УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ ТЯГОВОГО ТОКА ЭЛЕКТРОВОЗА ПО УСЛОВИЯМ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ С ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ РЕЛЬСОВЫМИ ЦЕПЯМИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ АВТОМАТИКИ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR ELECTRIC LOCOMOTIVE TRACTION CURRENT CONTROL BY CONDITIONS OF ELECTROMAGNETIC COMPARABILITY WITH PHASE-SENSITIVE TRACK CIRCUITS OF RAILROAD AUTOMATICS (VERSIONS)

Изобретение относится к средствам диагностики электрооборудования электровоза и может быть использовано на электроподвижном составе, в частности на электровозах с импульсными регуляторами тяговых двигателей.
Известно устройство, реализующее способ управления приводной системой большой мощности (патент RU №2183570 C1, МПК B60L 15/00, опубл. 20.06.2002) - аналог.
Устройство содержит датчик тягового тока, который включен на электровозе в цепь последовательно с контактным проводом, пантографом, главным быстродействующим выключателем, тяговым электрооборудованием, колесами электровоза и рельсами, а выход датчика подключен к вычислительному устройству, которое анализирует величину тягового тока и управляет тягой.
Недостатком известного устройства является отсутствие в нем средств контроля уровня воздействия тягового тока электровоза на фазочувствительные рельсовые цепи железнодорожной автоматики.
Известно устройство контроля и регистрации формы тока и гармонического анализа, содержащее датчики тока и напряжения, включенные в цепи, по которым протекает контролируемый электрический ток. Выходы датчиков подключены к последовательно соединенным блокам квантования, преобразования, цифрового процессора, исполнительного автомата, регистрации и индикации. Цифровой процессор на основе поступивших в него данных определяет уровни гармоник контролируемого тока и, если они превышают нормируемые значения, управляет исполнительным автоматом, осуществляющим выключение контролируемого тока и передачу информации в блок регистрации и индикации (патент EP №0718948 B1, МПК H02H 3/093, опубл. 15.03.2000) - аналог.
Известное устройство может быть использовано для диагностики электрооборудования электровоза. Недостатки этого устройства связаны с тем, что в нем не учитывается возможность стохастического характера контролируемого тока, который может быть, например, при импульсном регулировании асинхронного тягового привода, а также с тем, что при выработке управляющего воздействия на исполнительный автомат не учитываются условия работы в этот момент времени потребителя электрического тока. Указанные недостатки приведут к снижению надежности работы, так как выключение контролируемого тока будет происходить и в тех случаях, когда это не требуется с учетом характеристик потребителя электрического тока. Таким образом, это известное устройство не позволяет обеспечить выявление и регистрацию интервалов времени, в течение которых уровень переменной составляющей тягового тока превышает нормируемое по требованиям электромагнитной совместимости значение.
Известно устройство контроля тягового тока электровоза по условиям электромагнитной совместимости с фазочувствительными рельсовыми цепями железнодорожной автоматики, содержащее датчик тягового тока, блок выделения переменной составляющей тягового тока и последовательно соединенные блок моделирования фазочувствительного реле рельсовой цепи железнодорожной автоматики, анализатор временных интервалов и блок регистрации и индикации. В нем также имеются блок выделения постоянной составляющей тягового тока и последовательно соединенные усилитель переменного тока с управляемым коэффициентом передачи и полосовой фильтр, при этом вход блока выделения постоянной составляющей тягового тока и вход блока выделения переменной составляющей тягового тока подключены к выходу датчика тягового тока, управляющий вход усилителя переменного тока с управляемым коэффициентом передачи подключен к выходу блока выделения постоянной составляющей тягового тока (патент РФ №2249508 C1, МПК7: B60L 3/00, опубл. 19.09.2003) - аналог.
Известное устройство может быть использовано для диагностики электрооборудования электровоза, однако недостатки этого устройства связаны с тем, что выявление постоянной составляющей тягового тока требует недопустимо большого времени измерения. Кроме того, оно обладает положительным эффектом только в случае, когда на межподстанционнной зоне находится один электровоз. Если же на межподстанционной зоне находится несколько электровозов, один из которых может потреблять ток из контактной сети, а другой, напротив - генерировать ток в тяговую сеть, средние значения этих токов компенсируют друг друга, а гармоники электровозов могут суммироваться. Поэтому известное решение допускает возможность больших погрешностей.
Вышеперечисленные аналоги являются таковыми для обоих вариантов заявляемого устройства.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение по первому варианту, является повышение быстродействия и точности обнаружения каждой из опасных частот, превышение нормативных амплитуд которых, в зависимости от длительности существования, может привести к ложному контролю свободности рельсовой цепи, при ее фактической занятости, в случае одной электрической цепи между пантографом и тяговым электрооборудованием электровоза.
Указанный технический результат, по первому варианту, достигается тем, что устройство контроля тягового тока электровоза по условиям электромагнитной совместимости с фазочувствительными рельсовыми цепями железнодорожной автоматики содержит датчик тягового тока, последовательно размещенный в электрической цепи и входами связанный с выключателем, соединенным посредством пантографа с контактным проводом, и с тяговым электрооборудованием, связанным с колесами электровоза и рельсами, выход датчика тягового тока связан с, по меньшей мере, одной цепью (ветвью), содержащей последовательно включенные блок вейвлет-анализа сигнала, блок нормализации результата, блок выделения переменной составляющей тягового тока с опасной частотой, блок моделирования фазочувствительного реле и анализатор временных интервалов, причем выход последнего соединен с входом блока регистрации и индикации, а количество цепей (ветвей) не менее числа опасных частот тягового тока в рельсовой цепи.
Устройство, характеризуется тем, что может содержать две цепи (ветви), каждая из которых содержит последовательно соединенные в пределах каждой цепи (ветви) блок вейвлет-анализа сигнала, блок нормализации результата, блок выделения переменной составляющей тягового тока с опасной частотой, блок моделирования фазочувствительного реле и анализатор временных интервалов.
В устройстве одна из цепей (ветвей) содержит блок выделения переменной составляющей тягового тока с одной опасной частотой, а вторая - блок выделения переменной составляющей тягового тока с другой опасной частотой.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое решение по второму варианту, является повышение быстродействия и точности обнаружения каждой из опасных частот, превышение нормативных амплитуд которых, в зависимости от длительности существования, может привести к ложному контролю свободности рельсовой цепи постоянно-переменного тока, при ее фактической занятости, при наличии нескольких независимых друг от друга электрических цепей между пантографами и тяговым электрооборудованием электровоза.
Указанный технический результат, по второму варианту, достигается тем, что устройство контроля тягового тока электровоза по условиям электромагнитной совместимости с фазочувствительными рельсовыми цепями железнодорожной автоматики содержит датчики тягового тока, каждый из которых последовательно включен в электрической цепи и входами связан с выключателем, соединенным посредством пантографа с контактным проводом, и с тяговым электрооборудованием, связанным с колесами электровоза и рельсами, выходы датчиков тягового тока связаны с входом логического элемента «И», выход которого связан с, по меньшей мере, двумя цепями (ветвями), каждая из которых содержит последовательно включенные блок вейвлет-анализа сигнала, блок нормализации результата, блок выделения переменной составляющей тягового тока с опасной частотой, блок моделирования фазочувствительного реле и анализатор временных интервалов, причем выходы последних соединены с входом блока регистрации и индикации, количество цепей (ветвей) не менее числа опасных частот тягового тока в рельсовой цепи, а количество датчиков не менее числа независимых друг от друга электрических цепей между пантографами и тяговым электрооборудованием электровоза.
Устройство, характеризуется тем, что количество цепей (ветвей) может быть равно числу опасных частот тягового тока в рельсовой цепи.
Устройство, характеризуется тем, что количество датчиков может быть равно числу независимых друг от друга электрических цепей между пантографами и тяговым электрооборудованием электровоза.
Устройство, характеризуется тем, что может содержать два датчика тягового тока, причем количество датчиков может совпадать с количеством цепей (ветвей) устройства.
Заявляемое устройство по первому и второму вариантам поясняется на фиг.1-3, где на фиг.1 показана структурная схема устройства контроля тягового тока электровоза по условиям электромагнитной совместимости с фазочувствительными рельсовыми цепями железнодорожной автоматики по первому варианту для случая присутствия одной из опасных частот, на фиг.2 - схема устройства по первому варианту для случая присутствия двух опасных частот, на фиг.3 - схема устройства по второму варианту, при наличии нескольких независимых друг от друга электрических цепей между пантографами и тяговым электрооборудованием электровоза.
На железных дорогах РФ сейчас опасными частотами являются частоты 25 и 50 Гц.
Устройство по первому варианту, для случая одной опасной частоты, содержит датчик 1 тягового тока, который включается последовательно в электрическую цепь между контактным проводом 2, пантографом 3, главным быстродействующим выключателем 4, тяговым электрооборудованием 5, колесами 6 электровоза и рельсами 7. Выход датчика 1 тягового тока подключен, по меньшей мере, к одной цепи (ветви), содержащей последовательно соединенные блок 8 вейвлет-анализа сигнала, блок 9 нормализации результата вейвлет-анализа сигнала, блок 10 выделения переменной составляющей тягового тока с опасной частотой, блок 11 моделирования фазочувствительного реле, анализатор 12 временных интервалов и блок 13 регистрации и индикации. Если опасных частот две, то и цепей (ветвей) больше одной, например две, и вторая цепь (ветвь) содержит последовательно соединенные блок 14 вейвлет-анализа сигнала, блок 15 нормализации результата вейвлет-анализа сигнала, блок 16 выделения переменной составляющей тягового тока с другой опасной частотой, блок 17 моделирования фазочувствительного реле и анализатор 18 временных интервалов.
Для решения по первому варианту входы одного блока вейвлет-анализа 8 или обоих блоков 8 и 14 вейвлет-анализа подключены к выходу датчика 1 тягового тока. Выходы анализатора 12 или обоих анализаторов 12 и 18 временных интервалов подключены к входу блока 13 регистрации и индикации появления любой из опасных частот 25 и/или 50 Гц, или их обеих.
Возможен случай, когда электроподвижной состав имеет несколько независимых друг от друга электрических цепей между пантографами и тяговым электрооборудованием электровоза - устройство по второму варианту.
На фиг.3 показан второй вариант, а именно две независимые друг от друга электрические цепи: одну цепь протекания тягового тока составляют пантограф 3, главный быстродействующий выключатель 4, датчик 1 тягового тока, тяговое электрооборудование 5 и колеса 6, а другую - пантограф 19, главный быстродействующий выключатель 20, тяговое электрооборудование 21 и колеса 6. Для решения поставленной задачи в устройство по второму варианту вводится датчик 22 тока и логический элемент «И» 23, причем выходы датчиков 1 и 22 тока подключены к входу логического элемента «И» 23. Выход логического элемента «И» 23 подключен к входам блоков 8 и 14 вейвлет-анализа сигнала тока. Цепи (ветви) по составу и принципу действия аналогичны первому варианту.
a, b
Работает устройство контроля тягового тока электровоза по условиям электромагнитной совместимости с фазочувствительными рельсовыми цепями железнодорожной автоматики по первому варианту следующим образом. Тяговый ток от контактного провода 2 протекает через пантограф 3, главный выключатель 4, датчик 1 тягового тока, тяговое электрооборудование 5, колеса 6 электровоза и рельсы 7. На выходе датчика 1 тягового тока протекает ток, который является уменьшенной в масштабе копией тягового тока, потребляемого электровозом. Этот ток имеет сложную форму с низкочастотными и высокочастотными составляющими. Недостаточная достоверность статистической оценки энергетического вклада высокочастотных составляющих на коротких временных реализациях привела к необходимости использования нелинейного, в смысле зависимости геометрии от частоты анализа, окна элементарной волны - вейвлета. Вейвлет-преобразования тягового тока выполняются в блоках 8 и 14. Результат вейвлет-преобразования представляет собой функцию двух переменных: масштаба a анализа и сдвига b вейвлета по оси времени t. Непрерывное вейвлет-преобразование в блоках 8 и 14 производится путем вычисления скалярного произведения между анализируемой функцией и двухпараметрической вейвлет-функцией ψ(t), образованной из базовой вейвлет-функции ψ(t):
Вейвлет-преобразование задается аналитически и вычисляется по формуле
*
где i(t) - исследуемый сигнал с выхода датчика тягового тока;  - масштабирующая двухпараметрическая функция;  - индекс комплексного сопряжения.
а
a
а
a
a, b
a,b
Параметр  определяет масштаб вейвлета, изменение этого параметра приводит к его сжатию или растяжению, меняется и центральная частота вейвлета. Малые значения параметра  соответствуют высоким частотам или очень мелкому масштабу ψ(t), большие значения  соответствуют малым частотам или большому масштабу ψ(t). Зависимость центральной частоты f вейвлета от масштаба  можно выразить как
0
a
где f - центральная частота вейвлета при =1.
a,b
Параметр b задает положение центра временной локализации вейвлета и называется сдвигом. С помощью сдвигов и сжатий базового вейвлета ψ(t) образуется двухпараметрическое семейство вейвлетов.
a
Таким образом, непрерывное вейвлет-преобразование является разложением анализируемой функции i(t) по всем возможным сдвигам и масштабам вейвлета ψ(t). В итоге получается частотно-временное описание i(t). При этом параметры  и b могут меняться непрерывно в пределах областей их определения.
а
Для того чтобы устранить зависимость амплитуд гармонических составляющих от параметра , что мешает оценить их интенсивности, в блоках 9 и 15 нормализуются амплитуды коэффициентов W(a, b) по формуле:
0
a
где c - скорость затухания анализирующего вейвлета во времени; f - центральная частота вейвлета при =1; ρ - локальная плотность исследуемых данных.
Это выражение называется амплитудной вейвлет-функцией. В качестве анализирующего вейвлета целесообразно использовать, например, вейвлет Морле, который позволяет выявлять периодические составляющие в анализируемых данных.
В блоках 10 и 16 осуществляется выделение из нормализованного вейвлет-спектра гармонической составляющей с опасной частотой. Например, в блоке 10 выделяется частота 25 Гц и в блоке 16 - частота 50 Гц. Блоки 11 и 17 моделирования фазочувствительного реле рельсовой цепи железнодорожной автоматики адекватно отражают амплитудно-фазовые характеристики фазочувствительных реле, например, 25 и 50 Гц рельсовой цепи железнодорожной автоматики. Длительности срабатывания оцениваются анализаторами 12 и 18 временных интервалов. Длительности срабатывания, превышающие нормированное значение, регистрируются в блоке 13 регистрации и индикации, и выдается информация о неисправности электрооборудования по условию электромагнитной совместимости.
На электроподвижном составе, имеющем несколько независимых друг от друга электрических цепей между пантографами и тяговым электрооборудованием электровоза (устройство по второму варианту), суммарный ток в рельсовой цепи определяется суммой токов в каждой из цепей, измеряемых датчиками 1 и 22. Суммирование осуществляется логическим элементом «И» 23. Остальные элементы 8-18 (см. фиг.3) работают, как описано выше (по перовому варианту).
В результате использования заявляемого устройства по первому или второму вариантам, по сравнению с известными устройствами, обеспечивается повышение быстродействия и точности обнаружения каждой из опасных частот, в среднем в 1,5-2 раза и на 5-7% соответственно.