繼電時(shí)序電路中RC(電阻-電容)電路的作用

晏子峰 葉云龍 楊衛(wèi)東

(1.上海軌道交通無(wú)人駕駛列控系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，200071，上海；2.卡斯柯信號(hào)有限公司,200071,上海 ∥ 第一作者，高級(jí)工程師)

我國(guó)城市軌道交通車(chē)站的計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)多采用繼電器電路來(lái)驅(qū)動(dòng)室外設(shè)備。繼電器電路通過(guò)改變繼電器的鐵心結(jié)構(gòu)，使繼電器具備一定的緩吸和緩放特性，且該緩吸和緩放時(shí)間一般在1 s以?xún)?nèi)。對(duì)于特定的繼電器電路來(lái)說(shuō)，該延時(shí)的時(shí)間太短，不能滿(mǎn)足繼電器電路的時(shí)序要求。這就需要在繼電器線圈兩端并聯(lián)RC(電阻-電容)電路來(lái)延長(zhǎng)繼電器的緩放時(shí)間。

1 繼電器電路中的RC電路

計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)的繼電器電路并聯(lián)的RC電路是由1個(gè)電容器和1個(gè)電阻器組成的一階RC串聯(lián)電路。略去QDJ(切斷繼電器)電路串接的相關(guān)接點(diǎn)，得到典型的RC電路如圖1所示。圖中，C為電容，R為電阻，KZ表示控正，KF表示控負(fù)。

圖1 QDJ的RC電路原理圖

RC電路的特點(diǎn)：由于有電容存在，所以不能流過(guò)直流電流；電阻和電容都對(duì)電流存在阻礙作用；總阻抗由電阻和容抗確定，且總阻抗隨電流頻率變化而變化。

RC電路的主要作用：

1) 吸收回路。在電路關(guān)斷的瞬間，感性負(fù)載(繼電器線圈)會(huì)產(chǎn)生1個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)，對(duì)外界釋放磁場(chǎng)儲(chǔ)能； RC電路作為吸收回路，可將這部分能量以熱能的方式消耗掉。

2) 延時(shí)電路。這也是繼電器電路中使用RC電路的主要目的。RC電路通過(guò)放電來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)。延時(shí)時(shí)間可通過(guò)調(diào)整電容或電阻的大小來(lái)調(diào)整。

一階RC電路的零輸入響應(yīng)計(jì)算式如下：

1)

式中：

UR+r——RC電路中電阻與繼電器線圈兩端的電壓；

U0——電路初始電壓；

t——RC電路的緩放時(shí)間；

Rr——繼電器線圈電阻；

C——RC電路的電容。

當(dāng)繼電器線圈的電壓為Ur時(shí)，繼電器線圈電流為：

Ir=Ur/Rr=UR+r/(R+Rr)

2)

以圖1中的QDJ電路為例，計(jì)算該RC電路的t。

QDJ為JWXC-1700無(wú)極繼電器，其R=850 Ω。根據(jù)GB/T 7417—2010《鐵路信號(hào)AX系列繼電器》的定義，此型號(hào)繼電器落下時(shí)的線圈電壓Ur=3.4 V[1]。QDJ的落下時(shí)間就是QDJ線圈上的電壓從24.0 V降為3.4 V時(shí)的時(shí)間，故U0=24.0 V。當(dāng)R=51 Ω，C=1 000 μF時(shí)，由式(1)及式(2)計(jì)算可得，該RC電路t=1.7 s。

根據(jù)時(shí)序要求，應(yīng)通過(guò)選擇R和C來(lái)確定QDJ要吸起的時(shí)間。

2 典型繼電器中RC電路的作用

2.1 QDJ中RC電路作用

在聯(lián)鎖系統(tǒng)交流道岔控制電路中的多機(jī)牽引切斷保護(hù)電路中， QDJ線圈兩端的并聯(lián)RC支路的作用有兩個(gè)：①當(dāng)多機(jī)牽引道岔剛啟動(dòng)時(shí)，如QDJ可靠吸起，則可確認(rèn)每個(gè)牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)轍機(jī)正常工作；②當(dāng)?shù)啦韯倖?dòng)時(shí)，如有個(gè)別牽引點(diǎn)的轉(zhuǎn)轍機(jī)發(fā)生故障，則QDJ及時(shí)落下；因每個(gè)牽引點(diǎn)的DQJ1(1#道岔啟動(dòng)繼電器)自閉電路中都串入了QDJ的前接點(diǎn)，故可通過(guò)切斷所有牽引點(diǎn)的動(dòng)作電路，來(lái)防止尖軌被正常工作的轉(zhuǎn)轍機(jī)拉彎，從而起到了保護(hù)尖軌的作用。

當(dāng)聯(lián)鎖系統(tǒng)發(fā)出道岔轉(zhuǎn)換動(dòng)作指令時(shí)，各個(gè)牽引點(diǎn)的DQJ1錯(cuò)峰吸起， BHJ(保護(hù)繼電器)也依次吸起；當(dāng)所有牽引點(diǎn)的BHJ吸起后， ZBHJ(總保護(hù)繼電器)吸起。從第一個(gè)開(kāi)始動(dòng)作的牽引點(diǎn)BHJ吸起到ZBHJ吸起的這段時(shí)間里，QDJ通過(guò)線圈兩端并聯(lián)的電容放電來(lái)保持吸起。當(dāng)ZBHJ吸起后，QDJ通過(guò)ZBHJ的前接點(diǎn)繼續(xù)吸起，用QDJ前接點(diǎn)來(lái)構(gòu)成各牽引點(diǎn)DQJ1線圈的自閉電路。

該電路電容大小選用的原則是，電容放電時(shí)間需大于第一個(gè)開(kāi)始動(dòng)作的牽引點(diǎn)BHJ吸起到ZBHJ吸起的時(shí)間差。多機(jī)牽引道岔每個(gè)牽引點(diǎn)間的錯(cuò)峰動(dòng)作時(shí)間為0.1 s，因此，兩機(jī)牽引和三機(jī)牽引的道岔電容從開(kāi)始放電到QDJ落下的時(shí)間應(yīng)控制在1 s以?xún)?nèi)，超過(guò)三機(jī)牽引的道岔電容從開(kāi)始放電到QDJ落下的時(shí)間應(yīng)控制在2 s以?xún)?nèi)。這對(duì)于切斷保護(hù)電路的時(shí)序是比較合理的，既能滿(mǎn)足電路正常動(dòng)作時(shí)序，又能在電路發(fā)生故障時(shí)起到切斷保護(hù)的作用。

經(jīng)計(jì)算，兩機(jī)牽引和三機(jī)牽引的道岔電容量選500 μF，超過(guò)三機(jī)牽引的道岔電容量選1 000 μF。

2.2 接碼繼電器中的RC電路作用

在25 Hz相敏軌道電路疊加電碼化電路[2]中，正向接車(chē)進(jìn)路電碼化中的JMJ(接碼繼電器)為JWXC-1700無(wú)極繼電器，其動(dòng)作原理如圖2所示。首先，當(dāng)LXJ(列車(chē)信號(hào)繼電器)吸起、ZXJ(正線信號(hào)繼電器)吸起后，JMJ勵(lì)磁吸起；隨后，列車(chē)依次通過(guò)道岔區(qū)段軌道繼電器DGJ1、DGJ3和DGJ5。因無(wú)極繼電器無(wú)延緩落下性能，故在列車(chē)通過(guò)時(shí)一旦出現(xiàn)輕車(chē)跳動(dòng)情況， JMJ就會(huì)短暫落下，從而導(dǎo)致發(fā)送器到室外的發(fā)碼通道斷開(kāi)，使機(jī)車(chē)信號(hào)收不到碼，出現(xiàn)掉碼故障。

常規(guī)緩放繼電器斷電后的緩放時(shí)間在1 s以?xún)?nèi)，無(wú)法滿(mǎn)足JMJ電路要求。為此，在JMJ線圈兩端并聯(lián)RC支路(如圖3所示)，使JMJ緩放時(shí)間達(dá)到2～3 s。這樣，列車(chē)在依次通過(guò)DGJ1、DGJ3和DGJ5的過(guò)程中，即使出現(xiàn)輕車(chē)跳動(dòng)情況，JMJ仍能夠穩(wěn)定吸起，保證機(jī)車(chē)信號(hào)不出現(xiàn)掉碼故障。

圖3 正向接車(chē)進(jìn)路JMJ改進(jìn)原理圖

2.3 在道岔啟動(dòng)繼電器電路中RC電路的負(fù)面作用

在交流道岔控制電路中，DQJ1自閉電路中增設(shè)了時(shí)間繼電器TJ。當(dāng)?shù)啦碓谝?guī)定的時(shí)間內(nèi)動(dòng)作到位時(shí)，TJ只計(jì)時(shí)不吸起;當(dāng)?shù)啦碓谝?guī)定的時(shí)間內(nèi)無(wú)法動(dòng)作到位時(shí)，TJ計(jì)時(shí)并吸起，以切斷DQJ1的自閉電路，使DQJ1落下道岔停止動(dòng)作[3]。

如圖4所示，計(jì)算機(jī)聯(lián)鎖系統(tǒng)檢查道岔動(dòng)作條件滿(mǎn)足后，DQJ1通過(guò)3-4線圈得電吸起，TJ在BHJ吸起后開(kāi)始計(jì)時(shí)。若道岔在設(shè)定的時(shí)間(13 s或30 s)未轉(zhuǎn)換到位，則TJ吸起并用其后接點(diǎn)切斷DQJ1的1-2線圈自閉電路，使DQJ1落下，切斷電動(dòng)機(jī)電路，從而使轉(zhuǎn)轍機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，起到超時(shí)保護(hù)的作用。

圖4 DQJ1自閉電路中增設(shè)TJ原理圖

TJ中的局部計(jì)時(shí)電路如圖5所示。當(dāng)DQJ1吸起時(shí)，通過(guò)接點(diǎn)62和接點(diǎn)73，以24 V電壓為電容C1充電。

圖5 TJ計(jì)時(shí)電路原理圖

在DQJ1的自閉電路中串接TJ的后接點(diǎn)時(shí)，道岔動(dòng)作計(jì)時(shí)的過(guò)程也是TJ中電容C1充電的過(guò)程。在充電電路接通瞬間用示波器測(cè)試可得，DQJ1前接點(diǎn)閉合時(shí)通過(guò)接點(diǎn)的沖擊電流峰值為6 A。該沖擊電流持續(xù)時(shí)間雖然非常短，但電流值超過(guò)了DQJ1普通接點(diǎn)承受的最大電流值(1 A)。而且，每次道岔動(dòng)作，TJ內(nèi)電容的充放電都會(huì)對(duì)DQJ1的該組接點(diǎn)造成沖擊。當(dāng)通過(guò)繼電器接點(diǎn)的電流超過(guò)接點(diǎn)的耐流值時(shí)，每次電流通過(guò)接點(diǎn)都對(duì)接點(diǎn)上的金屬材質(zhì)產(chǎn)生熔化過(guò)程。經(jīng)過(guò)多次沖刷熔化后，接點(diǎn)表面粗糙不平，前接點(diǎn)和中接點(diǎn)接觸時(shí)的接觸電阻逐漸發(fā)生變化。對(duì)于道岔動(dòng)作頻繁的車(chē)站，繼電器接點(diǎn)長(zhǎng)期工作在此工況下，接點(diǎn)阻值逐漸增大，阻值超標(biāo)的概率也會(huì)增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)DQJ1自閉電路異常，進(jìn)而導(dǎo)致道岔因故中途停止轉(zhuǎn)換。

為了避免這類(lèi)問(wèn)題，可使用帶限時(shí)保護(hù)功能的DBQ(道岔斷相保護(hù)器)。DBQ可以替代DQJ1自閉電路中的TJ(如圖6所示)，DQJ1的1-2線圈自閉電路只串接BHJ的接點(diǎn)。當(dāng)DQJ1吸起并轉(zhuǎn)入自閉電路、道岔開(kāi)始動(dòng)作后，DBQ內(nèi)的計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)。若道岔在設(shè)定的時(shí)間(13 s或30 s)內(nèi)未轉(zhuǎn)換到位，則DBQ停止直流電壓輸出并控制BHJ落下，使BHJ前接點(diǎn)切斷DQJ1的自閉電路，使DQJ1落下，進(jìn)而切斷電動(dòng)機(jī)電路，以防止電動(dòng)機(jī)因長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行而燒毀。

圖6 1DQJ自閉電路中拆除TJ原理圖

3 結(jié)語(yǔ)

從RC電路的作用可知，RC電路是繼電器電路中不可或缺的一部分。通過(guò)增加RC電路，可使繼電器延時(shí)落下。通過(guò)選取合適大小的電容和電阻值，可以滿(mǎn)足繼電器電路對(duì)時(shí)序的要求。RC電路在充放電的過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊電流，會(huì)損耗繼電器接點(diǎn)，有負(fù)面作用。因此，需要從繼電器常態(tài)等其他因素綜合考慮電路的整體結(jié)構(gòu)。