(fù)極端接地。第一電感L1的另一端接第四電容C4的正向端和第十二電阻R12的一端，之后接第五電容C5的正向端。第四電容C4的負(fù)向端接地。第十二電阻R12的另一端接芯片LM2596ADJ的FB端，之后接第十三電阻R13的一端。第十三電阻R13的另一端接地。第五電容C5的負(fù)向端接地。芯片LM2596ADJ的No端和GND端接地。此電路主要是將整流濾波后大的直流電壓進(jìn)行降壓。集成芯片LM2596ADJ具有很好的穩(wěn)壓效果，可以使電路的輸出直流電壓穩(wěn)定在18V。通過(guò)擴(kuò)流電路使輸出直流電流達(dá)到4A左右。然而為了能達(dá)到這樣的輸出效果，需要通過(guò)反復(fù)的測(cè)試。特別對(duì)第一電感L1，是通過(guò)手動(dòng)纏繞電感線的方法得到滿足條件的電感值，這就保證了電路數(shù)據(jù)的精確性。

如圖7所示，升壓模塊包括集成芯片MC34063A、第十四電阻R14、第十五電阻R15、第十六電阻R16、第十七電阻R17、第十八電阻R18、第一電位器RP1、第六電容C6、第七電容C7、第八電容C8、第二電感L2、第八二極管VD8。

如圖8所示，在升壓模塊電路中，降壓擴(kuò)流模塊的輸出信號(hào)端接集成芯片MC34063A的6號(hào)引腳，作為此模塊的輸入信號(hào)，提供電路工作的電壓、電流。此外，第十四電阻R14的一端接第十五電阻R15的一端，之后接集成芯片MC34063A的7號(hào)引腳。第十四電阻R14另一端和第十五電阻R15的另一端接輸入電壓端，之后接集成芯片MC34063A的6號(hào)引腳。第十六電阻R16的一端接第六電容C6的正向端，第六電容C6的負(fù)向端接地。第十六電阻R16的另一端接第十七電阻R17的一端和第二電感L2的一端。第十七電阻R17的另一端接集成芯片MC34063A的8號(hào)引腳。第二電感L2的另一端接第八二極管VD8的正極端，之后接集成芯片MC34063A的1號(hào)引腳。第八二極管VD8的負(fù)極端接第一電位器RP1的一端和第八電容C8的正向端，作為升壓模塊的輸出端，外接電壓、電流顯示器(示波器)可觀察電壓、電流值(波形)，即為所需的電壓、電流值(波形)。第八電容C8的負(fù)向端接地。第一電位器RP1的另一端接第十八電阻R18的一端，之后接集成芯片MC34063A的5號(hào)引腳。第十八電阻R18的另一端接地。集成芯片MC34063A的2號(hào)引腳接地。第七電容C7的正向端接集成芯片MC34063A的3號(hào)引腳，第七電容C7的負(fù)向端接地。集成芯片MC34063A的4號(hào)引腳接地。此電路主要是將降壓擴(kuò)流模塊電路輸出的18V直流電壓升到36V且保持穩(wěn)定。反復(fù)改變各元器件參數(shù)，其中最重要的是選擇電路的中的RSC(限流)電阻，使電路的輸出電流達(dá)到2A。工作過(guò)程：

給耦合隔離變壓器輸入220V交流電壓，通過(guò)變流濾波模塊將220V的交流電進(jìn)行整流濾波。濾波后的信號(hào)作為降壓擴(kuò)流模塊的輸入信號(hào)，將整流濾波后的大的直流電壓進(jìn)行降壓，穩(wěn)定在18V，在輸出腳端外加MOS管進(jìn)行擴(kuò)流，使降壓集成芯片LM2596-ADJ輸出的電流達(dá)到4A，以保證后面電路的輸出能達(dá)到要求。降壓集成芯片LM2596-ADJ的輸出信號(hào)作為升壓集成芯片MC34063A的輸入信號(hào)。通過(guò)示波器觀察升壓模塊電路的輸出電壓電流波形，記錄峰值與平均值，調(diào)節(jié)各參數(shù)來(lái)改變輸出電壓電流，使輸出的直流電壓穩(wěn)定在36V，輸出電流額定值為2A。事實(shí)上，為了更加精確的采樣與現(xiàn)實(shí),在電路中可以通過(guò)單片機(jī)最小系統(tǒng)進(jìn)行電流采樣從而實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)，并且采樣電壓，電流用1062進(jìn)行液晶顯示。

本實(shí)用新型最大的特點(diǎn)就是將濾波后的電壓先進(jìn)行降壓擴(kuò)流，然后再升壓，得到更加穩(wěn)定的電流電壓，供給模擬軌道模塊。