THE ANALIZER EXCEEDED PERMISSIBLE LEVELS OF HARMONICS IN THE SUPPLY CURRENT TRACTION VEHICLE

Transkrypt

1 Bogdan Ankudowicz V rok Koło Naukowe Techniki Cyfrowej dr inż. Wojciech Mysiński opiekun naukowy THE ANALIZER EXCEEDED PERMISSIBLE LEVELS OF HARMONICS IN THE SUPPLY CURRENT TRACTION VEHICLE ANALIZATOR PRZEKROCZEŃ DOPUSZCZALNYCH POZIOMÓW HARMONICZNYCH W PRĄDZIE ZASILANIA POJAZDU TRAKCYJNEGO. Keywords: Fast Fourier Transformer, Słowa kluczowe: Szybka Transformata Fouriera 1. Wprowadzenie 1.1. Nowoczesne pojazdy trakcyjne W dzisiejszych czasach w pojazdach trakcyjnych instaluje się znaczną liczbę urządzeń energoelektronicznych dużych mocy, urządzeń elektronicznych wraz z mikroprocesorami i innych urządzeń o małych mocach. Odkształcenia generowane przez te układy powodują zakłócenia w obwodach sterowania ruchem, systemach łączności oraz układach automatyki. Zjawisko przeniknięcia zakłóceń z linii elektrotrakcyjnej do sieci i układy telekomunikacyjne może mieć miejsce poprzez pole elektryczne, magnetyczne lub połączenia galwanicznego Żródła zakłuceń. Podstawowym źródłem zakłóceń w układach napędowych są przekształtniki energoelektroniczne. Przekształtniki pełnią określoną funkcję w układzie energoelektronicznym. Są one z jednej strony powiązane z siecią zasilającą, z drugiej zaś, z odbiornikiem energii elektrycznej. Rodzi się za tem potrzeba stworzenia urządzenia do kontroli dopuszczalnych wartości zakłóceń emitowanych przez pojazd trakcyjny. 2. Opis zaprojektowanego analizatora 2.1. Zadanie urządzenia Zadaniem urządzenia jest badanie pojazdów trakcyjnych wykorzystujące elementy przekształtnikowe mogące zwracać do sieci znaczne harmoniczne prądów. Ze względu na zaburzenia elektromagnetyczne, które jako pochodne procesu przetwarzania energii elektrycznej i procesów sterowania mogą występować w bardzo szerokim zakresie częstotliwości, od harmonicznych składowej podstawowej do wyższych harmonicznych procesów realizowanych przez mikroprocesorowe układu obwodów sterujących. Zaprojektowany analizator pracuje w zakresie częstotliwości od 50Hz do 5kHz.

2 2.2. Mikrokontroler STM32F4 - Discowery Ze względu du na istotę i częstotliwości cz potrzebną do przeprowadzenia pomiarów przy budowie analizatora zastosowano mikrokontroler firmy ST Microelectronics z rodziny STM32. Mikrokontroler kontroler ten charakteryzuje się si bardzo dobrze rozwiniętymi ętymi peryferiami, prędkością taktowania rdzenia 168MHz, do 1MB pamięci pami ci FLASH, do 192kB pamięcie pami SRAM. Wykorzystany mikrokontroler pozwala na szybkie uzyskanie wyników na wyświetlaczy wietlaczy LCD. Cała struktu struktura programu opiera się na bibliotekach DSP odpowiadające odpowiadaj za cyfrowe przetwarzanie sygnałów. Rys. 1.Mikrokontroler STM32F4 - Discovery dopasowywują 2.3. Układ dopasowywujący Ze względu du na zakres pracy przetwornika mikrokontrolera V 3.3V wyindukowany sygnał z Cewki Rogowskiego należy ży przekonwertować. przekonwertowa W tym celu użyto yto wzmacniacza operacyjnego w konfiguracji wzmacnacza nieodwracającego. nieodwracaj Należy zwrócić uwagę na dobór elementów ta tak aby wzmacnienie układu dopasowywującego dopasowywuj cego było równe 1. Do budowy układu wykorzystano układ TLC 272 Rys. 2. Układ dopasowywujący

3 2.4. FFT w układach wbudowanych Transformata Fouriera to transformata całkowa z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości, rozkładając funkcję na szeregi funkcji okresowych w taki sposób aby uzyskane wyniki z transformaty podawały poszczególne wartości częstotliwości budujących pierwotną funkcję. Mówiąc o układach wbudowanych mamy doczynienia z Szybką transformatą Fouriera (FFT) która jest algorytmem do obliczenia dyskretnej transformaty Furiera(DFT). FFT jest to pewien agorytm obejmujący podział sygnału na prostrze odcinki DFT przy jednoczesnym skróceniu czasu obliczeń. W układzie wykorzystano Szybką transformatę Fouriera o podstawie 2. Funkcja ta dzieli funkcję na dwie niezależne funkcję o próbkach parzystych i niepażystych. Dla poprawności działania algorytmu wszystkie próbki sygnału wejściowego muszą być zapisane w systemie danych 32-bitowych. Każda liczba zawiera 16-bitową część rzeczywistą oraz 16-bitową część urojoną Rys. 2. Schemat działania algorytmu wykorzystanego w układzie.

4 3. Badanie układu 3.1. Stanowisko labolatoryjne Rys. 2. Schemat stanowiska labolatoryjnego Stanowisko pomiarowe składało się z transformatora, 6-pulsowego prostownika diodowego praz rezystorów obciążających. Transformator pełnił rolę odseparowania galwanicznego od sieci energetycznej oraz realizował funkcję obniżającą napięcie. Prostownik diodowy 6-pulsowy generował harmoniczne 300Hz, 600Hz, 900Hz, 1200Hz, które pozwoliły na sprawdzenie poprawności działania zaprojektowanego analizatora Sosób dokonywania pomiaru na pojeździe Pomiaru dokonuje się przy urzyciu Cewki Rogowskiego przyłączonej do przewodów podłączonych do pantografu. Wyindukowany sygnał jest doprowadzony na wejście mikrokontrolera po przez układ dopasowywujący, a następnie podlega obróbce cyfrowej. Rys. 2. Schemat blokowy analizatora

5 Analizator wyświetla częstotliwości, w których została przekroczona dopuszczalna wartość zakłóceń. 4. Wnioski Przedstawiony analizator przekroczeń dopuszczalnych poziomów harmonicznych w prądzie zasilania pojazd trakcyjny dziesięciokrotnie skraca czas wykonywania pomiarów wyprzedzając dotychczasowe metody pomiaru. Wykorzystany w układzie mikrokontroler jest jednym z szynszych i bardziej oszczędnych dostępnych obecnie na rynku. Na podstawe dokonanych badań układu w warunkach labolatoryjnych, można stwierdzić, że wykonany analizator przekroczeń dopuszczalnych poziomów harmonicznych w prądzie zasilającym pojazd trakcyjny działa poprawnie. 5. Bibliografia [1] Krzysztof Paprocki, Mikrokontroler STM32 w praktyce, BTC Legionowo 2009r [2] Włodzimierz Gajda. Przepisy zabezpieczania linii i urządzeń telekomunikacyjnych przed szkodliwym oddziaływaniem linii elektroenergetycznej, Instytut Łączność, Warszawa 1962r. [3] Ochrona telekomunikacyjnych linii kablowych przed oddziaływaniem elektryczności atmosferycznych oraz linii elektroenergetycznych i elektrotrakcyjnych prądu stałego, Centralny Ośrodek Badań Rozwoju Techniki Kolejnictwa. Zakład Telekomunikacji Warszawa 1960r. [4] Polska Norma: PN-EN Zastosowanie kolejowe Kompatybilność elektryczna. Część 1: Postanowienia ogólne, Polski Komitet Normalizacji Warszawa. [5] Andrzej Piłatowicz, Oddziaływanie obwodów elektroenergetycznych na obwody telekomunikacyjne, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne Warszawa 1975