Устройство для размагничивания рельсового дроссель-трансформатора

Устройство для размагничивания рельсового дроссель-трансформатора относится к железнодорожной автоматике и телемеханике и дает возможность компенсировать неравномерное (асимметричное) растекание тягового тока в рельсовых нитях в любой точке рельсовой линии. Устройство содержит размагничивающей обмотки (4), блок сравнения (5), блок управления (6) и источник размагничивания(7).

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей с целью устранения асимметрии тягового тока за счет применения размагничивающей обмотки компенсационного типа и введение ее в дроссель-трансформатор (1), состоящий из основной (2) и сигнальной (3) обмоток, а также повышения помехоустойчивости и надежности работы рельсовой цепи.

Принцип абсолютно не намагничивающегося дроссель-трансформатора (1) заключается введением дополнительной размагничивающей (компенсирующей) обмотки (4), ток в которой регулируется созданием магнитного потока, направленного против потока асимметрии. В результате в каждый момент времени суммарный поток в сердечнике (10) равен нулю.

Блок сравнения (5) настроен на баланс падений напряжений на полу обмотках основной обмотки (2) дроссель-трансформатора (1). При появлении разницы напряжений на полуобмотках дроссель-трансформатора (1) дается команда на блок управления (6), который включает источник размагничивания (7), задавая размагничивающему току величину и направление.

Вместо блока сравнения (5) в схеме могут быть применены датчики Холла, настроенные на магнитный поток в сердечнике (10).

Устройство для размагничивания рельсового дроссель-трансформатора относится к системам регулирования движением поездов на железнодорожном транспорте, может использоваться для канализации тягового тока и пропуска сигнального тока для обеспечения нормальной работы рельсовых цепей железнодорожной автоматики и телемеханики при электротяге постоянного и переменного тока.

Надежная работа дроссель-трансформатора в значительной мере зависит от влияния тока асимметрии. Известны дроссель-трансформаторы, сопротивление основной обмотки которых с воздушным зазором Z_o зависит от величины воздушного зазора , а также от постоянного тока подмагничивания I_подм . Важное значение для Z_o имеет также состав материала магнитопровода.

Известно устройство сигнализации о наличии асимметрии тягового тока. Изобретение RU 2452034 С1. Авторы: Могильников Ю.В., Гундарев К.В. Опубликовано: 27.05.3012 Бюл. 15.

Известно также устройство для измерения асимметрии тягового тока в рельсовых цепях. Полезная модель RU 88631 U1. Авторы: Табунщиков А.К., Барышев Ю.А. Опубликовано: 20.11.2009 Бюл. 32.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству является изобретение RU 2452034 С1, содержащее 2 датчика Холла компенсирующего типа, установленные в дроссель-трансформаторе, компаратор с двумя входами, причем один из его входов соединен кабельной линией с датчиками Холла, а на в другой вход компаратора подают опорное напряжение, соответствующее допустимому уровню асимметрии тягового тока в рельсовых цепях.

Недостатком данного устройства (прототипа) является сложность технической реализации, низкая точность в определении асимметрии тягового тока, ненадежность передачи информации от дросселя до релейной поста электрической централизации, а дальше в помещении дежурного по станции, проведение сложных манипуляций для сравнения опорного напряжения с допустимым уровнем асимметрии.

Недостатком известных в технике дроссель-трансформаторов является также то, что при повышенных тяговых токах асимметрии, вызванных ростом скоростей движения поездов и увеличением массы подвижного состава, величина сигнального тока снижается, что вызывает уменьшение напряжения на путевом приемнике, что полностью нарушает нормальную работу рельсовых цепей и в целом устройств железнодорожной автоматики и телемеханики как на ж.д. транспорте, так и в метрополитене.

Асимметрия тягового тока отрицательно влияет на устойчивость работы рельсовых цепей и автоматической локомотивной сигнализации, причем степень этого влияния прямо пропорциональна абсолютной величине асимметрии. В настоящее время асимметрия тяговых токов измеряется только в рельсовых цепях с дроссель-трансформаторами как разность тяговых токов, измеряемых в секциях основной обмотки, то есть по концам рельсовых цепей [1]. Для автоматической локомотивной сигнализации важно распределение асимметрии тяговых токов вдоль всей линии, а при тональных рельсовых цепях, не имеющих изолирующих стыков с дроссель-трансформаторами, важно знать асимметрию тягового тока в рельсовых нитях в местах присоединения к ним аппаратуры рельсовых цепей.

Это объясняется следующими причинами:

При протекании обратного тягового тока по секциям основной обмотки дроссель-трансформатора существующего (например, типа ДТМ - 0,17-1000) создается два магнитных потока Ф₀₁ и Ф₀₂, равных по величине и противоположных по направлению. Результирующий магнитный поток Ф₀₁, являющийся суммой потоков Ф₀₁ и Ф₀₂, оказывается равным нулю, и сердечник дроссель - трансформатора не намагничивается. Дроссель - трансформатор оказывает сопротивление обратному тяговому току по величине равному сопротивлению его основной обмотки, то есть 0,00045 Ом. Несмотря на то, что обратный тяговый ток содержит гармоники, кратные промышленной частоте, реактивная составляющая сопротивления вследствие противоположного направления токов в секциях основной обмотки будет равна нулю. Таким образом, при канализации обратного тягового тока дроссель - трансформатор выполняет роль электрического дросселя, не оказывая существенного влияния протеканию постоянного тока.

Сигнальный ток путевого трансформатора, протекая по дополнительной обмотке дроссель - трансформатора, создает в сердечнике переменный магнитный поток Фд, значение которого будет пропорционально числу витков дополнительной обмотки и протекающему по ней току. По принципу работы трансформатора в основной обмотке дроссель - трансформатора будет индуктироваться напряжение U₂=U₁/n, где U₁ - первичное напряжение (напряжение дополнительной обмотки); n - коэффициент трансформации, таким образом, дроссель - трансформатор, преобразуя напряжение первичной обмотки в напряжение на вторичной обмотке, выполняет роль трансформатора. При использовании дроссель - трансформатора на питающем конце рельсовой цепи в качестве первичной используется дополнительная обмотка, а при использовании его на релейном конце - основная обмотка. Напряжение преобразуется на основе электромагнитной индукции, поэтому в дроссель - трансформаторе происходят потери электрической энергии на преодоление сопротивления, имеющего активную и реактивную составляющие.

Дроссель - трансформатор работает в таком режиме, когда по рельсовым нитям протекает тяговый ток одинакового значения. При асимметрии рельсовой цепи по рельсовым нитям протекает различный обратный тяговый ток, что обуславливает создание в дроссель -трансформаторе магнитного потока Ф₀ , значение которого пропорционально разности токов, протекающих по каждой секции основной обмотки. Поток Ф₀, имея в сердечнике постоянное направление, будет оказывать мешающее влияние на характер изменения потока Фд, создаваемого сигнальным током. В результате напряжение, индуктируемое на вторичной обмотке, и сопротивление дроссель - трансформатора, оказываемое сигнальному току, будет уменьшаться. Магнитный поток Фд, создаваемый сигнальным током, резко снизится, так как он не будет усиливаться сердечником. Напряжение на вторичной обмотке дроссель-трансформатора также снизится, что приведет к нарушению работы рельсовой цепи. Это устройство может быть принято в качестве прототипа.

Недостаток прототипа состоит в том, что устранить асимметрию технически не представляется не возможным, т.к. при неравенстве

тяговых токов в полуобмотках Iт1=Iт2, т.е. возникновении тока

асимметрии в обмотке I на ДТ оказывают влияния две МДС: постоянная во времени 0,5W(Iт1-Iт2) и W1Icтsint.

В этом случае полная индукция в магнитопроводе ДТ будет

Если принять аналитическое выражение кривой намагничивания стали магнитопровода ДТ в виде гиперболического синуса H=shBп, то после тригонометрического преобразования получим:

Из полученных (2) и (3) выражений видно, что с увеличением значения постоянной МДС растет В, а Lэф1 и µэф1 уменьшаются. При весьма малых переменных МДС, обусловленных сигнальными токами, когда индукция переменного поля равна всего 30-100 Гс, перемагничивание стали магнитопровода происходит не по основной кривой намагничивания, а по весьма малым частным циклам. В этом случае принято заменить каждый малый частный цикл прямой линией, соединяющей вершины цикла. Тангенс угла наклона такой прямой линии, равный реверсивной магнитной проницаемости µr, зависит от величины постоянного поля при указанных соотношениях между переменными и постоянными магнитными полями можно положить µэф=µr. Для стали известна универсальная кривая изменения µr, которая может быть получена из выражения (3). По оси ординат кривой отложено отношение реверсивной магнитной проницаемости µэф=µr начальной магнитной проницаемости µнач отсутствие постоянной МДС), а по оси абсцисс отношение индукции насыщения.

Цель полезной модели - расширение функциональных возможностей вышеуказанных известных устройств [2].

На фиг.1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Принцип абсолютно не намагничивающегося дроссель-трансформатора (1) заключается в введении дополнительной размагничивающей (компенсирующей) обмотки (4) в дроссель-трансформаторе (1), ток в которой регулируется на создание магнитного потока, направленного против потока асимметрии. В результате в каждый момент времени суммарный поток в сердечнике (11) равен нулю.

Блок сравнения (5) настроен на баланс падений напряжений на полуобмотках (I_T1-I _T2) основной обмотки (2) дроссель-трансформатора (1). При появлении разницы напряжений на полуобмотках дроссель-трансформатора (1) дается команда на блок управления (6), который включает источник размагничивания (7), задавая размагничивающему току величину и направление.

Вместо блока сравнения (5) в схеме могут быть применены датчики Холла, настроенные на магнитный поток в сердечнике (11).

Компенсационные датчики тока позволяют бесконтактным способом измерять токи в диапазонах +_5+_1200 А. К примеру, датчик с обмоткой 1000 витков формирует выходной ток в 1 мА на 1 А измеряемого тока. Токовый выход можно конвертировать в вольтовый, а дополнительная регулировка чувствительности производится путем увеличения числа витков проводника магнитопровода датчика и/или установкой перемычек, задающих число витков компенсационной обмотки[3].

На фиг.2 представлена схема пропуска тягового тока по рельсовым цепям, включающая рельсовые нити (12), изолирующие стыки (13) и дроссель-трансформатор (1).

Схема работает следующим образом.

Как известно, в двухниточных рельсовых цепях тяговый ток проходит по обеим рельсовым нитям в одном направлении. Часть тягового тока I _T1, протекая по одному из рельсов, попадает в одну полуобмотку дроссель-трансформатора (1), другая часть тока I_T2 протекает через вторую полуобмотку дроссель-трансформатора (1). Затем суммарный ток I_T1+I_T2 через перемычку (10) поступает в среднюю точку основной обмотки смежного дроссель-трансформатора, где, разделяясь на две части, протекает по рельсовым нитям соседней рельсовой цепи и т.д. Потоки, создаваемые токами, протекающими в полуобмотках, направлены в разные стороны, поэтому при I _T1=I_T2 разностный поток в сердечнике (11) дроссель-трансформатора (1) равен нулю. К дополнительным обмоткам (3) дроссель-трансформаторов (1) подключены с одной стороны питающая аппаратура (8) рельсовой цепи, а с другой стороны - релейная аппаратура (9).

При неравномерном распределении токов одна из полуобмоток основной обмотки (2) дроссель-трансформатора (1) вызывает преобладание намагничивающего постоянного поля и намагничивание сердечника (11). В результате этого снижается индуктивность дроссель-трансформатора (1), и его сопротивление переменному току уменьшается, что ведет к изменению сопротивления по концам рельсовой цепи и, как следствие, к обесточивание путевого реле, то есть ложной занятости рельсовой цепи.

Эффективность данной полезной модели в отличие от уже известных устройств, определяется полной ликвидацией асимметрии тягового тока путем введения размагничивающей обмотки (7) в дроссель-трансформатор (1), что в результате повышает пропускую способность и безопасность движения поездов на железнодорожном транспорте и метрополитене.

Моделирование данного устройства дало следующие результаты:

1. Коэффициент асимметрии, которая определяется выражением

К=I_T1-I_T2\I_T1+I _T2×100%

снизился практически в дроссель-трансформаторе метрополитена типа ДТМ-0,17-1000М от 6% до 0,3% [4].

2. Существенно уменьшились помехи от влияния гармоник тягового тока.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет более эффективно использовать мощность тягового дроссель-трансформатора, а также обеспечить улучшение показателей качества потребления электрической энергии, а именно коэффициента асимметрии и значений высших гармоник напряжения в условиях повышенных тяговых токов.

Литература:

1. Аркатов B.C., Кравцов Ю.А., Степенский Б.М. Рельсовые цепи. Анализ работы и техническое обслуживание. М.: Транспорт, 1990.

2. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1982.-528 с.

3. Агейкин Д.И. Датчики контроля регулирования: справ. Материалы.

4. Дмитренко И.Е., Алексеев В.М. Влияние тягового тока на работу рельсовых цепей. - АТС, 1986, 10, с.10-12.

Устройство для размагничивания рельсового дроссель-трансформатора, содержащее основную обмотку и дополнительную обмотку, отличающееся тем, что имеет блок сравнения, блок управления, источник размагничивания, размагничивающую обмотку, причем размагничивающая обмотка находится в корпусе дроссель-трансформатора, а блок сравнения, блок управления и источник размагничивания установлены вне корпуса; полуобмотки основной обмотки параллельно подключены одним концом к блоку сравнения, другой конец через блок управления связан с источником размагничивания, а размагничивающая обмотка подключена параллельно с размагничивающим источником, при этом при разбалансировке нагрузки тягового тока на полуобмотках основной обмотки пороговое напряжение через блок сравнения поступает в блок управления, включающий источник размагничивания, создавая цепь размагничивания и задавая току для симметрирования соответствующую величину и направление.