一种杂散电流和轨道电位模拟装置的制作方法

本发明涉及电气化轨道交通和电力电子变换器技术领域，具体说是一种杂散电流和轨道电位模拟装置。

背景技术：

在轨道交通直流牵引系统中，出于经济运行的考虑，走行轨被同时用作列车牵引电流的返回路径。由于走行轨和大地之间不可能完全绝缘，一部分牵引电流泄漏进入道床，然后再经过道床结构钢筋、隧道结构钢筋以及地下埋设金属管线等介质重新流入走行轨或牵引变电所负极，这部分电流称之为杂散电流，又称作迷流。杂散电流会对轨道交通牵引系统附近的走行轨以及金属结构造成严重的腐蚀，导致地下埋设金属管线的使用寿命大大缩短，更为严重的是可能进一步引发火灾和爆炸事故。与此同时，当牵引电流流过走行轨时，通常会在走行轨和大地之间产生几十伏甚至上百伏的电压降，并且在列车所在位置处达到其最大值，这也会对人体的生命安全构成潜在的危害。

正是因为杂散电流与轨道电位引发的危害巨大，针对轨道交通直流牵引系统，相关学者进行了大量关于测量和控制杂散电流以及轨道电位的研究。但是，由于存在测试成本高，测试周期长以及测试环境不安全等诸多问题，使得在实际轨道交通系统中开展上述研究十分困难。因此，许多用于模拟杂散电流和轨道电位的模型被提出，这些模型基本上分为两类：多维度模型和阻抗模型。由于复杂的建模和计算过程，多维度模型的应用范围受到了很大的限制，相比之下，阻抗模型由于其简单的结构和易于构建的特点而被广泛使用。然而，对于阻抗模型，如果需要获得杂散电流和轨道电位的动态分布，整个模拟系统所需要的电阻数量将是无限的，此外，还需要在列车的每一个位置处都进行一次实验，这无疑也是一项繁重的工作。

现有的轨道交通杂散电流和轨道电位模拟装置，在传统阻抗模拟系统的基础上，通过使用电力电子变换器作为可变电阻代替普通电阻很好的解决了以上的两个问题，但同时仍然存在一些不足：第一，受限于电力电子变换器拓扑本身的特点，模拟装置不能同时模拟多个列车运行工况下的杂散电流和轨道电位；第二，模拟装置只适用于接地型轨道交通牵引系统，并不适用于浮地型轨道交通牵引系统，而目前国内外的轨道交通牵引系统大多属于浮地型，这就使得现有模拟装置的使用范围受到了很大的限制；第三，模拟装置的结构复杂，需要使用的电力电子变换器数量庞大，种类较多。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于针对现有轨道交通杂散电流和轨道电位模拟装置存在的模拟列车运行工况单一，适用范围狭小以及结构复杂的不足，提出一种杂散电流和轨道电位模拟装置。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种杂散电流和轨道电位模拟装置，包括：电流源1、第一电压源2、第二电压源3、第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5、第三双向可变电阻模块6、第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8、第六双向可变电阻模块9和定值电阻10；

所述电流源1为交流电流源，用于模拟列车电流；

所述第一电压源正极端21与电流源负极端11连接，第一电压源负极端22与第一双向可变电阻模块第一端子41连接后，再连接至第一接地端子g1，所述第一电压源2用于模拟供电区间左侧牵引变电所；

所述第二电压源正极端31与电流源负极端11连接，第二电压源负极端32与第六双向可变电阻模块第二端子92连接后，再连接至第五接地端子g5，所述第二电压源3用于模拟供电区间右侧牵引变电所；

第一双向可变电阻模块第二端子42与第二双向可变电阻模块第一端子51连接后，再连接至第二接地端子g2；第二双向可变电阻模块第二端子52分别与第三双向可变电阻模块第一端子61、第四双向可变电阻模块第二端子72、第五双向可变电阻模块第一端子81连接后，再连接至第三接地端子g3；第三双向可变电阻模块第二端子62与第四双向可变电阻模块第一端子71连接后，再连接至电流源正极端12；第五双向可变电阻模块第二端子82与第六双向可变电阻模块第一端子91连接后，再连接至第四接地端子g4，所述第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5、第三双向可变电阻模块6、第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8和第六双向可变电阻模块9用于模拟走行轨纵向电阻并借以改变电流源1在供电区间中的位置；

定值电阻10的一端连接至第三接地端子g3，另一端连接至大地，用于模拟走行轨对地电阻；

所述第一电压源2和第二电压源3均为直流电压源；

所述第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5、第三双向可变电阻模块6、第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8和第六双向可变电阻模块9均为等效输出电阻可双向调节的电力电子变换器。

在上述技术方案的基础上，所述第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5、第三双向可变电阻模块6、第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8和第六双向可变电阻模块9均采用共用一个电感的双buck电路，该电路包括：第一输入电源v1、第二输入电源v2、第一防反向二极管d1、第二防反向二极管d2、第一开关管s1、第二开关管s2、第一续流二极管d3、第二续流二极管d4、电感l、第一滤波电容c1、第二滤波电容c2、第一输出电阻r1和第二输出电阻r2；

所述第一输入电源v1的正极端与第一防反向二极管d1的阳极端连接，第一防反向二极管d1的阴极端与第一开关管s1的阳极端连接，电感l的一端分别与第一开关管s1的阴极端、第一续流二极管d3的阴极端、第二开关管s2的阴极端和第二续流二极管d4的阴极端连接；电感l的另一端分别与第一滤波电容c1的一端、第一输出电阻r1的一端、第二滤波电容c2的一端和第二输出电阻r2的一端连接；第一续流二极管d3的阳极端分别与第一输入电源v1的负极端、第一滤波电容c1的另一端、第一输出电阻r1的另一端连接，同时第一续流二极管d3的阳极端还与第一双向可变电阻模块第一端子41、第二双向可变电阻模块第一端子51、第三双向可变电阻模块第一端子61、第四双向可变电阻模块第一端子71、第五双向可变电阻模块第一端子81或第六双向可变电阻模块第一端子91连接；

第二输入电源v2的正极端与第二防反向二极管d2的阳极端连接，第二防反向二极管d2的阴极端与第二开关管s2的阳极端连接，第二续流二极管d4的阳极端分别与第二输入电源v2的负极端、第二滤波电容c2的另一端、第二输出电阻r2的另一端连接，同时第二续流二极管d4的阳极端还与第一双向可变电阻模块第二端子42、第二双向可变电阻模块第二端子52、第三双向可变电阻模块第二端子62、第四双向可变电阻模块第二端子72、第五双向可变电阻模块第二端子82或第六双向可变电阻模块第二端子92连接。

在上述技术方案的基础上，所述第一开关管s1和第二开关管s2均是半导体功率开关igbt、mosfet或igct中的任意一种。

在上述技术方案的基础上，所述杂散电流和轨道电位模拟装置用于模拟接地型轨道交通牵引系统的杂散电流和轨道电位，其中第一接地端子g1连接至大地；第二接地端子g2悬空；第四接地端子g4悬空；第五接地端子g5连接至大地。

在上述技术方案的基础上，所述杂散电流和轨道电位模拟装置用于模拟浮地型轨道交通牵引系统的杂散电流和轨道电位，其中第一接地端子g1悬空；第二接地端子g2连接至大地；第四接地端子g4连接至大地；第五接地端子g5悬空。

本发明的有益效果：

(1)所述一种杂散电流和轨道电位模拟装置能够同时模拟多个列车运行工况下的杂散电流和轨道电位；

(2)所述一种杂散电流和轨道电位模拟装置能够同时适用于接地型轨道交通牵引系统和浮地型轨道交通牵引系统；

(3)所述一种杂散电流和轨道电位模拟装置结构简单，且只需要一种拓扑结构的电力电子变换器。

附图说明

本发明有如下附图：

图1是本发明所述一种杂散电流和轨道电位模拟装置的结构示意图；

图2是本发明所述双向可变电阻模块的电路原理示意图；

图3(a)是本发明所述双向可变电阻模块的工作模态一电路原理示意图；

图3(b)是本发明所述双向可变电阻模块的工作模态二电路原理示意图；

图4是本发明所述一种杂散电流和轨道电位模拟装置的电路原理示意图；

图5是本发明所述适用于接地型轨道交通牵引系统的一种杂散电流和轨道电位模拟装置的结构示意图；

图6是本发明所述适用于浮地型轨道交通牵引系统的一种杂散电流和轨道电位模拟装置的结构示意图；

图7是本发明一个实施例中一种杂散电流和轨道电位模拟装置的电流流动示意图；

图8是本发明另一个实施例中一种杂散电流和轨道电位模拟装置的电流流动示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行更详细的说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是本发明所述一种杂散电流和轨道电位模拟装置的结构示意图，包括电流源1、第一电压源2、第二电压源3、第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5、第三双向可变电阻模块6、第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8、第六双向可变电阻模块9和定值电阻10，各个模块的组成以及功能分别为：电流源1为一交流电流源，用于模拟列车电流；第一电压源2和第二电压源3用于模拟供电区间左、右两侧的牵引变电所，为直流电压源；第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5、第三双向可变电阻模块6、第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8和第六双向可变电阻模块9均为等效输出电阻可双向调节的电力电子变换器，用于模拟走行轨纵向电阻，其中，第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5和第三双向可变电阻模块6用于模拟列车左侧走行轨纵向电阻，第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8和第六双向可变电阻模块9用于模拟列车右侧走行轨纵向电阻；定值电阻10为一普通电阻，用于模拟走行轨对地电阻。

图2是本发明所述双向可变电阻模块的电路原理示意图，为共用一个电感的双buck电路，第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5、第三双向可变电阻模块6、第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8和第六双向可变电阻模块9均采用此电路结构，双向可变电阻模块的作用在于：当不同幅值和相位的电流流过时，通过控制相应开关管的触发脉冲占空比均能输出需要的电阻值。

根据外部流入电流的方向，双向可变电阻模块可以分为两种工作模态。如图3(a)所示，当电流i从双向可变电阻模块的第一端子41/51/61/71/81/91流入时，双向可变电阻模块处于工作模态一，模块左侧的电路结构工作，即开关管s1工作，开关管s2关断，同侧电阻r1两端产生幅值为d1v1的反向电压，另一侧电阻r2两端产生幅值为ir2的正向电压，此时，双向可变电阻模块的等效输出电阻为：req＝(ir2-d1v1)/i，在流入电流i一定的情况下，等效输出电阻受开关管s1的触发脉冲占空比d1控制。

如图3(b)所示，当电流i从双向可变电阻模块的第二端子42/52/62/72/82/92流入时，双向可变电阻模块处于工作模态二，模块右侧的电路结构工作，即开关管s2工作，开关管s1关断，同侧电阻r2两端产生幅值为d2v2的反向电压，另一侧电阻r1两端产生幅值为ir1的正向电压，此时，双向调压控阻模块的等效输出电阻为：req＝(ir1-d2v2)/i，在流入电流i一定的情况下，等效输出电阻受开关管s2的触发脉冲占空比d2控制。

图4所示为所述一种杂散电流和轨道电位模拟装置的电路原理示意图。进一步，在轨道交通牵引系统中，列车左右两侧的走行轨纵向电阻值与列车距离左右两侧牵引变电所的距离成正比，通过控制列车左右两侧的走行轨纵向电阻值就能模拟列车位于供电区间内的任何位置，并得到列车在此位置下的杂散电流和轨道电位的静态分布；通过一定规律连续控制列车左右两侧的走行轨纵向电阻值就能模拟列车以任何运行工况、运行方向、运行加速度和运行速度在供电区间内运行，并得到列车在此运行状态下的杂散电流和轨道电位的动态分布。以上均可以通过控制本发明所述双向可变电阻模块中开关管s1的触发脉冲占空比d1和开关管s2的触发脉冲占空比d2实现。

当所述第一双向可变电阻模块4的等效输出电阻req1、第二双向可变电阻模块5的等效输出电阻req2和第三双向可变电阻模块6的等效输出电阻req3之和(req1+req2+req3)逐渐增加，即列车左侧走行轨纵向电阻增加，第四双向可变电阻模块7的等效输出电阻req4、第五双向可变电阻模块8的等效输出电阻req5和第六双向可变电阻模块9的等效输出电阻req6之和(req4+req5+req6)逐渐减小时，即列车右侧走行轨纵向电阻减小，模拟列车在供电区间内从左至右运行。

当控制第一双向可变电阻模块4的等效输出电阻req1、第二双向可变电阻模块5的等效输出电阻req2和第三双向可变电阻模块6的等效输出电阻req3之和(req1+req2+req3)的增加速率，即列车左侧走行轨纵向电阻的增加速率，控制第四双向可变电阻模块7的等效输出电阻req4、第五双向可变电阻模块8的等效输出电阻req5和第六双向可变电阻模块9的等效输出电阻req6之和(req4+req5+req6)的减小速率，即列车右侧走行轨纵向电阻的减小速率，模拟列车在供电区间内从左至右运行的加速度和速度。

当所述第一双向可变电阻模块4的等效输出电阻req1、第二双向可变电阻模块5的等效输出电阻req2和第三双向可变电阻模块6的等效输出电阻req3之和(req1+req2+req3)逐渐减小，即列车左侧走行轨纵向电阻减小，第四双向可变电阻模块7的等效输出电阻req4、第五双向可变电阻模块8的等效输出电阻req5和第六双向可变电阻模块9的等效输出电阻req6之和(req4+req5+req6)逐渐增加时，即列车右侧走行轨纵向电阻增加，模拟列车在供电区间内从右至左运行。

当控制第一双向可变电阻模块4的等效输出电阻req1、第二双向可变电阻模块5的等效输出电阻req2和第三双向可变电阻模块6的等效输出电阻req3之和(req1+req2+req3)的减小速率，即列车左侧走行轨纵向电阻的减小速率，控制第四双向可变电阻模块7的等效输出电阻req4、第五双向可变电阻模块8的等效输出电阻req5和第六双向可变电阻模块9的等效输出电阻req6之和(req4+req5+req6)的增加速率，即列车右侧走行轨纵向电阻的增加速率，模拟列车在供电区间内从右至左运行的加速度和速度。

本发明所述一种杂散电流和轨道电位模拟装置，适用于模拟接地型轨道交通牵引系统和浮地型轨道交通牵引系统的杂散电流和轨道电位，模拟两种系统时分别在图1所示的一种杂散电流和轨道电位模拟装置的结构示意图的基础上，将第一接地端子g1、第二接地端子g2、第四接地端子g4和第五接地端子g5分别做相应的连接即可。

在图1所示的一种杂散电流和轨道电位模拟装置的结构示意图的基础上，将第一接地端子g1连接至大地；第二接地端子g2悬空；第四接地端子g4悬空；第五接地端子g5连接至大地，如图5所示，即可模拟接地型轨道交通牵引系统的杂散电流和轨道电位。

在图1所示的一种杂散电流和轨道电位模拟装置的结构示意图的基础上，将第一接地端子g1悬空；第二接地端子g2连接至大地；第四接地端子g4连接至大地；第五接地端子g5悬空，如图6所示，即可模拟浮地型轨道交通牵引系统的杂散电流和轨道电位。在模拟过程中要使第一双向可变电阻模块4的等效输出电阻req1、第二双向可变电阻模块5的等效输出电阻req2和第三双向可变电阻模块6的等效输出电阻req3始终满足：req1＝req2+req3；第四双向可变电阻模块7的等效输出电阻req4、第五双向可变电阻模块8的等效输出电阻req5和第六双向可变电阻模块9的等效输出电阻req6始终满足：req6＝req4+req5。

在模拟接地型轨道交通牵引系统和浮地型轨道交通牵引系统的杂散电流和轨道电位时，列车电流流经走行轨纵向电阻和牵引变电所的路径一致，因此对模拟接地型轨道交通牵引系统和浮地型轨道交通牵引系统的列车电流流经路径做统一说明。

图7是本发明一个实施例中，一种杂散电流和轨道电位模拟装置的电流流动示意图，此时电流源1的电流方向为正，列车处于牵引工况或惰行工况，列车左侧电流的流向路径为：电流源1——第三双向可变电阻模块6——第二双向可变电阻模块5——第一双向可变电阻模块4——第一电压源2——电流源1；列车右侧电流的流向路径为：电流源1——第四双向可变电阻模块7——第五双向可变电阻模块8——第六双向可变电阻模块9——第二电压源3——电流源1。此时，第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5和第三双向可变电阻模块6均处在工作模态二；第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8和第六双向可变电阻模块9均处在工作模态一。

图8是本发明另一个实施例中，一种杂散电流和轨道电位模拟装置的电流流动示意图，此时电流源1的电流方向为负，列车处于制动工况，列车左侧电流的流向路径为：电流源1——第一电压源2——第一双向可变电阻模块4——第二双向可变电阻模块5——第三双向可变电阻模块6——电流源1；列车右侧电流的流向路径为：电流源1——第二电压源3——第六双向可变电阻模块9——第五双向可变电阻模块8——第四双向可变电阻模块7——电流源1。此时，第一双向可变电阻模块4、第二双向可变电阻模块5和第三双向可变电阻模块6均处在工作模态一；第四双向可变电阻模块7、第五双向可变电阻模块8和第六双向可变电阻模块9均处在工作模态二。

本发明所述一种杂散电流和轨道电位模拟装置，在任何模拟状况下均要使第一双向可变电阻模块4的等效输出电阻req1、第二双向可变电阻模块5的等效输出电阻req2、第三双向可变电阻模块6的等效输出电阻req3、第四双向可变电阻模块7的等效输出电阻req4、第五双向可变电阻模块8的等效输出电阻req5和第六双向可变电阻模块9的等效输出电阻req6始终满足：req1+req2+req3+req4+req5+req6＝定值(供电区间内走行轨总纵向电阻值)。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。