Симметрирующее устройство обратного тягового тока с управляемыми магнитными усилителями
REVERSE TRACTION CURRENT BALANCING APPARATUS WITH CONTROLLED MAGNETIC AMPLIFIERS

Изобретение относится к устройствам железнодорожной автоматики и телемеханики и предназначено для устранения асимметрии обратного тягового тока в рельсовых нитях. Устройство позволяет обеспечить защиту аппаратуры рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации (АЛС) от влияния асимметрии обратного тягового тока.
В настоящее время более 25 процентов отказов аппаратуры рельсовых цепей (от общего количества отказов) связано с влиянием асимметрии обратного тягового тока. Асимметрия обратного тягового тока также является причиной большого числа сбоев передаваемых кодов в системе автоматической локомотивной сигнализации непрерывного типа (АЛСН).
Для пропуска обратного тягового тока в обход изолирующих стыков (ИС) рельсовых цепей используются путевые дроссель-трансформаторы без компенсирующего устройства. Тяговые первичные обмотки дроссель-трансформаторов смежных рельсовых цепей соединяются через среднюю точку и обеспечивают дифференциальный пропуск составляющих обратного тягового тока рельсовых нитей. Ко вторичной сигнальной обмотке дроссель-трансформатора подключается аппаратура рельсовой цепи [1].
Проведенные в работе [2] исследования показывают, что при равенстве сопротивлений рельсовых нитей ток через дроссельные перемычки дроссель-трансформатора равномерно растекается по рельсовым нитям. Сигнальный ток аппаратуры рельсовой цепи, отличный по частоте от тягового тока, проходит через вторичную сигнальную обмотку дроссель-трансформатора в одном направлении и индуцирует напряжение в рельсовой линии. При неравенстве составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях (асимметрии обратного тягового тока) суммарный магнитный поток в сердечнике дроссель-трансформатора является отличным от нуля, в результате чего индуцируется напряжение составляющей обратного тягового тока в его вторичной сигнальной обмотке, оказывающее негативное воздействие на работу аппаратуры рельсовой цепи и устройств автоматической локомотивной сигнализации.
Среди технических решений, разработанных с целью снижения влияния асимметрии обратного тягового тока на работу рельсовых цепей, известно следующее устройство [3]. В данном устройстве средняя точка первичной тяговой обмотки штатного путевого сдвоенного дроссель-трансформатора подключается через фильтр, обеспечивающий за счет настройки в резонанс на частоту сигнального тока высокое сопротивление протеканию сигнального тока и низкое сопротивление тяговому току. Однако низкая добротность фильтра, вследствие низкой частоты сигнального тока, а также высокая стоимость реактивных элементов, исключают практическое применение данного устройства.
Также известно устройство для размагничивания рельсового дроссель-трансформатора [4], предназначенное для уменьшения влияния асимметрии обратного тягового тока. Отличительной особенностью данного устройства от используемых на железнодорожном транспорте дроссель-трансформаторов является наличие компенсационной обмотки. Она не влияет на работу рельсовой цепи и предназначена для создания компенсирующего магнитного потока в сердечнике дроссель-трансформатора при неравенстве составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях. Компенсационная обмотка подключается к управляемому источнику тока, управление которым осуществляется посредством измерительного устройства разности составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях. К недостаткам рассмотренного устройства следует отнести:
- схемотехническая сложность реализации мощного управляемого источника тока;
- наличие дополнительного источника электропитания на железнодорожных участках, оснащенных устройствами автоблокировки с централизованным размещением оборудования;
- необходимость соответствующего климатического исполнения схемы управляемого источника тока и измерительного устройства (температура, влажность).
Наиболее близким к настоящему изобретению является техническое решение, защищенное патентом Российской Федерации [5], выбранное в качестве прототипа.
Принцип работы прототипа заключается в следующем. В разностном токовом трансформаторе, подключенном к рельсовым нитям и являющемся составной частью изобретения, на вторичной сигнальной обмотке формируется ток компенсации, который передается на компенсационную обмотку путевого дроссель-трансформатора и формирует магнитный поток в его сердечнике. Магнитный поток компенсирует составляющую асимметрии в сердечнике и, как следствие, наводимое напряжение на вторичной сигнальной обмотке дроссель-трансформатора.
Основным конструктивно-техническим недостатком устройства прототипа является его действие только по отношению к сигнальному току аппаратуры рельсовой цепи. Устройство, по сути, устраняет наведенный из-за неравенства составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях сигнал на вторичной сигнальной обмотке дроссель-трансформатора, защищая аппаратуру рельсовой цепи, подключенной к этой обмотке. Однако, неравные по модулю составляющие обратного тягового тока продолжают протекать в рельсовых нитях и приводят к искажению кодовых комбинаций автоматической локомотивной сигнализации воспринимаемых локомотивными катушками, расположенными над рельсами. Причем экспериментально подтверждено, что уровень помех в приемниках АЛСН прямо пропорционален величине асимметрии обратного тягового тока [6].
Имеется и дополнительный недостаток прототипа, связанный с влиянием тока компенсационной обмотки дроссель-трансформатора на ток сигнальной вторичной обмотки. Данное влияние, в силу разного соотношения числа витков компенсационной и сигнальной вторичной обмотки, хотя и незначительное, но сказывается на работе аппаратуры рельсовой цепи.
Проведенный анализ показал, что проблема разработки и внедрения симметрирующих устройств обратного тягового тока, включая прототип, решена не полностью.
Задачами предлагаемого устройства являются:
- достижение выравнивания составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях при любых видах асимметрии;
- защита аппаратуры рельсовых цепей от гармоник тягового тока;
- обеспечение безопасности движения поездов при любых схемных отказах и неисправностях самого симметрирующего устройства.
Предлагаемое изобретение поясняется структурной схемой симметрирующего устройства обратного тягового тока с управляемыми магнитными усилителями, представленной на фиг. 1.
Симметрирующее устройство 1 подключается к штатному сдвоенному или одиночному дроссель-трансформатору и содержит: источник электропитания 2, запитанный через токовые трансформаторы ТА1 и ТА2 от составляющих обратного тягового тока, протекающих в рельсовых нитях; магнитные усилители MU1 и MU2 с постоянными магнитами в составе сердечников; измерительные трансформаторы тока ТА3 и ТА4 для измерения модуля составляющих обратного тягового тока в соответствующих рельсовых нитях (РН1 и РН2); блок сравнения и управления БСУ 5, осуществляющее сравнение составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях и управление транзисторными ключами VT1 и VT2; безопасные элементы сопряжения транзисторных ключей с управляющими обмотками магнитных усилителей, реализованные на разделительных трансформаторах Т1 и Т2, импульсных диодах VD5 и VD6 и накопительных электролитических конденсаторах С3 и С4; а также токоограничительные сопротивления R1, R2, R3 и R4.
Источник электропитания 2 состоит из двух параллельно включенных полукомплектов. Каждый полукомплект включает соответственно: трансформатор тока ТА1 или ТА2, выполненный по схеме со средней точкой, осуществляющий отбор энергии обратного тягового тока соответствующей рельсовой нити путем его трансформации в напряжение вторичной обмотки (тяговые перемычки вблизи изолирующего стыка подсоединены к рельсам с одной стороны и к выводам первичной обмотки трансформатора тока ТА1 или ТА2 с другой); двухполупериодный выпрямитель со средней точкой VD1-VD2 или VD3-VD4; сглаживающую емкость С1 или С2; преобразователь DC/DC (DC/DC Converter Module - DCM) DCM1 3 или DCM2 4, обеспечивающий условия параллельной работы двух полукомплектов.
Модули DCM 3 и 4 имеют цепи регулирования выходного напряжения с отрицательным наклоном нагрузочной кривой, благодаря которым, при увеличении тока нагрузки, внутренний стабилизатор может слегка уменьшать выходное напряжение. Это техническое решение в составе DCM действует как небольшой балластный резистор, однако, без каких-либо реальных резисторов, связанных с потерями энергии.
Кроме того, в преобразователях DCM 3 и 4 требуемая форма нагрузочной характеристики реализуется через дискретную модуляцию цифро-аналогового преобразователя, вырабатывающего опорное напряжение для активного усилителя ошибки петли регулирования [7]. Такие выходные нагрузочные характеристики позволяют непосредственно соединять выходы нескольких DCM в параллель, несмотря на то, что каждый из них по-прежнему имеет свой собственный активный усилитель ошибки. Таким образом, соединенные параллельно DCM ведут себя как один DCM, но с большим выходным током [7].
Источник электропитания 2 в составе симметрирующего устройства 1 обеспечивает питанием блок сравнения и управления БСУ 5, а также управляющие обмотки магнитных усилителей MU1 и MU2. Параллельное электропитание от составляющих обратного тягового тока обеих рельсовых нитей через трансформаторы тока ТА1 и ТА2 и модули DCM 3 и 4 обеспечивает резервирование системы электропитания и высокую надежность ее работы.
Магнитный усилитель MU1 или MU2 представляет собой тороидальный сердечник, выполненный из магнитомягкого материала с узкой петлей гестерезиса, на который намотаны две обмотки: рабочая обмотка Wp1 или Wp2 и управляющая обмотка Wy1 или Wy2 соответственно.
Мощный постоянный магнит, включенный в состав сердечника, обеспечивает насыщение сердечника. В результате при отсутствии сигнала на управляющей обмотке магнитная проницаемость материла сердечника стремится к нулю, что приводит к отсутствию реактивной составляющей сопротивления рабочей обмотки при протекании по ней составляющей обратного тягового тока. Поскольку рабочая обмотка выполнена из многожильного медного провода большого сечения, активное сопротивление данной обмотки тяговому току также мало.
При подаче постоянного напряжения на управляющую обмотку в сердечнике магнитного усилителя создается магнитный поток, противоположный по направлению магнитному потоку от постоянного магнита. В результате магнитная проницаемость сердечника возрастает и увеличивается реактивное сопротивление рабочей обмотки, что приводит к уменьшению составляющей обратного тягового тока в данной рельсовой нити.
Таким образом осуществляется регулировка обратного тягового тока в рельсовых нитях. Наличие постоянного магнита является обязательным условием по условиям безопасной работы системы тягового электроснабжения. Так при выходе из строя элементов симметрирующего устройства, а также при обрыве тягового соединителя или управляющей обмотки магнитного усилителя, полное сопротивление его рабочей обмотки, благодаря наличию постоянного магнита, уменьшится до нуля и не приведет к перегоранию этой обмотки или пробою изолирующего стыка.
Сущность работы предлагаемого изобретения состоит в следующем. При равенстве составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях со вторичных обмоток трансформаторов тока ТА3 и ТА4 на блок сравнения и управления БСУ 5, поступают сигналы одинаковой амплитуды. На выходах OUT1 и OUT2 устройства БСУ отсутствуют сигналы управления транзисторами VT1 и VT2. Транзисторы закрыты. Постоянное напряжение не подается на управляющие обмотки Wy1 и Wy2 магнитных усилителей через разделительные трансформаторы Т1 и Т2 соответственно. В сердечниках магнитных усилителей действуют магнитные потоки, образованные постоянными магнитами.
Сердечники находятся в режиме насыщения. Полное сопротивление рабочих обмоток Wp1 и Wp2 стремится к нулю. Асимметрия обратного тягового тока отсутствует.
T1
T2
При увеличении составляющей обратного тягового тока I в одной рельсовой нити (например - РН1) и соответствующем уменьшении I в другой (РН2), напряжение, наводимое на вторичной обмотке трансформатора тока ТА3, превышает напряжение на вторичной обмотке трансформатора тока ТА4. Блок сравнения и управления БСУ 5, определяет величину разности токов в рельсовых нитях в пересчете на коэффициент трансформации трансформаторов тока и выдает прямоугольный импульсный сигнал фиксированной частоты и соответствующей скважности на базу транзистора VT1. Импульсная работа транзистора VT1 приводит к подаче знакопеременного тока на первичную обмотку разделительного трансформатора T1 c выхода источника электропитания 2.
T1
T1
T2
T2
Трансформированный ток с вторичной обмотки трансформатора Т1, через импульсный диод VD5, обеспечивает зарядку конденсатора С3 до соответствующего постоянного напряжения, которое прикладывается к управляющей обмотке Wy1 магнитного усилителя MU1. В результате действия постоянного тока в управляющей обмотке Wy1 в сердечнике магнитного усилителя MU1 начинает действовать дополнительный магнитный поток, направленный встречно магнитному потоку, образованному постоянным магнитом. В результате степень насыщения сердечника уменьшается, магнитная проницаемость увеличивается и увеличивается реактивное сопротивление рабочей обмотки Wp1 магнитного усилителя MU1. Значение составляющей обратного тягового тока I рельсовой нити РН1 уменьшается. Составляющие обратного тягового тока (I и I) в рельсовых нитях выравниваются. Значение постоянного напряжения на конденсаторах С3 и С4 регулируется скважностью управляющего сигнала на транзисторах VT1 и VT2. Аналогично симметрирующее устройство 1 функционирует и при превышении составляющей обратного тягового тока I во второй рельсовой нити РН2 относительно первой.
Необходимость в безопасных элементах сопряжения транзисторных ключей с управляющими обмотками магнитных усилителей, реализованных на разделительных трансформаторах Т1 и Т2, диодах VD5 и VD6 и накопительных электролитических конденсаторах С3 и С4, вызвана возможными отказами транзисторных ключей VT1 и VT2. Отказы транзисторных ключей, приводящие к обрыву цепей, приводят к отсутствию напряжения на соответствующих управляющих обмотках магнитных усилителей. Благодаря наличию постоянных магнитов сердечники магнитных усилителей входят в насыщение, и реактивное сопротивление их рабочих обмоток стремится к нулю. Обратный тяговый ток беспрепятственно протекает по рельсовым нитям.
При отказах транзисторов, связанных с коротким замыканием цепи, по первичной обмотке соответствующих разделительных трансформаторов Т1 или Т2 начинает течь постоянный ток от источника электропитания 2. На вторичной обмотке соответствующего трансформатора Т1 или Т2 напряжение снижается до нуля, конденсатор С3 или С4 разряжается и напряжение на управляющей обмотке магнитного усилителя снижается до нуля. В результате, как и при первом типе отказа транзистора, обратный тяговый ток беспрепятственно протекает по соответствующим рельсовым нитям. При отсутствии безопасных элементов сопряжения, выход из строя транзистора в режим короткого замыкания, привел бы к протеканию постоянного тока через управляющую обмотку магнитного усилителя и неоправданному увеличению реактивного сопротивления его вторичной обмотки. Как следствие возможному перегоранию рабочей обмотки магнитного усилителя или пробою изолирующего стыка.
Блок сравнения и управления БСУ 5 содержит светодиодную индикацию (на фиг. 1 не показана) степени асимметрии составляющих обратного тягового тока, соответствующей закрытому состоянию транзисторов VT1 и VT2. Данная функция диагностики позволяет ремонтному персоналу уменьшить время поиска и локализации причин асимметрии обратного тягового тока. Источник электропитания 2 также содержит светодиодную индикацию исправности работы обоих полукомплектов (на фиг. 1 не показана).
К преимуществам предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом следует отнести:
- повышение надежности работы не только аппаратуры рельсовых цепей, но и помехозащищенности устройств АЛС автоматической локомотивной сигнализации за счет фактического выравнивания составляющих обратного тягового тока в рельсовых нитях на основе измерения их разности и регулирования реактивных составляющих сопротивления рельсовых нитей;
- обеспечение безопасности движения поездов при любых схемных отказах и неисправностях самого симметрирующего устройства;
- наличие в составе симметрирующего устройства функции диагностики асимметрии обратного тягового тока и самодиагностики исправности работы его отдельных блоков.
Это достигается за счет применения следующих новых технических решений:
- использования в рельсовых нитях дополнительных регулируемых сопротивлений на основе управляемых магнитных усилителей с насыщенным сердечником;
- использования постоянных магнитов в составе сердечников управляемых магнитных усилителей.
Управляемые магнитные усилители в составе симметрирующего устройства позволяют регулировать реактивные сопротивления рельсовых нитей и, таким образом, осуществлять выравнивание составляющих обратного тягового тока.
Постоянные магниты в составе сердечников управляемых магнитных усилителей исключают значительное увеличение реактивного сопротивления их рабочих обмоток в случае прерывания сигнала управления, обрыва управляющих обмоток, а также при прочих всевозможных отказах симметрирующего устройства.
Список использованных источников
1. Рельсовые цепи магистральных железных дорог: Справочник - 3-е издание, перераб. и доп. / B.C. Аркатов, Ю.В. Аркатов, СВ. Казеев, Ю.В. Ободовский. - М.: «ООО Миссия-М», 2006. - 496 с.
2. Дмитренко И.Е. Влияние тягового тока на работу рельсовых цепей / И.Е. Дмитренко, В.М. Алексеев // Автоматика, телемеханика и связь. - 1986. - №10. С.10-12.
3. Сдвоенный дроссель-трансформатор: Пат. 2616221 Российская Федерация: МПК7 B61L 1/08; B61L 23/16 / Лунев С.А., Ходкевич А.Г., Сероштанов С.С., Дремин В.В.; заявитель и патентообладатель ОмГУПС. - №2015148903; заявл. 13.11.2015; опубл. 13.04.2017, Бюл. №11.
4. Устройство для размагничивания рельсового дроссель-трансформатора: Пат.131898 Российская Федерация: МПК7 H01F 13/00 / Шевцова Е.Ю.; заявитель и патентообладатель Шевцова Е.Ю. - №2013111439/07; заявл. 14.03.2013; опубл. 27.08.2013, Бюл. №24.
5. Путевой дроссель-трансформатор с компенсирующим устройством магнитного потока сердечника: Пат. 2731298 Российская Федерация: МПК7 B61L 23/16 / Менакер К.В., Пультяков А.В., Бушуев Е.М., Востриков М.В.; заявитель и патентообладатель ИрГУПС. - №2019139492; заявл. 03.12.2019; опубл. 01.09.2020, Бюл. №25.
6. Леушин В.Б., Блачев К.Э., Юсупов P.P. Анализ причин сбоев в системе АЛСН // Автоматика, связь, информатика. - 2013. - №4. - с. 25-25.
7. Рассел А. Работа нескольких источников питания на общую нагрузку: возможные варианты и компромиссы // РадиоЛоцман. - 2016. - №7. - с. 34-39.