Наведені складові тракту прийому та попередньої обробки сигналів числового коду відіграють відповідну роль в загальному показнику завадозахищеності пристроїв АЛСН на локомотиві.

Лабораторна робота 1

Локомотивні пристрої алсН: приймальні котушки, фільтр ФЛ25/75М

Мета роботи

1 Вивчення конструкції приймальних котушок (ПК), електричної схеми та функціонування фільтра локомотивного ФЛ25/75М (ФЛ).

2 Дослідження ефективності функціонування ФЛ за записами сигналів числового коду автоматичної локомотивної сигналізації неперервної дії (АЛСН), отриманих на залізничних дільницях з різним родом локомотивної тяги (автономна, електротяга постійного та змінного струмів) в умовах наявності електромагнітних завад та інших дестабілізуючих чинників, що сприяли спотворенню параметрів числового коду АЛСН.

2.2 Конструкція та технічні характеристики локомотивних приймальних котушок

Індуктивний зв'язок рейок, як провідників, по яких протікає струм локомотивної сигналізації, з приймальними пристроями АЛСН здійснюється за допомогою ПК, конструкцію яких наведено на рис. 1.

Рисунок 1 – Локомотивна приймальна котушка

Феромагнітне розімкнене осердя 1, що згущує магнітний потік, який утворюється струмом в рейках, набране з листів трансформаторної сталі товщиною 0,35 – 0,4 мм, ізольованих один від одного покриттям краскою. Це зменшує втрати в осерді від вихрових струмів. Листи осердя 1 стиснуті з боків двома сталевими поздовжніми щоками 10 за допомогою наскрізних болтів, які електрично ізольовані від осердя 1 та поздовжніх щок 10.

Обмотка ПК має 3125 витків мідного проводу діаметром 0,41 – 0,51 мм і знаходиться у алюмінієвому захисному кожуху, що розділений на верхню 7 та нижню 8 частини, ізольовані одна від одної резиновою прокладкою і стягнуті між собою болтами 11, які також ізольовані від верхньої частини кожуха 7. Це запобігає утворенню із захисного кожуха 7, 8 короткозамкненого витка, що екранував би обмотку ПК від дії магнітного потоку. Обмотка у кожуху залита ізолюючим компаундом з трансформаторного масла та бітуму (через отвір у нижній частині, що закритий фланцем 9). Виводи від обмотки виконані гнучким проводом (Æ 1,4 мм²) і виведені у зовні через штуцер кожуха 6 та шланг з резинотканини 5.

ПК випускаються у кількох варіантах виконання: за призначенням (для роботи у відповідних системах АЛСН – числового коду або будь-якій багатозначній АЛС із швидкістю руху поїздів до 200 км/г); конструкцією виконання (залежно від роду локомотивної тяги); електричними параметрами (табл. 1.1).

Таблиця 1.1 – Технічні характеристики різних типів ПК

Тип ПК	Призначення	Індуктивність, Гн	Опір постійному струму, Ом	Добротність, не менше	Наведена ЕРС, мВ, не менше *)	Вага, кг
Гц	Гц	Гц
КПУ-1	ПК одиночна. Робота або в АЛСН числового коду, або багатозначній АЛС	6,7 – 7,5 (f=100 Гц)	100 – 120	5,0
КПУ-2	ПК спарена. Робота в АЛСН числового коду та багатозначній АЛС
ПЭ	ПК електровозна, для АЛСН числового коду	7,1 ± 0,35 (f = 50 Гц)	105 – 165	3,5	0,75	-	-
ПТ	ПК тепловозна, для АЛСН числового коду	6,0 ± 0,25 (f = 50 Гц)	4,8	0,65	-	-
*) Наведена ЕРС в ПК (підвішена на висоті 150 мм від нижньої грані ПК до верхньої грані головки рейки) зі струмом в рейках: для КПУ – 1 А; ПЭ, ПТ – 10 А

Електровозні котушки типу ПЭ (вони ж використовуються для моторвагонного рухомого складу та паровозів) мають гарнітуру з косинок 4 та косинців 12 для підвішування ПК на рамі локомотиву та клемну коробку 3 з двоштирною клемою 2, яка кріпиться на косинку 4. Тепловозні ПК не мають косинок та косинців і закріплюються безпосередньо на колієочищувачі.

ПК підвішуються перед першою колісною парою локомотива, електро- та дизель-поїзда і повинні розміщуватися так, щоб на прямій ділянці колії середина осердя знаходилася над віссю ходової рейки, а нижня частина обрису котушки була вище рівня головки рейки на 175 ± 5 мм (рис. 2). ПК на електровозах підвішуються не ближче, ніж 1500 мм від першої колісної пари, крім того необхідно враховувати, що на кривих ділянках колії вісь осердя не повинна зміщатися відносно ходової рейки більше ніж на 200 мм.

а)

б)

Рисунок 2 – Розміщення ПК: а) над рейкою; б) на локомотиві

Частина магнітного потоку замикається навколо рейки у повітряному проміжку між рейкою та осердям і не перетинаючи вітки котушки, не приймає участь у наведенні ЕРС.

Наведена ЕРС залежить від конструктивних особливостей ПК. По довжині осердя L_ст магнітний потік різний. При більшій ширині пакету осердя захоплює більшу частину потоку рейки, тому ЕРС, що наводиться в ПК, зростає. У менший степені на зростання ЕРС впливає висота осердя а. Зростає ЕРС також із збільшенням довжини осердя до визначених розмірів.

У зв’язку з нерівномірним розподілом потоку по довжині осердя L_ст наведена ЕРС залежить від довжини котушки L_к і місця її розміщення на осерді, причому найбільше значення ЕРС приймає при розміщенні котушки в центрі осердя.

Значно впливає на ЕРС положення осердя ПК відносно рейки. При меншому зазорі між центром осердя ПК та віссю струму в рейках ЕРС зростає внаслідок більшого охвату осердям магнітного потоку. При зміщенні центру осердя від осі рейки ЕРС в ПК зменшується, і тим помітніше, чим менше довжина осердя.

Відстань між осердям ПК та рейкою у процесі експлуатації локомотиву не залишається постійною у наслідок зношення бандажів колісних пар та їхньої проточки при ремонті рухомого складу. При русі локомотиву по кривих ділянках колії центр осердя ПК зміщується відносно осі рейки, що також впливає на величину ЕРС, індукованої в ПК. Загалом фактори, що визначають значення магнітного потоку в осерді ПК, важко піддаються точному обліку.

Наближено ЕРС Е₁ в одній ПК з довжиною осердя L_ст , площею поперечного перерізу S і кількістю вигків w може бути визначена за наступними рівняннями [1]:

; ; ;

. (1)

де – амплітуда напруженості магнітного поля в центрі осердя ПК, розмішеній над рейкою;

– ефективне значення струму в рейці;

r – відстань від центру осердя до осі струму в рейці;

m – емпіричний коефіцієнт, що враховує зв'язок між індукцією та напруженістю магнітного поля в розімкненому осерді циліндричної форми з довжиною L_ст та еквівалентним діаметром для перерізу з площею S, що відрізняється від кола при умові 6 < < 37;

– індукція в осерді, обчислюється при відносному проникненні сталі та формі осердя, яка враховується коефіцієнтом m.

f, w – відповідно частота сигнального струму в рейках та кількість витків обмотки ПК.

Оскільки у дійсності розподілення магнітної індукції по перерізу осердя значно відрізняється від рівномірного, тому обчислена за наведеними вище формулами індукція є наближеною. Це також пояснюється тим, що саме зовнішнє магнітне поле не є однорідним.

Для точного визначення ЕРС в ПК використовують експериментальні криві взаємної індуктивності M_np (між рейками та ПК з визначеними конструктивними розмірами), які враховують положення ПК відносно рейки. Дві ПК, що розміщенні над різними рейками, з’єднуються послідовно зустрічно. Тоді за рахунок того, що струм у одній рейці протікає в одному напрямі, а у другій рейці – у зворотному напрямі, сумарна ЕРС, що наводиться в обох ПК струмом частотою f,

. (2)

При зміщенні центрів осердя обох ПК в кривих ділянках колії або коливаннях кузову локомотива під час руху одна з ПК віддаляється від осі «своєї» рейки, а друга ПК до осі «своєї» рейки наближається (рис. 2 а – котушка зміщена відносно осі рейки в сторону міжколійї). В результаті сумарна ЕРС (Е₁ + Е₂) практично не змінюється.

В схемі заміщення ПК послідовно з джерелом ЕРС – Е₁ та Е₂, що є наведеними в ПК1 та ПК2 від дії магнітного поля, утвореного сигнальним струмом в рейках, включено котушки індуктивності з параметрами L_к1, R_к1, L_к2, R_к2 – відповідно індуктивність та активний опір ПК1 та ПК2.

Рисунок 3 – Еквівалентна схема заміщення локомотивних ПК

Паралельно схемі заміщення кожної обмотки ПК включено R_m та C_П – відповідно активні втрати в металевих частинах кріплення і кожуху ПК від вихрового струму та паразитна ємність між витками обмоток. Сумарна напруга U_к від ЕРС Е₁ та Е₂, що наведені у двох ПК, подається на вхід локомотивного фільтра ФЛ25/75М або на вхід підсилювача УК25/50М відповідно до частоти сигнального струму АЛСН 25 або 50 Гц.

2.2 Конструкція та схема електрична принципова фільтра локомотивного ФЛ25/75М

Передачу сигналів числового коду з колії на локомотив в системі АЛСН можна розглядати як передачу інформації від одного єдиного джерела – вихідного, живлячого кінця рейкового кола (РК), що кодується, до одного єдиного приймача – пристроїв АЛСН на локомотиві, який знаходиться на цьому РК.

Процес передачі сигнальної інформації з використанням індуктивного каналу зв’язку між колійними та локомотивними пристроями АЛСН практично завжди підвладний помилкам внаслідок завад, що вносяться фізичними умовами, при яких протікає цей процес. Виникаючі з різних причин, як природних, так і штучних, ці завади завжди обмежують досяжну точність передачі та прийому, справляючи негативний вплив на безпеку руху поїздів.

Тракт прийому та обробки сигналів числового коду в локомотивних пристроях АЛСН (частота сигнального струму 25 Гц), має наступні конструктивні складові (рис. 4): ФЛ – фільтр локомотивний, до складу якого входять дві з’єднані між собою послідовно зустрічно приймальні котушки (ПК1, ПК2); УК – підсилювач (приймач) з імпульсним реле (ИР) на виході; ДШ – релейний дешифратор числового коду; ЛС – локомотивний світлофор.

Рисунок 4 – Структурна схема локомотивних пристроїв АЛСН

Наведені складові тракту прийому та попередньої обробки сигналів числового коду відіграють відповідну роль в загальному показнику завадозахищеності пристроїв АЛСН на локомотиві.

ПК при прийомі сигналів числового коду знаходяться ще й під сторонніми електромагнітними впливами, що мають більш високі й більш низькі частоти, ніж частота інформаційних сигналів АЛСН. У зв’язку з цим необхідно відокремлення інформаційних сигнали АЛСН від завад, для чого використовується електричний фільтр. Смуга пропускання ФЛ на рівні 0,7 відносно центральної частоти 25 Гц складає 10…14 Гц, коефіцієнт передачі К_п = 0,36, а відносно центральної частоти 75 Гц – 20…25 Гц, К_п = 0,12. Фільтр ослаблює коливання частотою 50 Гц в 1000 разів, 100 Гц – в 40 разів, 150 Гц – в 500 разів. Подавляючи й відсіюючи широкий спектр завад, ФЛ в процесі виділення сигналу числового коду є важливою ланкою в приймальних пристроях АЛСН.

Локомотивний фільтр ФЛ25/75М (рис. 5) є двохсмуговим пасивним LC фільтром типу «k» з Т-образною схемою заміщення (рис.6), використовується при функціонуванні АЛСН на частотах сигнального струму 25 та 75 Гц.

Рисунок 5 – Фільтр ФЛ25/75М

В фільтрі використовуються послідовні та паралельні резонансні контури з дроселів L_i та конденсаторів C_i (реактивні двополюсники), що налаштовані на різні частоти резонансу напруг послідовних контурів та антирезонансу (резонансу струмів) паралельних контурів) (рис. 6). Т-образна схема заміщення ФЛ має два поздовжніх (послідовних) плеча, кожен з них утворений послідовним та паралельним контурами, між якими включено поперечне (паралельне) плече, що утворене двома паралельними контурами.

Рисунок 6 – Електрична схема фільтра ФЛ25/75М

Поздовжнє (послідовне) плече з боку входу фільтра містить:

­ послідовний контур з ПК та конденсатором С1 з резонансом на частоті 37,5 Гц (опір Z1 на рис. 7 а);

­ паралельний контур Др3–С3 з антирезонансом на частоті 50 Гц (опір Z3 на рис.7 а).

Вихідне поздовжнє плече утворене:

­ паралельним контуром Др6–С6 (частота антирезонансу 50 Гц);

­ послідовним контуром з дроселем Др5 і з’єднаними послідовно конденсаторами С5, С7 (частота резонансу 37,5 Гц).

Частотна характеристика опору послідовного плеча ФЛ (залежність опорів поздовжніх пліч з боку входу ФЛ та на його виході) носить однаковий характер і визначається частотною залежністю опорів послідовного (L1–C1, L5–C5,С7) та паралельного (L3–C3, L6–C6) контурів. На рис. 7 Z1 та Z3 – опори відповідно послідовного (L1–C1) та паралельного (L3–C3) контурів як функції частоти. Як видно з рис.7, загальний опір поздовжнього плеча Z13, як сума опорів послідовно з’єднаних Z1 та Z3, змінюється залежно від частоти, має мінімальні значення на частотах 25 та 75 Гц. На частоті 50 ГЦ та у смузі частот f ® 0 та f ® ¥ загальний опір поздовжнього плеча фільтра Z13 ® ¥. До речі, всі наведені нижче частотні характеристики отримані шляхом аналітичних розрахунків опорів ФЛ25/75М (схема – рис. 6, параметри елементів – [XX], з використанням математичної системи MathCAD, а графічні залежності отриманих результатів розрахунків експортовані до текстового редактору.

Z13

Z3

Z1

Z3

Z13

Модуль Z13

Рисунок 7 – Залежність опорів послідовного (L1 – C1), паралельного (L3 – C3) контурів поздовжнього плеча ФЛ та їхнього загального опору Z13 від частоти

Поперечне (паралельне) плече ФЛ утворено двома послідовно з’єднаними паралельними контурами L2–C2 та L4–C4, які мають антирезонанс відповідно на частотах 25 та 75 Гц. Залежність опору поперечного плеча ФЛ, від частоти наведено на рис. 8, де Z2 та Z4 – опори паралельних контурів відповідно L2–C2, L4–C4. Загальний опір поперечного плеча Z24, як сума опорів цих двох паралельних контурів на частоті 50 ГЦ та у смузі частот f ® 0 та f ® ¥, сягає до нуля, на частотах 25 та 75 Гц Z24 ® ¥.

Z24

Z2

Z2

Z24

Z4

Z24

Z4

Модуль Z24

Рисунок 8 – Залежність опорів паралельних (L2–C2, L4–C4) контурів поперечного плеча ФЛ та їхнього загального опору Z24 від частоти

Таким чином, через поперечне плече, як через шунт, будуть протікати струми, що за частотою знаходяться у смузі до 25 Гц, 50 Гц та частот, що перевищують 75 Гц. Струми частот 25 та 75 Гц через поперечно плече ФЛ протікати на будуть внаслідок дуже великого загального опору Z24 цим струмам. Тому струми частот 25 та 75 Гц з мінімальним загасанням будуть протікати поздовжніми плечима через навантаження ФЛ (до виходу фільтра підключається локомотивний підсилювач), бо опір поздовжніх пліч ФЛ для струмі цих частот є мінімальним (Z13 на рис. 7). У той же час струми у смузі частот нижче 25 Гц, 50 ГЦ та вище 75 Гц будуть мати значне загасання внаслідок дуже великого опору поздовжніх пліч Z13 та Z13 у смузі цих частот.

При подачі на вхід ФЛ напруги фіксованої амплітуди і зміні частоти цієї напруги на виході фільтра спостерігатиметься зміна величини цієї напруги у відповідності до рис 9, де максимальні значення вихідної напруги спостерігаються у діапазоні частот 25 та 75 Гц. Напруга з іншими частотами внаслідок значного загасання, що вноситься фільтром для струмів цих частот, має значно менший рівень або практично відсутня.

Рисунок 9 – Залежність сигналу на виході ФЛ від частоти

Відповідно до умов функціонування ланцюжкового пасивного реактивного LC чотирьохполюсника (ЧП) в якості фільтра, необхідно, щоб поздовжнє (послідовне з опором Z₁) та поперечне (паралельне з опором Z₂) плечі ЧП між собою мали аргументи опору різного знаку. Тобто, якщо одне плече має опір індуктивного характеру, то друге плече повинно мати опір з ємнісним характером. При однаковому характері аргументу опору поздовжнього та поперечного пліч ЧП він стає або індуктивним, або ємнісним подільником напруги.

Загасання ланцюжкового LC фільтра визначається вираженням

, (3)

згідно якого визначаються умови пропускання та запирання струмів відповідної смуги частот (опори пліч мають аргументи різного знаку):

= 1 – частота зрізу – межа між смугами пропускання (СП) та запирання (СЗ); < 1 – СП; > 1 – СЗ.

Тоді сумісна побудова частотних характеристик опорів поздовжнього (Z₁) та поперечного (Z₂) пліч і аналіз їхнього співвідношення між собою дозволяє визначити СЗ та СП у ФЛ25/75М, як LC – фільтра типу «k» з Т – образною схемою заміщення (рис. 10).

Рисунок 10 – Смуги пропускання та запирання в ФЛ25/75М за співвідношенням опорів його поздовжнього (Z₁) та поперечного (Z₂) пліч

З наведених характеристик (рис. 10) визначено частоти зрізу:

- f_c1 – f_c2, розмежують у фільтрі смугу пропускання (18…32 Гц) з центральною частотою 25 Гц від смуг запирання з частотами нижче f_c1 та вище f_c2;

- f_c3 – f_c4, розмежують у фільтрі смугу пропускання (66…89 Гц) з центральною частотою 75 Гц від смуг запирання з частотами нижче f_c3 та вище f_c4.

Для сигналів частотою 50 Гц фільтр вносить максимальне загасання внаслідок двох причин:

- наявності на цій частоті у поздовжньому плечі резонансу струмів і утворення в ньому ефекту «пробка»;

- виникнення у поперечному плечі на частоті 50 Гц резонансу напруг і утворення в ньому ефекту «шунт».