Politechnika Łódzka - Instytut Elektroenergetyki
advertisement
Politechnika Łódzka Wydział Elektrotechniki, Elektroniki, Informatyki i Automatyki Instytut Elektroenergetyki Zespół Trakcji Elektrycznej Laboratorium Automatyki i Sterowania Ruchem Kolejowym ĆWICZENIE A4 BADANIE URZĄDZEŃ TWORZĄCYCH OBWÓD TOROWY SOT - 1 1. Zasada wykrywania obecności pojazdu na torze za pomocą obwodu torowego Bezpieczne prowadzenie ruchu pociągów na linii kolejowej wymaga oddzielenia jednego pociągu od drugiego pewną długością toru. Aby zrealizować tę zasadę, trzeba podzielić tor na odcinki, sprawdzać obecność taboru na każdym z odcinków oraz prowadzić ruch pociągów tak, żeby na każdym odcinku toru mógł znajdować się tylko jeden pociąg. Sprawdzanie obecności pojazdu na określonym odcinku toru nazywa się kontrolą stanu zajętości toru i odbywa się za pośrednictwem obwodów torowych lub liczników osi. Obwody torowe stanowią nieodłączny element współczesnych automatycznych systemów sterowania ruchem kolejowym srk. Kontrola stanu zajętości toru za pośrednictwem obwodu torowego polega na przekształceniu obecności taboru w obrębie wydzielonego odcinka toru na kryterium elektryczne, które może być wykorzystywane w układach zależnościowych, nastawczych i informacyjnych srk. Obwód torowy jest to układ elektryczny utworzony w torze przez dołączenie, do odcinka szyn o pewnej długości, nadajnika (źródła zasilania) z jednej strony i odbiornika z drugiej. Odcinek toru, którego stan zajętości jest kontrolowany, nazywa się odcinkiem izolowanym. Prąd płynący w tokach szynowych od nadajnika do odbiornika nazywa się prądem sygnałowym, w odróżnieniu od płynącego tymi samymi tokami prądu trakcyjnego. Działanie obwodu torowego jest oparte na wykorzystaniu: 1. obu szyn toru kolejowego jako odizolowanych od siebie jak i sąsiednich odcinków toru przewodów, którymi można przesłać od nadajnika do odbiornika prąd sygnałowy; 2. zwierania toków szynowych przez osie zestawów kołowych taboru kolejowego. Zasadę działania obwodu torowego ilustruje rys.1. tor wolny odbiór zasilanie tor zajęty odbiór zasilanie Rys. 1. Obwód torowy (zasada działania) Jeżeli na kontrolowanym odcinku toru nie ma taboru, prąd sygnałowy dopływa z nadajnika do odbiornika. Wjazd pojazdu szynowego choćby jedną osią w obręb obwodu torowego sprawia, że toki szynowe zostaną zwarte (oś bocznikuje obwód) i prąd sygnałowy nie dopływa do odbiornika. Jeżeli odbiornikiem w obwodzie torowym jest przekaźnik, uzyskuje się proste kryterium zajętości toru. Przekaźnik wzbudzony oznacza tor wolny, przekaźnik odwzbudzony oznacza tor zajęty przez tabor. Zasada ta obowiązuje niezależnie od kierunku jazdy pojazdu trakcyjnego. Długość odcinka izolowanego, wchodzącego w skład obwodu torowego, ma wpływ na przepustowość linii kolejowej. Na szlakach kolejowych, przy samoczynnej blokadzie liniowej, obwody mają długość zwykle 1 2 km. Obwody zastosowane w metrze, ze względu na konieczność zapewnienia dużej gęstości ruchu, są krótsze. Np. na I linii metra w W-wie obwody mają od 100 do 300 m długości. Obwody torowe są znane i stosowane przez kolej od dziesięcioleci, ze względu na ich prostą budowę i pewność działania. Obwód torowy stanowi tzw. układ bezpieczny. Oznacza to, że praktycznie żadna usterka nie może spowodować powstania sytuacji niebezpiecznej, jaką jest zinterpretowanie kontrolowanego odcinka toru faktycznie zajętego przez pojazd, jako niezajęty. Uszkodzenie urządzeń obwodu, pęknięcie szyny, przerwanie połączeń doprowadzających itp., powoduje przerwanie dopływu prądu sygnałowego do przekaźnika i jego odwzbudzenie, co oznacza zajętość kontrolowanego odcinka. Prawidłowe działanie obwodu wykrywającego obecność osi pojazdu trakcyjnego w jego obrębie wymaga elektrycznego odseparowania (odizolowania) obwodu od sąsiednich 2 (miejsce oznaczone „T” na rys. 1). T sprawia, że odcinek szyn wchodzący w skład obwodu nazywa się odcinkiem izolowanym. Starsze, tzw. klasyczne obwody torowe zasilane są napięciem pochodzącym z linii energetycznej niskiego napięcia, o wartości obniżonej z 230 V do poziomu kilku-kilkunastu woltów, 50 Hz. Rolę elementów separujących od siebie sąsiednie obwody pełnią tzw. złącza izolowane (przekładki izolacyjne i łubki umocowane w stykach szynowych) lub złącza klejone. Są to, ogólnie mówiąc, elementy izolacyjne montowane w szynach, wymagające cięcia szyn, co osłabia je mechanicznie. Obwody z tego typu izolacją nazywa się obwodami złączowymi lub obwodami ze złączami izolowanymi. Zastosowanie złączy izolowanych narusza ciągłość elektryczną szyn, które stanowią sieć powrotną dla prądu trakcyjnego, płynącego szynami do podstacji trakcyjnej. Zapewnienie prawidłowej pracy obwodu torowego przy spełnieniu warunków dla przepływu powrotnego prądu trakcyjnego wymaga zastosowania dodatkowych elementów – dławików torowych. W celu przepuszczenia prądu trakcyjnego przy każdym złączu izolowanym umieszcza się dwa dławiki torowe z połączonymi środkami uzwojeń torowych. Dławik jest elementem kosztownym, o znacznych gabarytach, wymagającym okresowego dostrajania, uzupełniania oleju, a więc kłopotliwym w utrzymaniu. W celu ułatwienia eksploatacji obwodów torowych, separację galwaniczną zastąpiła separacja elektryczna. W nowszych obwodach torowych, tzw. obwodach bezzłączowych lub obwodach z separacją elektryczną źródło zasilania stanowią generatory sygnałów określonych częstotliwościach. Przy zastosowaniu różnych częstotliwości sygnałów w sąsiednich obwodach i selektywnych układach odbiorczych, obwody pracują niezależnie i nie zakłócają się wzajemnie. W niektórych rozwiązaniach na końcach obwodów umieszczone są dodatkowe układy rezonansowe (tzw. złącza elektryczne) stanowiące separację elektryczną. W bezzłączowych obwodach torowych nie ma potrzeby stosowania dławików torowych, gdyż obwody te nie naruszają ciągłości mechanicznej i elektrycznej szyn. Niezależnie od sposobu odizolowania jednego obwodu torowego od drugiego, zasada działania kontroli zajętości jest taka sama, różna jest postać sygnału zasilającego obwód. W kolejowych obwodach torowych bezzłączowych, o długościach 12 km, stosuje się sygnały z zakresu częstotliwości 1000 3000 Hz, w obwodach krótkich (zwłaszcza zwrotnicowych) - do kilkunastu kiloherców, niemodulowane lub modulowane. Zastosowane parametry sygnału sprawiają, że obwody z separacją elektryczną są odporniejsze na zakłócenia od obwodów 50 Hz. Zwykle stosuje się kilka częstotliwości sygnału tak, aby sąsiednie obwody w danym torze i w torach równoległych pracowały z różnymi częstotliwościami. 3 2. Bezzłączowe obwody torowe stosowane na liniach polskich kolei Na liniach i stacjach PKP stosuje się bezzłączowe obwody torowe SOT-1 i SOT-2. Obwody SOT-1 stosuje się do kontroli zajętości toru na szlaku (odcinku między stacjami), obwody SOT-2 – do kontroli zajętości toru w obrębie stacji kolejowej (tory stacyjne i rozjazdy). W obwodzie SOT-1 (rys. 2.1) przeznaczonym do kontroli zajętości długich odcinków toru nadajnik N umieszczony pośrodku obwodu wysyła do odbiorników 01 i 02 znajdujących się na końcach obwodu, sygnał o określonej częstotliwości nośnej modulowanej amplitudowo napięciem o częstotliwości 50 Hz i odpowiedniej fazie. Sygnał modulujący 50 Hz uzyskuje się z napięcia zasilającego nadajnik. Jest to napięcie określonej fazy sieci 3* 230 V. Odbiór sygnału odbywa się przez przekładnik torowy P przymocowany do szyny i sprzężony z nią elektrycznie. Prąd sygnałowy płynący szyną indukuje w przekładniku napięcie sterujące odbiornikiem O. W selektywnym układzie wejściowym odbiornika, dostrojonym do częstotliwości nośnej danego obwodu, następuje demodulacja sygnału odebranego z szyn, w wyniku której odtworzony jest sygnał o częstotliwości 50 Hz. Napięcie na wyjściu odbiornika wzbudza fazoczuły przekaźnik torowy. ~5m ~5m P P 01 N 02 Rys.2.1 Bezzłączowy obwód torowy SOT-1 Obwód SOT-1 działa według tej samej zasady, co klasyczny obwód torowy 50 Hz ze złączami izolowanymi. Jeżeli tor jest wolny, przekaźnik jest wzbudzony. Oś taboru bocznikuje obwód powodując zwolnienie przekaźnika. W obwodach SOT-1 nadajnik umieszczony jest pośrodku, dlatego obwody te są dłuższe od obwodów klasycznych. Ich długość wynosi zwykle od 1,5 do 2 km. Dla określenia stanu zajętości obwodu kontroluje się stan wzbudzenia obu przekaźników. Wzbudzenie obu przekaźników torowych stanowi kryterium niezajętości obwodu, odwzbudzenie choć jednego z przekaźników stanowi kryterium zajętości. Podstawowym parametrem wyróżniającym sygnały sąsiadujących obwodów jest częstotliwość nośna. Dodatkowym parametrem jest faza sygnału modulującego 50 Hz. 4 W obwodach SOT-1 stosuje się pięć wartości częstotliwości sygnału f1f5, co przy zróżnicowaniu faz sygnału modulującego pozwala na zastosowanie sześciu różnych konfiguracji obwodów na linii jedno lub wielotorowej. Zasadę tę ilustruje rys. 2.2. Odpowiednia sekwencja częstotliwości zasilających sąsiednie obwody torowe w tym samym jak i w sąsiednim torze, ogranicza zakłócające oddziaływanie obwodów na siebie. Obwody pracujące z jednakową częstotliwością znajdują się w tak dużej odległości od siebie, że ich prądy są wytłumione i nie oddziaływują na siebie. f5 faza SR f2 faza TR f4 faza TS f1 faza RS f3 faza RT tor 1 f1 faza RS f3 faza RT f5 faza ST f2 faza SR f4 faza TR tor 2 Rys.2.2 Zróżnicowanie częstotliwości zasilających sąsiednie obwody SOT Wysoka odporność obwodu torowego SOT-1 na zakłócenia wynika nie tylko ze zróżnicowania częstotliwości sygnału nośnego w sąsiednich obwodach, ale również ze zróżnicowania faz napięcia 50 Hz przypisanych poszczególnym obwodom. Indukcyjny przekaźnik torowy JRV stosowany w obwodach SOT-1 jest przekaźnikiem dwuuzwojeniowym, w którym jedno z uzwojeń – tzw. lokalne – zasilane jest napięciem 230 V z sieci zasilającej niskiego napięcia, drugie – tzw. uzwojenie torowe – napięciem wyjściowym odbiornika. Dla wzbudzenia przekaźnika napięcia zasilające oba uzwojenia powinny być przesunięte w fazie, a kąt fazowy pomiędzy nimi zawarty w przedziale 60° 120°. Ważny jest zatem dobór faz napięć 230 V, jakimi zasila się poszczególne urządzenia tworzące obwód SOT-1. Faza napięcia 230 V dobrana dla danego obwodu (rys. 2.2) dotyczy napięcia zasilania nadajnika i przekaźnika torowego JRV. Zasadą jest, że fazy zasilające nadajnik i uzwojenie lokalne przekaźnika torowego powinny być takie same. Faza zasilania dla odbiornika jest obojętna. Wartości częstotliwości sygnałów w obwodach SOT-1 są następujące: 1580, 1860, 2170, 2470, 2800 Hz. Zastosowane na końcach obwodu układy rezonansowe LC są dostrojone do częstotliwości pośredniej między częstotliwościami nośnymi sąsiadujących obwodów i służą do podwyższenia wartości prądu na końcu obwodu. Układ LC nie stanowi w tym przypadku separacji elektrycznej. Elementy LC to łącznik międzyszynowy o niewielkiej rezystancji 5 i kondensator umieszczony w obudowie urządzeń przytorowych. Zwarcie toków szynowych przez indukcyjność L zapewnia wyrównanie asymetrii powrotnego prądu trakcyjnego. Bezpieczeństwo w obwodach torowych SOT-1 jest zapewnione przez: - odbiornik reagujący na amplitudę modulowanej częstotliwości nośnej i odtwarzający przebieg modulujący; - przekaźnik fazoczuły (pierwszej klasy) reagujący na fazę i amplitudę sygnału modulującego. Zespoły elektroniczne (nadajniki i odbiorniki) wchodzące w skład SOT-1 zostały tak zaprojektowane i wykonane, aby w przypadku uszkodzenia: - w nadajniku nie wzrosła moc sygnału wyjściowego lub też nadajnik nie zaczął generować sygnału o częstotliwości innego kanału; - w odbiorniku nie wzrosła jego czułość lub też nie przestroił się na częstotliwość innego kanału. Obwód torowy SOT-2 przeznaczony jest do kontroli zajętości toru w obrębie stacji kolejowej. Stosuje się dwa rodzaje obwodów: SOT-21 i SOT-22. Obwód SOT-21 to obwód niskiej częstotliwości, przeznaczony do kontroli długich (2001200m) międzyzwrotnicowych odcinków torów lub odcinków torów między semaforem wjazdowym a zwrotnicami (tzw. obwód przedzwrotnicowy). Obwód SOT-22 to obwód wysokiej częstotliwości, przeznaczony do kontroli rozjazdów oraz krótkich (do 200m) odcinków torów przedzwrotnicowych i zwrotnicowych. a) SOT - 21 P P 01 N 02 SOT - 22 b) 01 N 02 Rys.2.3 Bezzłączowe obwody torowe SOT-2 6 Obwód torowy SOT-21 pracuje przy tych samych parametrach sygnału jak obwód SOT1 (częstotliwości nośne i modulacja sygnału napięciem 50 Hz). Do utworzenia obwodu wykorzystuje się te same zespoły nadajnika i odbiornika, jak dla SOT-1, z tą różnicą, że granice obwodu nie są wyznaczone przez układy rezonansowe LC. Zwarcia toków szynowych na końcach obwodów dla stacyjnych torów przyjazdowych i odjazdowych oraz w obwodach międzyzwrotnicowych w naturalny sposób tworzą ograniczające te tory zwrotnice (iglice i krzyżownice rozjazdu). Od strony szlaku zwarcie galwaniczne w obwodach SOT-21 tworzy się za pomocą zwory lub łącznika międzytokowego. Jak w SOT-1, nadajnik N umieszczony w środku obwodu wytwarza sygnał prądowy zasilający obie części obwodu. Obwód kontroluje odcinek toru od odbiornika O1 do odbiornika O2. Obwód jest zajęty, jeżeli co najmniej jeden przekaźnik sterowany przez odbiornik jest niewzbudzony.Rys.2.3a przedstawia przykład zastosowania obwodu SOT-21 jako obwodu międzyzwrotnicowego. W obwodzie torowym SOT-22 niemodulowany sygnał nadajnika jest przekazywany bezpośrednio na wejście włączonego napięciowo do toru odbiornika. Napięcie wyjściowe z odbiornika zasila neutralny przekaźnik torowy. W przypadku kontroli zajętości zwrotnic w głowicy, jeden nadajnik współpracuje z kilkoma odbiornikami. W obwodach SOT-22 stosuje się następujące częstotliwości sygnału: 7000, 8000, 10000, 12150, 14600, 16800 Hz. Rys.2.3b przedstawia przykład zastosowania obwodu SOT-22 jako obwodu zwrotnicowego. Nadajnik N wytwarza prąd przepływający przez obie iglice i krzyżownicę zwrotnicy. Spadki napięć między iglicami a krzyżownicą stanowią źródła prądowe zasilające odcinki toru poza krzyżownicą. Sygnały te sterują odbiornikami O1 i O2. 3. Dane techniczne urządzeń nadawczych i odbiorczych SOT-1 MER-111710 Zespół elektroniczny MER-111710 jest nadajnikiem sygnału niskiej częstotliwości modulowanego częstotliwością sieci zasilającej (50 Hz). Jest stosowany w bezzłączowych obwodach liniowych SOT-1 i stacyjnych SOT-21. Odmiany wykonań zespołu są tworzone w zależności od sygnału nośnego oraz mocy wyjściowej. - Częstotliwość nośna: MER-111710/1 oraz /1A (niebieska płyta czołowa) 1580 Hz MER-111710/2 oraz /2A (żółta płyta czołowa) 1860 Hz MER-111710/3 oraz /3A (czerwona płyta czołowa) 2170 Hz MER-111710/4 oraz /4A (zielona płyta czołowa) 2470 Hz 7 MER-111710/5 oraz /5A (aluminiowa płyta czołowa) 2800 Hz - Częstotliwość kluczująca - 50 Hz (częstotliwość napięcia zasilającego); - Napięcie zasilania 10,5 24 V, 50 Hz; - Pobór prądu – max 0,35 A dla odmiany bez końcówki „A”; – max 0,70 A dla odmiany z końcówką „A”; - Wartość średnia napięcia wyjściowego kluczowanego przy napięciu zasilania Uz=24 V i obciążeniu R0=4 i L0=8H: - 2,1 2,65 V dla odmiany bez końcówki „A”, - 4,05 4,55 V dla odmiany z końcówką „A”. Układ zacisków nadajnika przedstawia rys. 3.1. 4 Zasilanie 10,5 24 V 50 Hz 3 2 MER 111710 Wyjście (sygnał modulowany sygnałem zasilającym 50 Hz) 1 Rys. 3.1. Układ zacisków nadajnika SOT Układ rezonansowy Układ rezonansowy usytuowany na obu końcach obwodu SOT-1 rys. 3.2, stanowi kondensator C oraz łącznik międzytokowy. P Dł P min 0,5 m 2,5 m 5 ± 0,3 m C 2 odbiorniki Rys. 3.2. Rozmieszczenie urządzeń na styku dwóch obwodów 8 Łącznik międzytokowy jest dławikiem umieszczonym w obudowie z tworzywa sztucznego. Dławik wraz z linkami łączącymi do toru ma impedancję około 0,7 dla f = 2100 Hz. Kondensator C ma wartość dobraną do częstotliwości sąsiednich obwodów: 1860/2800 Hz 85,5 F, 1580/2800 Hz 86,9 F, 1860/2470 Hz 105,4 F, 1580/2470 Hz 110,6 F, 2170/2800 Hz 82,0 F, 1580/2170 Hz 141,4 F. Przekładnik szynowy W obrębie układu rezonansowego umieszczone są dwa przekładniki szynowe P. Każdy z nich stanowi element sąsiadujących ze sobą obwodów SOT-1. Przekładnik przeznaczony jest do odbioru sygnału prądowego z szyny i stanowi element sprzęgający indukcyjnie odbiornik obwodu SOT z torem. Impedancja przekładnika dopasowana jest do impedancji wejściowej odbiornika, indukcyjność jego wynosi 38 mH. MER - 111404 Zespół elektroniczny MER- 111404 jest odbiornikiem sygnałów w obwodach torowych SOT-1 oraz stacyjnych SOT-21. Odmiany wykonań zależą od częstotliwości pracy urządzenia oraz od obciążenia. - Częstotliwość znamionowa: MER-111404/1 oraz /1A (niebieska płyta czołowa) - 1580 Hz, MER-111710/2 oraz /2A (żółta płyta czołowa) - 1860 Hz MER-111710/3 oraz /3A (czerwona płyta czołowa) - 2170 Hz MER-111710/4 oraz /4A (zielona płyta czołowa) - 2470 Hz MER-111710/5 oraz /5A (aluminiowa płyta czołowa) - 2800 Hz - Napięcie zasilania 10,0 13,5 V, 50 Hz - Pobór prądu – max 0,28 A, przy napięciu zasilania 12 V, - Napięcie wyjściowe (napięcie na przekaźniku torowym JRV), przy napięciu zasilania 12 V: 10,0 V dla odmiany bez końcówki „A”, 4,5 V dla odmiany z końcówką „A”. 9 - Czułość odbiornika – wyrażona przez wartość prądu sygnałowego w szynie, przy której przekaźnik przechodzi w stan czynny – (100 ± 8) mA dla wszystkich odmian. - Obciążenie – przekaźnik indukcyjny JRV-10208 - Napięcie wyjściowe odbiornika – 9 15 V. Układ zacisków odbiornika przedstawia rys. 3.3. Zasilanie 10,5 24 V 50 Hz 3 2 Wejście (z przekładnika) 4 MER 111404 1 6 Wyjście (sygnał 50 Hz) 5 Rys. 3.3. Układ zacisków odbiornika SOT Przekaźnik JRV Indukcyjny przekaźnik JRV jest przekaźnikiem zaliczanym do I klasy bezpieczeństwa. Takim przekaźnikom stawia się najwyższe wymagania dotyczące niezawodności pracy ze względu na ich rolę w funkcjonowaniu urządzeń sterowania ruchem. Przekaźniki I klasy stosuje się w obwodach, w których nieprawidłowa ich praca może stworzyć sytuację niebezpieczną w ruchu pojazdów kolejowych. Konstrukcja przekaźników I klasy musi zapewniać powrót do stanu odwzbudzonego wyłącznie pod wpływem ciężaru kotwicy przekaźnika. Oznacza to otwarcie wszystkich zestyków zwiernych (czynnych) po przerwaniu obwodu zasilającego cewkę przekaźnika. Przy takiej konstrukcji przekaźnik charakteryzuje odpowiednia niezawodność funkcjonalna, która spełnia warunki bezpieczeństwa bez dodatkowej kontroli w obwodach zależnościowych. Przekaźnik JRV jest dwustanowym, dwuuzwojeniowym, fazoczułym przekaźnikiem indukcyjnym. Jego obwód magnetyczny składa się z dwóch obwodów: lokalnego i torowego. Obwód lokalny wykonany jest z dwóch elektromagnesów w kształcie litery C, oddzielonych szczeliną, w której obraca się tarcza aluminiowa. Tarcza pełni funkcję kotwicy. Uzwojenie lokalne jest zasilane napięciem 230 V 50 Hz. Elektromagnes torowy (kontrolny) jest tak usytuowany, że obejmuje część powierzchni ruchomej tarczy. Uzwojenie torowe (kontrolne) zasilane jest napięciem 10 V 50 Hz. Na rys.3.4a pokazano elementy obwodu magnetycznego przekaźnika indukcyjnego JRV, a na rys. 3.4b schemat połączeń uzwojeń przekaźnika. Oba obwody magnetyczne są umieszczone prostopadle względem siebie. Gdy w obu uzwojeniach płynie prąd przemienny, 10 pod wpływem wypadkowego momentu obrotowego tarcza aluminiowa obraca się o pewien kąt, zamykając zestyki zwierne i otwierając rozwierne. a) b) Rys. 3.4. Przekaźnik JRV a) elementy przekaźnika b) schemat połączeń uzwojeń Wypadkowy moment napędowy przekaźnika określony jest wzorem: M c f 1m 2 m sin c I L I K sin gdzie: c – stała zależna od konstrukcji przekaźnika, f – częstotliwość prądu zasilającego, Φ1m, Φ2m – amplitudy strumieni magnetycznych, φ – kąt miedzy wektorami strumieni magnetycznych, IL, IK - prądy w uzwojeniach lokalnym, torowym. Tarcza obraca się dookoła osi prostopadłej do jej płaszczyzny pod wpływem przenikających ją dwóch pól magnetycznych przesuniętych względem siebie w fazie. Każde pole wytwarza w tarczy prądy wirowe, które są poddane działaniom drugiego pola, wskutek czego siła wypadkowa porusza tarczę. Moment obrotowy przekaźnika zależy od natężenia prądu przepływającego przez oba uzwojenia (wartości obu strumieni) oraz od sinusa kąta przesunięcia fazowego między tymi prądami. Przekaźnik JRV ma zatem cechę fazoczułości. Największy moment wystąpi przy kącie φ = 900. Gdy prądy (napięcia) uzwojenia torowego i lokalnego będą w fazie, tarcza nie obróci się - przekaźnik nie wzbudzi się. Dla prawidłowej pracy przekaźnika kąt fazowy między napięciem kontrolnym a lokalnym powinien wynosić 600 1200. 11 4. Model toru kolejowego Tor kolejowy, w którym szyny są zasilane sygnałem elektrycznym, stanowi z punktu widzenia elektrotechniki tzw. obwód o parametrach rozłożonych. Oznacza to, że składa się z nieskończonej liczby elementarnych czwórników (rys. 4) połączonych szeregowo, w których występują parametry podłużne: rezystancja R i indukcyjność L szyn oraz parametry poprzeczne: konduktancja G i pojemność C między szynami. R L G C Rys. 4. Elementarny czwórnik toru kolejowego Każdy obwód o parametrach rozłożonych charakteryzowany jest przez jednostkowe parametry elektryczne R, L, G, C, odniesione do jednostki długości obwodu. Parametry jednostkowe podłużne toru kolejowego zależą od częstotliwości prądu sygnałowego oraz od parametrów elektrycznych i magnetycznych szyn (oporność właściwa i przenikalność magnetyczna). Rezystancję jednostkową R i indukcyjność jednostkową L dla elementarnego czwórnika (rys. 4) określają wzory empiryczne, które dla średniej temperatury +10ºC oraz względnej przenikalności magnetycznej szyny w=500 (co odpowiada składowej stałej prądu w szynie 600 A) mają postać: R 0,0508 0,0818 f [ / km] L 1,4 7,84 1 [mH / km] f gdzie f[Hz] jest częstotliwością prądu płynącego szynami. Konduktancja jednostkowa G nie zależy od częstotliwości prądu sygnałowego, lecz wyłącznie od warunków atmosferycznych i stanu technicznego toru (rodzaj i stan podkładów oraz podsypki). Dla linii kolejowych w polskich warunkach przyjmuje się przedział zmienności G od 0,01 do 1 S/km. Pojemność jednostkowa C wynosi 10 80 nF/km. W modelu laboratoryjnym, dla przypadku gdy obwód torowy stanowi obciążenie nadajnika, wystarczy zastąpić go pojedynczym czwórnikiem o układzie jak na rys. 4, z parametrami skupionymi R, L, G, i C o wartościach wyznaczonych na podstawie 12 parametrów jednostkowych dla przyjętej długości obwodu i częstotliwości prądu sygnałowego. 5. Badanie urządzeń obwodu torowego SOT-1 Badaniom podlegają urządzenia nadawczo-odbiorcze pracujące przy częstotliwości 2470 Hz: nadajnik MER-111710/4 (zielony kolor płyty czołowej); przekładnik szynowy; odbiornik MER-111404/4 (zielony kolor płyty czołowej). 5.1. Badanie nadajnika Zmontować układ przedstawiony na rys. 5.1. In ~230 V 4 Uz 2 MER 111710 V 3 R L A Un V G C 1 Rys. 5.1. Układ pomiarowy nadajnika obwodu SOT-1 Napięcie zasilania nadajnika wynosi: 10,5 24,0 V, 50 Hz. Aby uzyskać możliwość płynnej regulacji napięcia zasilania, nadajnik przyłączony jest do sieci poprzez autotransformator i dwa transformatory 230V/12V, których uzwojenia wtórne połączone szeregowo. Obciążenie nadajnika stanowi czwórnik zmontowany z dekad pomiarowych R, L, C, zastępujący odcinek toru kolejowego o założonej długości i parametrach elektrycznych. Badania nadajnika składają się z dwóch części: a. pomiary prądu i napięcia wyjściowego w funkcji napięcia zasilania i obciążenia; b. ocena wpływu napięcia zasilania oraz obciążenia nadajnika na modulację 50Hz sygnału wyjściowego. Dla wykonania badań w zakresie punktu „a.” należy ustawić odpowiednie wartości elementów czwórnika zastępującego 1km toru kolejowego. Przyjąć stałe wartości parametrów podłużnych szyn: rezystancji R i indukcyjności L oraz poprzecznej pojemności C. Wartości te należy określić dla częstotliwości sygnału generowanego w nadajniku i zaokrąglić. W czasie pomiarów parametry te nie będą zmieniane. Regulacji podlegać będzie konduktancja między 13 szynami G, która w zależności od warunków atmosferycznych może zmieniać się w przedziale od 0,01S/km do 1S/km. Odpowiada to zmienności rezystancji między szynami od 100 do 1. Dla założonej wartości napięcia zasilania nadajnika Uz mierzyć napięcie wyjściowe Un oraz prąd wyjściowy nadajnika In w funkcji konduktancji między szynami. Pomiary wykonać dla następujących wartości Uz: 8, 12, 16, 20, 24 V. Wyniki notować w tabeli 1. Tabela 1 R=......; L=......mH; C=......nF Uz=........V; G S/km 0,01 0,02 0,05 0,10 0,20 0,50 1,0 R=1/G 100 50 20 10 5 2 1 Un V In mA Dla wykonania badań w zakresie punktu „b.” należy ustawić napięcie zasilania U z=24V oraz rezystancję między szynami odpowiadającą G=0,01S/km. Włączyć oscyloskop równolegle do woltomierza Un i obejrzeć kształt napięcia wyjściowego nadajnika – przebieg sinusoidalny o częstotliwości 2470Hz modulowany amplitudowo napięciem o częstotliwości 50Hz. Ocenić wpływ zmniejszania napięcia zasilania na kształt napięcia wyjściowego nadajnika. Następnie, ustawić napięcie Uz=24V i włączyć je na drugi kanał wejściowy oscyloskopu. Sprawdzić czy istnieje przesunięcie czasowe między przebiegiem Uz a sygnałem modulującym w przebiegu wyjściowym z nadajnika. Ocenić wpływ zmienności obciążenia nadajnika (konduktancja G, rezystancja R) na modulację 50Hz. 5.2. Badanie przekładnika szynowego Do odcinka szyny kolejowej z przymocowanym przekładnikiem dołączyć układ pomiarowy przedstawiony na rys. 5.2. Przekładnik obciążyć rezystancją 300 . Należy uważać, aby przewody doprowadzające były ułożone prostopadle do szyny i nie powodowały odkształcenia pola magnetycznego wytwarzanego wokół szyny przez prąd nią płynący. 14 R G A przekładnik szyna V 300 Rys. 5.2. Układ pomiarowy przekładnika szynowego obwodu SOT G – generator napięcia sinusoidalnego o regulowanej częstotliwości, R – rezystancja dekadowa. Celem pomiarów jest określenie wpływu wartości i częstotliwości prądu w szynie na napięcie wyjściowe przekładnika. Włączyć generator i ustawić częstotliwość 2500 Hz. Regulując rezystancję R i amplitudę prądu z generatora ustawić prąd w szynie Isz=1A. Odczytać wartość napięcia U2 na wyjściu przekładnika obciążonego rezystancją 300 . Stosunek Isz/U2 stanowi przekładnię przekładnika przy tym obciążeniu. Regulując częstotliwość prądu w szynie w zakresie 1000 5000 Hz sprawdzić jej wpływ na wartość przekładni przekładnika. W tym celu odczytywać wartości napięcia na wyjściu przekładnika utrzymując stałą wartość prądu w szynie Isz = 1A. Ustawić częstotliwość pracy przekładnika (np. 2500 Hz) i regulując wartość prądu w szynie, mierzyć napięcie wyjściowe przekładnika. Wyniki notować w tabeli 2. Tabela 2 Obciążenie przekładnika R = 300 Isz mA U2 mV Isz/U2 A/V Te same pomiary powtórzyć przy innej częstotliwości. Odpowiedzieć na pytanie: jaki jest wpływ częstotliwości i wartości prądu w szynie na przekładnię przekładnika szynowego SOT. 15 5.3. Badanie odbiornika SOT Sprawdzić, czy do uzyskania napięcia wyjściowego na odbiorniku, zasilający go sygnał musi być modulowany przebiegiem 50 Hz. W tym celu, w układzie jak na rys. 5.2, zamiast rezystancją 300 , obciążyć przekładnik odbiornikiem SOT (urządzenie MER-111404). Odbiornik zasilić przez transformator 230/12V. Włączyć generator zasilający odcinek szyny z przekładnikiem (rys. 5.2), ustawić częstotliwość f = 2470 Hz oraz prąd w szynie Isz = 1A. Sprawdzić woltomierzem oraz oscyloskopem, czy na wyjściu odbiornika jest napięcie. Zasilić układ szyna – przekładnik przebiegiem z modulacją 50 Hz. W tym celu, zamiast generatora, włączyć nadajnik MER-111710, zgodnie z rys. 5.3. Wyjście odbiornika obciążyć rezystancją 300 . R 230 V 4 Uz A 2 MER 111710 V przekładnik 3 1 szyna 2 6 MER 111404 1 3 4 300 V 5 230 V Rys. 5.3. Układ pomiarowy odbiornika SOT Mierząc woltomierzem napięcie Uwy na wyjściu odbiornika przy regulacji prądu w szynie Isz, zdjąć charakterystykę Uwy = f(Isz) przy dwóch wartościach napięcia zasilającego nadajnik 8V i 24V. Wyniki pomiarów notować w tabeli 3. Tabela 3 Uz = 8V Isz mA Uwy V Uz = 24V 16 Isz mA Uwy V Wykorzystując oscyloskop dwukanałowy obejrzeć równocześnie następujące przebiegi: napięcie na wejściu odbiornika (sygnał 2740 Hz modulowany przebiegiem sinusoidalnym 50 Hz) i napięcie na wyjściu odbiornika (przebieg sygnału 50 Hz po demodulacji); napięcie na wejściu nadajnika (przebieg sinusoidalny 50 Hz) oraz napięcie wyjściowe odbiornika (przebieg sinusoidalny 50 Hz); ocenić, czy jest przesunięcie fazowe między tymi napięciami. 6. Uwagi i wnioski W sprawozdaniu zamieścić wszystkie obserwacje, wyniki pomiarów, tabele i wykresy. Wyniki skomentować i sformułować wnioski. 17
