道岔融雪系統電加熱元件分時復用模塊設計實現

天津鐵路信號有限責任公司 楊 怡

我國北方的大部分地區在進入冬季后，鐵路運輸系統經常受到冰雪天氣困擾，如不及時清掃道岔積雪或清掃不徹底，會造成道岔尖軌尖端與基本軌不密貼或道岔冰凍，將造成鐵路運輸晚點、停運，甚至成為鐵路運輸安全的隱患。目前，鐵路上普遍使用電加熱道岔融雪系統，采用電加熱元件安裝在道岔前部的鋼軌上，對鋼軌進行加熱，實現融雪、除冰的目的。

1 問題的提出

根據對長沙電務段走訪，已上道的道岔融雪系統電加熱元件長度不夠，無法對尖軌根部位置進行加熱，在環境溫度0℃～-5℃的雪天，尖軌根部存在夾冰現象。為解決以上問題，需在尖軌根部位置再增加一定長度的電加熱元件。但是，現場融雪變壓器容量已經飽和，用戶希望盡量在不增加變壓器容量和供電設備的基礎上，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，考慮在減少現場施工量，節約成本，不增加電氣控制柜和變壓器容量，額定功率不變的情況下，設計分時復用模塊，對既有電加熱元件及新增電加熱元件進行分時加熱，以此方式滿足現場實際需求。

2.2 設計需求

（1）模塊在-40℃～+70℃環境溫度下正常工作；（2）模塊輸出電流最大40A；（3）模塊可實現兩組電加熱元件分時加熱需求；（4）模塊分時加熱的時間可調；（5）模塊分時控制占空比1:1；（6）模塊可滿足不同功率電加熱元件的分時復用加熱。

2.3 方案設計思路

通過555時基電路提供一個穩定可調的時基頻率，為后面的數字電路提供可靠穩定的時鐘信號。數字電路采用可逆計數器進行計數，待計數達到預定時間后，為分頻器發送時鐘信號，分頻器進行2位的循環進位輸出，輸出的數字信號驅動一個前置的光耦（隔離控制信號和后置可控硅），光耦驅動可控硅。以此實現2路電加熱元件的分時加熱。

具體原理如下：

（1）555時基電路（反饋型振蕩器電路）

555時基電路如圖1所示。此電路為數字電路提供穩定可靠的時基頻率。所提供的頻率由W1、R2以及C6決定。

圖1 555時基電路

計算公式如下：

T1（充電時間）= 0.7(W1+R2)×C6

T2（放電時間）=0.7R2×C6

F（振蕩頻率）=1.4（W1+2R2）×C6

由以上計算公式可看出，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內可逆計數器電路

100s內可逆計數器電路如圖2所示。當U4可逆計數器的DN管腳輸入一定頻率矩形時鐘信號時，U4會從9開始逆計數，直到變為0時，開始向TCD進位到U5的DN管腳，U5也開始從9～0逆計數，直到一個循環后，U5再向TCD進位，此時，U6分頻器的時鐘管腳接收到信號后，開始分頻移位（從Q0～Q1），直到移位到Q2時，Q2立即給U6復位端進行復位，U6進行下一個周期的移位，以此往復。

圖2 可逆計數器電路

此電路實現了每計數100s，Q0和Q1進行一次轉換。Q2為輸出高電平時，U6復位，Q0輸出高電平。

（3）可控硅電路

可控硅電路如圖3所示,此電路采用光耦來驅動可控硅。光耦本身具有過零觸發特性，在控制端低電平時，控制端導通，光耦會自動檢測負載的電壓。光耦作為交流開關，滿足負載較大的交流場合?？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，柵極觸發電流500mA，在1管腳和3管腳之間并一個電阻R13，用來防止誤觸發。R14和C17組成一個RC電路并聯在電路中，用于衰減交流信號中的高頻尖峰信號，防止尖峰信號流入光耦，損壞器件。在可控硅的后級加交流互感器，對導通時的電流進行采集，通過發光二極管指示。

圖3 可控硅電路

3 PCB設計

如圖4所示，分時復用板卡設計大?。洪L×寬×高=108mm×76mm×30mm。

圖4 分時復用板卡

考慮到可控硅的散熱，將機殼底部設計為鋸齒狀散熱片，將可控硅L方式折角，焊接時，散熱面貼合底部散熱片。

板卡設計4個密封接頭，分別用于模塊供電、負載輸入、兩路分時復用負載輸出端。

板卡側面外漏5個發光二極管，分別是DC5V、4個可控硅負載電流采集指示燈。

4 測試驗證

在環境溫度0℃、-10℃、25℃時，用分時復用模塊控制兩組電加熱元件進行交替加熱試驗。

4.1 設置不同分時加熱時間，分析電加熱元件及鋼軌溫度變化情況

在環境溫度0℃、-10℃時，用分時復用模塊控制兩組密貼鋼軌的電加熱元件進行交替加熱試驗。兩組電加熱元件均為500W。分時復用時長分別設置30s、120s，通過溫度巡檢儀記錄電加熱元件溫度變化。

環境溫度0℃時，設置30s分時加熱時間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖5所示。

圖5 0℃時30s分時加熱溫度變化曲線

環境溫度0℃時，設置120s分時加熱時間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 0℃時120s分時加熱溫度變化曲線

環境溫度-10℃時，設置30s分時加熱時間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖7所示。

圖7 -10℃時30s分時加熱溫度變化曲線

環境溫度-10℃時，設置120s分時加熱時間，2組電加熱元件的溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 -10℃時120s分時加熱溫度變化曲線

根據試驗數據分析：（1）當環境溫度一定，分時加熱時間越短，電加熱元件溫度波動范圍越小，影響到鋼軌的溫度越平穩。優點：鋼軌的溫度變化比較穩定。缺點：鋼軌的溫度上升較慢。（2）當環境溫度一定，分時加熱時間越長，電加熱元件溫度波動范圍越大，影響到鋼軌的溫度波動越大。優點：加熱開始階段，電加熱元件溫升高，影響到鋼軌溫升快。缺點：鋼軌的溫度波動較大。

4.2 設置不同分時加熱時間，分析電加熱元件電流及可控硅溫度變化情況

環境溫度25℃時，用分時復用模塊控制兩組電加熱元件進行交替加熱試驗。第一組電加熱元件為2650W、2000W，第二組電加熱元件為1200W、1200W。分時復用時長分別設置10s、120s進行加熱，通過溫度巡檢儀記錄電加熱元件溫度變化，通過點溫儀記錄可控硅發熱變化，通過電流表實時監測各路電流變化情況。表1為設置10s分時加熱時長的試驗數據。

表1 25℃時10s分時加熱數據

表2為設置120s分時加熱時長的試驗數據。

表2 25℃時120s分時加熱數據

根據試驗數據分析：分時復用時長設置越短，可控硅工作產生的熱量較少，不會使可控硅表面溫度達到最高值（110℃以上），不會造成通態電流IT1-T2下降。因此，分時復用時長設置為20～30s較為理想。

結束語：在現場融雪變壓器容量已經基本飽和，并且用戶要求不再增加融雪設備及供電設備的情況下，通過分時復用模塊實現了電加熱元件分時交替加熱道岔尖軌根部的需求，達到了道岔尖軌部位融雪除冰的目的，保證了道岔的正常轉換；同時，此方法安裝方便，減少現場施工量，節約成本，省時高效，可以在現場融雪系統擴容方面得到廣泛應用。