Laboratorium Automatyki i Sterowania Ruchem Kolejowym



Pobieranie 212.11 Kb.
Data03.05.2016
Rozmiar212.11 Kb.
Politechnika Łódzka

Wydział Elektrotechniki, Elektroniki,

Informatyki i Automatyki

Instytut Elektroenergetyki

Zespół Trakcji Elektrycznej


Laboratorium Automatyki i Sterowania Ruchem Kolejowym




ĆWICZENIE A10

BADANIE OBWODÓW PRZEWODOWYCH DLA TRANSMISJI INFORMACJI W SYSTEMACH ATC NA LINIACH METRA



  1. Wprowadzenie

Nowoczesne systemy automatycznego prowadzenia pociągu ATC (Automatic Train Control) oparte są o transmisję do pojazdu informacji pochodzących z urządzeń sterowania ruchem kolejowym. Sygnał elektryczny, którym przesyła się telegram binarny zawierający zakodowane informacje, dociera do urządzeń pojazdowych systemu za pośrednictwem albo urządzeń punktowego przekazywania informacji – balis albo obwodami ciągłego przekazywania, którymi są szyny kolejowe lub obwody przewodowe. Przyszłościowym medium transmisyjnym jest radio.

Obwód przewodowy usytuowany wzdłuż toru jest najlepszym medium transmisji informacji z toru do pojazdu w warunkach metra. Obwód ten stanowi specjalnie układana między szynami pętla przewodu o dostosowanej do potrzeb systemu długości. Zapewnia ciągły dopływ informacji do urządzeń pojazdowych, a więc bieżące ich uaktualnianie. Jest galwanicznie oddzielony od szyn, a więc w minimalnym stopniu narażony na zakłócające oddziaływanie prądów płynących szynami (powrotny prąd trakcyjny, prąd kontroli zajętości toru). Jednocześnie obwód ten, z racji swych parametrów elektrycznych, charakteryzuje się niewielką tłumiennością.

Obwód przewodowy, przez specjalne jego układanie (np. skrzyżowania) umożliwia wyróżnianie określonych punktów w torze, co można wykorzystać w systemie ATC do lokalizacji pociągu na szlaku, także do eliminacji zakłóceń indukowanych od prądów płynących szynami.

Te wszystkie zalety obwodu przewodowego mogą być najlepiej wykorzystane w metrze, gdzie nie występuje niebezpieczeństwo zniszczenia lub kradzieży przewodu transmisyjnego.

Systemy ATP/ATC z transmisją obwodem przewodowym zastosowane są na wielu liniach metra miast europejskich. Należy do nich metro warszawskie, gdzie eksploatowany jest system SOP-2. Zastosowano w nim pętle transmisyjne układane między szynami, o długościach równych długościom obwodów torowych służących do kontroli stanu zajętości toru i sygnał z cyfrową modulacją częstotliwości 36,6 ± 06 kHz.

Przy transmisji obwodem przewodowym odbiór sygnału odbywa się poprzez sprzężenie anteny (cewki) umieszczonej pod pudłem pojazdu, w której indukuje się sygnał proporcjonalny do wartości prądu w pętli i jego częstotliwości. Spełnienie warunku ciągłości transmisji wymaga, aby pętle przewodowe ułożone wzdłuż toru zapewniały właściwy poziom sygnału w antenie odbiorczej, dostosowany do czułości układu wejściowego odbiornika. Właściwy poziom odbieranego sygnału jest uwarunkowany wartością prądu w pętli.

Pętle przewodowe, przy stosowanych w praktyce wartościach częstotliwości sygnału, należy rozpatrywać jako obwody o parametrach rozłożonych. Dlatego wykonanie niniejszego ćwiczenia wymaga znajomości części teoretycznej oraz wyników pomiarów przeprowadzonych w ramach ćwiczenia „Badanie obwodów o parametrach rozłożonych”.




  1. Obwody transmisyjne systemu ATC w warunkach metra

Jeżeli system ATC zastosowany na linii metra wykorzystuje obwody przewodowe do transmisji informacji z toru do pojazdu, to każda pętla przewodowa umieszczona w torze musi być połączona ze swoim nadajnikiem usytuowanym w przekaźnikowni na najbliższej stacji. Połączenie to realizowane jest za pośrednictwem kabla o odpowiedniej długości – rys. 2.1.

Ze względu na stosowane częstotliwości sygnału oba obwody: kabel łączący oraz pętla przewodowa w torze są obwodami o parametrach rozłożonych. Nadawczy układ transmisyjny kabel-pętla stanowi zatem szeregowe połączenie dwóch obwodów o parametrach rozłożonych, w których występują zjawiska falowe. Układ fal prądu w kablu i pętli wpływa na zakres zmienności sygnału indukowanego w pojazdowej antenie odbiorczej, która sprzężona jest obwodem (pętlą) przewodowym. Problem występujących w tym przypadku zjawisk falowych jest zatem ważny ze względu na ciągłość i jakość transmisji informacji do pojazdu.

Rys. 2.1 Pętle przewodowe w torze zasilane za pośrednictwem kabla

z nadajników N umieszczonych w przekaźnikowni


Ze względu na to, że sygnał odebrany w pojeździe jest proporcjonalny do wartości prądu w danym miejscu pętli przewodowej, występujące w niej fale prądu nie mogą prowadzić do zaników transmisji ani do zbyt dużej zmienności prądu wzdłuż obwodu. Najlepiej, jeżeli prąd na całej długości pętli przewodowej ma wartość zawartą w określonym, dopasowanym do czułości pojazdowego odbiornika, możliwie wąskim, przedziale.

W celu przeanalizowania występujących zjawisk falowych rozpatrywany dalej będzie obwód transmisyjny stanowiący szeregowe połączenie odcinka kabla o długości lk łączącego pętlę przewodową z nadajnikiem oraz pętli przewodu o długości lp usytuowanej w torze – rys. 2.2.

W warunkach rzeczywistych długości odcinków kabla zasilającego wynikają z długości odcinków międzyprzystankowych występujących na linii metra. Długości pętli zależą od przyjętego w systemie zasięgu przekazywania informacji.

Rys.2.2 Obwód transmisyjny kabel – pętla przewodowa


Transmisyjny obwód przewodowy zastosowano w systemie SOP-2 w metrze w Warszawie, gdzie długości pętli przewodowych ułożonych w torze nie przekraczają 300 m, a długości kabla nie przekraczają 700 m.

Na rozkład fali i wartości prądu wzdłuż obwodu przewodowego, jak w przypadku każdej linii długiej, ma wpływ długość i obciążenie obwodu oraz wartość prądu, którym obwód jest zasilany. Ponieważ pętla przewodowa jest zasilana przez kabel łączący, prąd zasilający pętlę jest prądem występującym na końcu kabla i zależy od rozkładu fali prądu wzdłuż kabla, który jest obciążony impedancją wejściową pętli – rys.2.3.

Rys.2.3 Obciążenie kabla impedancją wejściową pętli


Impedancja wejściowa linii długiej zależy, między innymi, od jej obciążenia. W przypadku pętli usytuowanej w torze stosuje się najprostsze eksploatacyjnie rozwiązanie jej obciążenia – zwarcie na końcu. Przemawia za tym dążenie do ograniczenia liczby dodatkowych elementów montowanych w torze, jak i oszczędności energetyczne. Dopasowanie falowe pętli jest nie korzystne, gdyż wiązałoby się z obciążeniem jej na końcu impedancją falową. Ponieważ impedancja falowa ma charakter rzeczywisty (jest rezystancją), na rezystorze wydzielałaby się moc wielokrotnie przekraczająca straty mocy w pętli zwartej na końcu.

Zakładając , że pętla przewodowa jest zwarta, znany jest teoretyczny przebieg fali prądu oraz zależność impedancji wejściowej pętli (stanowiącej impedancję obciążenia kabla) od jej długości.

Przy zwarciu pętli na końcu, teoretyczny przebieg fali prądu ma minimum w odległości równej ćwierci długości fali /4 od końca pętli – rys.2.4 a. Oznacza to, że przy długości pętli lp < p/4 nie wystąpi zanik transmisji i prąd wzdłuż pętli będzie narastał. Zatem w pętlach przewodowych, których długość jest mniejsza od długości ćwierci fali przebieg prądu wzdłuż pętli jest korzystny z punktu widzenia transmisji informacji do pojazdu. Gdy pętle przewodowe są dłuższe, będą występowały zaniki transmisji, co jest niedopuszczalne.

Rys.2.4 Fala prądu w pętli zwartej na końcu (a) oraz kablu

obciążonym pętlą zwartą na końcu (b)

Impedancja wejściowa pętli zwartej na końcu, zakładając, że jest to linia bez strat, ma charakter indukcyjny lub pojemnościowy w zależności od długości pętli – rys.2.5. Przy spełnieniu warunku prawidłowej transmisji lp < p/4 impedancja wejściowa pętli ma charakter indukcyjny i taką impedancją jest obciążony kabel.

Rys.2.5 Impedancja wejściowa linii bez strat zwartej na końcu


Fala prądu w kablu obciążonym pętlą zwartą na końcu jest usytuowana tak (rys.2.4 b), że minimum prądu znajduje się w odległości d mniejszej niż ćwierć fali k/4 liczonej od końca kabla. Wniosek stąd, że przy pętli zwartej na końcu przebieg prądu w kablu jest korzystny z punktu widzenia transmisji, jeżeli odległość d jest większa od długości kabla lk. Wtedy prąd wzdłuż kabla narasta. Jeżeli zaś odległość d jest mniejsza od długości kabla, wystąpi w kablu część fali prądu zawierające minimum i przy małej odległości d pętla może być zasilana zbyt niską wartością prądu.

Teoria linii długich wykazuje, że odległość d liczona od końca linii do miejsca występowania minimum prądu (rys.2.4 b) zależy od impedancji falowej i impedancji obciążenia linii. W rozważanym przypadku wartość impedancji obciążającej kabel zależy od długości pętli. Przy lp < p/4 wraz ze zwiększającą się długością pętli rośnie jej impedancja wejściowa (rys. 2.5), maleje zatem odległość d.

Wynika z tego, że mogą się w praktyce znaleźć przypadki par kabel-pętla o takich długościach lk i lp, które sprawią, że mimo spełnienia warunku lp < p/4, prąd w pętli będzie zbyt mały i nie zapewni prawidłowej transmisji. Przyczyną będzie taki układ fali prądu w kablu, że przy właściwej wartości prądu zasilającego z nadajnika, prąd na końcu kabla, zasilający pętlę, będzie miał małą wartość.

Należy wtedy indywidualnie dostroić układ kabel – pętla. Możliwość jego dostrojenia wynika z charakteru impedancji wejściowej całego układu kabel – pętla, który zależy od obu długości lk i lp. Możliwość jego dostrojenia wynika z charakteru impedancji wejściowej układu kabel – pętla, który zależy od obu długości lk i lp. Przykładowy przebieg modułu i argumentu impedancji wejściowej układu kabel-pętla w funkcji długości kabla lk przy lp = const. przedstawia rys. 2.6.

Rys.2.6 Przykładowy przebieg modułu i argumentu impedancji wejściowej układu kabel-pętla w funkcji długości kabla, przy założeniu lp = const.


Wnioskować z tego można, że każdy układ kabel – pętla ma swoją częstotliwość rezonansową. Jeżeli rezonans własny tego układu znajduje się blisko częstotliwości sygnału nośnego, powstaną korzystne warunki transmisyjne.

Jeżeli impedancja wejściowa układu kabel-pętla ma charakter indukcyjny (nadajnik jest obciążony indukcyjnie), częstotliwość własna tego układu transmisyjnego jest większa od częstotliwości sygnału generowanego przez nadajnik. Układ można wtedy dostroić do rezonansu przez przyłączenie równolegle do pętli (w miejscu połączenia jej z kablem) kondensatora o dobranej pojemności.

Jeżeli impedancja wejściowa układu kabel-pętla ma charakter pojemnościowy (nadajnik jest obciążony pojemnościowo), rezonans własny układu transmisyjnego występuje przy częstotliwości niższej od częstotliwości sygnału wysyłanego przez nadajnik. Dostrojenie w tym przypadku polega na włączeniu kondensatora szeregowo z pętlą.

Celem badań prowadzonych w ramach niniejszego ćwiczenia jest zapoznanie się na modelu laboratoryjnym z wpływem zjawisk falowych na warunki transmisji w układzie kabel-pętla, które ocenione zostaną na podstawie rozkładu prądu wzdłuż pętli przewodowej.

Pomiary przeprowadzone w ramach ćwiczenia stanowią podstawę do oceny możliwości współpracy obwodów kabla i pętli o różnych długościach w najprostszym eksploatacyjnie przypadku, kiedy pętla zwarta jest na końcu. Ponadto pomiary pozwolą sprawdzić i ocenić, jakie są możliwości dostrojenia obwodów w celu poprawy transmisji – zwiększenia wartości prądu w pętli.


  1. Stanowisko laboratoryjne

Model laboratoryjny układu transmisyjnego kabel-pętla przedstawiony jest na rys. 3.1


Rys. 3.1 Model laboratoryjny układu transmisyjnego kabel-pętla

Do badań przyjęto:


  • Obwód kablowy o maksymalnej długości 1000 m i jednostkowych parametrach elektrycznych: R = 42 /km

L = 0,66 mH/km

G = 0,01 mS/km

C = 67 nF/km

  • Obwód przewodowy o maksymalnej długości 500 m i jednostkowych parametrach elektrycznych: R = 23 /km

L = 2,75 mH/km

G = 0,01 mS/km

C = 33 nF/km
Oba obwody posiadają parametry, jakie zastosowano dla kabli łączących nadajniki z pętlami transmisyjnymi i pętli ułożonych w torze w systemie automatycznego ograniczania prędkości SOP-2 w metrze w Warszawie.
Do dyspozycji jest:

  • 5 jednakowych czwórników kablowych z parametrami skupionymi RLC, z których każdy odwzorowuje 200 m kabla o założonych parametrach jednostkowych;

  • 5 jednakowych czwórników pętlowych z parametrami skupionymi RLC, z których każdy odwzorowuje 100 m pętli o założonych parametrach jednostkowych

Taki zestaw czwórników pozwala na łączenie par kabel-pętla o różnych długościach.

Rezystancje w czwórnikach, stanowiące rezystancję obwodu o parametrach rozłożonych o długości, którą odwzorowuje czwórnik, służą do pomiaru prądu w linii (mierzy się spadek napięcia na nich). Wartości ich wynoszą:


  • w czwórniku kablowym R = 3,9

  • w czwórniku pętlowym R = 0,48


Obwody zasilane są z nadajnika generującego sygnał z cyfrową modulacją częstotliwości o częstotliwości średniej 36,6 kHz oraz dewiacji 0,6 kHz.

Do obciążenia czwórnika pętli przewodowej wykorzystuje się rezystancję falową Rf = 294 .




  1. Wykonanie pomiarów




    1. Parametry falowe linii kablowej i przewodowej

Na podstawie obliczeń przeprowadzonych w ramach ćwiczenia laboratoryjnego „Badanie obwodów o parametrach rozłożonych” wyznaczono następujące parametry falowe obu linii dla częstotliwości 36,6 kHz:

obwód kablowy: Zfk = 100 Ω

βk = 1,53 1/km

λk = 4,1 km
obwód przewodowy: Zfp = 289 Ω

βp = 2,19 1/km

λp = 2,87 km
Dla celu badań prowadzonych w ramach niniejszego ćwiczenia należy:


  1. stwierdzić, czy spełniony jest warunek lpmax < λp/4;

  2. określić teoretyczny rozkład prądu wzdłuż pętli przewodowej o maksymalnej długości badanej w modelu, zwartej na końcu;

  3. określić charakter (indukcyjny lub pojemnościowy) impedancji wejściowej pętli o maksymalnej długości zwartej na końcu;

  4. określić teoretyczny rozkład prądu wzdłuż kabla obciążonego impedancją wejściową pętli przewodowej zwartej na końcu.




    1. Wyznaczenie rozkładu prądu wzdłuż obwodu kablowego obciążonego pętlą przewodową zwartą na końcu

Połączyć nadajnik z obwodem kablowym o założonej długości lk. Obciążyć go pętlą przewodową o założonej długości lp, zwartą na końcu.

Dla każdej długości obwodu kablowego lk = 200, 400, 600, 800, 1000 m pomierzyć rozkład prądu wzdłuż obwodu przy obciążeniu go pętlą przewodową zwartą na końcu o długości lp. Pomiary wykonać dla wszystkich długości pętli lp = 100, 200, 300, 400, 500 m.

Dla wyznaczenia prądu w obwodzie kablowym należy mierzyć spadek napięcia ΔU na odpowiednich rezystancjach czwórników,

Dla każdej pary kabel-pętla mierzyć napięcie na wejściu układu.

Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli 1, gdzie:



U0 – napięcie na wejściu układu kabel-pętla,

ΔU0, ΔU200, ΔU400 .... ΔU1000spadek napięcia na rezystancji czwórnika kablowego (do wyznaczenia wartości prądu), odpowiednio dla x = 0, 200, 400 .... 1000 m.
Tabela 1: Rozkład prądu wzdłuż linii kablowej obciążonej pętlą przewodową zwartą na końcu – pomiary

lk [m]

lp [m]

U0 [mV]

U0 [mV]

U200 [mV]

U400 [mV]

U600 [mV]

U800 [mV]

U1000 [mV]

200

100






















200






















300






















400






















500






















400

100






















200






















300






















400






















500






















600

100






















200






















300






















400






















500






















800

100






















200






















300






















400






















500






















1000

100






















200






















300






















400






















500






















Na podstawie uzyskanych pomiarów określić:

  • wartość prądu I0 na początku kabla,

  • wartości prądu wzdłuż kabla w odniesieniu do wartości prądu na początku kabla ,

  • impedancję wejściową Zwek układu kabel-pętla,

  • charakter impedancji Zwek (indukcyjny – ind, pojemnościowy – poj),

  • wartość prądu I0p na początku pętli.

Wyniki obliczeń zamieścić w tabeli 2.

Tabela 2: Impedancja wejściowa układu kabel-pętla i prąd wejściowy pętli – obliczenia



lk [m]

lp [m]

I0 [mA]











Zwek[]

charakter

Zwek

I0p [mA]

200

100




























200




























300




























400




























500




























400

100




























200




























300




























400




























500




























600

100




























200




























300




























400




























500




























800

100




























200




























300




























400




























500




























1000

100




























200




























300




























400




























500




























Na podstawie uzyskanych wyników:
1. sporządzić charakterystyki impedancji wejściowej układu kabel-pętla w funkcji długości pętli, dla każdej długości kabla - Zwek(lp) przy lk = const, zaznaczając charakter impedancji (ind, poj);

2. sporządzić wykresy rozkładu prądu wzdłuż kabla w postaci przy lk = const, na wspólnym wykresie pęk krzywych łamanych dla różnych długości pętli lp;

3. sporządzić charakterystyki wartości prądu na wejściu pętli w funkcji długości kabla, dla każdej długości pętli – I0p(lk) przy lp = const (krzywa łamana).

4. skomentować uzyskane wyniki;

5. określić, w jakich przypadkach występuje w obwodzie kablowym minimum (węzeł) prądu.

6. wskazać przypadki, w których węzeł prądu występując zbyt blisko końca kabla powoduje zbyt mały prąd wejściowy pętli (założyć np. minimum I0p = 50 mA).



  1. sformułować wniosek dla każdej długości pętli zwartej na końcu, z jaką długością kabla może współpracować.



    1. Pomiary prądu w obwodzie kablowym obciążonym pętlą przewodową obciążoną falowo

Pomiary przeprowadzone w tym punkcie pozwolą ocenić, czy obciążenie falowe pętli przewodowej powoduje poprawę warunków transmisji tzn. zwiększenie prądu wpływającego do obwodu pętli, w stosunku do przypadku zwarcia pętli na końcu.

Teoretycznie impedancja wejściowa linii długiej obciążonej falowo (obciążonej impedancją falową) jest równa impedancji falowej linii, niezależnie od jej długości.

W celu sprawdzenia tej zasady należy dla dowolnego układu kabel-pętla (dowolne długości obu obwodów) obciążyć obwód pętli przewodowej rezystancją falową Rf = 294  i sprawdzić, czy prąd w obwodzie kablowym zależy od długości pętli. Wynik pomiarów zanotować jako wniosek do tego punktu.

Dla obwodu kablowego o największej długości obciążonego pętlą przewodową dopasowaną (obciążoną) falowo sprawdzić, czy rozkład prądu wzdłuż obwodu odpowiada przebiegowi teoretycznemu. Wyniki pomiarów zanotować jako wniosek do tego punktu.

Dla obwodów kablowych o wszystkich długościach lk = 200, 400, 600, 800, 1000 m, obciążonych pętlą przewodową dopasowaną falowo, pomierzyć wartości prądu wejściowego pętli I0p. Wyniki pomiarów zanotować w tabeli 3.


Tabela 3. Prąd wejściowy pętli przewodowej obciążonej falowo, zasilanej obwodem kablowym o różnej długości lk

lk [m]

200

400

600

800

1000

U0 [mV]
















I0p [mA]
















Na podstawie uzyskanych wyników ocenić, czy obciążenie falowe pętli przewodowej powoduje zwiększenie prądu wejściowego pętli, w stosunku do przypadku zwarcia.


4.4 Pomiary rozkładu prądu w obwodzie kablowym przy dostrojeniu układu kabel-pętla
Na podstawie wyników pomiarów z punktu 4.2 wybrać kilka przypadków układów kabel-pętla, w których występują niezadowalające warunki transmisyjne, tzn. zbyt mała wartość prądu wpływającego do pętli.

Dla wybranego układu dołączyć pojemność C zgodnie z rys.4.1. Do pomiarów wykorzystać dekadę pojemnościową.




Rys. 4.1 Układ kabel-pętla z pojemnością dostrajającą
Mierząc prąd na wejściu pętli I0p regulować wartość pojemności tak, aby uzyskać maksimum wartości I0p. Odczytać wartość optymalnej pojemności C0pt. Wyniki zapisać w tabeli 4. Pomiary powtórzyć dla innych par kabel-pętla.

Tabela 4. Wartości pojemności dostrajającej układ kabel-pętla



[mm/mm]

I0p [mA]

U0 [mV]

I0p[mA]

Copt [F]

bez C

z C
















































  1. Wykonanie sprawozdania

Sprawozdanie powinno zawierać:



  • opis wykonanych pomiarów,

  • tabele z wynikami pomiarów i obliczeń,

  • charakterystyki, komentarze i oceny wymienione w punkcie dotyczącym wykonania ćwiczenia,

  • uwagi i wnioski ogólne.











©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna