2.4 Электромагнитная совместимость рельсовых цепей тональной частоты
На современном этапе развития систем железнодорожной автоматики и телемеханики широко используются технические средства на основе микроэлектронной и компьютерной техники. Их повышенная чувствительность к внешним электромагнитным помехам различного происхождения создает проблему, без решения которой использование такой техники в системах обеспечения безопасности движения поездов невозможно.
Для решения данной проблемы необходимо выработать такие требования по электромагнитной совместимости, выполнение которых позволит обеспечить устойчивость технических средств ЖАТ к воздействию внешних помех, ограничить их уровень. До начала эксплуатации необходимо проводить предварительные испытания на устойчивость к помехам и помехоэмиссию (излучение собственных помех). При этом номенклатура видов учитываемых электромагнитных помех, требования помехоустойчивости, нормы помехоэмиссии и методы соответствующих испытаний технических средств должны соответствовать положениям, установленным в международных стандартах в области электромагнитной совместимости. Последнее требование особенно актуально в настоящее время в связи с тем, что на отечественных дорогах применяются аппаратура и системы зарубежных фирм.
Успешное внедрение рельсовых цепей тональной частоты также теснейшим образом связано с решением вопросов их электромагнитной совместимости при работе на электрифицированных участках железных дорог, особенно на участках, где применяется тиристорное регулирование тяговых двигателей на электровозах перспективных серий. Новая система регулирования позволяет на 5…10 % повысить вес грузовых поездов благодаря плавному увеличению тягового усилия локомотивов. Это и другие достоинства тиристорного регулирования объясняют широкое его применение за рубежом и проведение работ по его внедрению на отечественных железных дорогах.На основании проведенных теоретических и экспериментальных работ, с учетом электромагнитной совместимости электроподвижного состава с другими системами автоматики и телекоммуникаций на отечественном железнодорожном транспорте наиболее перспективным считается широтно-импульсный метод тиристорного регулирования. Широтно-импульсное регулирование в общем виде представляет собой питание электродвигателей импульсами напряжения (тока) с переменной шириной при постоянной их частоте следования. На отечественных дорогах для тиристорного регулирования напряжения на тяговых двигателях принята частота 400 Гц, что обеспечивает наибольшую эффективность работы тиристоров в регуляторах. В содержание данного методического пособия не входит рассмотрение технической стороны вопроса построения схем тиристорных регуляторов. Отметим только причину, обусловливающую появление помех в рельсах при их применении.
Сущность принципа тиристорного регулирования поясняет упрощенная схема управления двигателем (рис. 1.4). Из рисунка видно, что коммутатор тока (выполненный на основе тиристоров) позволяет плавно изменять среднее значение напряжения Uср на тяговом двигателе от максимального уровня, равного напряжению источника питания U, до нуля.
Индуктивность L, включенная последовательно с двигателем М, служит для обеспечения плавного нарастания тока через двигатель при импульсном питании, а диод VD создает непрерывность тока в цепи двигателя во время интервалов между импульсами за счет энергии, накопленной в L и М.
Рисунок 1.4. Упрощенная схема, поясняющая принцип тиристорного регулирования напряжения на электродвигателе
Известно, что импульсный ток сложной формы всегда содержит в своем составе спектр гармонических составляющих. В данном случае гармонические составляющие будут присутствовать в рельсовых нитях и через них влиять на аппаратуру рельсовых цепей. Таким образом, при создании тиристорных регуляторов очень важно обеспечить такую их конструкцию, чтобы уровень напряжений гармонических составляющих не оказывал существенного влияния на работу аппаратуры РЦ, а сама аппаратура имела защиту, полностью исключающую их опасное влияние.Отделением связи и СЦБ ВНИИЖТа был выполнен комплекс теоретических и экспериментальных исследований, связанных с определением влияния тягового тока с тиристорным регулированием поезда ЭР200 на рельсовые цепи и приемные устройства автоматической локомотивной сигнализации (АЛСН).На основании выполненных исследований было установлено, что при импульсном тиристорном регулировании помехи оказывают влияние на рельсовые цепи и приемные устройства АЛСН, в том числе и в диапазоне 25, 50, 75 Гц. Энергия помех при электротяге как постоянного, так и переменного тока сосредоточена в основном в низкочастотном спектре. Поэтому защищенность этих рельсовых цепей низка. Кроме того, как в перегонных, так и в станционных рельсовых цепях 25 и 50 Гц не решен в достаточной степени вопрос защищенности приемных устройств от воздействия сигнального тока смежной рельсовой цепи при замыкании изолирующих стыков. На повышенных частотах (в тональном диапазоне) уровень помех от тягового тока значительно ниже.В настоящее время ученые и специалисты, работающие в области создания новых систем регулирования тяговых электродвигателей и рельсовых цепей, приходят к единому мнению, что проблему электромагнитной совместимости технических средств железнодорожной автоматики можно решить только совместными усилиями. Хотя по отдельным вопросам имеются принципиальные разногласия даже у специалистов, работающих в области разработки новых и совершенствования типовых рельсовых цепей.Для снижения уровня помех со стороны электроподвижного состава были разработаны многофазные системы тиристорного регулирования и применены специальные сглаживающие фильтры. Выполнение этих мероприятий позволило снизить уровни помех до предельно допустимых значений.В свою очередь, специалистами железнодорожной автоматики и телемеханики была разработана аппаратура тональных рельсовых цепей третьего поколения ТРЦ3 (генераторы ГП и приемники ПП). Для исключения опасного влияния в ТРЦ используются амплитудно-модулированные сигналы. Опыт эксплуатации подтверждает правильность выбранных технических решений, надежную работу рельсовых цепей в условиях эксплуатации, достаточную защиту от воздействия помех тягового тока, в том числе при импульсном тиристорном регулировании.
Организационно-технические мероприятия обеспечения электромагнитной совместимости рельсовых цепей тональной частоты В настоящее время согласованы межведомственные нормы, в том числе организациями-разработчиками, ограничивающие допустимые уровни помех в диапазонах частот для любых источников, и если эти нормы будут соблюдены при разработке систем управления тяговыми двигателями, то рельсовые цепи тональной частоты будут работать надежно. Важнейшую роль в деле повышения надежности работы систем железнодорожной автоматики выполняют нормативные документы, принятые на государственном уровне. Первым в Российской Федерации государственным стандартом был ГОСТ Р 50656–94 “Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость технических средств железнодорожной автоматики и телемеханики к кондуктивным электромагнитным помехам и электростатическим разрядам. Технические требования и методы испытаний”. Стандарт был разработан специалистами МГУПС (МИИТ) и Технического комитета по стандартизации в области электромагнитной совместимости технических средств при Госстандарте России (ТК 30) и принят в 1994 г. После его введения в лабораториях МГУПС и ПГУПС (ЛИИЖТ) были испытаны многие образцы технических средств систем железнодорожной автоматики.На основе новых, принятых в 1999–2000 гг. базовых государственных стандартов на методы испытаний, результатов исследования электронной обстановки в местах эксплуатации технических средств ЖАТ и опыта применения ГОСТ Р 50656–94 МГУПС и техническим комитетом по стандартизации (ТК 30) в 2000–2001 гг. разработаны новые стандарты ГОСТ Р 50656–2001 “Совместимость технических средств электромагнитная. Технические средства железнодорожной автоматики и телемеханики. Требования и методы испытаний”. Стандарт принят Постановлением Госстандарта России от 25.12.2001 г. № 591-ст взамен ГОСТ Р 50656–94.
Новый государственный стандарт ГОСТ Р 50656–2001 представляет собой современный нормативный документ по электромагнитной совместимости технических средств ЖАТ с учетом требований международных и европейских стандартов. Он определяет требования устойчивости технических средств железнодорожной автоматики к следующим видам помех:
-электростатическим;
-наносекундным импульсным;
-микросекундным импульсным большой энергии;
-динамическим изменениям напряжения питания;
-радиочастотным электромагнитным полям;
-магнитным полям промышленной частоты;
-кондуктивным в полосе частот 0,15…80 МГц, наведенным радиочастотными электромагнитными полями;
-кондуктивным в полосе частот 0…150 кГц.
Применение нового государственного стандарта направлено на повышение безопасности движения поездов и обеспечение устойчивого функционирования систем управления этим процессом.
Введение этого государственного стандарта в действие поставило перед разработчиками и изготовителями технических средств ЖАТ ряд проблем. Для выполнения требований к техническим средствам ЖАТ по ограничению помехоэмиссии и обеспечению помехоустойчивости, установленных в ГОСТ Р 50656–2001, разработчик вынужден будет применять уже на уровне печатной платы и конструкции целый комплекс защитных мер, так как разработанное им и серийно производимое изделие должно с учетом производственных допусков выдержать испытание на электромагнитную совместимость.
Разработка и внедрение тональных рельсовых цепей осуществляются также и на зарубежных железных дорогах. Так, на высокоскоростной линии Токайдо (Япония) с 1963 г. введены в эксплуатацию тональные рельсовые цепи с несущими частотами 720, 840, 900 и 1090 Гц и модулирующими частотами в интервале 10…36 Гц. На железнодорожной линии, проложенной в тоннеле между островами, в связи с засоленностью балласта и снижением сопротивления изоляции применены укороченные рельсовые цепи тональной частоты без изолирующих стыков. Во Франции на магистральных и городских железных дорогах в системе TVM 300 применяются рельсовые цепи VM-71 с несущими частотами 1700, 2000, 2300 и 2600 Гц и частотами модуляции от 10,3 до 29 Гц. Система предназначена для линий, на которых обращаются локомотивы, оснащенные инверторами и тиристорами. На железных дорогах Польши широко внедряются бесстыковые рельсовые цепи типа SOT-2 в двух модификациях с несущими частотами в интервалах 1…3 кГц и 8…20 кГц. На Британских железных дорогах бесстыковые рельсовые цепи применяются в интервале частот 1,7…2,6 кГц. Бесстыковые рельсовые цепи тональной частоты находят большое распространение и на других зарубежных железных дорог. Внедрение тональных рельсовых цепей, в том числе на линиях, где обращается подвижной состав с широтно-импульсным тиристорным регулированием, является одним из основных средств повышения эффективности работы рельсовых цепей, позволяя получить ряд эксплуатационных, технических и экономических преимуществ. Прежде всего открывается реальная возможность в принципе отказаться от использования в устройствах СЦБ наиболее ненадежного элемента – изолирующих стыков. Исключение изолирующих стыков снимает ограничения на пропуск тягового тока существующих дроссель-трансформаторов, позволяет сократить их общее число, снижает асимметрию тягового тока и его влияние на аппаратуру рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации.
Передающие устройства рельсовых цепей тональной частоты в настоящее время на сети железных дорог России в системах железнодорожной автоматики широкое применение получили рельсовые цепи тональной частоты ТРЦ3 и ТРЦ4, обладающие рядом эксплуатационных и технических преимуществ. В данном подразделе рассматриваются основной состав наиболее распространенной аппаратуры тональных рельсовых цепей ТРЦ3, принципы ее работы, технические характеристики.
Передающие устройства ТРЦ3 включают в себя:
- путевой генератор ГП3;
- фильтр питающего конца ФПМ.
Генератор ГП3 предназначен для формирования амплитудно-модулированных (манипулированных) сигналов. Его принципиальная схема представлена на рис. 2.1. Генератор ГП3 содержит выпрямитель – диодный мост (VD1–VD4) со сглаживающими конденсаторами С2, С3 и параметрический стабилизатор напряжения на стабилитроне VD7 с балластными резисторами R13, R14 и конденсаторами С4, С5 (для исключения паразитных связей по цепям питания). Выпрямитель обеспечивает двухполупериодное выпрямление и получение двух двуполярных напряжений: нестабилизированного ± 20 В для питания транзисторных схем; стабилизированного ± 9 В для питания микросхем. Электропитание ГП3 осуществляется от источника однофазного переменного тока частотой 50 Гц с номинальным напряжением 35 В (выводы 41 и 43) и допустимыми изменениями его от 31,5 до 36,8 В. Ток ,потребляемый ГП3, должен быть не менее 1,1 А.
Кроме выпрямителя электрическая схема генератора имеет следующие функциональные узлы:
-генератор несущих частот;
-генератор модулирующих частот и манипулятор;
-предварительный усилитель;
-регулятор выходного напряжения;
-выходной усилитель.
Конструктивно генератор ГП3 имеет два исполнения – ГП3-8,9,11 и ГП3-11,14,15, отличающихся значениями формируемых несущих частот и трансформаторами ТV. Элементы электрических схем генераторов размещаются на двух печатных платах А1 и А2. Генераторы предназначены для установки на стативах релейных шкафов или постах электрической централизации в штепсельные розетки реле НШ.
Генератор несущей частоты выполнен на микроузле ГНЧ (DD1). Микроузел содержит генератор, вырабатывающий непрерывный сигнал прямоугольной формы с частотой 1 МГц с кварцевой стабилизацией (кварц GB), и управляемые делители частоты. В зависимости от внешней перемычки между входами D3–D10 и минусом источника питания Un1 делители частоты формируют один из сигналов несущей частоты на выходе Fн. В табл. 2.1 приведены частоты формируемых амплитудно-модулированных сигналов и соответствующие им настроечные перемычки.
Таблица 2.1 Настроечные перемычки генератора на несущие и модулирующие частоты
Генератор модулирующих частот и манипулятор собраны на микроузле МН (DD2). Микроузел включает в себя манипулятор, осуществляющий амплитудную манипуляцию сигнала на выходах Q и` Q и управляемые делители частоты, которые в зависимости от перемычки между входами Fм8 или Fм12 и источником питания Un1 формируют один из сигналов частоты модуляции Fм со скважностью, равной двум. Частота 8 Гц образуется при установке внешней перемычки между выводами 64 и 42, а частота 12 Гц – при перемычке между выводами 62 и 33.
Предварительный усилитель мощности, выполненный на транзисторах (VТ2–VТ5), представляет собой двухкаскадный усилитель с ключевым режимом работы транзисторов. Как известно, в ключевом режиме (режим насыщения) транзисторы находятся в двух состояниях: полностью открыты, и падение напряжения на них близко к нулю, или закрыты, и тогда ток, протекающий через них, близок к нулю.
В обоих состояниях потери мощности внутри транзисторов невелики, что значительно облегчает условия работы транзисторов и позволяет получить относительно высокий кпд усилителя.
Регулятор выходного напряжения содержит последовательно соединенные, посредством внешней перемычки на выводах 83–72 резисторы R9–R11 и обмотку 1–3 трансформатора ТV. Ток в этой цепи, а следовательно, напряжение на обмотке (выводы 1 и 3) трансформатора ТV и выходе (выводы 2 и 52) генератора регулируют переменным резистором R11.
Трансформатор ТV в цепи регулятора напряжения обеспечивает гальваническую развязку от входной цепи выходного усилителя. При этом сопротивление трансформатора ТV, приведенное к обмотке 4–5, выбрано таким, чтобы было существенно меньше входного сопротивления выходного усилителя. Это позволяет исключить возрастание выходного напряжения при различных повреждениях в цепи регулятора и изменение входного сопротивления выходного усилителя от температуры.Для исключения искажений амплитудно-манипулированных сигналов при выведенном резисторе R11 трансформатор ТV настраивают конденсатором С6 в резонанс на несущую частоту, а последовательно с его обмоткой (выводы 1 и 3) включают постоянные резисторы R9, R10.При установленной внешней перемычке 83 и 72 можно регулировать резистором R11 выходное напряжение генератора в пределах 2…12 В при немодулированном сигнале (установив внутреннюю перемычку между клеммами “а” и “с”) или в пределах 1…6,4 В при модулированном выходном сигнале (установив внутреннюю перемычку между клеммами “а” и “в”).Выходной усилитель имеет два каскада усиления (транзисторы VТ6, VТ7 и VТ8, VТ9), построенные по схеме с общим коллектором, и работает в линейном режиме. Он обеспечивает усиление по току и возможность регулирования напряжения сигнала на выходе (клеммы 2–52). За счет 100 % отрицательной обратной связи в усилителе исключены изменения выходного напряжения от изменения коэффициента усиления транзисторов. Питание к выходному усилителю подается внешними перемычками между выводами 3,4 и 51,61.Номинальная выходная мощность усилителя 20 В.А. На номинальной нагрузке сопротивлением 7 Ом он обеспечивает напряжение не менее 12 В при немодулированном сигнале и не менее 6,4 В при модулированном. При необходимости получить более мощный сигнал к генератору ГП3 предусматривается подключение дополнительного путевого усилителя типа ПУ1. В этом случае питание на выходной усилитель не подается (перемычки 3,4 и 51,61 не устанавливаются). Вместо перемычки 83 и 72 устанавливают перемычку 83 и 2, а вход дополнительного усилителя ПУ1 подключают к выводам 53 и 83 генератора ГП3.На передней панели кожуха блока ГП3 имеются отверстия, в которые наружу выведены ручка резистора R11 и два светодиода. Положение ручки резистора R11 во избежание самопроизвольного поворота фиксируется стопорным устройством.Ровное свечение светодиода VD11 свидетельствует о наличии питания на выходном каскаде. Мигающее (с частотой модуляции) свечение светодиода VD6 соответствует наличию на выходе предварительного усилителя амплитудно-манипулированного сигнала, непрерывное свечение соответствует наличию непрерывного сигнала несущей частоты, отсутствие свечения указывает на неисправность или отсутствие электропитания.На печатной плате А1 внутри генератора ГП3 расположены технологические контакты “а”, “в” и “с”. Перемычка, установленная между контактами “а” и “в”, обеспечивает поступление на вход предварительного усилителя амплитудно-модулированного сигнала, а перемычка между “а” и “с” – непрерывного сигнала несущей частоты.