Методики расчета электродвижущей силы на выходе локомотивных приемных катушек (Раздел дипломной работы)

3 Методики расчета электродвижущей силы на выходе локомотивных приемных катушек

3.1 Процесс формирования сигнальной электродвижущей силы на выходе локомотивных приемных катушек

Основным типом системы автоматического регулирования, используемым в настоящее время на отечественных железных дорогах, является автоматическая локомотивная сигнализация непрерывного типа. Данная система за длительный период эксплуатации показала высокие эксплуатационно-технические характеристики. Основной проблемой, ограничивающей возможности, потенциально заложенные в данной системе, является ее относительно невысокая динамическая помехоустойчивость.

АЛСН, как функциональное дополнение автоблокировки, работает по сигналам автоблокировки, которые передаются непрерывно в приемные устройства АЛСН путем магнитоиндукционного взаимодействия между рельсом и локомотивной приемной катушкой. Решение проблемы повышения помехоустойчивости в первую очередь требует наличие возможностей и соответствующих теоретических и экспериментальных методик точной оценки величины сигнальной электродвижущей силы на выходе локомотивной приемной катушки.

Рассмотрим процесс формирования сигнальной ЭДС на выходе локомотивной катушки. Структурная схема системы АЛСН представлена на рисунке 3.1.

Рис. 3.1. Структурная схема системы АЛСН

В пределах каждой РЦ устраивается отдельный канал связи со своей передающей аппаратурой. Для передачи информации с пути на локомотив в пределах каждого блок-участка организуется рельсовая цепь, которая запитывается импульсами переменного тока числового кода. Напряжение этих импульсов формируется с помощью шифратора (Ш)  под воздействием датчика пути (ДП) и с выхода путевого передатчика (ПП) поступает в рельсовую цепь, где замыкается через колесную пару поезда. Протекание в рельсах импульсов переменного тока сопровождается образованием вокруг рельсов переменного магнитного поля, в котором перемещаются приемные катушки локомотива. В каждой рельсовой нити данной цепи протекает сигнальный ток силой  и . Направление протекания этих токов под локомотивными приемными катушками (ЛПК)  и  взаимно противоположное, так что ЭДС, возбуждаемая каждым из этих токов в левой и правой катушках ( и ) складываются, образуя на выходе пары ЛПК выходную ЭДС .

Расположение сердечника катушки над рельсом показано на рисунке 3.2.

Рис. 3.2. Устройство и крепление приемной катушки

Высота установки приемных катушек над уровнем головки рельса  (а на рисунке показана высота относительно сигнального тока. Уточните!). Катушки удалены от оси колесной пары на расстояние . Силовые линии магнитного поля, пересекая витки ЛПК, наводят в них переменную ЭДС, величина которой зависит от величины кодового тока в рельсах и высоты установки катушек.

Приемная катушка представляет собой стальной сердечник с обмоткой. ЭДС, наведенная в катушке, пропорциональна току и его частоте и, кроме того, зависит от многих факторов, влияющих на ту часть магнитного потока рельсов, которая охватывает катушку и участвует  в возбуждении ЭДС.

Величина ЭДС на выходе катушки может ограничиваться следующими факторами:

1)  Конечный размер сердечника: длина  и диаметр ;

2)  Потери на перемагничивание и вихревые токи Фуко;

3)  Высота  от головки рельсов и удаленность от оси колесной пары на расстояние .

Наведенная ЭДС зависит от конструктивных особенностей приемных катушек. В меньшей степени на величину ЭДС влияет высота сердечника. Она возрастает так же с увеличением длины сердечника до определенных размеров. В связи  неравномерным распределением потока по длине сердечника ЭДС зависит от длины катушки  и места ее расположения на сердечнике, причем наибольшее значение ЭДС получается при размещении катушки в центре сердечника. Расстояние между сердечником катушки и рельсом не остается постоянным в процессе эксплуатации локомотивов и колеблется от максимального значения при новых бандажах до минимального при изношенных. При движении локомотива по кривым участкам пути центр сердечника так же смещается относительно оси рельса.

Кроме перечисленных регулярных факторов, влияющих на величину выходной ЭДС, существует ряд случайных факторов, например, случайное изменение сопротивления рельсовой линии и нарушение ее электрической симметрии, сопротивление цепи «колесо – рельс», изменение сопротивления изоляции и заземления, воздействие внешних помех, хаотические ЭДС, возникающие от вибрации в катушках при движении. Вследствие существующих случайных факторов точная оценка выходной ЭДС представляет собой сложную задачу.

На этапе проектирования и регулировки локомотивных устройств АЛСН необходимо располагать методикой оценки ЭДС на выходе локомотивных катушек с максимальным учетом перечисленных выше факторов.

Для указанных целей используются следующие известные методики оценки ЭДС на выходе локомотивных приемных катушек  [1]:

1)  Метод, основанный на использовании эмпирических выражений, описывающих связь электродвижущей силы и основных конструктивных параметров катушки;

2)  Метод на основе экспериментальных зависимостей величины взаимной индуктивности «катушка-рельс» от удаления катушки относительно линии сигнального тока в рельсе.

В данной главе выполнена оценка практической эффективности указанных методик путем сравнения результатов расчета и прямых измерений ЭДС на выходе локомотивных катушек в лабораторных условиях.

3.2 Методики расчета ЭДС на выходе приемной локомотивной катушки

3.2.1 Метод, основанный на использовании эмпирических выражений, описывающих связь электродвижущей силы и основных конструктивных параметров катушки

Данный метод включает в себя несколько этапов:

1) Определение напряженности магнитного поля рельса в месте размещения катушки:

                                                  (3.1)

где - величина сигнального тока;

2) Определение эмпирического коэффициента, учитывающего связь между индукцией и напряженностью магнитного поля в разомкнутом сердечнике цилиндрической формы с длиной  и диаметром :

;                                                 (3.2)

3)  Определение магнитной индукции в сердечнике:

;                                 (3.3)

где  - относительная магнитная проницаемость сердечника;

4)  Вычисление выходной ЭДС:

                          (3.4)

где  - частота сигнального тока; - количество витков катушки;

- площадь поперечного сечения сердечника.

Указанная методика дает наиболее точный результат при использовании цилиндрического сердечника при выполнении условия .