CC BY
69
конструкт. ин-т электровозостроения. - Новочеркасск, 2004. - N° 1. - С. 156 - 163.
5. Luszcz, J. Destructive consequences of PWM inverter feeding for traction AC motors [Текст] / J. Luszcz, P. Dworakowski // Modern Electric Traction / Gdansk University of Technology. - Gdansk, 2009.
УДК 519.876.5:621.316.97
Ю. М. Елизарова, Н. К. Слептерева
МОДЕЛИРОВАНИЕ СРЕДСТВАМИ MATLAB/SIMULINK РАБОТЫ АППАРАТНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ПОИСКА МЕСТ ПОВРЕЖДЕНИЯ КАБЕЛЕЙ
В статье приводится компьютерное моделирование работы аппаратного комплекса для поиска мест повреждения кабелей. Проведен анализ параметров схем устройства. Подтверждена эффективность аппаратуры, реализованной по приведенным схемам, в условиях действия мощных помех электрифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта.
Как показывает опыт эксплуатации кабельных систем с поврежденным изолирующим покрытием, токоведущая жила, или оболочка кабеля, в местах повреждения полимерного изолирующего покрытия быстро выходит из строя по причине коррозии, поэтому оперативное и точное определение места повреждения изоляции и его устранение - одна из важнейших задач, возникающих в процессе эксплуатации кабеля. Следует отметить, что в зоне действия электрифицированного железнодорожного транспорта опасность коррозии подземных сооружений значительно повышается [1 - 4].
Существующие средства не позволяют с достаточной точностью определять места повреждения изоляции и трассу кабелей в условиях действия сильных электромагнитных помех, которые создаются, например, в зоне действия электрифицированного на переменном токе железнодорожного транспорта, поэтому задача разработки помехозащищенной аппаратуры поиска мест повреждения кабеля актуальна.
В данной статье рассмотрено моделирование аппаратного комплекса для поиска мест повреждения кабелей (АК ПМПК) в среде Ма^аЬ^тиНпк, предоставляющей средства гибкой настройки параметров элементов, составляющих моделируемую схему, что в итоге позволяет выбрать такие их значения, которые обеспечат уверенный поиск места повреждения кабеля и трассы.
Применение компьютерного моделирования позволяет анализировать и при необходимости корректировать схему устройства на этапе, предшествующем ее технической реализации. При моделировании есть возможность осуществлять настройку параметров функциональных частей аппаратуры, задавать различные режимы ее работы, анализировать выходные сигналы.
Среди преимуществ моделирования в пакете Ма1ЬаЬ следует отметить возможность сочетания методов имитационного и структурного моделирования, в результате чего становится возможным реализовать силовую часть схемы с применением имитационных блоков SimPowerSystems, а систему управления - с помощью блоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не электрическую схему. Благодаря этому модель упрощается, повышаются скорость ее работы, устойчивость. [5]
В рассматриваемом аппаратном комплексе для поиска мест повреждения кабеля обеспечивается повышение точности при определении трассы и места повреждения кабеля за счет того, что в кабель подается амплитудно-модулированный сигнал. Большая помехоустойчивость, по сравнению с применением немодулированного сигнала, достигается при использовании детектора амплитудно-модулированного сигнала, осуществляющего двойную фильтрацию [6].
АК ПМПК состоит из приемной и генераторной частей. Генератор, функциональная схема которого приведена на рисунке 1, предназначен для получения амплитудно-модулированного сигнала с несущей частотой 35 Гц и модулирующей частотой 3 Гц [6].
+ 12 В
220 В, 50 Гц
1
Аккумулятор + 12 В
3 4 _^ 5
—
Выход —
б
Рисунок 1 - Функциональная схема генератора АК ПМПК: 1 - генератор несущей частоты 35 Гц; 2 - генератор модулирующей частоты 3 Гц; 3 - модулятор; 4 - усилительный каскад; 5 - выходной трансформатор; 6 - источник питания
Для моделирования работы генераторной части собрана схема, представленная на рисунке 2.
И-
Carier generator 35 Hz
DC component
H
X -► -► 4.6083
Amplifier Transiriatch
Oscilloscope
Modulation generator 3 Hz
6
2
а
Рисунок 2 - Схема моделирования работы генератора АК ПМПК
Для реализации данной схемы использованы блоки библиотеки Simulink. В качестве генераторов несущего и модулирующего сигналов («Carrier generator 35 Hz» и «Modulation generator 3 Hz») применены блоки-источники синусоидального сигнала; модулятор реализован c применением сумматора, блока умножения и источника постоянного сигнала («DC component»), амплитуда которого задает коэффициент модуляции выходного сигнала.
В качестве усилительного каскада («Amplifier») используется блок усиления с заданным коэффициентом. Согласующее устройство («Transmatch») реализовано с помощью ползун-кового регулятора, обеспечивающего изменение действующего значения напряжения на выходе схемы в диапазоне от 5 мВ до 250 В. Сигналы в различных точках схемы фиксируются осциллографом («Oscilloscope») (рисунок 3).
Из рисунка 3 видно, что при использовании схемы с указанными параметрами устройств на выходе имеется амплитудно-модулированный сигнал действующим значением от 5 мВ до 250 В. Таким образом, генераторная часть аппаратуры и полученный выходной сигнал удовлетворяют заявленным в работе [6] требованиям.
Задачей приемного устройства, функциональная схема которого приведена на рисунке 4, является фиксирование параметров электромагнитного поля над кабелем. Рассмотрим подробнее отдельные блоки схемы на рисунке 4. Датчик-формирователь 1 напряженности магнитного поля имеет частотно-независимый коэффициент преобразования, избирательные усилители 3 и 6 усиливают сигнал в полосе (35 ± 3) Гц и сигнал в полосе частот до 3 Гц соответственно. Смеситель 4 при воздействии на него входного амплитудно-модулированного (АМ) сигнала и сигнала несущей частоты с синхронного гетеродина 5 осуществляет сдвиг
спектра АМ-сигнала по оси частот на нулевую частоту при сохранении структуры сигнала. Измерительный преобразователь 7 преобразовывает переменный сигнал на входе в постоянный сигнал на выходе, измерительный прибор 8 фиксирует с выводом на индикатор уровень входного сигнала. Амплитуда выходного сигнала генератора 9 и громкость звуковой индикации головных телефонов 10 управляются выходным сигналом блока 7. К1, К2, К3, К4 - ключи, предназначенные для переключения режимов работы приемного устройства. Более подробно принцип работы приемника описан в работе [6].
и, В
1:, с
Рисунок 3 - Осциллограммы сигналов: канал 1 - сигнал несущей частоты; канал 2 - сигнал модулирующей частоты; канал 3 - выходной амплитудно-модулированный сигнал максимального уровня
Рисунок 4 - Функциональная схема приемного устройства АК ПМПК: 1 - датчик-формирователь напряженности магнитного поля;
2 - контактные электроды; 3 - избирательный усилитель; 4 - смеситель; 5 - синхронный гетеродин; 6 - избирательный усилитель; 7 - измерительный преобразователь; 8 - измерительный прибор; 9 - генератор; 10 - головные телефоны
Схема моделирования приемника АК ПМПК (рисунок 5) реализована с использованием блоков библиотек Simulink, SimPowerSystems, Communications Blockset.
Приемник должен быть устойчив к помехам. С учетом того, что одна из самых сложных ситуаций при приеме возникает в условиях действия электрифицированного железнодорожного транспорта, моделирование приемника выполнено для условий влияния мощного мешающего электромагнитного поля, создаваемого током в обратной тяговой сети.
При этом напряженность мешающего магнитного поля на поверхности рельса может достигать значительной величины. Амплитудное значение тока в обратной тяговой сети может достигать значения 100 А и более.
Рисунок 5 - Схема моделирования приемника АК ПМПК Напряженность магнитного поля на поверхности рельса с достаточной точностью можно
оценить по закону полного тока:
H =
I
2%rn
P
(1)
где I - ток, протекающий в рельсе, А;
г0 - эквивалентный радиус рельса, определяемый по формуле:
г - — 0 2п'
(2)
где P - периметр сечения рельса, м.
Периметр рельса марки Р75 равен 0,72 м. Следовательно, значение максимальной амплитуды напряженности магнитного поля на поверхности рельса, определенное по формуле (1), при токе 100 А составит 139 А/м.
При моделировании амплитуда напряженности магнитного поля помех принята равной 150 А/м. Спектральная диаграмма напряженности магнитного поля, создаваемого генератором помех («Noise sourse»), приведена на рисунке 6.
Fundamental (50Hz) = 88.57 , THD= 63.03%
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Frequency (Hz)
Рисунок 6 - Спектральная диаграмма напряженности магнитного поля помех
Полезный сигнал на входе приемника формируется в блоке «Friendly signal sourse», в состав которого входят источники несущего, модулирующего сигналов и модулятор. Минимальная амплитуда полезного входного сигнала равна чувствительности используемого датчика магнитного поля («Sensor») - 10 мА/м (рисунок 7).
С помощью сумматора складываются значения напряженности магнитных полей полезного сигнала и помехи. Спектральная диаграмма напряженности поля на выходе сумматора приведена на рисунке 8.
Н, А/м
t, с
Рисунок 7 - Осциллограмма напряженности магнитного поля полезного входного сигнала
Рисунок 8 - Спектральная диаграмма напряженности магнитного поля на входе датчика
Из сравнения рисунков 6 и 8 видно, что спектр полезного сигнала неразличим визуально на фоне спектра помехи.
Датчик преобразовывает напряженность магнитного поля в напряжение с коэффициентом k, равным 0,16. Далее сигнал подается на пассивный фильтр нижних частот (ФНЧ) Бесселя третьего порядка («Analog low-pass filter 38 Hz»), отсекающий спектр помехи, лежащий в диапазоне частот выше 38 Гц. Фильтр Бесселя дает наименьшие искажения формы сигнала. Спектральная диаграмма напряжения на выходе пассивного ФНЧ приведена на рисунке 9.
Fundamental (35Hz) = 0.03354 , THD= 120.65%
4000 - 1 1 1 1
3000 -
2000 -
1000 -
п . . L - . . L. .1 ■ _ I 1 .1
10 20 30
Frequency (Hz)
40
50
60
Рисунок 9 - Спектральная диаграмма напряжения на выходе пассивного ФНЧ
Из рисунка 9 видно, что гармоническая составляющая помехи частотой 50 Гц после ФНЧ все еще имеет амплитуду, значительно большую амплитуд гармонических составляющих полезного сигнала.
С выхода ФНЧ сигнал подается на активный полосовой фильтр (ПФ) Бесселя третьего порядка («Analog filter (32-38) Hz»), настроенный на полосу частот (32 - 38) Гц. Данный сигнал усиливается с помощью усилителя («amplifier 1»). Спектральная диаграмма усиленного напряжения после ПФ приведена на рисунке 10, из нее можно сделать вывод о том, что после ПФ доля полезного сигнала в спектре возросла в несколько раз.
Fundamental (35Hz) = 0.01475 , THD= 1.99%
600 -500 -400 -300 -200 -100 -
0 I-1........................1.......-J-
30 35 40 45 50 55
Frequency (Hz)
Рисунок 10 - Спектральная диаграмма усиленного напряжения после ПФ
Далее сигнал подается на смеситель («detector») вместе с сигналом с синхронного гетеродина («Synchro Heterodyne Oscillator»). Спектральная диаграмма напряжения на выходе смесителя представлена на рисунке 11.
X 106 Fundamental (50Hz) = 1.538е-006 , THD= 0.00%
—i-1-1-1-1-1-1-1-1-1-
10 -
8 -
6 -
4 -
2 -
у _I_l_i__i_i_i_i_i_i_I_i_i__i_
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Frequency (Hz)
Рисунок 11 - Спектральная диаграмма напряжения на выходе смесителя
На выходе смесителя в спектре сигнала присутствуют гармоники (см. рисунок 11), являющиеся результатом перемножения гармоник полезного сигнала с сигналом несущей частоты (постоянная составляющая и гармоники - 3 и 70 Гц), и гармоники, являющиеся результатом перемножения гармоник помехи с сигналом несущей частоты (гармоники - 15, 67 и 85 Гц).
После смесителя сигнал поступает на полосовой фильтр Бесселя третьего порядка («Analog Filter 3 Hz»), настроенный на частоту 3 Гц, с помощью которого выделяется моду-
лирующий сигнал, усиливаемый потом усилителем («amplifier 2») до необходимого уровня. Сигнал на выходе схемы фиксируется с помощью осциллографа («oscilloscope 2»). Спектральная диаграмма напряжения на выходе приемника приведена на рисунке 12.
Из анализа рисунка 12 следует, что на выходе приемника имеется гармоника частотой 3 Гц, значения амплитуд других гармоник не превышают 2,7 % от основной. Коэффициент нелинейных искажений составляет 0,11 %.
Fundamental (3Hz) = 0.0434 ,THD=0.11%
ВО -60 -
^ 40 -
О""-
UT:
(С
S 20 -
0-1.......1.......L....... .......1........
-1 0 1 2 3 4 5
Frequency (Hz)
Рисунок 12 - Спектральная диаграмма напряжения на выходе приемника
Результаты моделирования позволяют сделать вывод о том, что АК ПМПК, реализованный по приведенным схемам с указанными параметрами блоков, обеспечивает уверенный поиск трассы и места повреждения кабеля в условиях действия мощных помех.
Список литературы
1. Кандаев, В. А. Оценка коррозионной опасности алюминиевых кабелей в полимерном изолирующем покрове в условиях работы электрифицированного железнодорожного транспорта [Текст] / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, Н. К. Слептерева // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 3 (11). - С. 59 - 65.
2. Манусов, В. З. Исследование методов снижения несимметрии загрузки трехфазной сети на тяговых подстанциях скоростных железных дорог переменного тока [Текст] / В. З. Манусов, П. В. Морозов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск. - 2012. - № 2 (10). - С. 87 - 94.
3. Карабанов, М. А. Снижение влияния системы тягового электроснабжения на электропитание нетяговых потребителей в моменты подключения преобразовательных агрегатов [Текст] / М. А. Карабанов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 2 (7). - С. 58 - 67.
4. Ерита, А. М. Параметры изолированного цилиндрического проводника в однородной среде [Текст] / А. М. Ерита, В. А. Кандаев, К. В. Авдеева // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 3. - С. 50 - 58.
5. Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в Matlab, SimPower-Systems и Simulink [Текст] / И. В. Черных. - М.: ДМК-Пресс; СПб: Питер, 2008. -288 с.
6. Кандаев, В. А. Аппаратный комплекс поиска мест повреждения кабеля / В. А. Кандаев, Ю. М. Елизарова, Л. А. Карпова // Россия молодая: передовые технологии - в промышленность: Материалы II всерос. молодежной науч.-техн. конф. / Омский гос. техн. ун-т. - Омск. -2009. - Кн. 3. - С. 41 - 45.
! 4(12)
