Problematyka wpływu pól p l magnetycznych pojazdów w trakcyjnych na urządzenia mgr inż.. Adamski Dominik, mgr inż. Furman Juliusz, dr inż.. Laskowski Mieczysław Seminarium IK- Warszawa 09.09.2014r. 1 1
Aktualne trendy w EMC Zmiany średniej mocy sygnałów użytecznych i niepożądanych oraz sprawność energetyczna w układach, urządzeniach elektronicznych w zależności od postępów w technologii. η [%] Pśr [W] Sprawność energetyczna Moc średnia Sygnały niepożądane (zaburzenia) Sygnały użyteczne Szumy własne Poziom (postęp) technologii elementów i układów elektronicznych
Definicja EMC Definicja: Kompatybilność elektromagnetyczna jest to zdolność urządzenia, systemu, instalacji, do poprawnego działania w danym środowisku elektromagnetycznym, bez wprowadzania do niego zakłóceń nie tolerowalnych przez wszystko co się w tym środowisku znajduje.
Definicja EMC Uwagi do definicji: 1. kompatybilność elektromagnetyczna urządzenia może być określona po uwzględnieniu wszystkich elementów i zjawisk decydujących o stanie środowiska elektromagnetycznego mających wpływ na oddziaływania elektromagnetyczne 2. pozytywne wyniki badań zaburzeń elektromagnetycznych według znormalizowanych wymagań nie gwarantują kompatybilności urządzenia. 3. W czasie obserwacji 100% czasu pracy urządzenia mogą wystąpić stany, w których kompatybilność elektromagnetyczna nie jest spełniona np. : stany awaryjne, stany włączenia i wyłączenia urządzenia
Oddziaływania elektromagnetyczne Źródła zaburzeń: prąd elektryczny różnice potencjałów sprzężenia magnetyczne sprzężenia pojemnościowe fale elektromagnetyczne
Powstawanie i propagacja zaburzeń elektromagnetycznych na pojeździe kolejowym Podział zaburzeń ze względu na przyczyny powstawania : zjawiska fizyczne wykorzystywane do realizacji funkcji wyposażenia elektrycznego i elektronicznego pojazdu kolejowego, stany eksploatacyjne, stany awaryjne, wyładowania elektrostatyczne ESD, wyładowania atmosferyczne.
Powstawanie i propagacja zaburzeń elektromagnetycznych na pojeździe kolejowym Zaburzenia wysokiej częstotliwości : szybko narastające sygnały impulsowe, stany awaryjne, promieniowanie radiowe, wyładowania elektrostatyczne ESD, wyładowania atmosferyczne.
Powstawanie i propagacja zaburzeń elektromagnetycznych na pojeździe kolejowym Zjawiska niskiej częstotliwości : harmoniczne napięcia zasilania, harmonicznych regulacji mocy zasilania obciążenia, nieliniowa charakterystyka obwodu wejściowego obciążenia, asymetrią obciążeń systemu zasilania, dynamiczne zmiany obciążeń w systemie zasilania, stany awaryjne, wyładowania atmosferyczne.
Powstawanie i propagacja zaburzeń elektromagnetycznych na pojeździe kolejowym Propagacja zaburzeń - kanał transmisyjny: drogą promieniowania, poprzez przewodzenie, sprzężenia indukcyjne. oddziaływanie pojemnościowe.
Urządzenia narażone na działanie pola magnetycznego Warunki zaistnienia negatywnego oddziaływania pola magnetycznego na urządzenia : istnienie elementów wrażliwych na zakłócające działanie pola magnetycznego, pokrywanie się roboczego pasma częstotliwości urządzenia z prążkami widma zaburzeń generowanych przez pojazd oraz inne elementy środowiska elektromagnetycznego, przekroczenie przez dane zaburzenie elektromagnetyczne poziomu odporności urządzenia w danym paśmie roboczym dla sygnału o wymaganej amplitudzie i czasie trwania zaburzenia.
Urządzenia narażone na działanie pola magnetycznego Urządzenia z elementami wrażliwymi na działanie pola magnetycznego: czujnik koła, obwody torowe z galwanicznym połączeniem odbiornika z torem i sprzężone poprzez obwód pętli torowej zamkniętej przez sąsiednie osie pojazdu kolejowego np. EON zjawisko opisane przez PK Elektrotechnika zeszyt 13/2011r., obwody bezzłączowe z przekładnikiem prądowym SOT.
Urządzenia narażone na działanie pola magnetycznego Urządzenia z elementami wrażliwymi na działanie pola magnetycznego: Ze względu na krótki czas reakcji w wyniku istnienia niewielkiego obszaru oddziaływania czujniki koła powinny reagować na zmiany pola magnetycznego w tym czasie. Zatem prawdopodobieństwo przekroczenia granicznej wartości poziomu odporności na pojawiające się dodatkowe sygnały zakłócające ze względu na ich krótki czas trwania jest największe w przypadku czujników koła.
Działanie na elementy wrażliwe - przekształcanie zakłóceń Cewka odbiorcza Zpm M B Odbiornik sygnału U ewal Układ czujnika koła z nadajnikiem sygnału roboczego w warunkach normalnych Oznaczenia: Zpm - źródło roboczego pola magnetycznego B - indukcja magnetyczna wytworzona przez roboczy strumień pole magnetycznego M - masa koła element modulujący strumień roboczy - wzmocnienie / rozproszenie sygnału U ewal - sygnał poddany ewaluacji
Działanie na elementy wrażliwe - przekształcanie zakłóceń Cewka odbiorcza Zpm Odbiornik sygnału M B+B z U ewal Układ czujnika koła z nadajnikiem sygnału roboczego w warunkach obecności zakłócającego pola magnetycznego Bz
Działanie na elementy wrażliwe - przekształcanie zakłóceń Wartość pola elektrycznego występującego w konturze cewki odbiorczej :
Metodyka badań Metodyka badań : określenie poziomu odporności poszczególnych urządzeń - badania laboratoryjne i terenowe pomiar składowych x, y, z natężenia pola magnetycznego, określenie limitu odporności poszczególnych urządzeń, Poziom zakłóceń Margines kompatybilności Poziom odporności Limit odporności Limit emisji określenie limitu emisji w środowisku kolejowym, określenie poziomu emisji w środowisku kolejowym - badania terenowe pojazdów jako czarna skrzynka pomiar składowych x, y, z natężenia pola magnetycznego, Poziom emisji Częstotliwość badania oddziaływania na urządzenia z użyciem pojazdów - badania terenowe obserwacja wpływu na sygnał ewaluacji. Poziomy emisji i odporności EMC
Możliwości zakłócenia liczników osi Czujnik koła Źródła zaburzeń: Obwody analogowe i detekcji impulsów Obwody transmisji danych Jednostka licząca bezpośrednie zakłócenia od prądu powrotnego płynącego w szynach pole magnetyczne emitowane przez pojazdy trakcyjne przemieszczające się po torze
Badanie wrażliwości czujników koła (prądy w szynie) G generator >> wzmacniacz A amperomierz
Badanie wrażliwości czujników koła (prądy w szynie) prąd w szynie Is [ma] Dopuszczalne natężęnie prądu w szynie dla przykładowego licznika osi System 1 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 46,6 46,65 46,7 46,75 46,8 46,85 46,9 46,95 47 Częstotliwość [khz]
Badanie wrażliwości czujników koła (zew. pole magnetyczne) Cewka Helmholtza (HE) jako źródło jednorodnego pola magnetycznego Charakterystyka cewki Helmholza Natężenie pola magnetycznego H [A/m] 12 10 8 6 4 2 0 26,9 [khz] 46,8 [khz] 250 [khz] 100 [khz] 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Prąd Js2 [ma]
Badanie wrażliwości czujników koła (zew. pole magnetyczne) G A HE G generator >> wzmacniacz A amperomierz Czujnik koła Obwody analogowe i detekcji impulsów Obwody transmisji danych Jednostka licząca Szyna S60
Badanie wrażliwości czujników koła (zew. pole magnetyczne) Dopuszczalne natężęnie pola magnetycznego dla przykładowego licznika osi 135 System 1 Natężenie pola magnetycznego Hx [db ua/m] 130 125 120 115 110 105 100 46,4 46,5 46,6 46,7 46,8 46,9 47 47,1 47,2 Częstotliwość [khz]
Badanie wrażliwości czujników koła (wyniki)
Badanie wrażliwości czujników koła W toku opracowywania wyników wrażliwości czujników uwzględniono następujące czynniki: badania przeprowadzono na wybranych egzemplarzach urządzeń, zużywanie się główki szyny na której zamontowana jest głowica czujnika, tolerancje mocowania głowic czujników w stosunku do główki szyny, zmienność warunków środowiskowych, tolerancje parametrów czujników wynikające z procesu produkcyjnego, niepewność pomiaru.
Badanie wrażliwości czujników koła 1. Praca 4430/10 wykonana w IK pozwoliła na zbadanie wrażliwości poszczególnych czujników koła stosowanych obecnie w polskiej infrastrukturze kolejowej. 2. W wyniku przeprowadzonych badań określone zostały dopuszczalne wartości natężeń pola magnetycznego dla pojazdów szynowych na terenie naszego kraju. 3. Wyniki pozwoliły na zweryfikowanie metody ponieważ uzyskane wartości natężeń pola magnetycznego dla każdej płaszczyzny (X,Y,Z) okazały się bardzo zbliżone do wartości granicznych podanych w CLC/TS 50238-3:2013. 4. Zarówno praca IK jak i CLC/TS 50238-3:2013 ( PN EN 50238) zostały umieszczone na Liście Prezesa Urzędu Transportu Kolejowego i w związku z tym prawnie obowiązują w Polsce. 5. W dokumencie CLC/TS 50238-3:2013 ponad to zdefiniowano sposób pomiaru natężeń pól magnetycznych generowanych przez pojazdy i parametry sprzętu pomiarowego. 6. IK ma opracowany system i posiada aparaturę do pomiaru pól magnetycznych generowanych przez tabor.
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013 X Y YZ
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013 Badania na torze badawczym IK (warunki ustalone): rozruchy; hamowanie; przejazdy ze stałymi prędkościami; przejazdy w obu kierunkach; określony stan wszystkich urządzeniach pokładowych (klimatyzacja, oświetlenie itd.); pomiar tła.
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013 Płaszczyzna X (pojazdy o zbliżonej mocy) Pojazd obecnie produkowany (rozruch impulsowy) Pojazd starszego typu (rozruch oporowy)
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013 Badania na szlaku: punkt pomiarowy zlokalizowano przy wyjeździe ze stacji (pojazdy przyspieszały); 90 rejestracji przejazdów (przy użyciu 2 anten); pomiary tego samego egzemplarza pojazdu; pomiary tego samego typu pojazdu; pomiary tła; pomiar tła przy przejeździe pojazdu po sąsiednim torze;
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013 Płaszczyzna X (pomiar z dwóch anten)
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013 Płaszczyzna Y (pomiar z dwóch anten)
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013 Płaszczyzna Z (pomiar z dwóch anten)
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013 Pomiar na szlaku Tło Tło (przejazd po sąsiednim torze)
Pomiar pól magnetycznych zgodnie z CLC/TS 50238-3:2013 Płaszczyzna Y przekroczenie
Wpływ pól magnetycznych na czujniki osi Przebieg charakterystyki napięcia (z uwzględnieniem reakcji na osie pojazdu) na wyjściach czujnika koła podczas przejazdów pojazdu. Sygnał poprawny (4 osie) Sygnał zakłócony
Wpływ pól magnetycznych na czujniki osi Zakłócenie pracy licznika osi zewnętrznym polem magnetycznym może spowodować: zliczenie dodatkowej osi; niezliczenie wszystkich osi pojazdu; przejście czujnika w stan awaryjny (wymagany reset licznika); konieczność interwencji obsługi; przejazd kontrolny (ograniczenie prędkości); opóźnienia w ruchu pociągów.
Dziękuj kuję za uwagę Zakład Sterowania Ruchem I Teleinformatyki ul. Józefa Chłopickiego 50 04-275 Warszawa telefon: (22) 47 31 085 fax: (22) 47 31 036 Dominik Adamski (22) 47 31 054 dadamski@ikolej.pl 39