WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Результирующий ток через контактирующие поверхности можно рассматривать как сумму основной составляющей (ток электровоза) и изменяющейся во времени малой по величине составляющей, являющейся причиной возникновения электромагнитного радиочастотного шума. Ввиду случайных характеристик шероховатости контактирующих поверхностей проводников, представляется необходимым моделировать контактное сопротивление между двумя скользящими поверхностями с помощью случайной функции. Этот процесс возможно выразить формулой:

(1)

где – среднее значение контактного сопротивления;

- изменяющаяся случайная составляющая;

- два случайных числа, имеющих распределение плотностей вероятности соответственно.

Контактное сопротивление возможно аналитически представить как серию прямоугольных импульсов, амплитуда и длительность которых являются случайными величинами.

Основываясь на определенных допущениях, получена схема замещения тяговой сети (рисунок 1).

Рис. 1. Эквивалентная схема замещения тяговой сети

Здесь - контактное сопротивление между токосъемной накладкой пантографа и контактным проводом; - эквивалентное активное сопротивление локомотива. Ток, потребляемый электровозом:

(2)

где - напряжение в контактной сети.

Для расчета электромагнитного излучения при нормальном токосъеме, вызываемого мешающим током в тяговой сети, необходимо определить распределение данного тока по тяговой сети (линии с распределенными параметрами) при различных частотах. Задача состоит из расчета спектральной плотности мощности, моделирования мешающего тока с помощью соответствующего источника тока и расчета мешающего тока, распространяющегося вдоль тяговой сети. Спектральная плотность мощности рассчитана по формуле Карсона. Характеристика источника тока, расположенного на месте ЭПС (рисунок 2) и распространяющего мешающий ток по тяговой сети, выражена как:

(3)

где - спектральная плотность мощности,

- ширина частотного диапазона.

Рис. 2. Схема замещения тяговой сети с источником мешающего тока

Эквивалентная схема с источником тока может характеризоваться следующими величинами ():

(4)

(5)

где, и – соответственно, проводимость, ток короткого замыкания и сопротивление i-части тяговой сети;

и - коэффициент распространения и волновое сопротивление линии (тяговую сеть при больших величинахможно рассматривать как линию без потерь);

- расстояние между электровозом и i-тяговой подстанцией.

С помощью теории цепей с распределенными параметрами рассчитано растекание мешающего тока по тяговой сети:

х[-D1, 0], (5)

х [0, D2], (6)

где - сопротивление 1-го и 2-го участков тяговой сети.

Зная ток дуги, токи,и считая землю идеальным проводником, возможно вычислить излучаемое электромагнитное поле при основной частоте.

По результатам моделирования получен ряд амплитудно-временных и амплитудно-частотных диаграмм напряженностей электрического и магнитного полей при различной ширине сближения с тяговой сетью. Амплитудные величины помех при нормальном токосъеме меньше результатов статистической обработки излучений при нарушениях токосъема в среднем на 15-20 дБ при соответствующей частоте, что дает возможность подтвердить выбор частотной области (130-140 кГц) и чувствительности радиоприемных устройств (приведенные параметры отражены в работах Ю.Г.Семенова) для надежной фильтрации полезного сигнала при дуговых процессах от подобных помех на участке. Методика может применяться в смежных областях, например, при изучении вопросов электромагнитной совместимости.

В третьей главе «Математическое моделирование электродуговых процессов при различных режимах нарушения токосъема» приведено описание аналитического и статистического расчетных методов, позволяющих произвести количественную оценку электромагнитных излучений, возникающих при различных режимах дугового нарушения токосъема.

На основании проведенного анализа результатов основных аналитических описаний дугового разряда, опубликованных в зарубежной литературе, осуществлен выбор наиболее оптимального варианта математической модели с учетом особенностей дугового токосъема на железной дороге и поставленных задач исследований. В основе главы диссертационной работы лежит общая термодинамическая модель электрической дуги:

(7)

где - удельная проводимость дуги;

- ток дуги;

- термодинамические параметры, зависящие от температуры (для электрической дуги с температурой до 12000 К принимаем ; );

- коэффициенты, зависящие от линейной функции распределения удельного теплового потока для характерного поперечного сечения плазменного канала дуги.

Определена эквивалентная схема замещения участка электрифицированной железнодорожной линии при дуговом нарушении токосъема (рисунок 3).

Рис. 3. Эквивалентная схема замещения участка тяговой сети при дуговом токосъеме

Зависимость тока дуги от времени на основании результатов обратного преобразования Фурье:

(8)

где и – эквивалентные сопротивление и индуктивность электровоза;

- величина воздушного промежутка между токосъемной накладкой пантографа и контактным проводом.

В данном случае величина мешающего токаопределяется как:

(9)

где - напряжение между контактным проводом и рельсовой цепью перед возникновением дуги.

Уравнения (7) и (8) составляют интегрально-дифференциальную систему – основу рассматриваемой аналитической модели. Для численного решения исходных уравнений использован метод Рунге – Кутта при заданных начальных условий для параметров, и. Расчет аналогичен рассмотренному ранее при моделировании нормального токосъема на участке. В качестве примера на рисунке 4 представлена амплитудно-частотная диаграмма напряженности магнитного поля при различной ширине сближения с тяговой сетью.

Рис. 4. Амплитудно-частотная диаграмма Н(f)

Анализ результатов моделирования при вариации различных влияющих факторов показывает, что в диапазоне 130-140 кГц, ранее выбранном для работы специализированного радиоприемного устройства, входящего в состав автоматизированной системы диагностики дугового токосъема, для надежной регистрации полезного сигнала рекомендуется определить чувствительность приемника прямого усиления в диапазоне 3-6 мВ/м.

В основе статистической модели лежат аналитические выражения для магнитного и электрического полей с применением метода линейного многоуровневого регрессионного анализа. В качестве зависимых переменных используются величины напряженностей магнитного и электрического полей. Объяснительные переменные характеризуют основные параметры, влияющие на свойства электромагнитного поля при дуговом токосъеме.

На основе проведенного анализа получены следующие математические выражения для определения величин напряженностей Н и Е:

(10)

(11)

Значения коэффициентов определены путем анализа экспериментальных данных измерений. В таблице 1 представлены величины отклонений результатов вычислений с использованием статистической модели от измеренных величин напряженностей магнитного и электрического полей.

Таблица 1 – Отклонения между расчетными и измеренными величинами

Поле

Максимальное отклонение, дБ

Минимальное отклонение, дБ

Среднее

отклонение, дБ

Дисперсия, дБ

|Н|

21,2

0,4

7,5

9,9

|Е|

9,2

0,07

3,7

4,6

Результаты расчетов в меньшей степени совпадают с экспериментальными данными, чем при использовании аналитической модели, однако максимальная погрешность при расчетах не превышает 21,2 дБ (16 %) при дисперсии 9,9 дБ, что позволяет применять подобный подход для количественной оценки амплитудного уровня радиопомех при различных влияющих факторах, а также в качестве быстрого и наглядного способа проверки и подтверждения результатов, полученных экспериментальным путем.

В четвертой главе «Моделирование дугового токосъема средствами специализированного программного обеспечения на ЭВМ и анализ результатов» рассмотрена методика моделирования дугового токосъема средствами программного обеспечения EWB; проведено сравнение результатов расчетов с использованием разработанных математических моделей с экспериментальными данными; выполнен расчет протяженности зон распространения радиоизлучения; представлены основные результаты испытаний макетного образца автоматизированной системы диагностики дугового токосъема.

Разработана методика моделирования схемы замещения тяговой сети и ЭПС на ЭВМ средствами специализированного ПО EWB, учитывающая при моделировании особенности электродуговых процессов при токосъеме на участках переменного тока. На рисунке 5 представлены общие расчетные схемы для участков переменного тока при одно- и двухсторонней схемах питания.

Рис. 5. Общие схемы замещения участка тяговой сети:

а – система двухстороннего питания; б – система одностороннего питания

Обобщенная схема модели состоит из схем замещения тяговой подстанции (блоки 1,2, X1, Х2), контактной сети (3-6, Х2, Х3, Х6, Х7), электровоза (8, Х5), а также блока «точка контакта» (7, Х4).

В качестве точки контакта между токоприемником электровоза и контактным проводом применяется ключ, управляемый кодовой комбинацией генератора слова. В соответствии с рассмотренными особенностями возникновения повторных пробоев воздушного промежутка при дуговом токосъеме и в зависимости от рассматриваемого режима токосъема определяется двоичная кодовая комбинация работы генератора слова. При кратковременном размыкании ключа в блоке контакта, управляемого кодовой комбинацией генератора слова, осциллографом регистрируются высокочастотные выбросы, определяющие параметры радиоизлучений при выбранном режиме нарушения токосъема.

В результате программной симуляции рассмотренной схемы замещения получен ряд амплитудно-частотных характеристик электромагнитных излучений в процессе дугового токосъема при различных параметрах рассмотренной схемы замещения. Сравнительные результаты измерений на действующем участке и расчетных величин, полученных при моделировании (рисунок 6).

Рис. 6. Сравнение измеренных и расчетных данных моделирования

В результате анализа полученных данных можно сделать вывод, что наибольшие уровни радиоизлучений при выбранном режиме дугового токосъема при обоих режимах питания тяговой сети наблюдаются в границах 0,1-0,2 МГц с последующим спадом уровня по мере возрастания частоты. При этом наблюдается увеличение уровня излучений в среднем на 10 дБ в диапазоне 6-14 МГц. Результаты моделирования подтверждают правильность выбора частотного спектра 130-140 кГц для работы специализированного радиоприемного устройства и определение дополнительной помехоустойчивой области (14 МГц), обеспечивающей наилучшую частотную и амплитудную селекцию сигналов от нарушений токосъема на фоне мешающего действия паразитных радиопомех.

Для оценки адекватности разработанных математических моделей реальным процессам при дуговом токосъеме, а также для проверки достоверности расчетных данных выполнено сравнение результатов экспериментальных исследований с расчетными величинами (рисунок 7).

Рис. 7. Сравнение экспериментальных и расчетных данных

Средняя величина абсолютного значения отклонения от расчетных данных составляет 4,5 дБмкВ/м (11%) при расчетной дисперсии величин погрешности 6,8 дБмкВ/м. Различия в результатах измерений и математических расчетов могут быть объяснены как спецификой условий экспериментальных исследований, влиянием большого количества дополнительных влияющих факторов, не полностью учтенных при анализе полученных данных, так и определенными допущениями при составлении и программной реализации аналитической модели, принятыми для существенного упрощения расчетов при сохранении приемлемого уровня достоверности и адекватности полученных результатов.

Как показывают результаты сравнения, полученные расчетные данные соответствуют экспериментальным, как минимум, по порядку величин, что позволяет сделать вывод об адекватности предложенной аналитической модели дугового токосъема.

Для оценки протяженности зон распространения радиоизлучений при дуговом токосъеме и дальности обнаружения использованы данные расчетов с применением разработанной аналитической модели. При этом распространение токов, вызванных дугообразованием в зоне контакта токоприемника и контактного провода, описывается с помощью формул (5) и (6). По результатам расчетов сделан вывод, что при заданных параметрах радиоприемных устройств автоматизированной системы диагностики дальность обнаружения полезного сигнала составляет не менее 1 км в обе стороны от места дугового токосъема.

С участием автора были проведены испытания макетного образца автоматизированной системы диагностики нарушений токосъема. Одними из целей испытания были определение работоспособности и качества работы радиоприемных системы и дальности обнаружения полезных радиосигналов. По результатам исследований сделан вывод о работоспособности и достаточной помехоустойчивости испытанного образца при дальности обнаружения полезных сигналов не менее 1 км в обе стороны от места приема, что согласуется с результатами расчетов.

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Фигурнову Е.П. и к.т.н., доценту Семенову Ю.Г. за научные консультации.

Основные результаты и выводы

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»