. ВВЕДЕНИЕ
V
4
Повышение эффективности функционирования современных устройств СЦБ является многогранной проблемой, включающей в себя решение разнообразных задач. В наиболее значительной степени её многогранность и появление принципиально новых научно-технических разделов и задач проявились за последнее время, в связи с широкой электронизацией и информатизацией железнодорожного транспорта, осуществляемой в соответствии с директивными документами МПС и Правительства России. В связи с внедрением железных до-*4 рог России в общемировую сеть железных дорог и созданием трансконтинен-
тальных железнодорожных магистралей насущными стали вопросы совмести-мости эксплуатационных вопросов перевозки грузов и пассажиропотоков с зарубежными. Это повлекло за собой появление других, принципиально новых задач, которые, в значительной степени относятся к устройствам СЦБ и связи. Ранее, в годы существования СССР, этих задач не возникало.
Эти принципиально новые задачи решаются широким кругом научно-технических специалистов России, дальнего и ближнего Зарубежья. К ним, в первую очередь, следует отнести работы, выполняемые отечественными отраслевыми научными и учебными коллективами: ВНИИАС (д.т.н., проф. Козлов П.А., к.т.н. Розенберг Е.Н., к.т.н. Зорин В.И., к.т.н. Коган Д.А.), ПГУ ПС (д.т.н., проф. Сапожников В.В., д.т.н., проф. Сапожников Вл.В., д.т.н., проф. Костро-1 минов A.M., д.т.н., проф. Гавзов Д.В.), МГТУ ПС (д.т.н., проф. Лисенков В.М.,
,j д.т.н., проф. Беляков И.В.), а также рядом других организаций и предприятий
МПС. За последнее время в связи с конверсией и необходимостью внедрения наиболее передовых достижений отечественной военной промышленности в гражданские отрасли народного хозяйства к работам для железнодорожного транспорта в больших масштабах привлекаются предприятия ВПК электронно-*'¦ го и радиотехнического профиля. В устройствах железнодорожной автоматики,
информатики и связи стали применяться зарубежные электронные системы и приборы.
Одна из специфических особенностей новых систем и устройств заключается в существенной критичности их функционирования к параметрам электропитания и воздействию высокочастотных импульсных помех с верхней границей частотного спектра до нескольких десятков-сотен мегагерц. Железнодорожный транспорт с разветвленной сетью различных и мощных электрических генераторов помех и с большой протяженностью линий связи, управляющих работой устройств автоматики, телемеханики и связи, в значительной степени отличается от известных промышленных или военных объектов. Кроме того, надежность функционирования аппаратуры автоматики и телемеханики должна быть определяющим фактором при перевозке пассажиров и грузов при безусловном обеспечении безопасности движения поездов.
Одновременно с разработкой и внедрением новой электронной аппаратуры происходит обновление источников вторичного электропитания (ИВЭП). На смену громоздким низкочастотным ИВЭП, имеющим значительную материалоемкость в части обмоточной меди и качественной трансформаторной стали, пришли высокочастотные импульсные ИВЭП, масса меди в которых уменьшена в десятки раз, а в качестве магнитопроводов трансформаторов используются малогабаритные ферритовые сердечники, стоимость которых в десятки-сотни раз меньше. Импульсные методы преобразования электрической энергии в новых ИВЭП позволяют получать КПД до 90...95%. Энергетическая, экономическая и экологическая эффективность новых источников электропитания гораздо выше, чем у ранее существовавших низкочастотных, что находится в соответствии с указаниями МПС РФ по реализации программы ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте.
Однако, наряду с положительными качествами, новые источники и системы электропитания имеют и определенные недостатки, которые обостряют проблему обеспечения надежного функционирования приборов-потребителей (электронной аппаратуры). К одной из них относится принципиальное существование внутри ИВЭП генераторов высокочастотных импульсных помех, что
обусловлено импульсным преобразованием энергии при помощи быстродействующих полупроводниковых элементов.
Использование современной электронной аппаратуры и современных источников электропитания требует проведения критического анализа в области существующих систем электропитания электронной аппаратуры и выполнения соответствующих исследований, направленных на обеспечение их работоспособности и оптимизации показателей.
В настоящей диссертационной работе рассматривается определенная часть этих вопросов, круг которых ограничивается системами и источниками электропитания и их влиянием на функционирование электронной аппаратуры СЦБ. Показываются причины необходимости их рассмотрения на современном этапе развития устройств СЦБ, обосновываются применяемые научные подходы к решению поставленных вопросов. Получены уравнения, которые позволяют выполнить инженерный расчет систем электропитания и разработанного ряда функциональных узлов. Кроме того, рассмотрены аналитические и практические вопросы повышения энергетической эффективности некоторых типовых устройств СЦБ. Выполнен анализ возникновения и процессов влияния импульсных высокочастотных помех на функционирование и надежность работы электронных цифровых устройств и систем.
Таким образом, в работе рассмотрены вопросы, определяющие показатели систем и устройств электропитания, функциональных узлов СЦБ, надежность работы электронной аппаратуры с точки зрения воздействия на неё импульсных высокочастотных помех. Выполнение настоящей работы, в общем объёме различных вопросов, которые упомянуты выше, создает предпосылки для повышения эффективности работы современных устройств СЦБ.
1 ОБЗОР СИСТЕМ И УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
АППАРАТУРЫ СЦБ И ПОСТАНОВКА "* ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
В соответствии с современными задачами развития железнодорожного транспорта одним из основных направлений технического прогресса является электронизация управляющих и информационных систем, к которым относятся системы сигнализации, централизации и блокировки. Это определяет радикальное изменение подхода к разработке различного рода электротехнических устройств, к которым, в частности, относятся системы и источники электропитания и энергоснабжения.
Радикальность проявляется, в первую очередь, в том, что функционирование электронной аппаратуры в значительной степени определяется параметрами питающих напряжений и наличием помех различного вида, возникновение и проникновение которых в функциональные узлы электронной аппаратуры напрямую зависит от параметров и конструктивной реализации источников электропитания и питающих линий.
Разрабатываемая на протяжении многих десятилетий и эксплуатирующаяся в настоящее время аппаратура СЦБ была реализована, в основном, на принципах использования электромагнитных реле. В существенной и значимой степени она была некритична к параметрам электропитания и помехам вследствие большой инерционности элементной базы и отсутствии быстродействующих устройств памяти.
Применение электронной аппаратуры потребовало новых схемотехниче-сих и системотехнических решений, что и определило необходимость выполнения исследований, результаты которых изложены в настоящей диссертационной работе.
1.1 Характеристика влияния параметров электропитающих устройств на функционирование электронной аппаратуры
Широкая информатизация отрасли на основе современных средств вычислительной техники и связи требует системного подхода к разработке и внедрению комплексов электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. В наибольшей степени это относится к управляющим комплексам, приходящим на смену информационным, и надежность работы их должна быть несравненно выше [1-3].
Системность должна реализовываться не только в части входных и выходных информативных и управляющих сигналов комплексов. Немаловажную роль играют вопросы электропитания электронной аппаратуры, которые в значительной степени определяют надежность функционирования электронных комплексов [4,5].
Вопросы электропитания ранее разработанной и эксплуатирующейся на сети дорог аппаратуры СЦБ и связи не являлись определяющими в части её надежности. Это было обусловлено рядом объективных обстоятельств, описанных ниже. Более того, для этой части аппаратуры отсутствовала явная техническая и экономическая необходимость модернизации источников вторичного электропитания (ИВЭП) или улучшения их характеристик, что показано в [4].
Задача острой необходимости анализа и исследования систем электропитания и ИВЭП для современной электронной аппаратуры железнодорожного транспорта возникла в последние несколько лет. Постановка этой задачи выполнена в [5,6]. Основные причины её появления, а также основные функциональные положения задачи заключаются в существовании и появлении следующих объективных обстоятельств.
На диаграмме, представленной на рисунке 1.1, приведены данные зарубежных ученых по отказам компьютерных систем общепромышленного применения [7]. Они показывают, что почти половина всех отказов аппаратуры появляется вследствие существования проблем с электропитанием. Здесь обозна-
8
Рисунок 1.1 - Причины отказов компьютерных систем общепромышленного
применения.
Рисунок 1.2 - Влияние видов отказа систем электропитания на работу
компьютерной аппаратуры.
« чения причин отказов соответствуют: сектор 1 - проблемы с электропитанием
(45,3%); 2 - гроза (9,4%); 3 - пожар или взрыв (8,2%); 4 - сбои программного обеспечения (8,2%); 5 - наводнения (6,7%); 6 - землетрясения (5,5%); 7 - неполадки в информационной сети (4,5%); 8 - ошибки персонала (3,2%); 9 - отказ систем контроля (2,3%); 10 - прочие (6,7%).
Показанные данные относятся к зарубежным электросистемам. Очевидно, что для отечественных электросистем, и в особенности железнодорожных, доля проблем с электропитанием будет больше. Это подтверждается тем, что k для устройств СЦБ нормы, оговариваемые соответствующими ГОСТами для
* питающих напряжений, например 220 или 380 В, во многих практических слу-
чаях, не выполняются.
На диаграмме, представленной на рисунке 1.2, показано процентное соотношение видов отказов устройств электропитания [7], в частности ИВЭП, по параметрам выходных напряжений. Они показывают, что наиболее частым видом неисправности (сектор 1 - 87%) является снижение напряжения ниже заданной нормы. Оно может привести к сбоям в работе, например, к зависанию клавиатуры, системным сбоям, которые заканчиваются потерей или повреждением информации. Отключение питающего напряжения (сектор 2 - 6%) может
; вызвать потерю текущих данных в оперативной или кэш-памяти, нарушение
i
! файловой системы, что ведет к полной потере записанной на дисках информа-
ции. Импульсные перенапряжения (сектор 3 - 7%) могут привести к катастро-! фическим повреждениям аппаратуры с полной потерей данных,
i ., В качестве практического примера влияния проблем электропитания в
i устройствах СЦБ можно привести процентные данные по отказам аппаратуры
I системы УКП СО на Свердловской железной дороге, полученные за период с
! 1996 по 1999 г. Они приведены на рисунке 1.3. Отличительной особенностью
аппаратуры УКП СО, в которой должно быть обеспечено исключение влияния * проблем с электропитанием, является резервированное энергоснабжение, вы-
ражающееся в том, что при пропадании одного, например, переменного пер-
iO
30,00% -]
25,00% -
20,00% -
15,00% -
10,00% -
5,00% -
0,00%
1996
1997
1998
1999
Рисунок 1.3 - Процентное соотношение отказов аппаратуры УКП СО по проблемам с электропитанием.
600-500-400-300-200-100 -
о
в
50 В
50 В
50 В
нов
1
Рисунок 1.4 - Диапазоны эксплуатационных изменений напряжения цепей управления локомотивов.
I
« винного напряжения, питание осуществляется от другого источника - аккуму-
ляторной батареи.
Данные рис. 1.3 показывают, что на начальном этапе внедрения аппаратуры УКП СО в 1996 г., когда вопросам инженерного исследования электропитания не уделялось должного внимания, отказы аппаратуры по этой причине составляли 24,7% от общего числа отказов. По мере отработки и принятия соответствующих организационных, схемотехнических и системных мер доля отказов в 1999 г. снизилась до 4,9%.
Приведенные данные могут быть отнесены к стационарной электронной * аппаратуре железнодорожного транспорта, располагаемой на постах ЭЦ, в ре-
лейных шкафах, домах связи и др. Для этих устройств при номинальном зна-чении первичного переменного напряжения 220 (или 230) В практические величины напряжения лежат в пределах от 140 до 260 В.
Гораздо более худшая обстановка по качеству первичного электропитания имеет место в системах электропитания бортовой электронной аппаратуры, располагаемой на локомотивах, дрезинах, пассажирских вагонах и т.п. Результаты измерений, выполненных рядом различных КБ и НИИ железнодорожного транспорта, обобщенные в [8], приведены на рисунке 1.4.
Здесь обозначения соответствуют: 1 - электровозы переменного тока при номинальном значении напряжения цепей управления UH0M = 50 В; 2- электро-возы постоянного тока при 11ИОМ = 50 В; 3 - электропоезда при UH0M = 50 В; 4 -электропоезда при UHQM = ПО В; 5 - тепловозы при UHOM = 75 В; 6 - тепловозы при f/ном = ПО В. Черным цветом показаны величины напряжений UHOM, серым и белым - практически возможные и экспериментально определенные изменения напряжений в процессе эксплуатации.
Видно, что изменения напряжений цепей управления могут превышать номинальные значения ?/ном в 4...6 раз. Для электровозов переменного тока * возможно уменьшение напряжения до 5 В. У тепловозов в момент пуска дизеля
снижение напряжения также значительно. Наибольшее относительное увеличение напряжения имеет место у электровозов и тепловозов. Так как измерения
i
I
*
выполнялись при реальных поездках составов, то зафиксированные уровни напряжений определялись также коммутациями тягового тока и их электромагнитным воздействием на шины цепей управления, в частности, в местах подключения электронной аппаратуры.
Таким образом, качество систем электропитания электронной аппаратуры на железнодорожном транспорте крайне неудовлетворительное. Вместе с этим, нельзя с достаточной степенью достоверности утверждать, что имеющиеся данные по параметрам питающих сетей известны. Если для локомотивной аппаратуры практические измерения выполнялись, хотя и недостаточно корректно, то определение характеристик первичных постоянных и переменных питающих напряжений стационарной аппаратуры не проводилось.
Подобная ситуация объективно объясняется рядом следующих причин.
Во-первых, ранее разработанная и эксплуатирующаяся электронная аппаратура СЦБ и связи с точки зрения преобразуемых сигналов была аналоговой или релейной и, в основном, не содержала электронных цифровых функциональных узлов с устройствами памяти. Поэтому кратковременные изменения напряжений, питающих эти узлы, не вызывали ощутимых и необратимых отказов аппаратуры и не приводили к потере значимой части информации. Во-вторых, аппаратура имела достаточно большие перегрузочные способности как по току, так и по напряжению. В качестве наиболее яркого примера можно привести релейную аппаратуру СЦБ. Следующим фактором является то обстоятельство, что ранее разработанные ИВЭП для электронной аппаратуры по принципу силового преобразования электрической энергии являлись достаточно громоздкими низкочастотными устройствами с силовыми трансформаторами, преобразующими напряжение с частотой 50 Гц, и сглаживающими фильтрами с большими постоянными времени, составляющими десятки-сотни миллисекунд, а иногда и более. Они осуществляли достаточно надежную защиту приборов-потребителей от импульсных помех и кратковременных провалов первичного напряжения.
« ' Современная и перспективная электронная аппаратура автоматики, ин-
форматики и связи строится, как правило, на микропроцессорных функцио-нальных узлах с устройствами памяти. В этой аппаратуре используются интегральные микросхемы (ИМС), обладающие невысокой перегрузочной способностью и существенной критичностью к внешним электрическим помехам различного рода. Современные ИВЭП реализуются на принципах высокочастотного преобразования электрической энергии, что позволило значительно снизить их материалоемкость и стоимость за счет существенного сокращения массы « обмоточной меди и полного исключения применения трансформаторной стали.
; * Высокочастотные принципы преобразования определили существенное умень-
шение постоянных времени сглаживающих входных и выходных фильтров. Применение современных быстродействующих силовых импульсных полупроводниковых приборов определяет их меньшую перегрузочную способность, что снижает надежность работы ИВЭП при невысоком качестве первичных напряжений и наличии мощных помех по сетям энергоснабжения.
К числу основных особенностей электропитающих сетей железнодорожного транспорта, отличающих их от общепромышленных или военных, можно отнести следующие:
- чрезвычайно высокая степень разветвленности кабельных и воздушных питающих линий и значительная пространственная разнесённость и удаленность друг от друга приборов-потребителей;
- наличие мощных источников помех, в качестве которых выступают ! > промышленные ЛЭП, тяговые подстанции и движущийся по станциям и перегонам подвижной состав с соответствующими коммутациями тягового тока и
! отопления вагонов, грозовые разряды, процессы переключения питающих фи-
деров постоянного или переменного напряжений стационарных систем элек-
i
троснабжения;
! ¦ - наличие разветвленной и распределенной сети канализации тягового то-
ка, в значительной степени влияющей на работоспособность устройств СЦБ и связи на станциях или вблизи тяговых подстанций;
- значимый уровень электромагнитных помех внутри замкнутого пространства кузовов электровозов и тепловозов, вызванных как коммутациями тягового тока, так и переключениями мощных индуктивных нагрузок типа управляющих электромагнитных механизмов, в большинстве случаев не оборудованных демпфирующими электрическими цепями защиты;
- изменения, обычно в худшую сторону, продольного электрического сопротивления питающих линий, вызванных спецификой работы эксплуатационного штата дистанций СЦБ;
- наличие большого количества электромагнитных реле в устройствах СЦБ, контакты которых коммутируют весьма широкий диапазон постоянных и переменных токов и напряжений без применения каких-либо демпфирующих цепей защиты, так как они изменяют временные характеристики реле и влияют на работу схем СЦБ.
В этих условиях наиболее радикальным решением вопроса обеспечения должного качества питающих напряжений для ИВЭП электронной аппаратуры железнодорожного транспорта и следующего из этого достаточно надежного её функционирования является приведение параметров энергосистем и первичных источников к нормативам, соответствующим государственным стандартам или нормам оговариваемым рекомендациями МЭК. Однако это вызывает значительные и неприемлемые, в большинстве случаев, финансовые и материальные затраты. В некоторых случаях в достаточно полном объёме выполнение заданных требований практически невозможно. Альтернативным выходом могла бы стать установка локальных стандартных устройств бесперебойного питания или использование нетрадиционных источников или накопителей электроэнергии. Однако это также сопряжено с определенными трудностями, в основном, финансового и эксплуатационного характера.
Для локомотивной электронной аппаратуры СЦБ и связи одним из возможных методов повышения качества питающих напряжений являются полное изменение электрической схемы, применение экранированных питающих проводников, рационализация монтажа и изменение принципов регулирования на-
пряжения цепей управления. Очевидно, что для существующего и эксплуатирующегося парка электровозов, тепловозов и электропоездов такой подход практически невозможен и остается только предположительно рассчитывать на его возможную реализацию только при производстве новых локомотивов или заводской модернизации старых.
Таким образом, для обеспечения надежной работы электронных комплексов и приборов необходимо всестороннее исследование стационарных и бортовых систем электропитания и разработка функциональных узлов для ИВЭП, обеспечивающих их надежную работу. Вместе с этим, наиболее важным вопросом является решение задачи определения рациональных и практически реализуемых направлений улучшения качественных и количественных характеристик систем электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта [5, 95,102, 109].
Широкая информатизация железнодорожного транспорта и внедрение сложных вычислительных и коммуникационных комплексов аппаратуры делает рассматриваемую проблему особо острой, так как она может сделать аппаратуру неработоспособной или существенно увеличить сроки её ввода в эксплуатацию, подтверждением чему служат практически известные факты, имеющие место на ряде дорог. Это приводит к значительным и нерациональным финансовым затратам.
Для определения рациональности использования тех или иных путей изменения существующего положения в области систем и источников электропитания в первую очередь необходимо рассмотреть известные принципы реализации систем и источников электропитания.
1.2 Основные виды и принципы построения систем и источников электропитания электронной аппаратуры
Питание функциональных узлов электронной аппаратуры осуществляется, за исключением особо оговариваемых случаев, постоянными напряжениями
/б
стандартного ряда, нормируемого соответствующими ГОСТами. Первичным напряжением служат или переменное напряжение, частоты обычно 50 Гц, или постоянное различных номинальных значений. В подавляющем большинстве случаев для аппаратуры железнодорожного транспорта, в отличие от военной, требуется гальваническая развязка напряжений питания ИМС от первичного напряжения и различных выходных напряжений ИВЭП друг от друга. Это накладывает соответствующие ограничения на построение систем электропитания и структурное построение ИВЭП для питания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта.
Упрощенные функциональные схемы систем электропитания для первичного постоянного и переменного напряжений, иллюстрирующие принципы преобразования электрической энергии, приведены на рисунке 1.5.
Первая схема (рисунок \.5,а) содержит импульсный стабилизатор постоянного напряжения (ИСН), который стабилизирует первичное постоянное напряжение Е. Преобразование, получение требуемого количества, трансформацию и гальваническую развязку выходных напряжений ?/„|,...?/„,- друг от друга и от первичного источника Е выполняет нерегулируемый импульсный преобразователь постоянного напряжения (ИПН). Подобная структурная схема используется при питании некоторых типов бортовых радиостанций, где постоянное напряжение Е является напряжением цепей управления локомотивов, электропоездов или дрезин. В последних разработках ИВЭП наиболее часто применяются регулируемые преобразователи (РИПН), совмещающие в себе функции стабилизации выходных напряжений и гальванической развязки (рисунок 1.5,6). Наличие переменного первичного напряжения (рисунок 1.5,в) требует введения в ИВЭП выпрямителя и сглаживающего фильтра. Однако здесь, как и в предыдущих схемах требуется наличие импульсного преобразователя постоянного напряжения, выполняющего аналогичные функции. Здесь может'быть применен нерегулируемый преобразователь НИПН с использованием ИСН, как это выполнено в схеме показанной на рисунке 1.5,я. Обобщающий анализ приведенных схем показывает, что импульсный преобразователь постоянного на-
1?
ивэп Нерегули- --------> ии1
----------> иен --------> руемый ИПН (НИПН) ----------> С/„2 ---------> ---------> Vm
ИВЭП
а)
Регулируемый ИПН (РИПН)
б)
'н\
uHi
ивэп
Выпря
ми-
тель
(В)
Сглаживающий Фильтр (СФ)
ИПН (НИПН
или РИПН)
¦> Ц
н2
Рисунок 1.5 - Упрощенные структурные схемы систем электропитания
электронной аппаратуры.
пряжения является непременным функциональным узлом практически всех современных высокочастотных ИВЭП. Это определяет определенную идентичность схемотехнического построения ИВЭП с питанием от сетей переменного и постоянного напряжений. Отличие ИВЭП с питанием от переменного напряжения заключается в наличии высокого постоянного напряжения на выходе сглаживающего фильтра (СФ) для схем с первичным напряжением 220 или 380 В. Практически, для напряжения 220 В оно может достигать 311 В [8-11] и определяется нагрузкой и параметрами СФ. Структура источника электропитания с первичным переменным напряжением и высокочастотным ИПН применяется практически во всех современных компьютерах и бытовых электронных приборах. В современной научно-технической литературе по силовой электронике такие ИВЭП называются бестрансформаторным [104, 105, 110, 111].
Традиционная схема системы энергоснабжения устройств автоблокировки приведена на рисунке 1.6. Здесь напряжение 10 (или 6) кВ продольной линии энергоснабжения при помощи трансформатора TV снижается до напряжения 220 (230) В и поступает в соответствующий релейный шкаф (РШ) на вход схемы электропитания, показанной, например на рисунке 1.5,в. Источником первичного напряжения для продольной высоковольтной линии служат или тяговая подстанция ТП (для электрифицированных участков), или автономные комплексные распределительные устройства КРУ (КТП), подключенные к соответствующим ЛЭП или энергосистемам (для участков с автономной тягой). Для организации бесперебойного питания устройств автоблокировки используются две продольные высоковольтные линии с двумя постоянно подключенными трансформаторами TV, а переключение напряжений, потребляемых от той или иной линии, осуществляется в релейном шкафу со стороны низкого напряжения [12].
Организация энергоснабжения ЭЦ крупной станции показана на рисунке 1.7. Напряжение от двух фидеров - основного (ОФ) и резервного (РФ) поступает на панели питания ЭЦ, где осуществляется их переключение, распределение и преобразование для получения требуемых постоянных и переменных напря-
19
10 кВ
VT
VT
РШАБ
РШАБ
Рисунок 1.6 - Система энергоснабжения устройств автоблокировки.
ОФ
РФ
панели питания ЭЦ
Рисунок 1.7 - Система энергоснабжения устройств СЦБ крупной
станции.
а)
GB
б)
Рисунок 1.8 - Обобщенные системы организации напряжения цепей управления локомотивов.
20 |
