Ключевые слова: пропорциональный регулятор, компенсационный контур, дублирование, рельсовая линия.
Применение системы автоматического регулирования рельсовых цепей (САР РЦ) позволяет получить значительные положительные эффекты. Основные из них: это возможность эксплуатации рельсовых цепей без применения регулировочных таблиц, что создает предпосылки для перевода их в категорию необслуживаемых устройств. Длина рельсовой цепи может быть выбрана исключительно из условия обеспечения требуемого межпоездного интервала. Повышается её чувствительность к наложению нормативного шунта и к обрыву рельсовой линии. Облегчаются требования по содержанию верхнего строения пути в плане обеспечения необходимой величины минимально допустимого сопротивления изоляции рельсовой линии.
В настоящее время разработана и внедрена аппаратура тональных рельсовых цепей с автоматическим регулированием уровня сигнала ТРЦ-АР [1,2]. За основу в ней взята структурная схема релейной САР с переменной структурой. При отклонении выходного сигнала рельсовой линии в нормальном режиме за пределы допустимого диапазона срабатывает релейный элемент, который дает команды на увеличение (уменьшение) величины напряжения питания рельсовой цепи. В шунтовом и контрольном режимах релейный элемент блокируется, соответственно напряжение питания рельсовой цепи остается неизменным.
Использованная при разработке аппаратуры ТРЦ-АР структурная схема САР РЦ не свободна от недостатков. В частности, в ней отсутствует дублирование контура обратной связи, что создает угрозу опасного отказа. По этой причине динамический диапазон регулирования напряжения питания ТРЦ в нормальном режиме ограничен регулировочной таблицей, разрабатываемой для варианта аппаратуры ТРЦ без автоматического регулирования. Также схема не контролирует разрушение рельса (постепенный обрыв рельсовой линии). Под постепенным обрывом рельсовой линии подразумевается ситуация, когда переходное сопротивление в точке повреждения рельса в течение длительного времени плавно увеличивается от нулевого до бесконечного значений.
Вместе с тем известно [3], что реализация САР РЦ возможна с помощью многих других структурных схем, из числа которых можно выбрать оптимальную.
Под оптимальной подразумевается схема, которая соответствует следующим требованиям:
– первого класса надежности;
– по контролю разрушения рельса (постепенного обрыва рельсовой линии);
– по жесткой синхронизации работы дублированных контуров обратной связи;
– по реализации с помощью микроэлектронных программно-аппаратных средств.
Указанным требованиям соответствует комбинированная САР РЦ [4], содержащая в каждом дублирующем комплекте контур замкнутого регулирования и компенсационный контур [5].
Для замкнутого контура целесообразно применять классический пропорциональный регулятор.
Особенности применения пропорционального регулятора для рельсовых цепей заключаются в следующем. Как правило, системы автоматического регулирования проектируются по критерию максимума быстродействия при заданных точности стабилизации регулируемого параметра и величине запаса устойчивости к самовозбуждению. Требования, предъявляемые к САР РЦ, прямо противоположны. Она должна обладать повышенной инерционностью, соизмеримой со скоростью изменения сопротивления изоляции рельсовой линии. У таких систем частотная переходная характеристика описывается уравнением первого порядка, и они по определению устойчивы. Соответственно интегральный и дифференциальный звенья, которые, как правило включаются в состав пропорционального регулятора с целью минимизации статической и динамической погрешностей, применительно к САР РЦ могут быть опушены.
Именно пропорциональные регуляторы дублированных комплектов САР РЦ могут быть синхронизированы наиболее просто.
Структура замкнутого контура изменяется в зависимости от состояния рельсовой цепи. При занятом состоянии обратная связь размыкается, а величина сигнала регулирования запоминается. Реализован известный принцип «слежения-хранения».
Принцип действия компенсационного контура основан на косвенном методе измерения сопротивления изоляции по величине сдвига фазы сигнала при прохождении его через рельсовую линию. Он обеспечивает минимальную методологическую погрешность формирования компенсационного сигнала.
Рис. 1. Оптимальная структурная схема САР РЦ
Приемо-передающая аппаратура ППА рельсовой цепи дополнена двумя идентичными комплектами К1, К2 САР РЦ. Непосредственно регулирует входной сигнал рельсовой линии регулятор напряжения РН, выходное напряжение которого линейно зависит от величины сигнала Y на выходе первого комплекта К1 САР РЦ.
Традиционный блок приема сигнала БПС рельсовой цепи выполнен с тремя дополнительными выходами: аналогового сигнала Ас, пропорционального величине выходного сигнала рельсовой линии РЛ; логического сигнала Лс, отражающего состояние рельсовой цепи (свободна/занята) и фазового сигнала Фс, позволяющего измерить сдвиг фазы выходного сигнала рельсовой линии относительно выхода генератора Г.
Каждый комплект К1, К2 САР РЦ содержит по два контура регулирования: пропорциональный регулятор образован вычитателем В, усилителем УС и элементом памяти ЭП; компенсационный регулятор — измерителем разности фаз ИРФ и формирователем функциональной зависимости ФФЗ. На прямом входе вычитателя В присутствует постоянный опорный сигнал. Коэффициент усиления усилителя УС выбирается исходя из разрешенного диапазона изменения сигнала в конце рельсовой линии в нормальном режиме. Элемент памяти ЭП изменяет структуру обратной связи в шунтовом и контрольном режимах. При появлении логического нуля на управляющем входе запоминает величину входного сигнала.
Измеритель разности фаз ИРФ также выполнен с функцией запоминания последнего достоверного измеренного значения, которое присутствует на его выходе при плотном шунтировании рельсовой линии.
Формирователь функциональной зависимости ФФЗ выдает сигнал согласно функции: Uпит = F(∆φ), производной от двух других: Uпит = F1(Rи), ∆φ = F2(Rи), где:
Uпит — требуемое напряжение питания свободной и исправной рельсовой цепи при постоянном сигнале на выходе рельсовой линии РЛ;
∆φ — сдвиг фазы сигнала в рельсовой линии РЛ с сопротивлением изоляции Rи относительно выхода генератора Г.
Блок выбора сигнала БВС анализирует расхождение выходных сигналов компенсационного Xкр и пропорционального Xпр регуляторов и формирует итоговый регулирующий сигнал Y по следующему алгоритму:
Y = Xпр, если: Xпр < (Xкр + ∆X);
Y = Xкр, если: Xпр> (Xкр + ∆X);
где: ∆X — методологическая погрешность формирования компенсационного сигнала.
Выполнение неравенства Xпр> (Xкр + ∆X) сопровождается формированием сигнала оповещения Оп о разрушении рельса.
Указанный алгоритм обеспечивает результирующее регулирование, как правило, пропорциональным регулятором с высокой точностью стабилизации выходного сигнала рельсовой линии РЛ. И только в нештатной ситуации, а именно при разрушении рельса, регулирование осуществляет компенсационный регулятор.
Анализ функциональных зависимостей всех используемых в комплектах К1, К2 САР РЦ элементов позволяет подтвердить, что при исправном состоянии элементов величины выходных сигналов Y дублирующих комплектов всегда равны между собой.
Повреждение одного из комплектов или регулятора напряжения РН вызывает асимметрию величин входных сигналов блока контроля равенства БКР. В результате на его выходе формируется логический сигнал защитного отказа.
Блок контроля равенства БКР сигналов соответствует требованиям первого класса надежности. Структурная схема блока содержит последовательно соединенные элементы: аналоговый сумматор-вычитатель, генератор, управляемый напряжением ГУН, полосовой фильтр, пороговый элемент и преобразователь импульсного напряжения в постоянное.
Приведенная оптимальная структурная схема САР РЦ является упрощенной и некоторые очевидные функциональные элементы в ней опущены.
Литература:
- Ю. А. Кравцов, А. И. Каменев, Н. Н. Балуев, В. А. Клюзко. Задачи и возможности совершенствования рельсовых цепей тональной частоты. Журнал АСИ, 2014, № 3, стр. 10–12.
- Патент на изобретение № 2310572. Устройство рельсовой цепи. //Кравцов Ю. А., Бюллетень изобретений, 2007, № 11.
- В. В. Козлов. Автоматическое регулирование рельсовых цепей на участках железных дорог с пониженным сопротивлением изоляции. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. РГОТУПС, 1997, стр.24.
- Патент на изобретение № 2083408. Рельсовая цепь. //Козлов В. В., Бюллетень изобретений, 1997, № 19.
- Патент на изобретение № 2072931. Рельсовая цепь. //Козлов В. В., Бюллетень изобретений, 1997, № 4.
