РЕФЕРАТ

РЕЛЬСОВЫЕ ЦЕПИ ТОНАЛЬНОЙ ЧАСТОТЫ

Этапы развития тональных рельсовых цепей

Рельсовыми цепями тональной частоты, или тональными рельсовыми цепями (ТРЦ), называют класс рельсовых цепей, частота сигнального тока которых (от 125 Гц до 5 кГц) находится в диапазоне тональных частот. Другой отличительной особенностью ТРЦ является применение бесконтактной аппаратуры.

Разработчиками этих РЦ и систем АБ на их основе в нашей стране является группа ученых ВНИИЖТа под руководством В.С. Дмитриева и В.А. Минина. Название тональных рельсовых цепей появилось в 90-м году, хотя рельсовые цепи с тональными частотами и бесконтактной аппаратурой были разработаны и начали применяться гораздо раньше. Так, в системе ЧАБ они назывались частотными РЦ, в системах автоблокировки с централизованным размещением аппаратуры (ЦАБ) - бесстыковыми рельсовыми цепями (БРЦ), а рельсовые цепи, оптимизированные для низкого сопротивления балласта, называли БРЦ-НСБ. Введение новой терминологии связано с разработкой целого ряда систем АБ, использующих ТРЦ как с изолирующими стыками (ИС), так и без них, и необходимостью объединения этих РЦ в один общий класс.

Необходимо отметить, что ТРЦ и их аппаратура развивались весьма динамично и претерпели при этом большие изменения как по принципу построения и технической реализации, так и в отношении оптимизации их характеристик.

На первом этапе (в системе ЧАБ) это были РЦ с изолирующими стыками и относительно низкими частотами (125 - 375 Гц). Это позволяло использовать известные методы синтеза и расчета рельсовых цепей. Классическое построение РЦ (питание на выходном конце БУ, а приемная аппаратура - на входном) и использование общего сигнала для контроля состояния БУ и передачи информации привели к необходимости применения гетеродинного приемника, существенному усложнению схемы и увеличению объема аппаратуры.

В дальнейшем в ТРЦ функции передачи информации между светофорами и на локомотив были исключены. Кроме того, существенно изменилась структура ТРЦ - в системе ЦАБ впервые были применены рельсовые цепи без изолирующих стыков с питанием двух смежных РЦ от одного генератора. Такая структура ТРЦ привела к существенному упрощению схемы, уменьшению объема аппаратуры и числа жил соединительного кабеля. Однако отсутствие изолирующих стыков потребовало разработки новых методов для оптимизации параметров и для расчета зоны дополнительного шунтирования неограниченных РЦ (рельсовых цепей, у которых сопротивление РЛ не ограничивается в зоне установки изолирующих или электрических стыков).

Защита от взаимного влияния РЦ осуществляется чередованием частот генераторов и применением на приемном конце безопасных фильтров для разделения этих частот. Для повышения защищенности от гармоник тягового тока и защиты от влияния РЦ параллельного пути применяется амплитудная модуляция сигнального тока с разной частотой модуляции.

Аппаратура таких РЦ первоначально проектировалась для случая ее размещения в отапливаемых станционных помещениях с температурой окружающей среды от +5 до +40⁰С при автономной тяге и тяге постоянного тока (аппаратура первого поколения). Затем эта аппаратура была усовершенствована для применения в неотапливаемых помещениях и в релейных шкафах при температуре от -45 до +65^оС (аппаратура второго поколения, взаимозаменяемая с предыдущей и применяемая с 1986 года).

Опыт разработки и эксплуатации указанных ТРЦ, а также необходимость их использования на участках с электрической тягой переменного тока и на участках с пониженным сопротивлением балласта привели к дальнейшему совершенствованию аппаратуры ТРЦ. В аппаратуре третьего поколения, применяемой при любых видах тяги и на участках с нормальным и пониженным сопротивлением балласта, были несколько изменены частоты, оптимизированы параметры аппаратуры, повышена помехозащищенность приемных устройств, существенно сокращено количество применяемой аппаратуры и ее габариты. В системе АБТ эти рельсовые цепи получили наименование ТРЦ3 (рельсовые цепи третьего типа).

Разработка системы АБТ без изолирующих стыков потребовала решения вопроса четкой фиксации границ БУ. Для этого была создана тональная рельсовая цепь четвертого типа ТРЦ4 с малой величиной зоны дополнительного шунтирования.

В настоящее время ТРЦ благодаря ряду эксплуатационных, технических и экономических преимуществ находят все более широкое применение на железных дорогах и линиях метрополитенов России. В новом строительстве применяют системы АБ и электрической централизации только с тональными рельсовыми цепями. Использование ТРЦ позволило внедрить АБ с централизованным размещением аппаратуры, оборудовать автоблокировкой участки с пониженным сопротивлением балласта. Перспективными направлениями также являются: оборудование тональными рельсовыми цепями участков приближения к переездам, применение их для контроля освобождения переезда без установки изолирующих стыков, для контроля состояния перегона при ПАБ, использование ТРЦ для организации защитных участков в традиционных системах АБ.

Принципы построения и эффективность ТРЦ

Как уже отмечалось, основной отличительной особенностью ТРЦ является питание двух смежных РЦ от одного общего источника сигнального тока (генератора) и возможность работы без изолирующих стыков. Такое построение ТРЦ сокращает число аппаратуры, кабеля для соединения аппаратуры с рельсовой линией, используемых частот сигнального тока и позволяет просто реализовать рельсовые цепи без изолирующих стыков.

На рис. 2.1 показана структура, поясняющая принцип построения ТРЦ.

Рис. 2.1. Принцип построения ТРЦ

Сигнальный ток частотой F1 или F2 от генераторов Г подается в рельсовую линию, по которой распространяется в обе стороны от точки подключения. От генератора Г1 питается рельсовая цепь 1, от генератора Г 2/3 - рельсовые цепи 2 и 3 и т. д. Путевые приемники ПП1 и ПП2, ПП3 и ПП4 подключаются к общей точке релейных концов РЦ. Приемники обладают свойствами частотной селекции и пороговыми свойствами, т. е. реагируют на сигнал определенной частоты и амплитуды. Путевые реле на выходах приемников нормально возбуждены. При нахождении подвижной единицы (или изломе рельса), например, на 4П путевое реле ПР4 обесточивается. Возбуждение этого реле от сигнального тока рельсовой цепи 3П исключено из-за большого затухания частоты F2 в приемнике ПП4(F1). Исключается и возможность возбуждения этого реле сигнальным током частоты F1 от генератора Г1 рельсовой цепи 1П из-за естественного затухания в рельсовой линии на протяжении трех РЦ (1, 2 и 3). Расчеты показали, что уровень помехи от этого сигнала будет примерно в 100 раз ниже уровня полезного сигнала, поступающего на обмотку реле от генератора собственной РЦ.

В отдельных случаях (при малой длине РЦ 2П и 3П и высоком уровне сигнала в 1П) предусматривается применение и чередование трех частот. В связи с отсутствием изолирующих стыков шунтовой режим ТРЦ наступает не только при нахождении подвижной единицы на участке пути между генератором и приемником, но и при нахождении в некоторой зоне за пределами подключения этих приборов. Эту зону называют зоной дополнительного шунтирования. Так, например, при приближении подвижной единицы на расстояние L_ш от точки подключения генератора Г4/5 (см. рис. 2.1) путевое реле ПР5 обесточивается. Величина этого расстояния зависит от несущей частоты и удельного сопротивления балласта и в предельном случае составляет 10_15% от длины рельсовой цепи.

Рассмотренная аппаратура размещается в станционном помещении или в релейных шкафах в зависимости от типа АБ и соединяется с рельсовой линией при помощи сигнального кабеля. На поле (непосредственно у пути) размещаются устройства согласования и защиты УСЗ.

В реальных схемах для повышения помехозащищенности от тягового тока и токов РЦ параллельного пути предусмотрена модуляция сигнального тока частотами 8 и 12 Гц.

Диапазон несущих частот сигнального тока (400…800 Гц) принят исходя из условия обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик ТРЦ. Конкретные частоты в этом диапазоне были выбраны в промежутках между гармониками тягового тока и тока промышленной частоты. Гармонические составляющие постоянного тягового тока имеют частоты 300, 600, 900, … Гц. Причем, чем выше частота, тем ниже уровень гармоники. Поэтому в ТРЦ с аппаратурой первого поколения для систем ЦАБ были выбраны частоты f₈=425 Гц и f₉=475 Гц. При разработке аппаратуры второго поколения были добавлены частоты f₁₁=575 Гц, f₁₄=725 Гц и f₁₅=775 Гц. Это позволило применять в системах АБ три частоты, использовать ТРЦ на станциях в системе электрической централизации и на линиях метрополитенов в системе автоматического регулирования скорости.

В аппаратуре третьего поколения для повышения помехозащищенности ТРЦ на участках с электротягой переменного тока были приняты несущие частоты 420, 480, 580, 720 и 780 Гц, что позволяет использовать эти ТРЦ при любом виде тяги. В децентрализованных системах АБ в подавляющем большинстве случаев для ТРЦ3 достаточно использовать две частоты. Так, в соответствии с нормами проектирования рельсовые цепи с одинаковыми частотами могут повторяться при расстоянии 2000 м от питающего конца одной рельсовой цепи до приемного конца другой. То есть, суммарная длина РЦ 1П, 2П и 3П (см. рис. 2.1) должна быть не менее 2000 м. При длине влияющей ТРЦ3 менее 750 м это расстояние должно быть не менее 1750 м.

В ТРЦ4 используются частоты 4545, 5000, 5555 Гц.

Максимальная длина тональных рельсовых цепей L_max=1000 м (для ТРЦ4 - 300 м). При этом выполнение всех режимов работы ТРЦ обеспечивается при r_{и min}=0,7 Омкм. С уменьшением минимального удельного сопротивления изоляции рельсовой линии предельная длина ТРЦ снижается. Так, при r_{и min}=0,1 Омкм L_max=250 м, при r_{и min}=0,04 Омкм L_max=150 м. ТРЦ может использоваться и с изолирующими стыками. При этом ее предельная длина увеличивается до 1300 м.

К тональным рельсовым цепям относятся также рельсовые цепи, используемые в системе АБ-УЕ (диапазон частот 1900 - 2800 Гц). Использование адаптивного путевого приемника (см. п. 1.4) позволило существенно увеличить длину этих рельсовых цепей по сравнению с рассмотренными выше. Необходимо отметить также, что РЦ системы АБ-УЕ являются кодовыми. Далее рассматриваются ТРЦ разработки ВНИИЖТа.

Основные достоинства ТРЦ связаны с возможностью их работы без изолирующих стыков. При этом:

Исключается самый ненадежный элемент СЖАТ - изолирующие стыки (на долю изолирующих стыков приходится 27% всех отказов устройств СЖАТ).

Отпадает необходимость установки дорогостоящих дроссель-трансформаторов для пропуска тягового тока в обход изолирующих стыков. При этом уменьшается число отказов по причине обрыва и хищений перемычек и снижаются затраты на обслуживание.

Улучшаются условия протекания обратного тягового тока по рельсовым нитям.

Сохраняется прочность пути с длинномерными рельсовыми плетями.

В выбранном диапазоне несущих частот уровень гармонических составляющих тягового тока меньше, чем при более низких частотах, что позволило:

Повысить помехозащищенность РЦ.

Повысить чувствительность приемников и, как следствие, снизить мощность, потребляемую ТРЦ.

Кроме того, применение более высоких частот позволяет легче реализовать добротные фильтры меньших габаритов и повысить защищенность приемников от влияния соседних частот.

Возможность удаления аппаратуры от рельсовых линий на достаточно большое расстояние обеспечивает экономическую целесообразность применения ТРЦ в следующих случаях:

Для контроля свободности перегона и исправности рельсов в системе ПАБ, что повышает безопасность движения и дает возможность внедрения систем диспетчерской централизации.

Для организации защитных участков требуемой длины в кодовой и импульсно-проводной АБ. При этом установка дополнительных релейных шкафов и линейных высоковольтных трансформаторов в пределах блок-участка не требуется.

В качестве РЦ наложения для получения требуемой длины участков приближения к переезду. Это позволяет сократить до минимума преждевременность закрытия переезда.

На участках с пониженным сопротивлением балласта.

Кроме того, к достоинствам ТРЦ следует отнести отсутствие контактных реле, работающих в импульсном режиме, что существенно повышает надежность и долговечность аппаратуры. Известно, что среди приборов СЖАТ наибольшее число отказов приходится на дешифраторы кодовой автоблокировки, трансмиттерные реле и импульсные путевые реле.

Недостатками ТРЦ являются малая предельная длина и наличие зоны дополнительного шунтирования.

Особенности расчета ТРЦ

Особенности расчета ТРЦ определяются следующими факторами.

Отсутствие изолирующих стыков, что требует учета входных сопротивлений смежных рельсовых цепей. Эти сопротивления оказываются подключенными по концам рельсовой линии параллельно сопротивлениям аппаратуры и оказывают существенное влияние на режимы работы ТРЦ.

Использование кабеля относительно большой длины для подключения аппаратуры ТРЦ к рельсовой линии, что требует учета сопротивления и емкости жил кабеля и их согласования с сопротивлением аппаратуры, а также расчета предельно допустимой длины кабеля.

Наличие зоны дополнительного шунтирования, что приводит к необходимости исследования и расчета ее длины в зависимости от длины ТРЦ, частоты сигнального тока и изменения сопротивления балласта.

Различие длин смежных ТРЦ, питаемых от одного генератора. При этом должно быть обеспечено выполнение всех режимов работы каждой из этих ТРЦ при общем напряжении питания.

Влияние сигнала от генератора одной ТРЦ на приемник другой ТРЦ с той же частотой. Для исключения такого влияния необходимо определить минимально допустимую длину ТРЦ при использовании двух частот.

Применение ТРЦ на участках с пониженным сопротивлением балласта. При работе ТРЦ без изолирующих стыков в этих условиях существенно возрастает влияние обходных путей для сигнального тока (междупутные перемычки, заземления опор контактной сети, отсосы тягового тока и т. д.). В связи с этим схема замещения рельсовой линии должна приниматься несимметричной. Для такого случая известный метод, основанный на замещении элементов РЦ эквивалентными четырехполюсниками, становится неприменимым из-за сложности и громоздкости получаемых выражений.

Возможность восприятия локомотивными катушками второго поезда кодового сигнала АЛС, предназначенного для впередиидущего поезда.

Исследование и синтез тональных рельсовых цепей, проведенные специалистами ВНИИЖТа с учетом перечисленных факторов, позволили выбрать несущие частоты и оптимизировать параметры аппаратуры ТРЦ3 и ТРЦ4, разработать рекомендации по выбору длин этих РЦ в различных условиях эксплуатации, составить регулировочные таблицы.

Схемы и аппаратура ТРЦ

Обобщенная схема тональной рельсовой цепи

Как указывалось выше, в процессе развития и совершенствования ТРЦ, а также для разных случаев применения было создано 4 типа аппаратуры ТРЦ. Имея общие принципы построения и работы, они различаются областью применения, технической реализацией аппаратуры и ее характеристиками.

На рис. 2.2. представлена обобщенная структурная схема ТРЦ.



Рис. 2.2. Обобщенная структурная схема ТРЦ

Передающая аппаратура первого и второго поколений содержала генератор Г амплитудно-модулированных сигналов, усилитель У, путевой трансформатор ПТ для настройки напряжения питания ТРЦ в зависимости от ее длины и величины минимального удельного сопротивления балласта, фильтр питающего конца Ф. В последующем в рельсовых цепях ТРЦ3 и ТРЦ4 блоки Г, У, Ф и ПТ были объединены в один блок генератора, а фильтры стали выполнять новые функции.

На приемном конце последовательно включены два приемника - приемник Пр1 рельсовой цепи 5, настроенный на частоту генератора Г, и приемник Пр2 рельсовой цепи 7 другой частоты. На выходах приемников включены путевые реле 5П и 7П, фиксирующие состояния соответствующих рельсовых цепей.

Генераторы и фильтры настраиваются на конкретную частоту при помощи внешних перемычек. Это позволяет уменьшить номенклатуру аппаратуры, что выгодно как с точки зрения производства (уменьшается разнотипность изделий), так и с точки зрения эксплуатации (уменьшается количество запасных блоков и повышается их универсальность). Приемники выпускаются индивидуально для каждой комбинации несущей и модулирующей частот.

Резисторы R_д играют роль балластных сопротивлений и обеспечивают требуемые входные сопротивления по концам рельсовой линии. Это регулируемый резистор сопротивлением 400 Ом; его величину выбирают в зависимости от длины соединительного кабеля.

Схема ТРЦ предусматривает возможность передачи сигналов АЛС числового и частотного кодов. Включение кодовых сигналов в рельсовую линию производится по существующим жилам кабеля передающего и приемного концов ТРЦ. Конденсаторы С являются элементами фильтра передающих устройств АЛС.

Устройства согласования и защиты УСЗ размещаются в путевых ящиках и решают следующие задачи: согласование сопротивления соединительного кабеля и аппаратуры с сопротивлением рельсовой линии, защита аппаратуры ТРЦ от грозового разряда (при автономной тяге поездов) или от коммутационных перенапряжений в контактной сети, защита от асимметрии обратного тягового тока (при электрической тяге). К устройствам защиты можно отнести и дроссель-трансформаторы, устанавливаемые при электрической тяге для выравнивания обратных тяговых токов в рельсовых нитях (для устранения асимметрии).

Конкретные схемы ТРЦ для разных случаев применения будут рассмотрены далее в соответствующих разделах.

В табл. 2.1. приведены типы и основные особенности аппаратуры ТРЦ разных поколений.

К данным, приведенным в таблице, необходимо дать следующие дополнения и пояснения.

В системах ЦАБс и АБТс на начальном этапе, до разработки ТРЦ3, использовалась аппаратура ТРЦ второго поколения.

Частоты модуляции для всех типов аппаратуры - 8 и 12 Гц. В скобках указаны усовершенствованные модификации блоков.

Числа в обозначении типа фильтра и блока ГП указывают номера несущих частот, на которые они могут быть настроены при помощи внешних перемычек.

Разновидности приемников определяются комбинацией несущей и модулирующей частот. Эти данные указываются в обозначении типа конкретного приемника (первое число - условный номер несущей частоты, второй - частота модуляции). Например, ПРЦ8-8 или ПРЦ8-12 (приемник рельсовой цепи, настроенный на несущую частоту f₈=425 Гц и частоту модуляции 8 или 12 Гц). Кроме того, разновидности приемников определяются областью применения (железнодорожные линии или линии метрополитенов). Для линий метрополитенов выпускаются приемники, чувствительность которых в 2 раза ниже. Например, ППМ11-8 (путевой приемник для линий метрополитенов, настроенный на несущую частоту f₁₁=580 Гц и частоту модуляции 8 Гц).

В настоящее время в соответствии с Указанием ГТСС № 1454 от 12 мая 2000 года аппаратура первого и второго поколений в действующих устройствах заменена на аппаратуру третьего типа.

Все блоки (кроме путевого трансформатора ПТ) конструктивно выполнены на платах реле НМШ, НШ и ДСШ и подключаются к монтажу при помощи соответствующих штепсельных розеток.

Аппаратура ТРЦ3

Аппаратура ТРЦ третьего поколения разрабатывалась с учетом возможности работы на участках с удельным сопротивлением балласта до 0,04 Ом•км. При этом одновременно с оптимизацией характеристик ТРЦ были решены вопросы уменьшения объема оборудования, повышения надежности аппаратуры и помехозащищенности приемных устройств.

Опыт разработки и эксплуатации аппаратуры ТРЦ предыдущих поколений позволил создать универсальную аппаратуру для эксплуатации как при пониженном, так и при нормальном сопротивлении балласта на участках с любым видом тяги поездов в централизованных и децентрализованных системах. Так, размеры передающих устройств были уменьшены примерно в два раза, помехоустойчивость повышена примерно в 6 раз, минимальное сопротивление балласта при той же длине рельсовой цепи снижено в 1,4_1,5 раз.

Для аппаратуры ТРЦ3 было разработано три функциональных блока: путевой генератор типа ГП, путевой фильтр типа ФПМ и путевой приемник типа ПП. Обозначения модификаций этих блоков указаны в сводной таблице типов аппаратуры ТРЦ (см. табл. 2.1) и в пояснениях к ней. Генераторы ГП и фильтры ФПМ собраны на базе реле НШ, приемник ПП - на плате реле ДСШ.

Рассмотрим функции, принципиальные схемы и различие исполнений аппаратуры ТРЦ3 разных модификаций.

Путевые генераторы ГП3 формируют и усиливают амплитудно-модулированные сигналы со 100%-й модуляцией и синусоидальной формой несущей частоты.

Генераторы ГП3 являются взаимозаменяемыми с генераторами ГП предыдущей модификации. Включают в себя следующие узлы: генератор несущих частот, генератор модулирующих частот, манипулятор, предварительный усилитель, регулятор выходного напряжения, выходной усилитель, вторичный источник питания (рис. 2.3).

Генератор несущих частот выполнен на микросхеме DD1 генератора низкой частоты с кварцевым резонатором GB. Настройка на одну из трех предусмотренных частот осуществляется при помощи внешних перемычек (табл. 2.2).



Генератор модулирующих частот и манипулятор реализованы на микросхеме DD2. На его входы от генератора DD1 подаются сигналы тактовой частоты (1 МГц) и несущей частоты f_н.

Предварительный усилитель служит для согласования выхода микросхемы DD2 с регулятором выходного напряжения и выполнен на транзисторах VT2_VT5, работающих в ключевом режиме.

В состав регулятора входят: переменный резистор R11, резисторы R9 и R10, трансформатор TV и конденсатор С6 с резистором R15.

Резисторы R9_R11 включаются последовательно с первичной обмоткой трансформатора TV посредством внешней перемычки 83_72. Переменный резистор R11 за счет изменения тока первичной обмотки TV позволяет регулировать выходное напряжение амплитудно-модулированного сигнала от 1 до 6 В. Ручка переменного резистора R11 выведена на переднюю панель кожуха блока ГП3 для возможности регулировки выходного напряжения без вскрытия блока.



Трансформатор TV обеспечивает гальваническую развязку цепи регулятора от цепи выходного усилителя. Кроме того, он обеспечивает снижение выходного сопротивления регулятора, что исключает такой опасный отказ, как возрастание выходного напряжения генератора ГП3 при различных повреждениях в цепи регулятора и изменении входного сопротивления выходного усилителя. Конденсатор С6 и секционированная вторичная обмотка трансформатора TV позволяют произвести настройку в резонанс на несущей частоте, что исключает искажение формы выходного сигнала. Настройка осуществляется в соответствии с настройкой генератора несущей частоты при помощи внешних перемычек (см. табл. 2.2).

Выходной усилитель работает в линейном режиме и состоит из двух каскадов (транзисторы VT6_VT9). Наличие 100%-ной отрицательной обратной связи исключает изменение выходного напряжения при изменении коэффициентов усиления транзисторов. Выходной сигнал снимается с выводов 2_52.

Номинальная выходная мощность усилителя 20 ВА. При необходимости получения более мощного сигнала к выводам 53_83 подключают путевой усилитель ПУ1. При этом выходной усилитель и трансформатор TV отключают (снятием перемычек 3_4, 51_61 и 83_72), общую точку питания подключают к резисторам регулятора напряжения (перемычкой 2_83).

Вторичный источник питания вырабатывает двухполярное нестабилизированное напряжение 20 В и стабилизированное напряжение 9 В.

С целью визуального контроля работы путевого генератора ГП3 предусмотрены светодиоды VD6 и VD11, которые выведены на переднюю панель. Мигание светодиода VD6 говорит о нормальной работе задающих генераторов и предварительного усилителя. Режим мигания светодиода VD6 (8 или 12 Гц) позволяет при достаточном опыте визуально определить настройку генератора модулирующих частот. Ровное свечение светодиода VD11 свидетельствует о наличии питания выходного усилителя.

Схемы генераторов ГП3/8,9,11 и ГП3/11,14,15 идентичны. Различия состоят в параметрах трансформатора VT.

Отличие рассматриваемого путевого генератора от передающих устройств второго поколения заключается в следующем: в одном блоке ГП3 объединены генератор, усилитель и путевой трансформатор, что уменьшает объем аппаратуры; генератор выдает синусоидальный выходной сигнал, что исключает необходимость установки дополнительного фильтра для формирования синусоидальной формы сигнала; применены более стабильные генераторы несущей и модулирующей частот; предусмотрена световая индикация состояния блока путевого генератора. В блоке ГП предыдущей модификации генератор несущих частот был реализован на операционном усилителе с колебательным LC-контуром в цепи положительной обратной связи, генератор модулирующих частот _ в виде мультивибратора на операционном усилителе с времязадающими RC-цепочками в цепи отрицательной обратной связи, а манипулятор _ на транзисторном ключе.

Путевые фильтры ФПМ решают следующие задачи: защита выходных цепей путевого генератора от влияния токов локомотивной сигнализации, тягового тока и перенапряжений, возникающих в РЛ; обеспечение требуемого по условиям работы рельсовых цепей обратного входного сопротивления аппаратуры питающего конца РЦ; гальваническое разделение выходной цепи генератора от кабеля.

Фильтр ФПМ (рис. 2.4) реализован в виде последовательного колебательного LC-контура. Он содержит 8 конденсаторов и трансформатор TV в качестве индуктивности.

Рис. 2.4. Принципиальная схема путевых фильтров ФПМ

Входом фильтра являются выводы 11_71, на которые подается сигнал от генератора ГП3. Настройка на требуемую частоту осуществляется одновременным изменением индуктивности и емкости, что позволяет обеспечить относительно стабильное входное сопротивление фильтра на различных частотах. Индуктивность контура изменяется путем использования всей или части первичной обмотки трансформатора TV, емкость - за счет изменения набора конденсаторов (табл. 2.3).

Указанные данные по настройке фильтров ФПМ (см. табл. 2.3) являются расчетными. Для того, чтобы учесть фактические значения емкостей и индуктивностей конкретного фильтра, а также влияние емкости кабеля, подключаемого к его выходу, настройку производят на месте установки аппаратуры. При этом с помощью перемычек добавляют или исключают те или иные конденсаторы, добиваясь получения максимума напряжения на выходе фильтра или равенства напряжений на индуктивности (выводы 23_11) и емкости (выводы 23_71).

Фильтры ФПМ8,9,11 и ФПМ11,14,15 различаются параметрами трансформаторов TV.

С учетом различных условий применения в путевых фильтрах ФПМ предусмотрены 3 выхода с различными выходными сопротивлениями.

Фильтр рассчитан таким образом, что энергетически наиболее выгодным является выходное сопротивление 800 Ом (выводы 12_61). Этот выход используется в случаях наиболее частого применения - в рельсовых цепях с нормальным сопротивлением балласта.

Выводы 12_62 (выходное сопротивление 400 Ом) используют в ТРЦ при низком сопротивлении балласта, а также при отсутствии защитного резистора в УСЗ, что характерно для автономной тяги. При этом от путевого генератора ГП3 потребляется достаточно малая мощность, что позволяет использовать в качестве резервного источника питания аккумуляторные батареи.

Выводы 12_63 (выходное сопротивление 140 Ом) используются при низком сопротивлении балласта и наличии электрической тяги. Используемое в этом случае выходное сопротивление фильтра обеспечивает оптимальное обратное входное сопротивление питающего конца ТРЦ (0,4 Ом).

Указанные рекомендации являются общими и в конкретных случаях могут быть приняты другие решения.

Особенностями рассматриваемых фильтров в отличие от фильтров второго поколения являются: универсальность схемы для обоих диапазонов частот, относительная стабильность входного и выходного сопротивлений на разных частотах, наличие трех выходов с разными выходными сопротивлениями для различных случаев применения.

Путевые приемники ПП предназначены для приема и дешифрирования амплитудно-модулированных сигналов и управления путевым реле в соответствии с уровнем этого сигнала.

Путевой приемник ПП (рис. 2.5) содержит следующие функциональные узлы: входной фильтр, демодулятор, амплитудный ограничитель, первый буферный каскад, первый фильтр частоты модуляции, второй буферный каскад, пороговое устройство, выходной усилитель, второй фильтр частоты модуляции, выпрямитель, вторичный источник питания.

Входной фильтр выделяет амплитудно-модулированный сигнал с частотой несущей, соответствующей настройке фильтра, и подавляет сигналы с другими несущими частотами, сигналы АЛС и гармоники тягового тока. Входной фильтр представляет собой полосовой фильтр, собранный из четырех связанных LC-контуров. Причем связь между контурами TV1-C1 и TV2-C2, а также между TV3-C3 и TV4-C4 трансформаторная, выше критической, а между этими парами предусмотрена слабая связь через транзисторный каскад VT1.

Входом фильтра являются выводы 11_43 внешнего разъема блока ПП.

Подстроечный резистор R34 предназначен для регулировки чувствительности приемника.

Полоса пропускания входного фильтра - не менее 24 Гц; затухание сигнала несущей частоты соседнего канала составляет не менее 38 дБ на частотах f₈, f₉ и не менее 30 дБ на частотах f₁₁, f₁₄, f₁₅.

Демодулятор выделяет сигнал с частотой модуляции и реализуется на транзисторе VT2.



Амплитудный ограничитель введен в схему путевого приемника для более надежной селекции частот модуляции 8 и 12 Гц. Он реализован на транзисторе VT3, включенным по схеме с общим эмиттером. Резистор R10 обеспечивает глубокую отрицательную обратную связь.

Первый буферный каскад (VT4) обеспечивает согласование входного сопротивления первого фильтра модулирующей частоты с параметрами амплитудного ограничителя.

Первый фильтр модулирующей частоты реализован в виде LC-контура (С7, С8, TV5). Добротность контура равна примерно шести. Включение фильтра с такой добротностью перед пороговым устройством в сочетании с наличием амплитудного ограничителя существенно улучшило селекцию модулирующей частоты и повысило защищенность приемника от гармоник тягового тока. При воздействии на вход путевого приемника сигнала с частотой модуляции соседнего канала напряжение постоянного тока на выходе ПП не превышает 0,1 В.. Допустимый уровень гармонической помехи у приемников ПП в 8 раз больше, чем у приемников ПРЦ.

Второй буферный каскад (транзисторы VT5 и VT6, включенные по схеме с общим коллектором) также обеспечивает согласование функциональных узлов.

Пороговый элемент реализован в виде симметричного триггера (VT7, VT8) с коэффициентом возврата близким к 1. Коэффициент возврата приемника искусственно занижен до 0,95 за счет слабой положительной обратной связи между транзисторами VT7 и VT2 через резистор R16. При необходимости коэффициент возврата приемника может быть уменьшен. Для этого выводы блока 62_21 соединяют через фронтовой контакт путевого реле. В этом случае при возбужденном состоянии путевого реле в цепи регулировки чувствительности приемника параллельно резистору R2 подключен резистор R3. После обесточивания путевого реле (при шунтировании РЦ поездом) резистор R3 отключается. Это приводит к изменению порога срабатывания приемника _ при свободной РЦ чувствительность приемника сохраняется в заданных пределах, а после обесточивания путевого реле несколько загрубляется, т. е. для возбуждения реле потребуется большее напряжение на входе приемника.

Выходной усилитель предназначен для питания путевого реле и представляет собой двухкаскадный двухтактный усилитель с двухполярным питанием. Первый каскад (VT9 и VT10) работает в линейном режиме, второй (VT11 и VT12) - в ключевом режиме.

Второй фильтр частоты модуляции (С9, С10, TV6) обеспечивает гальваническую развязку цепей питания усилителя от цепи реле и исключает возможность возбуждения путевого реле при повреждениях, приводящих к попаданию в цепь питания усилителя переменного тока промышленной частоты или его второй гармоники.

Выпрямитель (VD5) обеспечивает питание путевого реле постоянным током.

Вторичный источник питания получает переменное напряжение 17,5 В (через внешние выводы блока 21_22). Он включает в себя два однополупериодных выпрямителя (VD9, С11, R32 и VD10, С12, R33), вырабатывающих двухполярное постоянное напряжение 18 В; источник двухполярного стабилизированного напряжения 6 В (VD6, VD7, R29, R30); источник стабилизированного напряжения 12 В (VD8, R31).

Номинальное значение чувствительности блоков ПП (величина действующего значения напряжения входного амплитудно-модулированного сигнала с номинальными частотами, при которых путевое реле на выходе приемника притягивает свой якорь) составляет 0,35 В. Выходное напряжение приемника ПП при свободной и исправной ТРЦ и наихудшем сочетании дестабилизирующих факторов _ не менее 4,2 В; при занятой - не более 0,1 В.

Мощность, потребляемая приемником, не превышает 5 ВА.

Светодиоды VD11 и VD12 обеспечивают световую индикацию состояния приемника. Поочередное мигание светодиодов с частотой модуляции указывает на наличие на входе приемника сигнала и исправность всех трактов до второго фильтра модуляции. Ровное свечение одного диода и погасание другого свидетельствуют о занятости РЦ или о повреждении приемника.

В приемнике ПП предусмотрена защита от ошибочной установки приемника другого типа. При общем внешнем выводе 31 выход для подключения путевого реле организуется на выводах 33, 13, 83, 52 или 51 для приемников с несущими частотами 420, 480, 580, 720 или 780 Гц соответственно. Выводы 23_61 служат для подключения (при необходимости) дополнительного путевого реле с целью организации контроля ложного замыкания фронтовых контактов основного путевого реле.

Разные варианты путевых приемников ПП для конкретных комбинаций несущей и модулирующей частот (ПП8-8, ПП8-12 и т. д.) определяются типами трансформаторов TV1_TV6, емкостями конденсаторов С1_С4 и отсутствием или наличием конденсаторов С8 и С10.

В метрополитене применяется приемник типа ППМ, схема которого идентична схеме ПП, но чувствительность устанавливается равной 0,7 В и используются другие выводы трансформатора TV2.

В 2001 году начат выпуск путевых приемников типа ПП1, у которых усовершенствована схема вторичного источника питания.

Особенности и аппаратура рельсовых цепей ТРЦ4

Рельсовая цепь ТРЦ4 и аппаратура для нее были разработаны с целью более точной фиксации границ БУ в системах АБ без изолирующих стыков.

При решении этой задачи ТРЦ4 оптимизировалась по условиям обеспечения минимальной зоны дополнительного шунтирования и обеспечения работоспособности РЦ при низком сопротивлении балласта для заданной длины ТРЦ4 (250 м). В результате в качестве средней частоты сигнального тока была выбрана частота 5 кГц, обратные входные сопротивления по концам РЦ приняты 0,4 Ом. Зона дополнительного шунтирования ТРЦ4 изменяется от 3 до 22 м в зависимости от длины РЦ и сопротивления балласта.

Аппаратура рельсовых цепей ТРЦ4 разработана с учетом возможности совмещения (последовательного включения) приемника ТРЦ4 и приемника ТРЦ3, а также приемникаТРЦ4 с передающей аппаратурой ТРЦ3. В последнем случае входная цепь приемника ПРЦ4Л подключается к кабелю последовательно с выходом фильтра ФПМ.

Современная аппаратура ТРЦ4 содержит блоки (см. табл. 2.1): путевой генератор ГП4, путевой фильтр ФРЦ4Л и путевой приемник ПРЦ4Л.

Путевой генератор ГП4 (рис. 2.6) выполнен по схеме, аналогичной схеме генератора ГП3 (см. рис. 2.3). Отличия заключаются в следующем. Используются другие управляющие входы микросхемы DD1, что изменяет коэффициент деления частоты кварцевого резонатора и обеспечивает формирование несущих частот, требуемых для ТРЦ4.

В схему выходного усилителя (VT6_VT9) для смещения рабочих точек введены цепи R16, VD8 и R17, VD9, что привело к улучшению формы выходного сигнала. Кроме того, изменены параметры некоторых резисторов, конденсаторов и индуктивностей.

Перемычки, устанавливаемые для настройки генераторов на требуемую несущую и моделирующую частоты, для настройки фильтра регулятора напряжения в резонанс с выбранной несущей частотой, а также для подключения выходного каскада указаны в табл. 2.4.



Схема путевого генератора предыдущей модификации (ГРЦ4) существенно отличается от рассматриваемой. Так, в ГРЦ4 деление частоты кварцевого резонатора (100 кГц) для получения несущей частоты осуществлялось триггерами; генератор модулирующей частоты был реализован в виде мультивибратора на базе операционного усилителя; функции модулятора выполнял J-К триггер.

Подрегулировка частоты в генераторах ГП3 и ГП4 не требуется, т. к. задающий кварцевых резонатор GB обладает достаточно высокой стабильностью.

Путевой фильтр ФРЦ4Л в качестве входа использует внешние выводы 1 и 3, выходной сигнал снимается с выводов 4 и 23 (рис. 2.7).

При настройке на частоту 5,5 кГц используется один конденсатор С1, на 5 кГц - С1 и С2 (перемычка 23-43), на 4,5 кГц - С1 и С3 (перемычка 23_63).

Рис. 2.7. Схема путевого фильтра ФРЦ4Л

Выходное сопротивление фильтра с учетом внутреннего сопротивления генератора составляет 120-160 Ом. При нагрузке 510 Ом и напряжении на входе фильтра 6 В напряжение амплитудно-модулированного сигнала на выходе фильтра - не менее 35 В.

Путевые приемники ПРЦ4Л реализованы по схемам, идентичным схеме ПП (см. рис. 2.5). Отличия заключаются в незначительных изменениях схем контуров входного фильтра и параметров некоторых элементов.

Чувствительность ПРЦ4Л составляет 0,11_0,13 В. При этом напряжение на выходе приемника не менее 4,6 В. Коэффициент возврата не менее 0,8.

Затухание входного фильтра на частотах соседних каналов - не менее 38 дБ. При подаче на вход приемника сигнала номинальной несущей частоты, но с частотой модуляции соседнего канала, напряжение на выходе приемника не более 0,1 В.

Варианты исполнений путевых приемников ПРЦ4Л (ПРЦ4Л-4/8, ПРЦ4Л-4/12 и т.д.) различаются использованием разных обмоток трансформаторов TV1_TV4 и наличием или отсутствием конденсаторов С8 и С10.

Схемы устройств согласования и защиты

Схема устройства согласования и защиты зависит от решаемых задач (см. п. 2.4.1) и условий применения. Условия применения определяются наличием или отсутствием и родом тягового тока, наличием или отсутствием дроссель-трансформатора в месте подключения аппаратуры к рельсовой линии.

Рассмотрим принципиальные схемы устройств согласования и защиты для различных случаев применения (рис.2.8).

При анализе схем устройств согласования и защиты необходимо учесть, что на участках, оборудованных тональными рельсовыми цепями, при электрической тяге поездов устанавливаются дроссель-трансформаторы (ДТ). Они необходимы для выравнивания тягового тока, подключения отсасывающих фидеров тяговых подстанций и для пропуска обратного тягового тока в обход изолирующих стыков, установленных на границах блок-участков или на границе станции. Если ДТ расположен в месте подключения аппаратуры ТРЦ, то это позволяет в отдельных случаях упростить схему УСЗ и использовать дополнительную обмотку ДТ для подключения аппаратуры к рельсовой линии. В первом случае ДТ обеспечивает защиту от тягового тока, во втором - выполняет роль согласующего трансформатора.

Рис. 2.8. Схемы устройств согласования и защиты

В большинстве условий применения УСЗ включает в себя следующие элементы:

Согласующий трансформатор ПТ типа ПОБС-2А с коэффициентом трансформации n=38 (рис. 2.8, а, б, в, ж). Трансформатор ПТ обеспечивает согласование сопротивлений рельсовой линии и соединительного кабеля.

Если при тяге постоянного тока аппаратура ТРЦ подключается через дополнительную обмотку ДТ, то согласующий трансформатор не устанавливают (рис. 2.8, г, е), т. к. дроссель-трансформатор с коэффициентом трансформации n=40 выполняет функции согласования.

При электротяге переменного тока для более надежной защиты обслуживающего персонала и приборов от тягового тока используют ДТ (n=3) совместно с согласующим трансформатором ПТ (рис. 2.8, д).

2. Защитный резистор R_з. Резисторы обеспечивают защиту аппаратуры от тягового тока при его асимметрии. Кроме того, они обеспечивают требуемые обратные входные сопротивления по концам рельсовой линии; с этой целью суммарное сопротивление этих резисторов и соединительных проводов во вторичной обмотке трансформатора ПТ должно составлять 0,3_0,4 Ом.

При наличии ДТ в месте подключения аппаратуры защитный резистор при условии обеспечения требуемых сопротивлений по концам рельсовой цепи может не устанавливаться (рис. 2.8, б, г, е). При низком сопротивлении изоляции РЛ, а также при тяге переменного тока указанное условие не выполняется, поэтому резисторы R_з установлены (рис. 2.8, в, д).

3. Автоматический выключатель многократного действия АВМ типа АВМ2-15 или АВМ1-5, который обеспечивает защиту аппаратуры и обслуживающего персонала от асимметрии тягового тока, превышающей допустимые значения. Принцип защиты заключается в следующем. При возрастании тока асимметрии выше допустимого предела сердечник трансформатора ПТ входит в насыщение, сопротивление его обмотки переменному току уменьшается, что приводит к увеличению тока и надежному срабатыванию АВМ.

При отсутствии согласующего трансформатора АВМ не устанавливается (рис. 2.8, г, е).

При автономной тяге поездов защитные резисторы и автоматические выключатели не требуются (рис. 2.8, ж).

4. Разрядник Р (типа РВНШ или РКН) или выравниватель (типа ВОЦН-220), который обеспечивает защиту аппаратуры от грозового разряда (при автономной тяге) или от коммутационных перенапряжений в контактной сети (при электрической тяге).

Указанные приборы размещаются в путевом ящике, который устанавливается непосредственно у железнодорожного пути в месте подключения аппаратуры ТРЦ к рельсовой линии. При отсутствии в схеме УСЗ согласующих трансформаторов путевой ящик не применяется. В этом случае разрядники устанавливаются в месте размещения аппаратуры ТРЦ (релейный шкаф автоблокировки или станционное помещение).

Таким образом, схемы УСЗ, представленные на рис. 2.8, применяются в следующих случаях:

а) при тяге постоянного или переменного тока и при отсутствии ДТ в месте подключения аппаратуры ТРЦ;

б) при тяге постоянного или переменного тока, наличии ДТ в месте подключения аппаратуры ТРЦ и соблюдении требуемых величин сопротивлений по концам РЛ;

в) при тяге постоянного или переменного тока, наличии ДТ в месте подключения аппаратуры ТРЦ и необходимости применения дополнительных резисторов для обеспечения требуемых величин сопротивлений по концам РЛ (например, на участках с низким сопротивлением изоляции РЛ);

г) при тяге постоянного тока, децентрализованном размещении аппаратуры АБ и использовании дополнительной обмотки ДТ для подключения аппаратуры ТРЦ (разрядник размещается в релейном шкафу);

д) при тяге переменного тока и использовании дополнительной обмотки ДТ для подключения аппаратуры ТРЦ;

е) при тяге постоянного тока, централизованном размещении аппаратуры АБ и использовании дополнительной обмотки ДТ для подключения аппаратуры ТРЦ (разрядник размещается в станционном помещении на месте установки аппаратуры АБ);

ж) при автономной тяге.