Admin

Схема управления стрелочным электроприводом от возобновляемых источников энергии

ЕФАНОВ Дмитрий Викторович, Российский университет транспорта, кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», профессор, д-р техн, наук, Москва, Россия
ХОРОШЕВ Валерий Вячеславович, Российский университет транспорта, кафедра «Автоматика, телемеханика и связь на железнодорожном транспорте», доцент, канд. техн, наук, Москва, Россия
РУЗИЕВ Даврон Хасанович, Ташкентский государственный транспортный университет, кафедра «Автоматика и телемеханика», ассистент, Ташкент, Узбекистан
БАРАТОВ Дилшод Хамидуллаевич, Ташкентский государственный транспортный университет, проректор по работе с молодежью, кафедра «Автоматика и телемеханика», профессор, д-р техн, наук, Ташкент, Узбекистан

Ключевые слова: железнодорожная автоматика и телемеханика, стрелочный электропривод с радиоуправлением, возобновляемые источники энергии, энергоэффективность управления, снижение энергопотребления схем управления стрелки

Аннотация. В статье предложена шестипроводная схема управления стрелочным электроприводом для релейной централизации стрелок и сигналов с возможностью работы от двух источников энергии: электропитания, поступающего от подстанции, и от возобновляемых источников энергии. Подробно описывается структура электрической централизации стрелок и сигналов с гибридным энергоснабжением. Детально описана шестипроводная схема управления стрелочным электроприводом во всех режимах функционирования. Использование предложенного решения на практике позволяет реализовать систему управления стрелочными электроприводами на основе применения источников возобновляемой энергии с гарантированным энергоснабжением, что является важным шагом к реализации концепции «зеленой централизации стрелок и сигналов» для управления движением на железных дорогах. Особенно интересным данное решение может оказаться для некоторых регионов России и стран, географическое положение которых позволяет генерировать большое количество энергии от возобновляемых источников.

При совершенствовании технологий управления объектами регулирования движения поездов особое внимание уделяется проблеме энергоэффективности. Оптимизация затрат на управление требует не только применения энергоэффективных режимов работы, но и использования альтернативных источников энергии.
Проблема «озеленения» железных дорог является острой и актуальной. Ее решение связано с комплексной и постепенной заменой невозобновляемых источников энергии возобновляемыми [1-4]. При этом охватываются все объекты инфраструктуры и подвижного состава.


Стоит обратить внимание на устройства и системы регулирования движения поездов - объекты железнодорожной автоматики и телемеханики (ЖАТ), управление которыми осуществляется с применением электрического тока. Между различным напольным оборудованием ЖАТ на этапе
проектирования системы централизации стрелок и сигналов устанавливаются взаимозависимости, позволяющие осуществлять групповое и индивидуальное управление объектами с обеспечением условий безопасности. Каждый объект ЖАТ снабжается кабельными сетями управления и гарантированного энергоснабжения. Особое внимание уделяется разработке бесконтактных схем и устройств на базе микропроцессоров, обеспечивающих высокую надежность и совместимость их с действующими системами, а также минимально расходующие электроэнергию. Определяются пути внедрения энерго- и ресурсосберегающих технологий и их эффективного использования.

Энергосбережение обычно достигается за счет эффективного использования электроэнергии, автоматизации регулирования энергопотребления оборудования, замены мощных устройств на энергосберегающие, внедрения возобновляемых источников энергии [5].
В целях повышения энергосбережения на железнодорожном транспорте реализуются мероприятия, среди которых: производство и эксплуатация энергоэффективных локомотивов; электрификация линий с автономной тягой; внедрение электропитания на железнодорожных линиях и локомотивах от солнечных батарей; использование светодиодных ламп в освещении станций, вокзалов, депо и др.; внедрение микропроцессорных систем ЖАТ и приборов с электронной элементной базой [6]; использование светодиодных светофоров и др.
Одним из основных устройств ЖАТ является стрелочный электропривод. Потребление электроэнергии данным устройством велико. Кроме того, увеличение нагрузки на электропривод (смена марки рельсов на тяжеловесные, удлинение остряков) приводит к увеличению электропотребления. Также в эксплуатации встречаются стрелочные переводы с пологими марками крестовин (1/18, 1/22) и непрерывными поверхностями катаниями. Они управляются несколькими электроприводами [7], что также ведет к повышенному электропотреблению.
В статье предложен способ перевода электрических схем управления стрелками на местное электроснабжение с использованием солнечных батарей. Авторами разработаны методы установки устройств для управления стрелками децентрализованным способом, их электрические схемы на основе радиоуправления и микропроцессорных устройств.
Управление устройствами на подавляющем большинстве станций в настоящее время осуществляется с помощью систем электрической централизации с центральными зависимостями и центральными источниками питания. Устройства подразделяются на постовые и напольные, которые соединяются между собой кабельными линиями. Кроме того, устройства ЖАТ включают в себя объекты, работающие под непрерывным контролем (рельсовые цепи, светофоры, контрольные цепи стрелок, пульты-табло и др.) и электродвигатели. Такие устройства неэффективны с точки зрения энергосбережения.

Один из способов снижения электропотребления - уменьшение нагрузки на электродвигатель стрелочного перевода. При этом постоянно работающие устройства следует задействовать только по мере приближения поезда. Однако такое решение не может в полной мере обеспечить безопасность движения поездов, так как не реализуется непрерывный контроль. Эта задача пока не нашла своего решения. Поэтому объекты, участвующие в реализации ответственных технологических процессов, реализуют с непрерывным получением данных об их состоянии, что также требует повышенного энергоснабжения.
Использование солнечных батарей в системе ЖАТ не снижает электропотребления устройств, но позволяет добиться энергоэффективности [5]. Основная часть электроэнергии, получаемой в обмен на тепловую энергию, может замещаться возобновляемым источником. Кроме того, можно исключить магистральную трассу кабеля, применяя радиоканал для соединения постовых и напольных устройств и местное размещение питающих устройств.

Рассмотрим такое решение в виде релейной централизации стрелок и сигналов с радиоуправлением и питанием от возобновляемых источников энергии и местных источников электропитания (рис. 1).
Снабжение электропитанием осуществляется из горловины станции от местных гарантированных источников с солнечными батареями. В горловине устанавливается релейный шкаф (РШ) для электропитания напольных устройств. В качестве основного источника используются солнечные батареи, а резервного - высоковольтная линия электропередач. Мощность системы солнечных батарей рассчитывается исходя из потребляемой мощности всех устройств для обеспечения непрерывной работы. Солнечные батареи вырабатывают 12,24,36 и 48 В постоянного тока в зависимости от способа соединения. Инвертор солнечных батарей преобразует постоянный ток в переменный частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Когда солнечная батарея не может обеспечить устройства автоматики необходимой электрической энергией, питание осуществляется от высоковольтной линии через понижающий трансформатор. Входной светофор питается по напольному кабелю от РШ, который установлен в горловине станции.

Обмен данными при управлении напольными устройствами и их контроль осуществляются по радиоканалу. На посту централизации и в напольных устройствах автоматики устанавливаются приемо-передающие и обрабатывающие радиосредства.
Для удобства сгруппируем схемы светофоров, стрелок и путевые датчики в отдельную подсистему. Каждый вид устройств имеет свой характер потребления энергии и принципы работы. Структурная схема управления стрелочным переводом в подсистеме стрелочных электроприводов в отдельности может выглядеть так, как это показано на рис. 2. Здесь устанавливается дополнительное оборудование к существующей системе. На посту централизации: ПКСт - постовой контроллер для управления и контроля стрелками, работающий в соответствии с существующими релейными схемами; БС - базовая станция. В напольных устройствах: релейный шкаф и его составляющие (ФМ - фотоэлектрические модули, ИНВ - инвертор, К - контроллер заряда, АКБ - аккумуляторная батарея, БПЗ - блок питания и защиты); путевой ящик и его составляющие (НКСт - напольный контроллер стрелок, РМ - радиомодем, БП - блок питания стрелок).
Стрелочный электропривод остается без изменений кроме монтажа. Монтажный жгут монтируется согласно вновь разра
батываемым схемам управления стрелками. В перспективе может быть предусмотрена замена двигателя на двигатель с уменьшенным энергопотреблением с учетом максимальной нагрузки на него. Однако этот вопрос выходит за пределы исследований, результаты которых освещаются в статье.
На сети железных дорог используются несколько технических решений для управления стрелочными электроприводами. В релейной централизации применяются двух-, трех-, четырех- и пятипроводная схемы. Девятипроводная схема используется в основном в горочных централизациях и метрополитенах. В микропроцессорных централизациях на магистральном транспорте и в метрополитенах используется семипроводная схема.
Для схемы управления стрелкой по радиоканалу и с децентрализованным размещением оборудования предлагается шестипроводная схема, приведенная на рис. 3 и 4. Она разработана с учетом всех требований правил технической эксплуатации к схеме управления стрелочным электроприводом. Подобная схема единообразно может применяться к электродвигателям постоянного и переменного тока. Она аналогична другим схемам и включает в себя пусковую, управляющую и контрольные цепи. Схема может использоваться с любыми видами электрической централизации стрелок и сигналов. Более того, в перспективе она может быть реализована на микропроцессорной основе.


Рассмотрим как она работает. Оборудование пусковой цепи размещается на посту ЭЦ (см. рис. 3). В нее включен постовой контроллер стрелки ПКСт и радиомодем БС, взаимозаменяющие существующий блок ПС-220М с небольшими изменениями (перемонтаж с блока ПС-220М на блок ПКСт). Питание П12, М12 (12 В постоянного тока) предоставляется для внутреннего потребления блоков ПКСт и БС со стативов или питающих установок.
При переводе стрелки в момент одиночного управления переключается стрелочный коммутатор. При маршрутном управлении фронтовой контакт реле ПУ или МУ блока НСО (блок НСС на спаренных стрелках) подключает питание на перевод. Переключением стрелочного коммутатора в плюсовое положение (или фронтовым контактом реле ПУ при маршрутном управлении)питание ТП поступает к выводу 9 блока ПКСт (при переводе в минусовое положение - к выводу 10). Получив команду, блок ПКСт (вывод 7) проверяет отсутствие установленного маршрута и сво-бодность рельсовой цепи данного изолированного участка. После всех проверок данные передаются на БС через интерфейс LAN. В свою очередь БС преобразует электрический сигнал в радиосигнал и посылает его напольному радиоблоку РМ, переводящему стрелку. При поступлении команды на перевод включается управляющая цепь. Пусковая цепь спаренных стрелок работает аналогично.

Оборудование управляющей цепи размещается в путевом ящике (ПЯ) электропривода (см. рис. 4). Получив команду «плюсовой перевод», радиоблок РМ преобразует радиосигнал в электрический и передает блоку напольного контроллера (НКСт). Блок НКСт обрабатывает данные и замыкает цепь электродвигателя.
При плюсовом переводе электропитание РПБ поступает с вывода 7, 8 блока НКСт (см. рис. 4, а - схема управления одиночной стрелкой). Обмотка возбуждения В2 и якорь М получают питание РПБ через линию Л1 и контакты автопереключателя 41-42АП, при минусовом переводе - с выводов 9, 10 блока НКСт. Обмотка возбуждения В1 и якорь М получают питание РПБ через линию Л2 и контакты 11-12АП. Питание РМБ поступает с выводов 11,12 блока НКСт и через блок контактов БК соединяющимися линиями ЛЗ. С началом перевода при плюсовом положении контрольная цепь размыкается контактами 31-32АП, 33-34АП и контактами 21-22АП, 23-24АП при минусовом положении. С вывода 15 блока НКСт прекращается поступление переменного тока контрольной цепи. Управляющая цепь размыкается контактами 41-42АП при плюсовом переводе (контактами 11-12АП при минусовом переводе) с окончанием полного перевода стрелки. После этого блок НКСт блокирует управляющее питание РПБ, РМБ с собственных выводов. В неполном переводе стрелки контакты 41-42АП, 11-12АП не размыкаются. В этом случае двигатель будет вращаться до поступления обратной команды в течение 10 с. При работе двигателя длительностью более 10 с блок НКСт блокирует управляющее питание. Время длительности работы двигателя установлено для защиты от перегревания обмотки.

Управляющая цепь спаренных стрелок функционирует следующим образом (см. рис. 4, б). Вначале переводится первый привод по контактам 41-42АП в «+» (11-12АП в «-»). После перевода первой стрелки замыкаются контакты первой и третьей (второй и четвертой) групп автопереключателя. Питание РПБ проходит по контактам 41-31-32АП. В этот момент начинает переводиться
вторая стрелка. Когда размыкается контакт 41-42АП во втором электроприводе, обрывается управляющая цепь. Блок НКСт блокирует питание РПБ, РМБ.
Контрольная цепь реализована с использованием напольных и постовых устройств (см. рис. 3, 4). После блокировки управляющее питание в блоке НКСт на выводе 15 восстанавливает переменный ток контрольной цепи в линии Л4 соединенными контактами 31 АП и 24АП. Линия Л4 одинаково служит при переводе стрелки в оба положения в качестве начала контрольной цепи.
При плюсовом положении переменный ток контрольной цепи поступает к выводам «-» блока диодов и резисторов (БДР) через контакты 31-32АП. Блок БДР выпрямляет напряжение с пропусканием положительной полуволны. Он необходим для защиты от ложного контроля. Полученный постоянный ток поступает к выводу 17 блока НКСт через контакты 33-34АП и линию Л5. В минусовом положении переменный ток контрольной цепи поступает к выводам «+» БДР через контакты 24-23-ЗЗАП. БДР пропускает отрицательные полуволны. Постоянный ток поступает к выводу 18 блока НКСт через контакты 32-22-21 АП и линию Л6. Блок НКСт, получив информацию о фактическом положении стрелки, передает данные в радиоблок РМ, который, в свою очередь, отправляет сигнал на БС.


Постовым оборудованием базовой станции определяется номер стрелки, от электропривода которой поступает сигнал. Он передается в соответствующий блок ПКСт. После обработки данных блок ПКСт включает реле ПК с вывода 13 при плюсовом положении (с вывода 14 реле МК - при минусовом положении). Полюс «П», поступающий с вывода 15, служит для включения реле ПК, МК. Питание ПСП вывода 18 обеспечивает положительный полюс для питания «взрезного» реле Вз. При отсутствии контроля положения стрелок блок ПКСт обрывает питание с выводов 13, 14, 16 и обесточивает реле ПК, МК, Вз. В выводе 19 появляется питание ОК (см. рис. 3). Это вызывает срабатывание общего контрольного реле ОК.
В блоках ПС-220М отключаются рабочее питание РПБ, РМБ и контрольное питание ПХКС, ОХКС. Схема индикации контроля положения стрелок и другие схемы электрической централизации остаются без изменений.
Применение разработанной схемы управления стрелочным электроприводом целесообразно при реализации подсистем управления стрелками в составе перспективных высокоэффективных систем управления движением поездов, реализующих концепцию «зеленых систем централизации» [4].

СПИСОК источников

1. Towards railway-smartnrid: Energy management optimization for hybrid railway power substations / P. Pankovits, J. Pouget, B. Robyns,
F. Delhaye, S. Brisset// IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies. Istanbul, Turkey, 2014. P. 1-6. DOI: 10.1109/ ISGTEurope.2014.7028816.
2. Utilization of wind energy from railways using vertical axis wind turbine / A. Srivastava, A. Singh, G. Joshi, A. Gupta // International Conference on Energy Economics and Environment (ICEEE). Noida, India, 2015. P. 1-5. DOI: 10.1109/ EnergyEconomics.2015.7235107.
3. Electrical railway power supply systems : current situation and future trends / D. Serrano-Jimenez, L. Abrahamson, S. Castano-Solis, J. Sanz-Fei-to // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2017. Vol. 92, Iss. 9. P. 181-192. DOI: 10.1016/j. ijepes.2017.05.008.
4. Ефанов Д.В., Осадчий Г.В. «Зеленые» технологии на железнодорожном транспорте // Автоматика, связь, информатика. 2019. №12. С. 13-16. DOI: 10.34649/АТ.2019.12.12.003.
5. Efanow D.W., Osadtschiy G.W. Energy efficiency categories for safety installations//Signal+Draht. 2020. Issue 4. P. 36-42.
6. Azizov A.R., Ametova E.K. Developing of microelectronic block HOC // International Journal of Advanced Research in Science, Engineering and Technology. 2019. Vol. 6, Issue 3. P. 8563-8567.
7. Theeg G., Vlasenko S. Railway signalling & interlocking. 3d ed. Hamburg: PMC Media House, 2020. 552 p.

__________________
Телеграм-канал ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНИК

Если у вас возникли вопросы по работе сайте - пишите на почту admin@scbist.com