Введение 4
1 Обзор систем и устройств электропитания электронной аппаратуры устройств СЦБ и связи и постановка задачи исследования ... 7
1.1 Характеристика влияния параметров электропитающих устройств на функционирование электронной аппаратуры 8
1.2 Основные виды и принципы построения систем электропитания электронной аппаратуры 16
1.3 Объект и постановка задачи исследования 22
2 Исследование системных вопросов электропитания электронной аппаратуры СЦБ 25
2.1 Обобщенная эквивалентная схема систем электропитания
и её характеристики 26
2.2 Исследование систем электропитания с учетом влияния внутреннего сопротивления первичного источника 29
2.2.1 Анализ процессов работы схемы рис.2.5,а 33
2.2.2 Анализ процессов работы схемы рис.2.5,б 38
2.2.3 Анализ процессов работы схемы рис.2.3 43
2.2.4 Анализ процессов работы схемы с учетом сопротивления /?э. .48
Г •
Выводы 53
3 Разработка и исследование функциональных узлов и систем источников электропитания 55
3.1 Исследование и улучшение энергетических
показателей светофоров 55
3.2 Исследование устройства для управления электромагнитными силовыми механизмами 65
3.3 Исследование устройств для заряда аккумуляторных батарей ... 81
3.4 Исследование пусковых характеристик источника .электропитания 91
2
3.5 Исследование дистанционных методов контроля
нескольких переменных токов 106
Выводы 115
4 Исследование влияния импульсных высокочастотных помех на функционирование электронной аппаратуры СЦБ 118
4.1 Исследование причин и процессов возникновения
импульсных помех в источниках электропитания . 119
г
4.2 Исследование процессов взаимодействия высокочастотных
помех различных генераторов 129
4.3 Исследование влияния параметров питающих линий на уровень высокочастотных помех в электронных приборах 139
Выводы 145
Заключение 147
Литература 150
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¬рог России в общемировую сеть железных дорог и созданием трансконтинентальных железнодорожных магистралей насущными стали вопросы совместимости эксплуатационных вопросов перевозки грузов и пассажиропотоков с за¬рубежными. 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. Костроминов А.М., д.т.н., проф. Гавзов Д.В.), МГТУ ПС (д.т.н., проф. Лисенков В.М., 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 электронного 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.
Изложенные в диссертационной работе данные определяют получение следующих научно-технических и практических результатов.
1) Определено, что системы электропитания электронной аппаратуры СЦБ железнодорожного транспорта обладают рядом специфических особенностей, которые существенным образом отличают их от сложных компьютерных систем промышленного и военного назначения. К этим особенностям, в первую очередь, следует отнести распределенность и разнесенность в пространстве и наличие мощных генераторов помех, снижающих надежность работы электронной аппаратуры.
2) Выполнен анализ систем электропитания, предложены их эквивалентные схемы, сочетающие в себе как достаточную простоту исследования, так и максимальную и допустимую степень приближения к практике. На основе представления ИВЭП как потребителя неизменной мощности (ПНМ) из эквивалентных схем определено, что анализируемые системы электропитания, со¬стоящие из линейных функциональных звеньев, представляют собой существенно нелинейную электрическую схему. Это влечет за собой появление ряда эффектов, среди которых наиболее важным является свойство неоднозначности напряжения питания ИВЭП. Кроме того, показано, что существенное влияние на характеристики системы электропитания и работоспособность ИВЭП оказывают как отдельные элементы системы, так и их взаимное сочетание. Проанализирована работа, как частных случаев предложенных эквивалентных схем, так и наиболее общих. Получены уравнения для определения и оптимизации характеристик систем электропитания. Разработаны практические рекомендации по обеспечению надежной работы ИВЭП и питаемой ими электронной аппаратуры СЦБ.
3) Выполнена разработка новых технических решений ряда функциональных узлов СЦБ и систем электропитания. На них поданы 4 заявки на предполагаемые изобретения, на 2 из которых получены положительные решения ФИПС РФ.
Разработано техническое решение поездного светофора с применением светодиодных матриц (СДМ). Выполнен анализ процессов работы устройства, показано, что оно обладает высокой энергетической эффективностью и повышенной надежностью работы. Получены уравнения для определения параметров схемы и нахождения наиболее оптимальных её характеристик.
Разработано устройство управления силовыми электромагнитными механизмами, к которым, в частности, могут относиться контакторы переменного напряжения. Показано, что его работоспособность обеспечивается только при определенных сочетаниях параметров элементов схемы. Получены выражения для расчета характеристик элементов и на основании их анализа определены области устойчивой работы устройства. Найдено, что разработанное устройство может найти применение в системах охраны постов ЭЦ, домов связи и т.п.
Проведен сравнительный анализ устройств заряда аккумуляторных батарей от первичного источника переменного напряжения, показано, что они обладают невысокой энергетической эффективностью и сложностью систем стабилизации тока заряда. Показано, что существенно лучшими показателями обладают давно известные практические зарядные устройства с применением ограничивающих конденсаторов переменного напряжения. Выполнено исследование процессов работы таких устройств, на основании которого разработано новое техническое решение. Оно расширяет функциональные возможности применения известного принципа.
Для определения возможности использования в системах электропитания импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости (ИКЭ) проведен анализ работы ИВЭП, у которого на входе установлен ИКЭ. Предложены технические решения для реализации пусковых узлов, формирующих плавный выход на режим ИВЭП. Получены выражения для нахождения основных характеритик и параметров элементов схемы, на основании чего определены положительные свойства устройства.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
