Giải pháp khắc phục nhợc điểm của Mạch điện đờng ray ths. nguyễn Hoàng Vân Bộ môn Tín hiệu giao thông Khoa Điện - Điện tử - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Mạch điện đờng ray (MĐĐR) l một thiết bị quan trọng trong hệ thống điều khiển tín hiệu đờng sắt. Với phơng pháp phân tích v xử lý quá trình biến đổi các thông số thay cho phơng pháp cổ điển (nhận biết qua các ngỡng cố định) có thể sẽ khắc phục đợc một số nhợc điểm của MĐĐR, góp phần nâng cao độ an ton trong công tác chạy tu, 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, đờng sắt là một trong những ngành vận tải phục vụ quảng đại quần chúng với nhiều u 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 đờng 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 đờng ray có nhiều phơng pháp đi cùng với các thiết bị nh: hệ thống máy đếm trục, thiết bị kiểm tra cảm biến đặt tại yết hầu ga, thiết bị cảm ứng toa xe Mỗi phơng pháp trên đều có u, nhợc điểm và thích ứng cho từng điều kiện cụ thể. Tuy nhiên tất cả các phơng pháp trên đều có nhợc điểm chung là không thể kiểm tra đợc 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 đờng ray 1.1. Mô hình mạch điện đờng 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 đợc các tín hiệu từ phần phát. Các phần thu sẽ phải phản ánh đợc chính xác trạng thái của phần truyền dẫn (trạng thái của đờng). - Phần truyền dẫn: chính là các thanh ray, chúng đợc giữ chặt với tà vẹt bởi các bu lông sắt, tà vẹt đợc đặt trên lớp đá balát ở trên nền đất. 1.2. Sự lm việc v các thông số đặc trng của phần truyền dẫn Phần phát Ray2 Ra y 1 Phần truyền dẫn Phần thu Hình 1. Mô hình mạch điện đờng ray Nh trên đã trình bày, mạch điện đờng ray sử dụng thanh ray làm dây dẫn và qua việc xác định các thông số của nó ta có thể nhận biết đợc 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 nh một mạng 4 cửa. a. Các tham số của mạng bốn cực ray Sự liên quan giữa điện áp và dòng điện ở đầu và cuối của mạch điện đờng ray đợc xác lập thông qua các phơng trình của mạng bốn cực. d . d . I;U c . c . I;U += += c . c . d . c . c . d . I.DU.CI I.BU.AU (1) Các tham số mạng bốn cực ray của mạch điện đờng ray có mối nối cách điện ở chế độ bình thờng là: )l.(sh. Z I C )l.(sh.ZB )l.(chDA B B = = = = trong đó: 2 r Z .j CDrCDrB 2 r Z .j CD r CD r e.r.Zr.ZZ e. r Z r Z j == ==+= Hệ số truyền và trở kháng sóng là các tham số thứ hai (tham số sóng) của mạch điện đờng ray. Trong mạch điện đờng ray xoay chiều, các tham số sóng là các số phức. Còn trong mạch điện đờng ray nguồn một chiều chúng là các số thực và đợc tính theo công thức: CD CD r.R R B R r = = Z Phần thu Phần phát b. Tính toán chế độ bình thờng theo phơng pháp cổ điển (rơle có ngỡng cố định) Hình 2. Sơ đồ tơng đơng của mạch điện đờng ray Chế độ bình thờng của mạch điện đờng ray đợc đánh giá bởi hệ số truyền tải K TT . Tổng trở truyền đạt của rơle (với mạch điện đờng ray dùng nguồn một chiều) trong sơ đồ thay thế chung ở chế độ bình thờng trong điều kiện xấu nhất là Z BTmax ta có: minBT maxBT maxTT Z Z .KK = (2) Trong đó K là tích của các hệ số biến áp, hệ số nguồn, hệ số dự trữ. Trong chế độ bình thờng cần phải thoả mãn các điều kiện: CT maxr TTCP BTCPmaxTT minTT U U KVới KK 1K = (U CT là điện áp bắt đầu hút của rơle) c. Tính chế độ phân mạch theo phơng pháp cổ điển (rơle có ngỡng cố định) ở chế độ này, hệ số phân tải K PT lúc này có thể tính thông qua tổng trở truyền đạt của sơ đồ thay thế tơng đơng trong chế độ phân mạch và tổng trở truyền ở chế độ bình thờng trong điều kiện xấu nhất cho từng chế độ. maxBT minPT PT Z.N Z K = (3) Trong đó N là hệ số thiết bị. Trong 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 truyền đạt ở chế độ bình thờng Z BTmax và làm giảm hệ số K PT d. Tính toán ở chế độ kiểm tra theo phơng pháp cổ điển (rơle có ngỡng cố định) ở chế độ này, tơng tự nh chế độ phân tải ta cũng có hệ số kiểm tra K KT : maxbt minkt KT Z.N Z K = (4) Trong đó Z KTmin là tổng trở truyền đạt của sơ đồ thay thế tơng đơng của MĐĐR ở chế độ gãy ray trong điều kiện xấu nhất. Từ việc phân tích cơ sở tính toán mạch điện đờng ray ta có thể thấy rằng mạch điện đờng ray làm việc bình thờng khi các hệ số K PT , K KT trong cùng một thời điểm phải thoả mãn bất đẳng thức: (5) 1K 1K 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 tơng đơng ở chế độ bình thờng, tăng tổng trở truyền đạt của sơ đồ thay thế tơng đơng ở chế độ phân tải hoặc kiểm tra thì ta sẽ làm tăng đợc giá trị của các hệ số phân tải và kiểm tra. Tức là sẽ làm tăng khả năng làm việc của mạch điện đờng ray. Tuy nhiên trên thực tế các phơng pháp để làm tăng đợc các giá trị của các hệ số đó sẽ có những u, nhợc 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 Tr tàu chiếm dụng à rơle với ngỡng cố định thì điện áp nhận đợc ở phần thu sẽ có sự thay đổi lớn về giá trị do những tác động của môi trờng sẽ gây ra các trạng thái biểu thị sai sau: Trờng hợp MĐĐR than vẹn nhng điện áp thu đợc không đủ ngỡng 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 thờng là do điện trở thanh ray tăng theo nhiệt độ hoặc điện trở balát giảm khi độ ẩm tăng, ờng hợp khi có U U hút U nhả t Hình 3. Điện áp ở đầu vo rơle thu của MĐĐR khi không có tu hoặc ray không toàn vẹn hoặc gãy ray nhng điện áp nhận đợc ở t U U hút U nhả Hình 4. Điện áp ở đầu vo rơle thu của MĐĐR khi có tu phần 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 nh đâm tàu, trật bánh, đổ tàu, hân tích v1.3 P cách giải quyết nhiễ ý tởng loại bỏ các can u, các tác động của môi trờng đến sự làm việc của MĐĐR là một hớng 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 dới tác động của môi trờng. Theo (3), (4), (5) ta có: ; Z.N Z K maxBT minPT PT = ; Z.N Z K maxBT minKT KT = 1K 1K KT PT Ta nhận thấy nếu ta không sử d Khi đó ta có: ụng các ngỡng 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 đợc hởng của môi trờng, hệ số thiết bị bởi vì các tổng trở truyền đạt Z các ảnh BT , Z KT , Z PT đợc tính trong điều kiện là gần nh nhau tại những thời điểm đó. BT PT PT Z Z K = (6) (7) Để thực hiện theo phơng hớng này chúng ta có thể sử dụng vi xử lý để lấy mẫu và xử lý tín hiệu để đa ra đợc quyết định theo mô h ồ thuật toán (Xem hình 5). 2.2. Rời rạc hoá tín hiệu tốc độ cao và độ p hợp. Quá trình rời rạc hoá tín hiệu liên tục thành tín hiệu g: (đờng ray thanh thoát), đi để rơle ray ở trạng thái hút. Khi có tàu chiếm dụng (cặp BT KT KT Z Z K = 1K 1K KT PT ình sau: 2. Thực hiện 2.1. Sơ đ Bắt đầu Lấy mẫu Gia côn g số li ệ u 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 ở trạng thái bình thờng ện áp thu đủ lớn Y Hình 5. Sơ đồ khối cho rơle thích n g hi của MĐĐR Rơle nhả i = i + 1 Tàu vào Y Rơle hút N Gãy ray Y Tàu ra N N bánh 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 đợc 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 đợc 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 đợc 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] X[i+1] X[i+2] X[i+3] X[i+1]-X[i]=Y[i] X[i+2]-X[i+1]=Y[i+1] X[i+3]-X[i+2]=Y[i+2] X[i+2]-X[i]=Z[i] X[i+3]-X[i+1]=Z[i+1] X[i+3]-X[i]=U[i] Với ghiệm. a. Xét trờng hợp rơle hút: - ở trạng thái bình thờng 1 , 2 là các giá trị đợc xác định theo thực n 3 ]i[Y 3x 1 1 2 1 ]i[Z 2x 1 ]i[U 1 Rơle đang hút - ở trạng thái tàu đi ra khỏi mạch ray Y[i 2 Z[i+1] 2 2 +2] U[i] Y[i+1] 2 Y[i+2] 2 Z[i] 2 Z[i+1] 2 U[i] 2 Y[i] 2 Y[i+1] 2 Y[i+2] 2 Z[i] 2 Z[i+1] 2 U[i] 2 b. Xét trờng hợp rơle nhả: - ở trạng thái tàu vào Y[i+2] - 2 Z[i+1] - 2 U[i] - 2 Y[i+1] - 2 Y[i+2] - 2 Z[i] - 2 Z[i+1] - 2 U[i] - 2 Y[i] - 2 Y[i+1] - 2 Y[i+2] - 2 Z[i] - 2 Z[i+1] - 2 U[i] - 2 x ( t ) T 2T 3T 4T 5T Hình 6. Lấy mẫu điện áp ở đầu vo rơle thu của MĐĐR t ) - ở trạng thái tàu chiếm dụng ]i[Z 2 1 3 Y 1 ]i[U ]i[ 3x 1 2x 1 Rơle đang rơi 1 - ở trạng thái gãy ray 4 1 3 1 2 1 ]i[Z ]i[X 4x 1 ]i 3x 2x 1 ]i[ U 1 [Y 1 2.4. Cách thực hiện Qua phân tích ta nhận thấy việc nhận biết các trạng thái là hoàn toàn có thể thực hiện đợc bằng các thiết bị hiện ờng c hoá tí ó thể sử các bộ biến đổi AD, tốc độ lấy mẫu của các bộ AD có thể đạt 35 s và độ phân giải cao 12 bit. Cấu trúc thuật toán hời gian gia công và xử lý kết quả đo có thể thực hiện trong thời gian nhỏ, đáp ứ u của bài toán. y việc thực hiện theo hớng báo cáo đã nêu là hoàn toàn khả thi, có thể thực hiện bằng các thiết bị sẵn có trên thị trờng 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 chơng trình phù hợp. Qua đó, ta có thể khắc phục đợc những nhợc , giúp nâng cao đợc mức độ an toàn của thiết bị. Tài li . Nguyễn Duy Việt. Mạch điện đờng ray trong điều kiện bị tác động của môi trờng bên ngoài. Báo cáo khoa học 2001. ĐH GTVT. lication. www.analog-device.com có trên thị tr . Để rời rạ n hiệu c dụng không quá phức tạp, t ng đợc 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 đa 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 cha đợc biết đến. ệu tham khảo [1]. KS. Dơng Đình Thi. Lý thuyết mạch điện đờng ray. [2]. TS [3]. Document & App . Kỹ thuật ghép nối máy tínhĂ [4]. Ngô Diên Tập. . Giải pháp khắc phục nhợc điểm của Mạch điện đờng ray ths. nguyễn Hoàng Vân Bộ môn Tín hiệu giao thông Khoa Điện - Điện tử - Trờng ĐHGTVT Tóm tắt: Mạch điện đờng ray (MĐĐR). đoản mạch, điện áp thu đợc 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 đợc khôi p mạch, phía đầu thu của mạch. thể khắc phục đợc những nhợc , giúp nâng cao đợc mức độ an toàn của thiết bị. Tài li . Nguyễn Duy Việt. Mạch điện đờng ray trong điều kiện bị tác động của môi trờng bên ngoài. Báo cáo khoa