CC BY
9
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2019, № 2 (80)
АВТОМАТИЗОВАН1 ТА ТЕЛЕМАТИЧН1 СИСТЕМИ НА ТРАНСПОРТ!
УДК 656.256: [621.316.91:621.373.7]
К. I. ЯЩУК1*, А. Ю. ЖУРАВЛЬОВ2*, В. I. ЩЕКА3*
'*Каф. «Автоматика й телекомунжаци», Дшпровський нацюнальний ушверситет зал1зничного транспорту 1меш академь ка В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дшпро, Укра1на, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-8606-5790
2*Каф. «Автоматика й телекомунжаци», Дшпровський нацюнальний ушверситет зал1зничного транспорту 1меш акаде-мжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншро, Украша, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0001-6885-5177
3*Каф. «Автоматика й телекомунжаци», Дшпровський нацюнальний ушверситет зал1зничного транспорту 1меш акаде-мжа В. Лазаряна, вул. Лазаряна, 2, Дншро, Украша, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, ел. пошта [email protected], ORCID 0000-0002-2184-2827
ПАРАМЕТРИЧНИЙ ГЕНЕРАТОР ЧАСТОТИ НА НЕКОЛ1НЕАРНИХ МАГН1ТНИХ ПОЛЯХ
Мета. У статп необхвдно провести дослщження параметричного генератора частоти на неколшеарних магнггних полях, який виконуе функци стабшзованого джерела живлення та засобу захисту ввд впливу по-тужних 1мпульсних завад у виглвд комутацшних перенапруг 1 розряд1в блискавки. Методика. Для прове-дення експериментальних дослвджень було виготовлено макетний зразок параметричного генератора. Проведено низку дослвджень 1з визначення оптимальних параметр1в к1л накачки та контуру пристрою, за яких досягаються найкращ1 енергетичш характеристики та максимальна вихвдна потужшсть 1з забезпеченням стшко! генераци в система Результати. Автори довели необхвдшсть розробки засобу захисту апаратури си-гнал1заци, централ1защ1 та блокування в1д впливу потужних 1мпульсних завад. Розроблена конструкщя пристрою повнютю виключае трансформацш енерги, тобто проникнення перешкоди 1з входу на вихвд. У результат проведених експериментальних дослщжень визначено оптимальш параметри шл генератора, що забезпечують його найкращ енергетичш характеристики. Наукова новизна. Удосконалено пристрш параметричного генератора, який мае у сво!й конструкцп енергоемш елементи, що значно полшшуе енергетичш характеристики 1 властивосп. 1з метою тдвищення надшносл систем автоблокування подальший розвиток отримали способи захисту апаратури зал1знично! автоматики й телемехашки в1д впливу потужних 1мпульс-них завад 1 високих р1вшв тягових струм1в. Практична значимiсть. На основ1 отриманих результапв мож-на впровадити у виробництво дослвджений пристрш 1 застосовувати його для оргашзацп стабшзованого вторинного джерела живлення колшних пристро1в зал1знично! автоматики, а також для захисту апаратури ввд ди потужних 1мпульсних завад, створених грозовими розрядами й блискавками або комутацшними пе-ренапруженнями. Результати роботи також можуть бути використаш тд час переобладнання перегошв но-вими системами зал1знично! автоматики та тдготовки проектно! документаци на рейков1 кола, станцшш системи й системи автоблокування. Результати дослщження використовують тд час вивчення дисциплш «Спещальш вим1рювання на зал1зничному транспорт» й «Електроживлення пристро!в автоматики», оргашзацп науково-практичних семшар1в, курав тдвищення квал1ф1кацп тощо.
Ключовi слова: параметричний генератор частоти; неколшеарш магштш поля; потужш 1мпульсш завади; захисний зас1б; грозов1 розряди; блискавки; стабшзоване джерело живлення
Creative Commons Attribution 4.0 International
doi: 10.15802/stp2019/166623 © К. I. Ящук, А. Ю. Журавльов, В. I. Щека, 2019
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2019, № 2 (80)
Вступ
Електронна апаратура систем залiзничноl автоматики й телемехашки (ЗАТ) тд час робо-ти перебувае в досить складнш електромагтт-нiй обстановщ [5, 10], адже на не! здшснюють вплив потужнi iмпульснi завади (П1З), якi, з одного боку, виражаються грозовими розря-дами й блискавками, а з шшого - комутацшни-ми перенапруженнями й короткими замикан-нями тягово! мережi. Сьогодт майже не iснуе пристро!в, яю повнiстю захищають апаратуру ЗАТ вщ ди грозових розрядiв i блискавок [3]. У кабелях до релейно! шафи i щитових установок систем сигналiзацil, централiзацil та блоку-вання (СЦБ) пiд час ударiв блискавки може бути присутня амплiтуда струму й напруги завади 8 кА, 4,5 кВ iз фронтом iмпульсу 2 мкс i трива-лiстю 210 мкс. Енерпя потужно! iмпульсноl
завади (j i 2tdt iнтеграл Джоуля) перевищуе
30 кДж. При цьому розрядник РВНШ-250, який наразi застосовують у пристроях СЦБ як захис-ний зашб, мае iнтеграл Джоуля 2,5 кДж. Якщо порiвняти цi два показники, то стае зрозумшою необхщтсть упровадження пристрою захисту апаратури ЗАТ вщ ди П1З i дослщження його роботи.
Мета
Ураховуючи вище наведене, автори ставлять за мету дослiдження i вдосконалення засобу захисту пристро1в СЦБ вiд впливу грозових розрядiв i комутацiйних перенапруг тягово1 мережа
Методика
Прототипом дослiджуваного пристрою е пе-ретворювач частоти ПЧ 50:25 i похвдний вiд нього ПЧ 50:50-300, який, на вiдмiну вщ ПЧ 50:25, не мае постшно1 складово1 робочого струму, що шдмагшчувала i, як наслiдок, нагр> вала магнiтопроводи силових трансформаторiв поста централiзацil, створюючи тим самим не-гативний вплив на !х роботу.
Параметричний генератор частоти з ортого-нальними (колiнеарними) полями ПЧ 50:25 представляе собою дшьник частоти з паралель-ними полями та е суттево нелiнiйним пристро-ем. Вiн складаеться з магнiтопроводу, викона-
ного у виглядi прямокутного паралелешпеда з наскрiзними вiкнами, розташованими на дiа-гоналях його граней.
Для збудження електричних коливань обов'язковою умовою е наявнiсть у контурi енергетичного параметра ^ндуктивност або емностi), що перюдично змiнюеться [4]. До того ж параметричне збiльшення комбшацш може мати мiсце тшьки за умов, коли змiна параметра призводить до збiльшення енерги коливань, якi спочатку виникали у контурi внасл> док несиметри магнiтних характеристик осердь або за рахунок незначних змiн земного магшт-ного поля. Такi невеликi коливання струму створюють напругу на конденсаторi контура, що змiнюеться за законом, наближеним до синусоидального.
У нашому випадку для збудження коливань змшюватимемо iндуктивнiсть контура пристрою зовтшшм джерелом енерги. Цей процес вщбуватиметься за наступним законом: у и моменти часу, коли струм у контурi досягае максимуму (1к = ± 1^), iндуктивнiсть досить швидко зменшуеться вiд значення Ь2 до зна-чення Ц, а коли струм проходить через нуль, -повертаеться до свого колишнього значення (рис. 1). У разi зменшення iндуктивностi (моменти , t2...) зовнiшне джерело буде здшс-нювати роботу проти сил магнiтного поля, й енерпя, яку витрачае джерело, дорiвнювати-ме приросту електромагштно! енерги контура:
0,5(Ц -Ц)• 12 = 0,5Фк-Аи =АЛг.
Беручи до уваги незмшшсть магнiтного потоку тд час змiни iндуктивностi, енерпя контура збшьшуватиметься за рахунок стрибкопо-дiбного збiльшення струму контура приблизно на величину:
д. _1 АЬ
к1 = 1кт ' Т .
Ьср
Пiсля отримання контуром приросту енерги струм в iндуктивностi зменшуеться, а електро-магнiтна енергiя, що накопичена в нiй, буде переходити в електростатичну енергiю конденсатора [1, 2]. Повернення iндуктивностi до по-переднього значення, що вщбуваеться через чверть перiоду частоти контура, не супрово-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дшпропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2019, № 2 (80)
джуеться зм1ною запасу енерги контура, що зосереджена в конденсатор^ тому що цей про-цес вщбуваеться в моменти ?3..., коли струм 1Ы а, вщповщно, й електромагштна енерпя контура дор1внюе нулю. При цьому на змшу шдуктивносп зовшшшх джерел енерпя не ви-трачаеться [5]. У третш чверт перюду, коли
напрямок струму шдуктивносп зм1нюеться на протилежний, а значения 1ндуктивност1 знову зменшуватиметься, енерпя контура збшьшить-ся на деяку величину АЛ2 > АЛ1, оскшьки струм контура за першу половину перюду зрю на величину Ад. 1.
Рис. 1. Графiки змiни napaMeTpiB перетворювача частоти в процес параметричного збудження Fig. 1. Graphs of changing the parameters of the frequency converter in the process of parametric excitation
Поняття «накачування» означае компенса-щю втрат енерги системи впродовж роботи, здшснювано! тд час змши шдуктивносп дже-релом накачування. Вщповщно до цього надал1 використано термши «струм накачування» й «напруга накачування» замють термша «на-пруга мереж».
Зпдно з рис. 1 можна видшити наступш особливосн параметричного збудження коли-вань:
1. Найефектившшим режимом збудження коливань е такий, за якого змша параметра контура вщбуваеться з частотою накачування, що вдв1ч1 перевищуе частоту власних коливань у систем1 (рис. 1).
2. Змщення моменту зменшення Ь на вщм> тку часу, коли | < \!Ьп |, тобто на At за часом t
або на 2<вА? за фазою, призведе до зменшення енерги, яка поступае в контур; зростання зна-чення шдуктивносп вщбуватиметься за и ^ 0 , а тому буде супроводжуватися витратою енерги контура. Якщо ж змютити моменти часу
зм1ни 1ндуктивност1 на
T
At = Th, 4 '
то 1ндуктив-
нють буде зменшуватися (/н « 0) \ збшьшува-
тися 1к | = 1кт ), тобто енерпя у контур взагал1
не буде надходити, { И втрати при цьому вияв-ляються найбшьшими. Така змша Ь призведе до збшьшення згасання струму контура.
До конструкцшних недолшв шшого аналога розробленого пристрою, ПГ 50-50-300, на-лежить наявнють обмотки зворотного зв'язку, що створюе ймов1рнють потрапляння П1З у ви-хщну контурну обмотку. У такому випадку за-хисш властивосн повнютю анулюються. Вини-кае необхщнють у розробщ пристрою захисту апаратури вщ ди грозових розряд1в I комута-цшних перенапруг, який би не волод1в вище наведеними недолшами [9].
У вдосконаленому пристро! виключена обмотка зворотного зв'язку, { конструкщя магш-топроводу передбачае неколшеарнють магшт-них кш. Змшний струм у розмщених ортогонально обмотках накачування створюе магштний понк, силов1 лши якого не перетинають контурну обмотку. Таке конструкцшне ршення до-зволяе повнютю уникнути трансформаци енерги з кола накачування в контур навпь за част-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального ушверситету з&шзничного транспорту, 2019, № 2 (80)
кового замикання витюв обмотки накачування. Кр1м того, за таких умов можна уникнути неправильно! роботи фазочутливого колшного реле.
Отже, ус вище перераховаш властивост^ особливосп й характеристики були використаш для створення такого параметричного генератора (ПГ), який можна використати i як стабш-зоване вторинне джерело живлення, i як прист-рш захисту вщ дiï iмпульсних завад.
Для виготовлення дослщного зразка параметричного генератора частоти й дослщження його характеристик було розраховано всi конструктивш й електричнi параметри, але вони потребували подальшого уточнення експериментом. Осердя виконано
з холоднокатаноï тонколистовоï iзотропноï електротехнiчноï сталi 2412, що володie хорошими магнiтними властивостями.
W = 300 , Жн0 = 300 , витки контурно1' обмотки W = 300 [64].
Дослщження проведенi за схемою, що зо-бражена на рис. 3.
Рис. 3. Схема для дослвдження характеристик параметричного генератора частоти
Fig. 3. A scheme for studying the characteristics of a parametric frequency generator
Елементи вхщного кола генератора мютять послщовний контур L0 — С0, де можливий л> ншний резонанс напруг, та паралельне коло LH — СН з нелiнiйною iндуктивнiстю обмотки накачування, де можливий ферорезонанс стру-мiв.
Рис. 2. Макетний зразок ПГ 50:50-150
Fig. 2. A parametric generator 50:50-150 prototype
Зсув фаз 90° мiж вхщною та вихщною на-пругами забезпечують обмотки ПГ, розмщеш ортогонально (рис. 2).
Дослщний зразок перетворювача потужшс-тю 150 Вт на неколшеарних магнiтних полях мае наступш параметри: об'ем сталi магштоп-
роводу V = 1,3-Ю6; середня лмя lcp = 0,34 м;
штамп сталi Ш-33-50-198, емнiсть кола накачування Сн = 40 мкФ, емшсть контура Ск = 40 мкФ, витки обмотки накачування
Рис. 4. Схема вхвдного кола ПГ з зус^чним yBiMK-ненням виткiв обмотки накачки 300 та 50
Fig. 4. Scheme of the input circuit of parametric generator with the inclusion of the pumping winding 300 and 50
У результат розрахунюв характеристик елемеипв вхщного кола генератора знайдено значення емносп (30...40 мкФ), яке за заданих параметрiв ПГ забезпечуе в обмотщ накачування необхщну iндукцiю i створюе режим коливань у вихщному параметричному колi без до-сягнення режимiв насичення сталi осердя генератора. За знайдено! емносп конденсатора
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзиичиого транспорту, 2019, N° 2 (80)
струм у контур1 Ь0 - СН не перевищуе 2,5 А. Це саме та емнють, за яко! проявляеться ферорезо-нанс, унаслщок чого вщбуваеться стрибок струму. Насправд1 обрана для проведення екс-периментальних дослщжень емнють е трохи меншою за розрахункову, оскшьки режим пов-ного резонансу струму тд час роботи перетво-рювача не бажаний ¡з точки зору обмеження струму намагшчування обмотки накачування.
На рис. 4 зображеш послщовно включеш елементи вхщного кола ПГ (Ь0 + ЬН0 ) - СН, що створюють передумову для виникнення лшш-ного резонансу напруг (1ндуктившсть 0 ме-нша вщ ЬН0). За резонансу напруг, як вщомо, фаза струму в кол1 збнаеться з фазою електро-рушшно! сили. У цьому випадку вхщний ошр схеми е активним, а струм на вход1 - максима-льним. Напруга на шдуктивносп обмотки накачування ^ досягне величини иь = QUI,
де Q =
Ю0 •(L0 + LH0 )
R
- добротнють резонансно-
ключення L0 з1 схеми накачування генеращя не настае нав1ть у раз1 вхщно! напруги до 220 В. Таким чином, наявнють у схем1 додатково! л> ншно! 1ндуктивност1 L0 позитивно впливае на добротнють видного кола.
#........ш
4-4-
! \ А ' \ \
го контура; га0 - власна частота вхщного контура ПГ. Генератор допускае вщхилення га0 вщ частоти живильно! мереж1 в межах 40 %. Для роботи дослщного зразка обраш параметри елеменпв вхщно! схеми, за яких резонанс напруг може розвиватися лише на 20...30 % вщ максимально! добротносп контура.
У робой проведено пошук оптимальних па-раметр1в кола накачування й контура ПГ, яю забезпечують потр1бш енергетичш показники й вихщну потужнють. Виникла необхщнють здшснити уточнення кшькосп зустр1чно вв1мк-нених витюв, величини емност накачування та ш.
1ндуктивнють Ь0 застосовують у кол1 накачування не тшьки для оргашзацн резонансу напруг. Для аргументацн введення Ь0 скористае-мося осцилограмою вхщно! напруги й вихщно-го струму без Ь0 у схем! (рис. 5). Вихщний струм, як видно з рис. 5, мае характерну неси-нусощальнють, адже на нього здшснюе вплив нелшшнють контура, що створюе третю гармошку, яка мае амплнуду близьку до першо!. Тому для подавлення третьо! гармошки було введено лшшну шдуктивнють Ь0. За повного ви-
Рис. 5. Осцилограма вхщно1 напруги й вихвдного струму:
1 - вх1дна напруга; 2 - виыдний струм
Fig. 5. Oscillogram of input voltage and output current:
1 - input voltage, 2 - output current
Пщ час проведення експериментальних дослщжень було застосовано багато вар1ант1в ув> мкнення витюв обмоток i вардавання 1хньо1 кшькосп, а також рiзних номiнaлiв емностей [6, 8]. Здшснено розрахунки вихiдноi потужносл й коефiцieнтa корисно1 дii (ККД) генератора. Проведенi дослiдження свiдчaть, що найбшьш ефективною е схема i3 зустрiчно увiмкненими витками WH0 = 50 i WH = 300 i емнютю в колi накачування 40 мкФ. У рaзi таких пaрaметрiв схеми генерaцiя настае при напруги UreH = 180В (рис. 6).
Рис. 6. Осцилограма вхвдно! та вихщно! напруг у режим1 генераци
Fig. 6. Oscillogram of input and output voltages in generation mode
Результата вимiрювaнь наведеш в табл. 1.
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзничного транспорту, 2019, N° 2 (80)
Таблиця 1 Результати експериментальних дослвджень
Table 1
Results of experimental studies
U В мереж1' Uh ,B Uk ,B кш '
180 242 262 1,5
210 256 260 1,5
220 267 257 1,5
230 279 252 1,5
255 295 240 1,4
У раз1 досягнення иген = 180 В зсув фаз м1ж напругою вхщного та вихщного контур1в дор> внюе 90° [11], що вщображае роботу ПГ (рис. 7).
Рис. 7. Нелшшна залежшсть вихвдно! напруги контура ввд напруги живлення
Fig. 7. Nonlinear dependence of the output voltage of the circuit on the supply voltage
За отриманими експериментальними дани-ми було побудовано залежшсть величини вих> дно! напруги контура вщ напруги живильно! мережi. Як видно на рис. 6, вихщна напруга е стабiлiзованою, !! пульсацп не перевищують 8 %, що е прийнятним згiдно з ТУ. Для цього схемного ршення ККД п=0,7.
Зважаючи на отримаш осцилограми й вим> рянi напруги, ПГ 50:50-150 можна усшшно за-стосовувати як стабiлiзоване вторинне джерело живлення.
На стади розробки пристрою ПГ 50:50-150 було заплановано використовувати i як зашб захисту вiд дп грозових розрядiв i блискавок, тому проведено дослщження i в цьому напрямь
Сертифiкована лабораторiя випробувань техш-чних засобiв залiзничноi автоматики й телеме-ханiки провела випробування ПГ 50:50-150 на електромагштну сумiснiсть. У результат на виходi генератора спостершалася напруга пе-решкоди амплiтудою 5-7 В тд час подачi на вхщ пристрою напруги 3,5 кВ тривалютю до 100 мкс.
Результати
На основi проведених дослiджень макетного зразка ПГ 50:50-150 було уточнено параметри елементв кш накачування та контура, зокрема схему ввiмкнення витюв накачування, !х кiль-кiсть, наявшсть у схемi лiнiйноi iндуктивностi. Побудовано залежшсть напруги контура вщ напруги мереж1, отримано осцилограми вихiд-ного струму, вхщно! та вихiдноi напруг у ре-жимi генерацii. Проведено дослщження захис-них властивостей пристрою. Розроблено дда-чий зразок ПГ, який дозволить виршити важ-ливу практичну задачу - органiзувати ефективний захист апаратури систем залiзнич-но! автоматики вiд дii потужних iмпульсних завад, створених грозовими розрядами, блиска-вками й комутацiйними перенапругами тягово! мережi залiзниць.
Наукова новизна та практична
значимкть
Удосконалено пристрiй параметричного генератора, який мае у свош конструкцii енерго-емнi елементи, що значно полшшуе його енер-гетичнi характеристики i властивостi. Задля пiдвищення надiйностi систем автоблокування подальший розвиток отримали способи захисту апаратури залiзничноi автоматики й телемеха-шки вiд впливу потужних iмпульсних завад i високих рiвнiв тягових струмiв.
На основi отриманих результатiв можна впровадити у виробництво дослiджений прист-рiй i застосовувати його в системах залiзничноi автоматики для оргашзаци стабiлiзованого вто-ринного джерела живлення, а також для захис-ту апаратури вщ дii потужних iмпульсних завад, створених грозовими розрядами i блискав-ками або комутацiйними перенапруженнями. Отримаш в робот результати також можуть бути використаш тд час переобладнання пере-
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нацюнального унiверситету залiзничного транспорту, 2019, № 2 (80)
гон1в новими системами зал1знично1 автоматики й шдготовки ироектно! документаци на рей-ков1 кола, станцшш системи й системи автоб-локування. Результати дослщження використо-вують шд час вивчення дисциилш «Сиещальш вим1рювання на зал1зничному трансиортЬ> й «Електроживлення иристро!в автоматики», оргашзаци науково-ирактичних сем1нар1в, кур-с1в тдвищення квал1ф1кацИ тощо.
Висновки
Параметричний генератор частоти на неко-лшеарних магштних иолях ПГ 50:50 можна ус-тшно застосовувати на затзницях Укра!ни як стабшзоване вторинне джерело живлення й иристрш захисту вщ виливу грозових ¡миуль-с1в i блискавок. Ушфшовашсть конструкцп i стабiльнiсть характеристик дозволяе викорис-товувати иараметричний генератор в шших га-лузях иромисловостi й медицини як стабшзоване джерело живлення.
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ
1. Бабичев, Ю. Е. Электротехника, электроника и схемотехника ЭВМ. Анализ линейных электрических цеией : учеб.-метод. иособие / Ю. Е. Бабичев. - Москва : МИСиС, 2017. - 72 с.
2. Бессонов, Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цеии : учебник для электро-техн., энергет., ириборостроит. сиец. вузов / Л. А. Бессонов. - 9-е изд., иерераб. и дои. - Москва : Высш. шк., 1996. - 638 с.
3. Манаков, А. Д. Концеиция защиты устройств железнодорожной автоматики и телемеханики от иерена-иряжений / А. Д. Манаков // Промышленный трансиорт Урала. - 2007. - № 9. - С. 35-37.
4. Параметрический резонанс : учеб.-метод. иособие / сост. Н. И. Федяйнова. - Томск : Изд. Дом Томского гос. ун-та, 2016. - 14 с.
5. Разгонов, А. П. Оцшка виливу асиметрп тягового струму на роботу иерепнних рейкових шл / А. П. Разгонов, К. I. Ящук // Безиека та електромагштна сум1сшсть на зал1зн. транси. (S&EMC) : тези VII Мiжнар. наук.-иракт. конф. / Дшироиетр. нац. ун-т зал1зн. транси. 1м. акад. В. Лазаряна. - Дширо,
2016. - С. 60-61.
6. Hasan, A. N. Impulse Noise Detection in OFDM Communication System Using Machine Learning Ensemble Algorithms / A. N. Hasan, Т. Shongwe // International Joint Conference SOCO'16-CISIS'16-ICEUTE'16 (San Sebastián, Spain, October 19th-21st, 2016). - Cham : Springer, 2016. - Р. 85-91. doi: 10.1007/978-3-319-47364-2_9
7. Non-collinear generation of angularly isolated circularly polarized high harmonics / D. D. Hickstein, F. J. Dollar, Р. Grychtol [et al.] // Nature Photonics. - 2015. - Vol. 9. - Iss. 11. - Р. 743-750. doi: 10.1038/nphoton.2015.181
8. Shongwe, T. A study on Impulse Noise and Its Models / Т. Shongwe, A. J. H. Vinck, Н. С. Ferreira // SAIEE Africa Research Journal. - 2015. - Vol. 106. - Iss. 3. - Р. 119-131. doi: 10.23919/saiee.2015.8531938
9. Parametric generator : Patent 8699124, USA, WO2011/157990 / M. H. Dunn ; University Court of The University of St Andrews Filed. - № PCT/GB2011/000899 ; App. Date June 16, 2011 ; Pub. Date December 22, 2011.
10. Yashchuk, K. I. Potentials railwise propagation study / K. I. Yashchuk // Наука та ирогрес трансиорту. -
2017. - № 4 (70). - С. 7-15. doi: 10.15802/stp2017/109519
11. Zong, Z. A 60 GHz frequency generator based on a 20 GHz oscillator and an implicit multiplier / Z. Zong, М. Babaie, R. B. Staszewski // IEEE Journal of Solid-State Circuits. - 2016. - Vol. 51. - Iss. 5. - Р. 12611273. doi: 10.1109/jssc.2016.2528997
Creative Commons Attribution 4.0 International
doi: 10.15802/stp2019/166623 © К. I. Ящук, А. Ю. Журавльов, В. I. Щека, 2019
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзиичиого транспорту, 2019, № 2 (80)
К. И. ЯЩУК1*, А. Ю. ЖУРАВЛЕВ2*, В. И. ЩЕКА3*
'*Каф. «Автоматика и телекоммуникации», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-8606-5790
2*Каф. «Автоматика и телекоммуникации», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0001-6885-5177
3*Каф. «Автоматика и телекоммуникации», Днипровский национальный университет железнодорожного транспорта имени академика В. Лазаряна, ул. Лазаряна, 2, Днипро, Украина, 49010, тел. +38 (056) 373 15 04, эл. почта [email protected], ORCID 0000-0002-2184-2827
ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ ГЕНЕРАТОР ЧАСТОТЫ НА НЕКОЛЛИНЕАРНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ
Цель. В статье необходимо провести исследование параметрического генератора частоты на неколлине-арных магнитных полях, который выполняет функции стабилизированного источника питания и средства защиты от воздействия мощных импульсных помех в виде коммутационных перенапряжений и разрядов молнии. Методика. Для проведения экспериментальных исследований был изготовлен макетный образец параметрического генератора. Проведен ряд исследований по определению оптимальных параметров цепей накачки и контура устройства, при которых достигаются лучшие энергетические характеристики и максимальная выходная мощность с обеспечением устойчивой генерации в системе. Результаты. Авторы доказали необходимость разработки средства защиты аппаратуры сигнализации, централизации и блокировки от воздействия мощных импульсных помех. Разработанная конструкция устройства полностью исключает трансформацию энергии, то есть проникновение помехи со входа на выход. В результате проведенных экспериментальных исследований определены оптимальные параметры цепей генератора, которые обеспечивают его лучшие энергетические характеристики. Научная новизна. Усовершенствовано устройство параметрического генератора, который имеет в своей конструкции энергоемкие элементы, что значительно улучшает энергетические характеристики и свойства. С целью повышения надежности систем автоблокировки дальнейшее развитие получили способы защиты аппаратуры железнодорожной автоматики и телемеханики от воздействия мощных импульсных помех и высоких уровней тяговых токов. Практическая значимость. На основании полученных результатов можно внедрить в производство исследованное устройство и применять его для организации стабилизированного вторичного источника питания путевых устройств железнодорожной автоматики, а также для защиты аппаратуры от воздействия мощных импульсных помех, созданных грозовыми разрядами и молниями или коммутационными перенапряжениями. Результаты работы также могут быть использованы при переоборудовании перегонов новыми системами железнодорожной автоматики и при подготовке проектной документации на рельсовые цепи, станционные системы и системы автоблокировки. Результаты исследования используют при изучении дисциплин «Специальные измерения на железнодорожном транспорте» и «Электропитание устройств автоматики», организации научно-практических семинаров, курсов повышения квалификации и т. под.
Ключевые слова: параметрический генератор частоты; неколлинеарные магнитные поля; мощные импульсные помехи; защитное средство; грозовые разряды; молнии; стабилизированный источник питания
K. I. YASHCHUK1*, A. Y. ZHURAVLEV2*, V. I. SHCHEKA3*
'*Dep. «Automation and Telecommunications», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 04, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-8606-5790
2*Dep. «Automation and Telecommunications», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 04, e-mail [email protected], ORCID 0000-0001-6885-5177
3*Dep. «Automation and Telecommunications», Dnipro National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan, Lazaryan St., 2, Dnipro, Ukraine, 49010, tel. +38 (056) 373 15 04, e-mail [email protected], ORCID 0000-0002-2184-2827
Creative Commons Attribution 4.0 International
doi: 10.15802/stp2019/166623 © К. I. Ящук, А. Ю. Журавльов, В. I. Щека, 2019
HayKa Ta nporpec TpaHcnopTy. BÍCHHK flmnponeTpoBChKoro Ha^oH&rthHoro yHÍBepcHTeTy 3&m3HH^Horo TpaHcnopTy, 2019, № 2 (80)
PARAMETRIC FREQUENCY GENERATOR ON NONCOLLINEAR MAGNETIC FIELDS
Purpose. The article is aimed to study a parametric frequency generator on noncollinear magnetic fields, which performs the functions of a stabilized power source and means of protection against the effects of powerful impulse noises in the form of switching overvoltages and lightning discharges. Methodology. To carry out experimental studies, a prototype model of a parametric generator was fabricated. A number of studies were carried out to determine the optimal parameters of the pump circuits and the circuit of the device, in which the best energy characteristics and maximum output power are achieved with stable generation in the system. Findings. The authors proved the importance to develop a means of protecting signaling equipment, centralization and blocking from the effects of powerful impulse noises. The developed construction of the device completely eliminates the transformation of energy, it means the penetration of noise from the input to the output. As a result of the experimental studies, the optimal parameters of the generator circuits, which provide its best energy characteristics, were determined. Originality. The device of the parametric generator, which has energy-consuming elements in its design, has been improved, this significantly improves the energy characteristics and properties. In order to improve the reliability of automatic blocking systems, the methods for protecting railway automation equipment and telemechanics from the effects of high-power impulse noises and high levels of traction currents were further developed. Practical value. Based on the obtained results, the device under investigation can be introduced into production and used in railway automation systems to organize a stabilized secondary power source for railway automation track equipment, as well as to protect equipment from the effects of powerful impulse noises created by lightning discharges and lightning or switching overvoltages. The results of work can also be used in re-equipment of the hauls with new railway automation systems and in the preparation of design documentation for track circuits, station systems and automatic blocking systems. The results are used during the studying of the subjects: «Special Measurements at Railway Transport» and «Automatic Devices Power Supply»; the organization of scientific workshops, training courses etc.
Keywords: parametric frequency generator; noncollinear magnetic fields; powerful impulse noises; protective devise; lightning discharges; lightning; stabilized power supply
REFERENCES
1. Babichev, Y. Y. (2017). Elektrotekhnika, elektronika i skhemotekhnika EVM. Analiz lineynykh elektricheskikh tsepey: uchebno-metodicheskoe posobie. Moscow: MISiS. (in Russian)
2. Bessonov, L. A. (1996). Teoreticheskie osnovy elektrotekhniki. Elektricheskie tsepi: uchebnik. Moscow: Vysshaya shkola. (in Russian)
3. Manakov, A. D. (2007). Kontseptsiya zashchity ustroystv zheleznodorozhnoy avtomatiki i telemekhaniki ot perenapryazheniy. Promyishlennyiy transport Urala, 9, 35-37. (in Russian)
4. Fedyaynova, N. I. (Ed). (2016). Parametricheskiy rezonans: uchebno-metodicheskoe posobie. Tomsk: Iz-datelskiy Dom Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. (in Russian)
5. Razgonov, A. P., & Yaschuk, K. I. (2016). Otsinka vplyvu asymetrii tiahovoho strumu na robotu perehinnykh reikovykh kil, Proceedings of the VII International Scientific and Practical Conference «Safety and Electromagnetic Compatibility on Railway Transport, S&EMC. Dnipro: Dnipropetrovsk National University of Railway Transport named after Academician V. Lazaryan. (in Ukrainian)
6. Hasan, A. N., & Shongwe, T. (2016). Impulse Noise Detection in OFDM Communication System Using Machine Learning Ensemble Algorithms, International Joint Conference SOCO'16-CISIS'16-ICEUTE'16. Cham: Springer. doi: 10.1007/978-3-319-47364-2_9 (in English)
7. Hickstein, D. D., Dollar, F. J., Grychtol, P., Ellis, J. L., Knut, R., Hernández-García, C., ... Durfee, C. G. (2015). Non-collinear generation of angularly isolated circularly polarized high harmonics. Nature Photonics, 9(11), 743-750. doi: 10.1038/nphoton.2015.181 (in English)
8. Shongwe, T., Vinck, A. J. H., & Ferreira, H. C. (2015). A Study on Impulse Noise and Its Models. SAIEE Africa Research Journal, 106(3), 119-131. doi: 10.23919/saiee.2015.8531938 (in English)
9. Dunn, M. H. (2011). US Patent No. 8699124. St Andrews: University Court of The University of St Andrews Filed. (in English)
10. Yashchuk, K. I. (2017). Potentials railwise propagation study. Science and Transport Progress, 4(70), 7-15. doi: 10.15802/stp2017/109519 (in English)
Creative Commons Attribution 4.0 International
doi: 10.15802/stp2019/166623 © K. I. fl^yK, A. ro. «ypaB^hOB, B. I. ^eKa, 2019
Наука та прогрес транспорту. Вюник Дншропетровського нащонального ушверситету залiзиичиого транспорту, 2019, № 2 (80)
11. Zong, Z., Babaie, M., & Staszewski, R. B. (2016). A 60 GHz Frequency Generator Based on a 20 GHz Oscillator and an Implicit Multiplier. IEEE Journal of Solid-State Circuits, 51(5), 1261-1273. doi: 10.1109/jssc.2016.2528997 (in English)
HagiMmna go pegKonerii': 17.12.2018 npHHHOTa go gpyKy: 02.04.2019
