摘要：针对现有电阻式道岔融雪设备需要多层热传导、预热时间长、钢轨温升慢、电转热效率低等缺点，开展了电磁感应式道岔融雪设备的研究。电磁感应式道岔融雪设备是通过高频逆变源在电磁感应线圈上加载高频交变电流从而产生交变磁场，利用交变磁场在钢轨上产生的涡流而使钢轨自发热，减少了热传导过程，提高了钢轨的温升速率，且电磁感应式道岔融雪设备本身没有高温热源，从而降低了空气中的热损耗，能量利用率高，最终实现低碳减排和节能降本效果。详细介绍了电磁感应式道岔融雪设备的工作原理、系统组成及各个功能模块设计与实现，并对两种加热方式的融冰效果进行对比测试，相同条件下，电磁感应式道岔融雪设备融冰效果要明显优于电阻式道岔融雪设备。
关键词：道岔,电磁感应加热,高频逆变,磁屏蔽
0引言
在我国东北、新疆北部及青藏高原等地区冬季自然降雪频繁发生，受此影响，铁路道岔经常受损，道岔尖轨与基本轨之间、或者尖轨与滑床板之间常常冻住无法完成转换，导致运输延误甚至中断[1]。道岔作为关键的铁路信号设备，是铁路运输设备组成中至关重要的部分，铁路运输的安全运行受到尖轨与基本轨的密贴程度影响[2-3]。目前，道岔除雪主要采用人工扫雪、防冻液、风力除雪以及电加热融雪等方式，其中电加热道岔融雪系统因其具有自动化程度高、绿色无污染等优点，而广泛应用在高铁线路及降雪量大、寒冻期长的普速车站[4]。
然而传统电阻式加热道岔融雪设备需要先加热电阻条，当电阻条被加热到较高温度时，热量才能通过多层热传导方式传到钢轨上，这种方式效率低、温升慢，且大量的热量会对流到空气中增加能量损耗[5]。
随着电磁感应加热技术的发展，越来越多行业应用电磁感应加热方式对金属进行高效加热，因此本文开展了针对钢轨的电磁感应式道岔融雪设备的研究与开发。
电磁感应式道岔融雪加热设备，是通过高频逆变源将50 Hz工频电逆变成20~40 kHz的高频电，通过在感应线圈上加载高频交变电流产生交变磁场，利用交变磁场在钢轨上产生的涡流直接对钢轨加热[6-7],能使钢轨迅速产生热能，具有快升温、加热均匀、高效节能的优势，电磁感应加热原理如图1所示。
1系统组成
电磁感应加热道岔融雪设备主要由高频逆变源和电磁感应线圈组成，其系统结构如图2所示。
1.1高频逆变源
目前高频逆变电路的主要形式有3种：单管电路、半桥电路、全桥电路[8]。从需求和工程化设计方面考虑，高频逆变源需要在可输出的功率范围内连续加热，其次高频逆变元和电磁感应单元安装在钢轨上时，需要体积小且利于维护。所以通过对表1的3种电路对比，本系统采用半桥高频逆变设计方案。
高频逆变源是电磁感应式道岔融雪系统的重要组成部分，其结构如图3所示。
1.1.1整流装置
整流装置采用全波整流，如图4所示，将输入端工频220 V整流为31 0 V的脉动直流电压，经过滤波后加到逆变装置中MOS管的一端。
1.1.2逆变装置
在上文中已经确定在电磁感应式道岔融雪设备中采用半桥逆变方案。单片机输出PWM信号通过驱动芯片对M OS管实现交替导通关断控制；同时还需要检测负载回路输出的电压和电流信号，将其转换为合适电平的电压信号，并用于锁相控制环节中的相位差比较。
1.1.3负载回路
负载回路采用串联谐振结构，即电压型逆变器，电压型逆变器启动简单，非常适合频繁启动的场合，同时感应线圈到逆变器输出端的距离也不会对输出功率和效率有太大的影响。其拓扑结构如图5所示。
1.1.4保护电路
为了保证电磁感应式道岔融雪设备能够长期稳定可靠的运行，通过电路控制、传感器检测和信号处理等技术手段，对高频逆变源的电压、电流、温度等参数进行实时监控和分析，一旦出现异常情况，就会自动切断电源输出，确保故障导向安全。
保护电路部分包括以下部分。
(1)雷击保护、过流保护
根据铁路相关标准要求，电源端线间需要施加组合波，基础线间要求施加1kV,加强线间要求施加3kV,针对以上要求，进行了雷击防护电路设计，将气体放电管和压敏电阻串联后并到零线和火线之间可以实行电路的限压和限流功能，后级再并压敏电阻进行二级防护，其电路如图6所示。
(2)输入过压、欠压保护
工频220 V电压经过全波整流后的直流脉冲电压进入分压电路中，单片机得到实时电压值，对分压电路输出的过压／欠压检测信号进行判断，超过或低于设定的电压阈值则过压保护，单片机关断电源输出，其电路如图7所示。
(3)输出过流保护
在谐振回路上串联一个电流传感器，将电流传感器采集过流检测信号输入到单片机中，单片机判断是否超过设定的电流阈值，超过则关断电源输出，其电路如图8所示。
为分析线圈3种形状铁氧体材料的磁屏蔽情况，了解线圈周围磁场辐射情况，在距离线圈1、2、3、4、5 cm五个位置分别设置观察平面，用于观察离线圈不同距离磁场强度分布与磁感应强度分布。
线圈分别增加3种形状铁氧体后磁感应强度切面仿真结果如图15~17所示。仿真结果表明，添加铁氧体屏蔽后线圈磁场被约束在线圈钢轨一侧，线圈钢轨面周围的磁感应强度增强而屏蔽侧磁感应强度减小，线圈中心点磁感应强度值最大，由此添加铁氧体屏蔽后可以更大程度地限制磁场泄漏，引导磁力线的分布，增强磁场强度[15]。从3幅云图对比可以看出，凹槽形铁氧体对线圈磁感应强度的影响最大，圆环铁氧体对线圈磁感应强度的影响次之，且较优于米字形铁氧体，表明线圈和铁氧体材料的重叠面积越大，线圈的互感越大，磁屏蔽效果越好[16]。
3种铁氧体磁屏蔽效果如表3所示，3种形状铁氧体不同距离磁感应强度对比如图18所示。可以看出，4种情况下，采用凹槽形铁氧体对于线圈磁屏蔽效果更好，比单独圆环形铁氧体降低了50%左右，特别是对于距离超过10 cm后，磁感应强度降低的更多。
这里在低温试验箱内对电磁感应式道岔融雪设备和既有电阻式道岔融雪设备进行了融冰对比试验，在500 W相同功率情况下，对两根相同长度60 kg/m钢轨加热45 min,观察加热前、加热15 min、加热30 min和加热45 min时，电磁感应加热和电阻加热的融冰效果如图19所示。
结合加热效果和轨腰温升曲线（图20)来看，电磁感应式道岔融雪设备较传统电阻式道岔融雪设备对钢轨的温升速率提升1倍，能耗降低约50%,节能效果显著[17]。
3结束语
本文对电磁感应式道岔融雪设备的两个关键组成部分进行了详细介绍，主要包括高频逆变源的逆变方式选择及其各个电路单元模块设计，确保高频逆变源能够安全可靠运行；其次是电磁感应单元的线圈线形、电参数和线芯的设计，从而提高电热转换效率。同时对比测试了相同条件下电磁感应式加热和电阻式加热的融冰效果，从融冰效果看，电磁感应加热道岔融雪设备具有加热快、加热均匀、高效节能的优势，较现有的电阻式道岔融雪设备减少耗电量接近50%。由此表明，随着“双碳”目标的推进，电磁感应加热道岔融雪设备将会迎来更广大的发展前景，成为低碳经济和可持续发展的重要推手。
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