ДРОССЕЛЬ - ТРАНСФОРМАТОР С ПОНИЖЕННОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ К АСИММЕТРИИ ТЯГОВОГО ТОКА

Полезная модель относится к устройствам железнодорожной автоматики и телемеханики и может быть использована в устройствах интервального регулирования движением поездов при электротяге постоянного тока для канализации тягового тока и защиты рельсовых цепей (РЦ) от различного рода помех.
Известно устройство для канализации тягового тока на электрифицированных железных дорогах. А.с. 106205. Опубл. в БИ, 1983, №47. Авторы: Котельников А.В. и др. Недостатком этого устройства является повышенная чувствительность к асимметрии тягового тока.
Наиболее близким по технической сущности устройством к заявленной полезной модели является дроссель-трансформатор типа ДТ-0,4-1500 с повышенной токовой нагрузкой (материалы по результатам совместных испытаний дроссель-трансформатора повышенной мощности с ЦШ МПС, ГТСС, ВНИИУП в 2001 г). В данном дроссель-трансформаторе разность тяговых токов (асимметрия тягового тока) в полуобмотках основной обмотки находится ниже допустимого.
Недостатком данного дроссель-трансформатора (аналога) также можно считать ограничение по величине асимметрии тягового тока, т.е. несоответствие между возможностями тяговой сети и параметрами такого дросселя, а также нестабильность режимов работы РЦ, при увеличении скоростей движения поездов, увеличении массы, а также пропускной способности и, как следствие, увеличении тяговых токов.
В связи с этим создание технических решений, позволяющих снизить помехи гармонических составляющих тягового тока, кратные промышленной частоте, является весьма актуальным.
Технический результат полезной модели - снижение чувствительности к асимметрии тягового тока дроссель-трансформатора.
Достигается - за счет изменения конфигурации электрического соединения внутри корпуса путем разделения основной обмотки на две секции применением дополнительной перемычки A3-A4, а также приближением уменьшенных витков основной обмотки по длине к среднему стержню сердечника. При таком варианте соединения происходит симметрирования тяговых токов относительно средней точки. Постоянство параметров дросселя обеспечивается подбором оптимального значения воздушного зазора в сердечнике дроссель-трансформатора.
Технический результат достигается следующим образом: как известно, при равенстве тяговых токов в обеих секциях дроссель-трансформатора сердечник не намагничивается, поскольку суммарный магнитный поток равен нулю из-за встречного протекания токов. Указанный вариант электрического соединения при неравномерном распределении тяговых токов в секциях основной обмотки способствует симметрированию тяговых токов, что приводит к значительному снижению намагничивающего постоянного поля, и намагничивание сердечника происходит в меньшей степени. Естественно это не ведет к изменению сопротивления по концам рельсовой цепи и, как следствие, к обестачиванию путевого реле, то есть ложной занятости участка пути.
На фиг. 1 представлена схема соединения обмоток предполагаемого дроссель-трансформатора 1, состоящего из основной обмотки 2, дополнительной обмотки 3, сердечника 4, перемычки 5, расположенной симметрично относительно средней точки 5 внутри корпуса 7.
1
2
На фиг. 2 приведена схема пропуска тягового тока величиной до 2500 А по дроссель-трансформаторам (ДТп и ДТр) при нулевой длине рельсовой линии. Асимметрия тягового тока достигала 824 А. Схема включает: генератор 10 постоянного тока, который через амперметр 8 подключен к средним точкам ДТп и ДТр на модели. Крайние выводы основных обмоток соединены друг с другом через амперметр 9 и резистор 11, служащий для разбалансировки токов I и I в полуобмотках дроссель-трансформаторов.
Устройство работает следующим образом.
1
2
т
1
2
т
Часть тягового тока I, протекая по цепи, попадает в одну полуобмотку дроссель-трансформатора, другая часть тока I протекает через вторую полуобмотку дроссель-трансформатора. Затем суммарный ток I через среднюю точку и дополнительную перемычку поступает в 13 (ДТп) и 12 (ДТр). Ток асимметрии, представляющий собой разность токов I и I, изменялся в результате регулировки выходного напряжения генератора 10, при этом изменялся общий ток I. Ток асимметрии определялся по формуле:
1
2
1
2
Потоки, создаваемые токами I и I, протекающими в полу обмотках, направлены в разные стороны, поэтому при I=I разностный поток в сердечнике 4 дроссель-трансформатора 1 равен нулю.
1\=\
2
При неравенстве тяговых токов в полуобмотках II, т.е. возникновении тока асимметрии в основной обмотке 2 дроссель-трансформатора 1 возникает преобладание намагничивающего магнитного поля и намагничивание сердечника 4.
1
т1
т2
1
1
В этом случае на дроссель-трансформатор оказывают влияние две МДС: постоянная во времени, равная 0,5W(I-I), где W - число витков в первичной обмотки и переменная W Icтsinωt.
Полная индукция в магнитопроводе дроссель-трансформатора будет выражена суммой:
п
Если принять аналитическое выражение кривой намагничивания стали магнитопровода дроссель-трансформатора в виде гиперболического синуса H=αshβB, то после тригонометрического преобразования получим:
эф1
Из полученных выражений (3) и (4) видно, что с увеличением значения постоянной МДС растет величина B, а величины L и µэф1 уменьшаются.
1
2
Однако с применением дополнительной перемычки 6 и приближением уменьшенных витков основной обмотки по длине к среднему стержню сердечника 4 происходит симметрирование тяговых токов I и I в секциях основной обмотки 2. При этом индуктивность дроссель-трансформатора 1 и его сопротивление переменному току снижается незначительно, поэтому коэффициент асимметрии не превышает 1-2% при допустимой не более 6%.
Постоянство параметров дроссель-трансформатора 1 при электротяге постоянного тока достигается подбором оптимального значения воздушного зазора.
о
подм
Как известно, сопротивление основной обмотки дроссель-трансформатора с воздушным зазором Z зависит от величины воздушного зазора σ, а также от постоянного тока подмагничивания I.
3
Асимметрия тягового тока в рельсовых цепях определяется максимальным значением тока в рельсах при движении поездов, а ее абсолютное значение зависит от содержания сборных стыков, наличием надежно приваренных стыковых электротяговых соединителей с сопротивлением не ниже нормируемого до 4,5·10 мком, надежным креплением металлических накладок (все болты должны быть затянуты с максимальным усилием 4000 кГс), а также наличием междупутных перемычек.
Основным параметром, характеризующим работу дроссель-трансформатора, является его индуктивность. В электрических расчетах принято индуктивность дросселя со сталью рассматривать как индуктивность тороида с равномерно нанесенной обмоткой, у которого отношение внешнего радиуса к внутреннему мало отличается от единицы. Такой тороид в силу симметрии не обладает рассеянием.
В магнитных цепях индуктивность представляет собой постоянную величину, зависящую от конфигурации и числа витков, но не зависящую от тока. В то же время индуктивность имеет нелинейные характеристики по току и магнитному потоку и благодаря гистерезису она неоднозначна. Следовательно, при разработке новой конструкции дроссель-трансформатора следует обращать внимание не только на выбор материалов магнитной системы, но и на его конструкцию [1].
В связи с этим для уменьшения влияния токов подмагничивания в заявляемом дроссель-трансформаторе 1 внесены ряд конструктивных изменений следующего характера: основная обмотка сделана двухсекционной, витки основной обмотки уменьшены по длине и приближены к среднему стержню сердечника; перемычка, соединяющая секции основной обмотки, симметрична относительно средней точки; выбрано оптимальное значение воздушного зазора.
Для снижения электродинамических ударов в дросселе был применен магнитопровод из холоднокатаной анизотропной стали.
Зазор в сердечнике дросселя играет исключительно важную роль. Кривая намагничивания сердечника игнорирует геометрические размеры конкретного сердечника - площадь, длину магнитной линии и величину зазора в сердечнике.
Когда по обмотке дросселя кроме переменной составляющей, протекает еще и постоянный ток, то индуктивность обмотки уменьшается. Чтобы избавиться от этого явления, в сердечнике делают воздушный зазор, длина которого зависит от размеров сердечника, индуктивности обмотки и силы постоянного тока, проходящего по обмотке.
В обмотках индуктивности стальной сердечник с большим значением индукции насыщения используется для увеличения индуктивности. Однако наличие сердечника придает обмотке нелинейные свойства, которые ограничивают диапазон ее эффективности применения. В случае, когда через обмотки протекает чрезмерно большой ток, магнитный материал насыщается. При насыщении сердечника его относительная магнитная проницаемость уменьшается, что приводит к уменьшению индуктивности основной обмотки. В этих случаях сердечник обмотки выполняют с воздушным зазором на пути магнитного потока обмотки индуктивности. Это позволяет, исключить насыщение сердечника, уменьшить потери мощности в нем, увеличить ток обмотки и достичь ряд других преимуществ. Длина воздушного зазора зависит от размеров сердечника, индуктивности обмотки и силы постоянного тока, проходящего по обмотке [2, 3].
о
подм
Произведены измерения также полного сопротивления дроссель-трансформатора в соответствии с требованиями пп. 1.1.6, 1.1.7 ТУ 32 ЦШ 266-76. Построены графики зависимостей Z и Z от величины зазора σ, при различных токах подмагничивания (в таком дроссель-трансформаторе ток асимметрии, протекающий в секциях основной обмотки можно увеличить до 600 А, так как при токе подмагничивания 650 А Z находится на верхнем пределе (фиг. 3).
Рассчитаны коэффициенты четырехполюсника по модулю и аргументу рассматриваемого дроссель-трансформатора на асимметрии 600 А:
В табл. 1 приведены результаты испытания дроссель-трансформаторов (заявляемого и аналога) в условиях асимметрии тягового тока.
Выводы:
1. Если ток подмагничивания отсутствует, то уменьшение воздушного зазора вызывает значительное увеличение полного сопротивления обмотки дроссель-трансформатора.
2. В случае подмагничивания зависимость полного сопротивления от размера воздушного зазора более сложна, однако исследованием установлено, что снижение тем больше, чем меньше воздушный зазор.
3. Регулировка воздушного зазора в условиях эксплуатации не допускается.
Источники информации
1. Дмитренко И.Е., Алексеев В.М. Влияние тягового тока на работу рельсовых цепей. - АТС, 1986, №10, с. 10-12
2. Зинин Ю. Определение длины воздушного зазора в сердечнике для дросселей и трансформаторов. Силовая электроника, 2009, №5, с. 82-84.
3. Наумов А.В. и др. Особенности работы дроссель-трансформаторов в условиях обращения тяжеловесных поездов. - Автоматика, телемеханика и связь, 1980, №11, с. 8-12.