Proceedings of the Conference "Modern Safety Technologies in Transportation - MOSATT 2005" 65 VLIV TRAKČNÍHO POHONU S ASYNCHRONNÍMI MOTORY NA KOLEJOVÉ OBVODY INFLUENCE OF TRACTION DRIVE WITH INDUCTION MACHINES ON TRACK CIRCUITS Martin JANDA - Martin PITTERMAN 2 - Karel ZEMAN 3 Abstract: This paper deals with interference of DC fed traction drive with induction machines and track circuits used for interlocking plant. Influence is investigated using Fourier analysis, according to norm ČSN 34 26, which specifies current limits for each frequency band. Keywords: track circuits, Fourier analysis, traction drive, induction machine ÚVOD- ZÁKLADNÍ PRINCIP PARALELNÍCH KOLEJOVÝCH OBVODŮ Problematika drážních zabezpečovacích obvodů je tak specifická, že pro nastínění souvislostí s řešenou problematikou je nutno stručně zmínit aspoň základní princip. Na našich drahách se dnes pro automatickou detekci toho, zda-li je jistý kolejový úsek volný (nebo obsazený vozidly) nejčastěji používají liniové zabezpečovací obvody využívající tzv. paralelního kolejového obvodu. Pro větší názornost si tento princip vysvětleme např. pomocí obr. kde je zjednodušeně znázorněno automatické traťové zabezpečovací zařízení (tzv. autoblok). Zde je trať rozdělena na několik kolejových obvodů (na širé trati dlouhé typicky cca až 2 km, ve stanicích i jen několik metrů). Každý takový kolejový obvod je zjednodušeně tvořen zdrojem zabezpečovacího proudu FIK, na protější straně jeho příjimačem FID (zjednodušeně kolejové relé) a propojení mezi nimi je tvořeno pravým a levým pásem kolejnic (uvnitř kolejového obvodu jsou kolejnice za sebou svařeny nebo propojeny pomocí kolejnicových propojek). Oba pásy kolejnic jsou galvanicky izolovány jednak mezi sebou a rovněž i na obou koncích kolejového obvodu (spojení kolejnic se sousedním kolejovým obvodem je realizováno speciálními izolační spojkami a případně navíc i stykovým transformátorem DT pro přenos trakčního proudu atd.). V případě, že je sledovaný úsek volný (viz např. KO3 na obr.), pak zabezpečovací proud (na obr. vyznačeno tenkými šipkami) teče ze zdroje FIK3, jedním pásem kolejnic až do příjimače FID3 a pak vedleším pásem kolejnic zpět do zdroje FIK3. V případě, že by byl kolejový obvod obsazen vozidlem (na obr. viz KO), pak jsou obě kolejnice v podstatě zkratovány nápravami těchto vozidel (tzv. vlakový šent). A proto zde zabezpečovací proud ze zdroje FIK neteče až do příjimače FID, ale skrz nápravy vozidla zabezpečovací proud teče do druhé kolejnice a tím zpět do napájecího zdroje FIK mimo detektor FID. Tento pokles proudu skrz detektor FID se tak vyhodnotí (například tak, že zde odpadne kotva kolejového relé) jako stav, že je kolejový obvod KO obsazen - což automatická zabezpečovací zařízení využívají například pro postavení návěstního znaku na návěstidle, vytvoření závěru vlakové cesty (aby nedošlo k podhození výhybky před nebo pod jedoucím vlakem), obsluhu přejezdových zabezpečovacích zařízení apod. Ing. Martin Janda, Univerzitní 8, 306 4 Plzeň, +420 377 63 4435, mapa@kev.zcu.cz 2 Ing. Martin Pitterman Ph.D., Univerzitní 8, 306 4 Plzeň, +420 377 63 4423, pitterma@kev.zcu.cz 3 Doc. Ing. Karel Zeman CSc., Univerzitní 8, 306 4 Plzeň, +420 377 63 4404, zeman@kev.zcu.cz
66 Proceedings of the Conference "Modern Safety Technologies in Transportation - MOSATT 2005" Figure Princip paralelního kolejového obvodu Navíc i některá poškození trati (např. lom kolejnice) způsobí přerušení proudu tekoucího do příjimač FID což má za následek, že takto poškozený úsek trati se jeví jako obsazený a tím se automaticky nastaví zákaz vjezdu do tohoto úseku. Dále lze zabezpečovací proud zdroje FIK kódovat tak, aby se strojvedoucímu mohla hlásit na návěst na následujícím návěstidle (tzv. liniový vlakový opakovač LVZ, který může zastavit vozidlo v případě, že by strojvůdce nezastavil u návěsti stůj). Z toho je tedy zřejmé, že kolejové obvody poskytují drážní dopravě značných výhod jak tak i z hlediska možností automatizace provozu (a tím i možnosti výrazně zvýšit propustnost trati), tak i z hlediska zvýšení bezpečnosti provozu. Z hlediska dosažení vysokého stupně spolehlivosti a především bezpečnosti (jak je u železniční dopravy požadovány) je skutečná realizace kolejových obvodů mnohem složitější (obr.. z důvodu názornosti značně zjednodušeno) - například příjimače FID detekují jen takový zabezpečovací proud, který má nejen dostatečnou amplitudu ale i správnou frekvenci a fázi (případně se testují správný tvar proudu např. impulsní kolejové obvody), dále je konstrukce těchto zařízení provedena tak, aby jakákoliv porucha nikdy nevedla na nebezpečný stav (například kolejové relé.bezpečnostní třídy musí mít zaručen odpad kotvy gravitací aby se vyloučil stav, že by mohl pružina prasknout). Všechny tyto aspekty tak mají zásadní vliv na to, že reálný kolejový obvod je investičně velmi nákladný a pro laického pozorovatele může vytvářet dojem až archaické konstrukce (z důvodu dosažení vysoké bezpečnosti a spolehlivosti jsou konstruovány značně robustnostně).. Vliv trakčního proudu na kolejový obvod Pokud je trať elektrifikována (nebo pokud je použito elektrické vytápění vlaku), pak kolejnicemi teče rovněž i zpětný proud z hnacích vozidel zpět do napájecí stanice (resp. zpět do lokomotivy). Např. na obr. je naznačen trakční proud tlustými šipkami předpokládáme zde, že tento proud teče zleva doprava - přes několik kolejových obvodů a jejich stykové transformátory DT směrem k napájecí stanici (k tomuto proudu superponuje proud z vozidla v KO). Trakční proud od jedné lokomotivy je řádově až několik kiloampéry (např. na stejnosměrné troleji 3kV, výkony 2 až 4 MW), trakční proud se může v daném úseku sčítat od několika lokomotiv najednou (úseky mezi měnírnami cca 40 km). V případě, že jsou všechny kolejové obvody realizovány ideálně symetricky, pak se trakční proud rovnoměrně rozdělí (v každém kolejnicovém pásu teče polovina trakčního proudu) a proto se účinky tohoto trakčního proudu navzájem vykompenzují (tj. na stykových transformátorech DT na obou koncích každého kolejového obvodu se trakční proudy tekoucí kolejnicemi se v DT od sebe odečtou a tím je situace shodná s případem řešeným v předcházející kapitole). Tímto způsobem lze tak využít kolejnic nejen k vedení zabezpečovacího proudu ale současně i k vedení zpětného trakčního proudu. S ohledem na to, že v reálném provozu existuje velmi reálné nebezpečí vzniku nesymetrie kolejového obvodu (například vlivem toho, že se měděné spojky mezi kolejnicemi často stávají terčem nenechavosti některých našich spoluobčanů) je nutno zajistit bezpečnou funkci kolejového obvodu i za těchto podmínek. Na obr. je naznačeno, že v kolejovém obvodu KO4 je zvýšena impedance jednoho pásu kolejnic, proto trakční proud teče z větší části jen jednou kolejnicí (v obr. levou), ve stykovém transformátoru DT4 tak může vzniknout rozdíl proudů, který může naindukovat rušivý proud do kolejového relé FID4 (na obr. je tento rušivý proud naznačen tlustou přerušovanou šipkou). Z toho příkladu je zřejmé, že výstroj kolejového obvodu musí být jednak konstruována dostatečně robustně (aby touto poruchou nedošlo k poškození proto jsou ve skutečnosti v obvodu zapojeny regulační a ochranné impedance). Navíc je zřejmé, že je nutno zaručit, aby tento rušivý proud v žádném případě nevyvolal přítah kotvy kolejového relé FID4. Pokud by totiž
Proceedings of the Conference "Modern Safety Technologies in Transportation - MOSATT 2005" 67 toto relé přitáhlo vlivem trakčního proudu, pak by se kolejový obvod KO4 chybně vyhodnotil jako volný (ačkoliv ve skutečnosti může být i obsazený viz obr.). Tento falešný přítah by tak za jistých okolností mohl mít za následek tragické následky na bezpečnost dopravy (například by to mohlo povolit vjezd dalšího vlaku do obsazeného úseku, předčasné zrušení závěru vlakové cesty nebo nespuštění výstrahy na přejezdovém zabezpečovacím zařízení). Ačkoliv je tento nebezpečný poruchový stav do jisté míry eliminován (např. fázová citlivost kolejových relé, úplná bloková podmínka atd.), přesto je z důvodu vysokých požadavků na bezpečnost železniční dopravy nutno vyloučit byť i jen teoretickou možnost vzniku tohoto nebezpečného stavu. Pro zabránění tohoto nebezpečného stavu se proto používají tato protiopatření :. Jako příjimače FID zabezpečovacího proudu z kolejového obvodu se používají speciálně konstruovaná zařízení, která jsou odolná proti vlivu cizích proudů (např. kolejová relé, která reagují jen na velmi úzké pásmo frekvencí v okolí pracovního kmitočtu kolejového obvodu, přitom navíc kontrolují i správnost fáze atd.). 2. Dále je nutné, aby výstupní proud z každého zde provozovaného vozidla (tj. trakční pohon, pomocné pohony, zařízení napájená z kabelu vlakového topení) neobsahoval frekvence, které by mohly ovlivnit funkci kolejového obvodu. 3. A navíc zavadí požadavek jisté minimální doby, kdy musí být příjímaný signál o správných parametrech - tzn. pokud vlivem krátkého přechodového děje ve vozidle vznikne nebezpečné spektrum frekvencí ve výstupním proudu z vozidla, pak by ještě nemělo dojít k ovlivnění příjimače FID (tj. kolejové relé nestačí sepnout). Z hlediska stavby trakčních vozidel je tedy podstatná podmínka 2. V podmínkách našich drah (ČD a ŽSR) se na tratích elektrifikovaných stejnosměrnou napájecí soustavou (a na tratích neelektrifikovaných) používají (a zejména používaly) kolejové obvody pracující na frekvenci 50 Hz (tam kde nehrozí nebezpečí ovlivnění od všeužitečného energetického rozvodu), dále se používají univerzální kolejové obvody pracující na frekvenci a jiné (např. 275 Hz, impulsní kolejové obvody na frekvenci 25 Hz). Proto musí být zaručeno, že trakční vozidlo se nikdy (tj. ani při poruše) nestane zdrojem těchto (a jim blízkých) frekvencí. U závislých vozidel první generace (stupňová regulace) vnikají rušivé proudy jen během přechodových stavů. U stejnosměrných vozidel druhé generace (plynulá regulace stejnosměrného motoru pulsním měničem) bylo nutno povolit spínací frekvenci jen na několika hodnotách (např. 300Hz, 00Hz, 33Hz). V případě nejmodernějších vozidel (např. příměstské jednotky ČD řady 47) s asynchronními motory se stejnosměrným meziobvodem napájeným přímo ze stejnosměrné troleje (obr.2) existují obavy, že vstupní proud do střídače (a tedy i proud vystupující z vozidla) může za jistých okolností v sobě obsahovat frekvence, které by mohly mít vliv na zabezpečovací obvody (výstupní frekvence střídače se totiž musí plynule měnit s aktuální rychlostí vozidla). Proto se (například viz [3], [4] ) věnuje značná pozornost analýze proudu odebíraného napěťovým střídačem napájecího asynchronní trakční motor (viz obr.3). S ohledem na výhledovou možnost používat vozidla i na tratích cizích železničních správ (resp. v souvislosti s liberalizace přístupu soukromých na tratě) v poslední době zesilují požadavky na tzv. interoperabilitu vozidla (tj. získat oprávnění k provozu vozidla např. v celé Evropě nebo alespoň v její části). Tyto požadavky tak s sebou samozřejmě nesou podmínku, aby tato vozidla nebyla zdrojem rušení ani pro kolejové obvody používané u sousedních (a dalších) železničních správ (které často používají kolejové obvody pracující na zcela jiných frekvencích). To má navíc za následek, že pro moderní vozidla (u kterých je právě problém zabránění rušení kolejových obvodů nejsložitější) budou v souvislosti s nutností splnit podmínek interoperability paradoxně kladeny mnohem přísnější požadavky, než tomu bylo v dříve. Z [] je zřejmé, rušivé proudy vozidel jsou povoleny v hodnotách až o 4 řády nižších, nežli jsou hodnoty trakčního proudu. 2 PROBLEMATIKA FOURIEROVY ANALÝZY NEPRAVIDELNĚ PROBÍHAJÍCÍCH VELIČIN Fourierova analýza při výběru okna předpokládá, že se v následujících intervalech bude průběh analyzované funkce periodicky opakovat. Periodu signálů veličin srovnávaných pohonů však lze určit pouze při idealizované modulaci, ne obecně. Pro posouzení výsledku při různé volbě okna byl zvolen jednoduchý signál se známým spektrem. Z obr. 2 je zřejmé, že obdélníkové okno s délkou celého
68 Proceedings of the Conference "Modern Safety Technologies in Transportation - MOSATT 2005" násobku periody analyzovaného signálu dává očekávané čárové spektrum, při použití obdélníkového okna nesynchronizovaného s periodou analyzovaného signálu je vypočtené spektrum je spojité. Pro posouzení byla jako nejhorší případ zvolena délka okna o půlperiodu větší než celistvý násobek. Chyba výsledků je podstatně závislá na šířce okna. Při šířce okna cca s, jsou výsledky výpočtu využitelné. Hammingovo okno [2] přináší další potlačení postranních pásem. Dochází však k chybě v amplitudě, V grafu není chyba příliš zřetelná kvůli zvolenému logaritmickému měřítku..00e+00.00e-0.00e-02.00e-03.00e-04 0 500 000 500 2000 obd. okno T=0.s, f(t)=sin(2*pi*20*t)+sin(2*pi*200*t)+sin(2*pi*2000*t) obd. okno T=0.s, f(t)=sin(2*pi*25*t)+sin(2*pi*205*t)+sin(2*pi*2005*t) obd. okno T=s, f(t)=sin(2*pi*20.5*t)+sin(2*pi*200.5*t)+sin(2*pi*2000.5*t) Hammingovo okno T=s, f(t)=sin(2*pi*20.5*t)+sin(2*pi*200.5*t)+sin(2*pi*2000.5*t) Figure 2 Závislost vypočteného frekvenčního spektra na výběru okna 3 ANALYZOVANÝ POHON Simulovaný pohon je použit v hnacím vozidle příměstské jednotky řady 47. Výkonové schéma je na obr. 3, řízení střídače je realizováno na základě koincidencí řídícího napětí s pilovým signálem o frekvenci 795Hz. Pro omezený rozsah příspěvku nejsou uvedeny výsledky harmonické analýzy všech elektrických veličin, ale pouze proudu It odebíraného vozidlem z troleje v souladu s []. Figure 3 Schéma výkonové části pohonu hnacího vozidla řady 47 4 VÝSLEDKY Pro přehlednější posouzení jednotlivých vlivů byla reálná funkce řídícího mikropočítače simulována postupně. Na obr. 4 jsou výsledky při ideálním generování PWM. Ve střídači se však uplatňují mrtvé časy při přechodu proudu ze zpětné diody na tranzistor (obr.5) a úbytky na polovodičích (obr.7). Mikropočítač neporovnává řídící napětí s pilovým signálem signálem spojitě, ale načte si jej do registru, kde je hodnota držena po celou dobu periody pily (obr. 6). Z důvodu omezeného prostoru jsou uvedeny výsledky pouze pro jednu statorovou frekvenci fs=50hz, frekvence pily fp=795hz. Pro ostatní statorové frekvence jsou výsledky obdobné. Měřítko je voleno s ohledem na proudový limit v [], velikost stejnosměrné složky je cca 320A
Proceedings of the Conference "Modern Safety Technologies in Transportation - MOSATT 2005" 69 0. 0 200 400 600 800 000 200 400 600 800 2000 Figure 4 Ideální střídač a PWM 0. 0 200 400 600 800 000 200 400 600 800 2000 Figure 5 Respektovány mrtvé časy 0. 0 200 400 600 800 000 200 400 600 800 2000 Figure 6 Reálně vyhodnocovaná PWM vzorkované řídící napětí 0. 0 200 400 600 800 000 200 400 600 800 2000 Figure 7 Respektovány úbytky na polovodičích 0. 0 200 400 600 800 000 200 400 600 800 2000 Figure 8 Všechny vlivy respektovány
70 Proceedings of the Conference "Modern Safety Technologies in Transportation - MOSATT 2005" 5 ZÁVĚR Při idealizovaném řízení jsou ve spektrech pouze známé frekvence okolo násobků spínacího kmitočtu (k f pily +l 3 f statorová pro nesymetrickou pilu, v souladu s [3] a [4]) a frekvence ležící v oblasti rezonančního kmitočtu pohonu [4]. Při simulaci reálně pracujícího vektorové řízení a reálného střídače se objevují nízké frekvence, z nichž některé jsou násobky statorového kmitočtu. Problematika kmitočtu 3 fs je podrobněji zpracována v [4], konkrétní původ a možnosti potlačení nebo posunutí ostatních frekvencí jsou věcí dalšího zkoumání. Support of the research project no. MPO ČR FI-IM2/07 is strongly acknowledged LITERATURA. ČSN 34 263 2. ARRILLAGA, J., WATSON, N.: Power system harmonics, ISBN 0-470-8529-5 3. DANZER, J. Elektrická trakce II., Plzeň : Západočeská univerzita, 200 4. ZEMAN, K.; JANDA, M. Harmonická analýza proudu ve stejnosměrném meziobvodu střídače. Plzeň : 27.. 2003 Recenzent: prof. Ing. Tobiáš LAZAR, DrSc., Letecká fakulta TU v Košiciach, Rampová 7, 042 Košice, e-mail: tobias.lazar@tuke.sk