Условия возникновения дискретной составляющей при цифровом управлении электроподвижным составом и ее влияние на безопасность движения

Обеспечение безопасности движения поездов является основной задачей, выполняемой всеми структурами, осуществляющими эту функцию синхронно с развитием схемотехники. Мешающее воздействие на систему безопасности движения может быть ожидаемое (прогнозируемое), которое возможно локализовать, например, воздействие ЭПС с асинхронными тяговыми двигателями, ЭПС с тиристорными импульсными преобразователями, искажение cos φ питающего напряжения и т.д. Однако проведенные исследования в области применения цифровых принципов построения бортовых систем управления ЭПС с вентильными преобразователями показали возможность появления в рельсовой цепи и в источнике питания дополнительных частот, которые совпадают с частотами работы системы безопасности движения поездов. Получены условия возникновения этих частот, их связь с эксплуатационными показателями и раскрыты принципы устранения этого влияния.

Разбиение периода переключения тиристоров Т на определенное количество интервалов, число которых зависит от разрядности цифровой системы управления (ЦСУ), определяемой как:

приводит к дискретному изменению напряжения на нагрузке при каждом очередном изменении длительности импульса на 8 в случае применения преобразователя «аналог-частота». При использовании преобразователей «аналог-код» изменение длительности импульса может происходить на несколько шагов в зависимости от рассогласования тока уставки и текущего значения тока двигателя. Однако при этом накладываются ограничения на величину приращения длительности импульса по величине бросков тока тягового двигателя. Проведенные исследования показывают, что число позиций регулирования ЦСУ тиристорно-импульсными преобразователями (ТИР) ЭПС оказывается достаточно большим, которые необходимо выбрать с учетом диапазона изменения напряжения на тяговых двигателях от U_min до U_ном. При существующих удельных мощностях тяговых двигателей для такого типа ЭПС, как электропоезда, вагоны метро, трамвай, пуск происходит весьма интенсивно, за 4 — 12 с. Поэтому при дискретном наборе позиций (N) СУ в процессе регулирования коэффициента заполнения γ ТИР, кроме суммарной частоты работы тиристоров всех фаз ТИР вагонов в составе электропоезда (при применении системы синхронизации):

где т, т_в — соответственно число фаз ТИР на вагон и соответственно число вагонов в поезде, в источнике питания появляются частоты, вызванные ступенчатым характером набора позиций регулирования при переходе от одного значения коэффициента заполнения к другому за время выхода на автоматическую характеристику, которые равны:

где — время выхода тягового двигателя на автоматическую характеристику;

U_n — скорость, при которой тяговый двигатель выходит на автоматическую характеристику; а_n — среднее пусковое ускорение до выхода на автоматическую характеристику.

Необходимо отметить, что эти частоты не имеют места при аналоговых системах управления ТИР ЭПС.

Для дальнейших рассуждений назовем частоту (3) как дискретная несущая составляющая, которая значительно ниже частоты переключения тиристоров, т.е. f_д << f_фтт_в. Следует отметить также, что дискретная составляющая f_д инвариантна к частоте переключения тиристоров независимо от их значений.

Получение дискретной составляющей (3) происходит при смещении во времени начала работы каждой фазы ТИР относительно соседних фаз на величину:

Так, для метрополитена при четырехзначной сигнализации полоса рабочих частот АРС (устройства безопасности движения) находится в пределах 75—225 Гц через каждые 50 Гц и для пятизначной — в пределах 75—275 Гц, в настоящее время вводятся шести- и семизначные системы. На железнодорожном транспорте существует система безопасности движения и СЦБ, которая работает на определенных частотах. При использовании тональных рельсовых цепей (ТРЦ) в СЦБ: 420—780 Гц (в ТРЦЗ) и 4,5—5,5 кГц (в ТРЦ4). Представляет интерес рассмотрение взаимодействия дискретной составляющей с указанными запрещенными частотами. С целью предотвращения влияния дискретной частоты f_д на системы безопасности движения необходимо, чтобы удовлетворялось условие:

где f’_с,f’’_c — соответственно значение нижнего и верхнего предела запрещенных частот.

Для этого граничное значение числа позиций системы управления ТИР вагонами электропоездов должно соответствовать:

где R_max; R_min. — обобщенный показатель дискретности поезда.

Для получения возможного спектра дискретной частоты выполнены расчеты для условий работы вагонов метро t_рег=4—12 с, т_в=3—8, т=2; 4, п₁=3—9. Результаты расчетов представлены в виде диаграмм для различных условий на рис. 1 и 2.

Для существующих условий эксплуатации ЭПС при т_max =4;т_min =2; т_{в max} =8; т_{в min} =3; t_{рег mm}=4 с; t_{рег max}=10 с граничное значение числа ступеней может быть:

Рис. 1. Зависимость дискретной несущей составляющей f_д от разрядности СУ, времени пуска, от частоты переключения тиристоров f_ф при т=2, т_в=4

Рассмотрение этих режимов работы показывает, что при условии, когда электропоезд состоит из 8 вагонов с расположением на каждом вагоне четырех фаз тиристорно-импульсного преобразователя, что, в принципе, возможно на практике, минимальное число позиций цифровой системы управления ТИР должно быть менее девяти для отсутствия влияния на АРС по нижней границе запрещенных частот.

Рис. 2. Зависимость дискретной несущей составляющей f_д от разрядности счетчиков, времени пуска, числа фаз т =4, при составности поезда т_в =8

Учитывая, что цифровые СУ ТИР ЭПС основываются на использовании двоичных счетчиков, ближайшее возможное число позиций регулирования менее девяти равно 8, что соответствует построению 3-разрядных СУ Учитывая, что при таком числе позиции шаг дискретизации периода переключения тиристоров не удовлетворяет требованиям плавности хода, указанная разрядность неприемлема и область вхождения в зону запрещенных частот с нижнего предела (75 Гц) не представляет собой на практике интереса.

В случае применения 2-фазного преобразователя на вагоне метро т=2 при составности поезда из трех вагонов т_в=3 (второй граничный режим) и при затяжном пуске (t = 10 с) число ступеней для ЦСУ ТИР, удовлетворяющее (7), может быть равно N=512, что соответствует 9-разрядному построению СУ.

Анализ промежуточных режимов по рис. 1 показывает, что при т=2 и т =4; граничными являются разрядности п=6 и п =8. Причем, если вхождение в зону запрещенных частот по нижнему пределу возможно при интенсивном пуске (t_рег ≤ 6,5 с), то вхождение в зону запрещенных частот по верхнему пределу возможно при более медленном пуске (t_рег ≥ 7,4 с). Разрядность п =6 является неприемлемой, так как независимо от времени выхода на автоматическую характеристику тягового двигателя, возникающая в контактном рельсе дискретная частота при дискретном наборе позиций лежит в полосе запрещенных частот. При т =2 и т_в =5;6;7;8 граничным является разрядность СУ п =7.

В случае применения на вагоне четырех фаз (т=4) при т =3;4;5 разрядность СУ п =7 является также граничной, причем с увеличением числа вагонов в поезде рабочая зона расширяется и смещается в область затяжного пуска. Разрядность СУ п =6 при указанных параметрах также является практически неприемлемой. При увеличении состава поезда до т = 6; 7; 8 (рис.2) возможно применение 7-разрядной СУ, а граничной становится разрядность СУ п =6 и вхождение в зону запрещенных частот по верхнему пределу может произойти лишь в случае t_рег ≥ 7,3 с.

На рис.3 представлены диаграммы зависимости частот пульсации силового тока, вызванных дискретным набором позиций, в относительных единицах f*_д =(f_д- f"_c )100/ f"_c по отношению к верхнему пределу запрещенных частот, на которых работает АРС, принятому равным f"_c = 275 Гц от т; т_в ; t_рег для различных случаев, возможных на практике, при эксплуатации вагонов метро. Правые ветви диаграмм, представленных на рис.3, после достижения кривыми оси абсцисс характеризуют работу в зоне запрещенных частот. Из диаграмм следует, что чем больше показатель, тем меньше вероятность воздействия на систему безопасности движения ЭПС (N — суммарное теоретическое число ступеней регулирования ЦСУ для всего поезда при смещении фаз во времени на т/м, N_п=2^п•т_в•т).

Рис.З. Диаграммы области существования дискретной несущей составляющей в относительных единицах при различных параметрах системы

Как видно из диаграмм по рис.3, для наиболее частых случаев эксплуатации при составности поезда из 8 вагонов и при наличии двух фаз преобразователя на вагоне разрядность системы управления должна быть не менее восьми. Разрядность n=6 во всех случаях, практически, неприемлема ввиду невозможности удовлетворения условию (6).

Учитывая, что на практике возможно любое сочетание числа вагонов в поезде, числа фаз тиристорно-импульсного преобразователя на вагон, в таблице приведены значения минимальной разрядности системы управления вагонами в зависимости от указанных параметров.

Зависимость минимальной разрядности СУ от составности поезда

Как следует из таблицы, с целью устранения влияния дискретных частот, генерированных в контактном рельсе f_д при дискретном изменении коэффициента заполнения в процессе пуска вагонов, на работу АРС и СЦБ, разрядность СУ, например, для вагонов метро должна быть не менее девяти, т.е. п > 9.

Однако реальное число дискретных позиций регулирования СУ отличается от теоретического, в связи с необходимостью учета времени перезаряда коммутирующего конденсатора, что оказывает также влияние на величину f_д. Поэтому выражение (8) требует уточнения в соответствии с таблицей, т.е. уточненное значение дискретной составляющей по(3)равно:

Ограничения, накладываемые на разрядность ЦСУ ТИР ЭПС с учетом реального числа ступеней регулирования СУ, влияющих на величину f_д, будут иметь вид:

Учитывая, что показатель t_рег.max зависит от реального значения а_n и U_n для конкретного типа ЭПС, условие (10) можно представить как:

Необходимо отметить, что если значение дискретной составляющей по (3) не зависит от частоты переключения тиристоров, то уточненная частота f'_д по (9) косвенным образом зависима от f_ф ввиду различной длительности шага дискретизации, включенной в Θ (см. таблицу). Представленные на рис. 1 и 2 пунктирные диаграммы являются уточненными зависимостями f'_д = f(t_рег, п) по (9). Как следует из рис. 1 и 2, уточненное значение f'_д имеет меньшие значения, причем, чем выше частота переключения тиристоров, тем ниже смещаются диаграммы. Однако необходимо отметить, что рекомендации по разрядности СУ при более корректном учете f_д в соответствии с таблицей не изменяются, хотя погрешность при этом достигает от 5,5% (при f_ф =200 Гц) до 13% (при f_ф =500 Гц).

Таким образом, для условий работы электропоездов с ТИР и с микроэлектронными СУ, построенными по цифровому принципу, имеющих устройства СЦБ и систему безопасности движения (АРС), работающих на определенных частотах, при проектировании бортового компьютера является необходимым определение прежде всего такой разрядности бортового компьютера, которая обеспечивала бы исключение возможности влияния дискретной составляющей на систему безопасности движения при наиболее неблагоприятном стечении обстоятельств, изложенных выше.