Với phương pháp phân tích vμ xử lý quá trình biến đổi các thông số thay cho phương pháp cổ điển nhận biết qua các ngưỡng cố định có thể sẽ khắc phục được một số nhược điểm của MĐĐR, gó
Trang 1Giải pháp khắc phục nhược điểm của Mạch điện đường ray
ths nguyễn Hoàng Vân
Bộ môn Tín hiệu giao thông Khoa Điện - Điện tử - Trường ĐHGTVT Tóm tắt: Mạch điện đường ray (MĐĐR) lμ một thiết bị quan trọng trong hệ thống điều
khiển tín hiệu đường sắt Với phương pháp phân tích vμ xử lý quá trình biến đổi các thông số
thay cho phương pháp cổ điển (nhận biết qua các ngưỡng cố định) có thể sẽ khắc phục được
một số nhược điểm của MĐĐR, góp phần nâng cao độ an toμn trong công tác chạy tμu, tăng
năng lực thông qua
Summary: Track circuits are an important factor in the safety of the rail service Classic
method (realize constant value) is replaced processible and analytic method of parameter's
value change process, which gives surmountable some weakness of track circuit Hence, the
enhancement of safe railway operations and transit is avaiable
i Đặt vấn đề
Chúng ta đã biết, đường sắt là một trong
những ngành vận tải phục vụ quảng đại quần
chúng với nhiều ưu điểm và tiện lợi Một trong
số các thiết bị cơ bản và quan trọng phục vụ
cho công tác chạy tàu là hệ thống điều khiển
tín hiệu mà trong đó thiết bị kiểm tra trạng thái
đường ray là yếu tố quyết định đảm bảo cho
hệ thống hoạt động đúng chức năng là đảm
bảo an toàn chạy tàu và nâng cao năng lực
vận chuyển
Để kiểm tra trạng thái đường ray có nhiều
phương pháp đi cùng với các thiết bị như: hệ
thống máy đếm trục, thiết bị kiểm tra cảm biến
đặt tại yết hầu ga, thiết bị cảm ứng toa xe
Mỗi phương pháp trên đều có ưu, nhược điểm
và thích ứng cho từng điều kiện cụ thể Tuy
nhiên tất cả các phương pháp trên đều có
nhược điểm chung là không thể kiểm tra
được sự toàn vẹn của các thanh ray, mà
khả năng tiềm ẩn xảy ra các tai nạn là do
nguyên nhân này
II Nội dung
1 Khái quát về mạch điện đường ray
1.1 Mô hình mạch điện đường ray
(MĐĐR)
Có thể coi MĐĐR bao gồm 3 phần chính:
phần phát, phần thu và phần truyền dẫn
- Phần phát: ta có thể sử dụng nguồn phát tín hiệu điện dạng một chiều, xoay chiều hay dạng xung
- Phần thu: hiện nay chủ yếu sử dụng rơle điện từ (có thể có mắc thêm các mạch phụ trợ) hoặc máy thu để thu được các tín hiệu từ phần phát Các phần thu sẽ phải phản
ánh được chính xác trạng thái của phần truyền dẫn (trạng thái của đường)
- Phần truyền dẫn: chính là các thanh ray, chúng được giữ chặt với tà vẹt bởi các bu lông sắt, tà vẹt được đặt trên lớp đá balát ở trên nền đất
1.2 Sự lμm việc vμ các thông số đặc trưng của phần truyền dẫn
phát
Ray2
Ray1 Phần truyền dẫn
Phần thu
Hình 1 Mô hình mạch điện đường ray
Như trên đã trình bày, mạch điện đường ray sử dụng thanh ray làm dây dẫn và qua
Trang 2việc xác định các thông số của nó ta có thể
nhận biết được chính xác trạng thái của
MĐĐR và sự toàn vẹn của các thanh ray Vì
vậy, về mặt điện có thể coi phần truyền dẫn
như một mạng 4 cửa
a Các tham số của mạng bốn cực ray
Sự liên quan giữa điện áp và dòng điện ở
đường ray được xác lập thông qua các phương
trình của mạng bốn cực
⎟⎟
⎞
⎜⎜
⎛
d
.
d
.
I
c
.
I U
⎪
⎩
⎪
⎨
⎧
+
=
+
=
c c d
c c d
I D U C I
I B U A U
Các tham số mạng bốn cực ray của
mạch điện đường ray có mối nối cách điện ở
chế độ bình thường là:
) l
( sh Z
I C
) l
( sh Z B
) l
( ch D A
B
B
γ
=
γ
=
γ
=
=
trong đó:
2 r Z j CD r CD r B
2 r Z j
CD r CD
r
e r Z r
Z Z
e r
Z r
Z j
ϕ ϕ
=
=
=
= β +
α
=
γ
Hệ số truyền và trở kháng sóng là các
tham số thứ hai (tham số sóng) của mạch
điện đường ray Trong mạch điện đường ray
xoay chiều, các tham số sóng là các số phức
Còn trong mạch điện đường ray nguồn một chiều chúng là các số thực và được tính theo công thức:
CD
CD
r R
R
B
R
r
=
= γ
thu
Phần
phát
b Tính toán chế độ bình thường theo phương pháp cổ điển (rơle có ngưỡng
cố định) Hình 2 Sơ đồ tương đương của mạch điện đường ray
Chế độ bình thường của mạch điện
đường ray được đánh giá bởi hệ số truyền tải
Tổng trở truyền đạt của rơle (với mạch
điện đường ray dùng nguồn một chiều) trong sơ đồ thay thế chung ở chế độ bình thường
min BT
max BT max
TT
Z
Z K
Trong đó K là tích của các hệ số biến áp,
hệ số nguồn, hệ số dự trữ Trong chế độ bình thường cần phải thoả mãn các điều kiện:
CT
max r TTCP BTCP
max TT
min TT
U
U K
Với K
K
1 K
=
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
≤
≥
c Tính chế độ phân mạch theo phương pháp cổ điển (rơle có ngưỡng cố
định)
có thể tính thông qua tổng trở truyền đạt của sơ đồ thay thế tương đương trong chế độ phân mạch và tổng trở truyền ở chế độ bình thường trong điều kiện xấu nhất cho từng chế độ
max BT
min PT PT
Z N
Z
Trong đó N là hệ số thiết bị
Trang 3Trong thực tế khai thác, điện trở cách
điện ray thay đổi trong phạm vi lớn Điện trở
cách điện giảm sẽ dẫn tới làm tăng tổng trở
d Tính toán ở chế độ kiểm tra theo
phương pháp cổ điển (rơle có ngưỡng cố
định)
max bt
min kt KT
Z N
Z
sơ đồ thay thế tương đương của MĐĐR ở chế
độ gãy ray trong điều kiện xấu nhất
Từ việc phân tích cơ
sở tính toán mạch điện
đường ray ta có thể thấy
rằng mạch điện đường ray
làm việc bình thường khi
cùng một thời điểm phải
thoả mãn bất đẳng thức:
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
≥
≥
1
K
1
K
KT
PT
Các hệ số này lại phụ
thuộc vào rất nhiều các
yếu tố: nguồn, điện trở ray, các tham số thiết
bị khác, điện trở cách điện Nếu xét thuần
tuý về mặt toán học, ta thấy cứ làm giảm mẫu
số là hệ số thiết bị N, hoặc tổng trở truyền đạt
của sơ đồ thay thế tương đương ở chế độ bình
thường, tăng tổng trở truyền đạt
của sơ đồ thay thế tương đương ở
chế độ phân tải hoặc kiểm tra thì ta
sẽ làm tăng được giá trị của các hệ
số phân tải và kiểm tra Tức là sẽ
làm tăng khả năng làm việc của
mạch điện đường ray Tuy nhiên
trên thực tế các phương pháp để làm tăng
được các giá trị của các hệ số đó sẽ có những
ưu, nhược điểm riêng, song cũng chỉ đạt tới một giá trị nhất định nào đó và khó thực hiện Tuy nhiên, nếu sử dụng MĐĐR có phần thu l
h thoát, toàn
à rơle với ngưỡng cố định thì điện áp nhận
được ở phần thu sẽ có sự thay đổi lớn về giá trị do những tác động của môi trường sẽ gây
ra các trạng thái biểu thị sai sau:
• Trường hợp MĐĐR than vẹn nhưng điện áp thu được không
đủ ngưỡng để rơle ray hút Khi đó MĐĐR báo bận (ray bị chiếm dụng hoặc không toàn vẹn) Lỗi này sẽ làm giảm năng lực thông qua của tuyến Nguyên nhân thường là do
điện trở thanh ray tăng theo nhiệt
độ hoặc điện trở balát giảm khi độ
ẩm tăng,
ường hợp khi có
U
t
Hình 3 Điện áp ở đầu vμo rơle thu của MĐĐR khi không có tμu
hoặc ray không toàn vẹn hoặc gãy ray nhưng điện áp nhận được ở
t
U
Hình 4 Điện áp ở đầu vμo rơle thu của MĐĐR khi có tμu
Trang 4phần thu vẫn ở nguỡng cao đủ để
rơle ray không rơi Khi đó MĐĐR
báo ray vẫn thanh thoát và toàn
vẹn Đây là lỗi nguy hiểm có thể gây
các tai nạn như đâm tàu, trật bánh,
đổ tàu,
hân tích vμ
nhiễ
u, các tác động của môi
trường đến sự làm việc của MĐĐR
là một hướng giải quyết tốt Khi đó
bộ thu chỉ thay đổi trạng thái khi
có sự tác động của đoàn tàu mà
không thay đổi trạng thái dưới tác
động của môi trường Theo (3),
(4), (5) ta có:
; Z
N
Z
K
max BT
min PT
PT =
; Z
N
Z
K
max BT
min KT
KT =
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
≥
≥
1
K
1
K
KT
PT
Ta nhận thấy nếu ta không
sử d
Khi đó ta có:
ụng các ngưỡng cố định, là
nguyên nhân chính có thể gây ra
các trạng thái biểu thị sai, mà xét
sự biến đổi của chúng trong
những khoảng thời gian nhỏ liên
tiếp Khi đó ta có thể loại bỏ được
hưởng của môi trường, hệ số thiết bị bởi vì các
tổng trở truyền đạt Z
các ảnh
điều kiện là gần như nhau tại những thời điểm đó
BT
PT PT
Z
Z
Để thực hiện theo phương hướng này chúng ta có thể sử dụng vi xử lý để lấy mẫu và
xử lý tín hiệu để đưa ra được quyết định theo mô h
ồ thuật toán (Xem hình 5)
2.2 Rời rạc hoá tín hiệu
tốc độ cao và
Quá trình rời rạc hoá tín hiệu liên tục thành tín
(đường ray
trạng thái hút Khi có tàu chiếm dụng (cặp
BT
KT KT
Z
Z
⎪⎩
⎪
⎨
⎧
≥
≥ 1 K
1 K
KT PT
ình sau:
2 Thực hiện
2.1 Sơ đ
Bắt đầu
Lấy mẫu
Gia công số liệu
Sử dụng bộ biến đổi A/D hân giải lớn với chu kỳ lấy mẫu phù
số có thể biểu diễn ở dạn
X(nT) = x(t).L(t)
2.3 Phân tích
ện áp thu đủ lớn
Y
Hình 5 Sơ đồ khối cho rơle thích nghi của MĐĐR
Rơle nhả
i = i + 1
Tàu vào Y
Rơle hút
N
Gãy ray
Y
Tàu ra
N N
Trang 5bánh của
đoàn tàu chiếm dụng
mạc
gãy ray (ray không toàn vẹn) thì rơle cũng
hần thu sẽ lấy mẫu tín hiệu, xử lý tín hiệu theo
le
, X[i+1], X[i+2], X[i+3]
xe đầu tiên
h ray) gây đoản
mạch, điện áp thu được
sẽ không có đủ lớn làm
cho rơle rơi Khi tàu ra
khỏi mạch ray (cặp
bánh xe cuối cùng của
đoàn ra khỏi mạch ray)
thì mạch ray được khôi p
mạch, phía đầu thu của mạch ray sẽ có điện
áp đủ lớn và rơle hút trở lại Còn ở trạng thái bị
không được cấp nguồn nên rơle rơi
Trên cơ sở biến đổi điện áp nêu trên nên p
thuật toán phù hợp để ra quyết định hút/nhả của
Giả sử tín hiệu lấy mẫu tại thời điểm t là X[i]
hục không bị đoản
rơ
X[i+2]-X[i]=Z[i] X[i+3]-X[i+1]=Z[i+1]
a Xét trường hợp rơle hút:
- ở trạng thái bình thường
∑2
1
] i [
- ở trạng thái tàu đi ra khỏi mạch ray
b Xét trường hợp rơle nhả:
- ở trạng thái tàu vào
- -
x(t)
T 2T 3T 4T 5T
Hình 6 Lấy mẫu điện áp ở đầu vμo rơle thu của MĐĐR
t
)
Trang 6- ở trạng thái tàu chiếm dụng
∑ 2Z[i]
1
∑
3
Y
1
] i [ U ]
i
- ở trạng thái gãy ray
∑4
1
∑3
1
∑2
1
] i [ Z ]
i [
2.4 Cách thực hiện
Qua phân tích ta nhận thấy việc nhận biết các trạng thái là hoàn toàn có thể thực hiện được
AD, tốc độ lấy mẫu của các bộ AD có thể đạt 35μs và độ phân giải cao 12 bit Cấu trúc thuật
y việc thực hiện theo hướng báo cáo đã nêu là hoàn toàn khả thi, có thể thực hiện bằng các thiết bị sẵn có trên thị trường hiện nay Để lấy mẫu có thể sử dụng các bộ biến
đổi AD tốc độ cao Để thực hiện thuật toán nhận biết các trạng thái ta có thể sử dụng các họ vi
g với chương trình phù hợp Qua đó, ta có thể khắc phục được những nhược , giúp nâng cao được mức độ an toàn của thiết bị
Tài li
Nguyễn Duy Việt Mạch điện đường ray trong điều kiện bị tác động của môi trường bên ngoài Báo
cáo khoa học 2001 ĐH GTVT
lication www.analog-device.com
không quá phức tạp, t
ng được yêu cầ
Lọc và khuyếch đại
Bộ chuyển
đổi AD
Tín hiệu vào
VXL
Cơ cấu chấp hành
III Kết luận
Hình 7 Sơ đồ khối của rơle thích ứng của MĐĐR
Ta nhận thấ
xử lý thông dụn
điểm của MĐĐR
Tuy nhiên, để có thể đưa vào sử dụng cần phải có thử nghiệm về tính ổn định, khả năng làm việc và những trở ngại khác có thể xẩy ra mà trong điều kiện hiện tại còn chưa được biết
đến
ệu tham khảo
[1] KS Dương Đình Thi Lý thuyết mạch điện đường ray
[2] TS
[3] Document & App
Kỹ thuật ghép nối máy tínhĂ
[4] Ngô Diên Tập
