Раціональний вибір параметрів апаратно-програмного комплексу для спектрального аналізу тягового струму
Loading...
Date
2019
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна, Дніпро
Abstract
UK: В роботі проведено наукове обгрунтування раціонального вибору параметрів і характеристик структурних елементів апаратно-програмного комплексу для вимірювання параметрів гармонік тягового струму за критеріями забезпечення необхідної точності і роздільної здатності амплітуди, частоти і тривалості гармонік, значення яких визначені вимогами по забезпеченню електромагнітної сумісності тягового струму з лініями сигналізації і зв'язку (зокрема рейковими колами). Апаратно-програмний комплекс (АПК) для вимірювання гармонійних завад в тяговому струмі складається, у загальному вигляді, з первинного безконтактного перетворювача тягового струму у напругу, пристрою узгодження, аналогового антіалайзінгового фільтру. аналогово-цифрового перетворювача (АЦП) і програмного комплексу (в нашому випадку ноутбука), який виконує швидке перетворення Фур'є з представленням спектру тягового струму у табличному або графічному вигляді. Для досягнення поставленої мети в роботі проаналізовано критерії вибору параметрів АПК і вплив параметрів та характеристики АЦП на точність визначення параметрів гармонік. Загальна відносна похибка АПК, за умовою, що похибки від підсистем комплексу є незалежними між собою і носять випадковий характер, може бути визначена як СКЗ від відносних похибок що виникають в окремих ланках пристрою. В роботі розглянуто похибки, що виникають внаслідок аналогово-цифрового перетворення. Розглянуто критерії вибору параметрів і характеристик АЦП, зокрема для забезпечення необхідної частоти дискретизації і динамічного діапазону вимірювання. за умов забезпечення необхідної точності і роздільної здатності в часовій і частотній області відповідно до вимог галузевих нормативних документів по забезпеченню електромагнітної сумісності тягового струму з рейковими колами та іншими пристроями сигналізації та зв'язку на залізниці. Дослідження впливу параметрів АЦП на його динамічні властивості було проведено на моделі з використанням синтезованого тестового змінного струму частотою 50 Гц з діючими значеннями струму гармонійних зава, антологічних реальному тяговому струму з максимально допустими рівнями завад. Отримані в модельному експерименті значення порогу шумів для АЦП з розрядністю 10 і 12 біт є занадто великими для забезпечення необхідної точності визначення значень гармонік тягового струму. Відношення "сигнал-шум" для 10-ти розрядного АЦП є меншим ніж 21 дБ, а для 12-ти розрядного АЦП менше ніж 42 дБ, що недостатньо для спектрального аналізу тягового струму. Значення для 14 розрядного АЦП змінюється в межах 20..50 дБ, а 16 розрядного АЦП в межах 40..60 дБ в залежності від СКЗ тягового струму і числа точок перетворення Фур'є , що дає можливість провести раціональний вибір параметрів АПК для забезпечення необхідної точності вимірювання найменших гармонік. Еквівалентне число біт АЦП досягає значень більших 7 для розрядності АЦП 14 і 9 для розрядності АЦП 16 біт.
RU: В работе проведено научное обоснование рационального выбора параметров и характеристики структурных элементов аппаратно-программного комплекса для измерения параметров гармоник тягового тока по критериям обеспечения требуемой точности и разрешения амплитуды, частоты и продолжительности гармоник, значения которых определены требованиями по обеспечению электромагнитной совместимости тягового тока с линиями сигнализации и связи (в частности рельсовыми цепями). Аппаратно-программный комплекс (АПК) для измерения гармонических помех в тяговом токе состоит, в общем виде, из первичного бесконтактного преобразователя тягового тока в напряжение, устройства согласования, аналогового антиалайзингового фильтра. Аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и программного комплекса (в нашем случае ноутбука), который выполняет быстрое преобразование Фурье с представлением спектра тягового тока в табличном или графическом виде. Для достижения поставленной цели в работе проанализированы критерии выбора параметров АПК и влияние параметров и характеристики АЦП на точность определения параметров гармоник. Относительная погрешность АПК, при условии, что погрешности от подсистем комплекса независимы между собой и носят случайный характер, может быть определена как СКЗ от относительных погрешностей, возникающих в отдельных звеньях устройства. В работе рассмотрены погрешности, возникающие вследствие аналогово-цифрового преобразованию. Рассмотрены критерии выбора параметров и характеристик АЦП, в частности для обеспечения необходимой частоты дискретизации и динамического диапазона измерения. При условии обеспечения требуемой точности и разрешения во временной и частотной области в соответствии с требованиями отраслевых нормативных документов по обеспечению электромагнитной совместимости тягового тока с рельсовыми цепями и другими устройствами сигнализации и связи на железной дороге. Исследование влияния параметров АЦП на его динамические свойства было проведено на модели с использованием синтезированного тестового переменного тока частотой 50 Гц с действующими значениями тока гармонических помех, аналогичных реальному тяговом тока с максимально допустим уровнями помех. Полученные в модельном эксперименте значение порога шумов для АЦП с разрядностью 10 и 12 бит слишком велики для обеспечения требуемой точности определения значений гармоник тягового тока. Отношение "сигнал-шум" для 10-ти разрядного АЦП менее 21 дБ, а для 12-ти разрядного – менее 42 дБ, что недостаточно для спектрального анализа тягового тока. Значение для 14 разрядного АЦП изменяется в пределах 20..50 дБ, а 16 разрядного АЦП в пределах 40..60 дБ в зависимости от СКЗ тягового тока и числа точек преобразования Фурье, что дает возможность провести рациональный выбор параметров АПК для получения требуемой точности измерения наименьших гармоник, частоты которых регламентированы нормативными документами. Эквивалентное число бит АЦП достигает значений больших 7 для разрядности АЦП 14 и 9 для разрядности АЦП 16 бит.
EN: The scientific substantiation of a rational choice of parameters and characteristics of structural elements of a hardware-software complex for measuring the parameters of traction current harmonics according to the criteria for ensuring the required accuracy and resolution of the amplitude, frequency and duration of harmonics, the values of which are determined by the requirements for ensuring electromagnetic compatibility of the traction current with lines signaling and communication (in particular rail chains). The hardware-software complex for measuring harmonic interference in a traction current consists, in general form, of a primary non-contact converter of traction current to voltage, a matching device, an analog antializing filter. An analog-to-digital converter (ADC) and a software package (in our case, a laptop) that performs fast Fourier transform with a representation of the traction current spectrum in a table or graphic form. To achieve this goal, the paper analyzes the criteria for choosing the parameters of the AIC and the influence of the parameters and characteristics of the ADC on the accuracy of determining the parameters of harmonics. The relative error of the agro-industrial complex, provided that the errors from the subsystems of the complex are independent of each other and are random in nature, can be defined as the RMS from the relative errors that occur in individual parts of the device. The paper considers errors arising as a result of analog-to-digital conversion. The selection criteria for the parameters and characteristics of the ADC are considered, in particular, to ensure the necessary sampling rate and dynamic measurement range. Providing the required accuracy and resolution in the time and frequency domain in accordance with the requirements of industry regulatory documents to ensure electromagnetic compatibility of traction current with rail circuits and other signaling and communication devices on the railway. A study of the influence of the ADC parameters on its dynamic properties was carried out on a model using a synthesized test alternating current with a frequency of 50 Hz with effective harmonic noise currents similar to real traction current with the maximum allowable noise levels. The noise threshold values obtained in the model experiment for ADCs with a resolution of 10 and 12 bits are too large to provide the required accuracy in determining the harmonics of the traction current. The signal-to-noise ratio for a 10-bit ADC is less than 21 dB, and for a 12-bit one it is less than 42 dB, which is insufficient for spectral analysis of the traction current. The value for the 14-bit ADC varies within 20..50 dB, and the 16-bit ADC within 40..60 dB depending on the RMS of the traction current and the number of Fourier transform points, which makes it possible to carry out a rational choice of APC parameters to obtain the required measurement accuracy least harmonics, the frequencies of which are regulated by regulatory documents. The equivalent number of bits of the ADC reaches values greater than 7 for the bit depth of the ADC 14 and 9 for the bit depth of the ADC 16 bits.
RU: В работе проведено научное обоснование рационального выбора параметров и характеристики структурных элементов аппаратно-программного комплекса для измерения параметров гармоник тягового тока по критериям обеспечения требуемой точности и разрешения амплитуды, частоты и продолжительности гармоник, значения которых определены требованиями по обеспечению электромагнитной совместимости тягового тока с линиями сигнализации и связи (в частности рельсовыми цепями). Аппаратно-программный комплекс (АПК) для измерения гармонических помех в тяговом токе состоит, в общем виде, из первичного бесконтактного преобразователя тягового тока в напряжение, устройства согласования, аналогового антиалайзингового фильтра. Аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и программного комплекса (в нашем случае ноутбука), который выполняет быстрое преобразование Фурье с представлением спектра тягового тока в табличном или графическом виде. Для достижения поставленной цели в работе проанализированы критерии выбора параметров АПК и влияние параметров и характеристики АЦП на точность определения параметров гармоник. Относительная погрешность АПК, при условии, что погрешности от подсистем комплекса независимы между собой и носят случайный характер, может быть определена как СКЗ от относительных погрешностей, возникающих в отдельных звеньях устройства. В работе рассмотрены погрешности, возникающие вследствие аналогово-цифрового преобразованию. Рассмотрены критерии выбора параметров и характеристик АЦП, в частности для обеспечения необходимой частоты дискретизации и динамического диапазона измерения. При условии обеспечения требуемой точности и разрешения во временной и частотной области в соответствии с требованиями отраслевых нормативных документов по обеспечению электромагнитной совместимости тягового тока с рельсовыми цепями и другими устройствами сигнализации и связи на железной дороге. Исследование влияния параметров АЦП на его динамические свойства было проведено на модели с использованием синтезированного тестового переменного тока частотой 50 Гц с действующими значениями тока гармонических помех, аналогичных реальному тяговом тока с максимально допустим уровнями помех. Полученные в модельном эксперименте значение порога шумов для АЦП с разрядностью 10 и 12 бит слишком велики для обеспечения требуемой точности определения значений гармоник тягового тока. Отношение "сигнал-шум" для 10-ти разрядного АЦП менее 21 дБ, а для 12-ти разрядного – менее 42 дБ, что недостаточно для спектрального анализа тягового тока. Значение для 14 разрядного АЦП изменяется в пределах 20..50 дБ, а 16 разрядного АЦП в пределах 40..60 дБ в зависимости от СКЗ тягового тока и числа точек преобразования Фурье, что дает возможность провести рациональный выбор параметров АПК для получения требуемой точности измерения наименьших гармоник, частоты которых регламентированы нормативными документами. Эквивалентное число бит АЦП достигает значений больших 7 для разрядности АЦП 14 и 9 для разрядности АЦП 16 бит.
EN: The scientific substantiation of a rational choice of parameters and characteristics of structural elements of a hardware-software complex for measuring the parameters of traction current harmonics according to the criteria for ensuring the required accuracy and resolution of the amplitude, frequency and duration of harmonics, the values of which are determined by the requirements for ensuring electromagnetic compatibility of the traction current with lines signaling and communication (in particular rail chains). The hardware-software complex for measuring harmonic interference in a traction current consists, in general form, of a primary non-contact converter of traction current to voltage, a matching device, an analog antializing filter. An analog-to-digital converter (ADC) and a software package (in our case, a laptop) that performs fast Fourier transform with a representation of the traction current spectrum in a table or graphic form. To achieve this goal, the paper analyzes the criteria for choosing the parameters of the AIC and the influence of the parameters and characteristics of the ADC on the accuracy of determining the parameters of harmonics. The relative error of the agro-industrial complex, provided that the errors from the subsystems of the complex are independent of each other and are random in nature, can be defined as the RMS from the relative errors that occur in individual parts of the device. The paper considers errors arising as a result of analog-to-digital conversion. The selection criteria for the parameters and characteristics of the ADC are considered, in particular, to ensure the necessary sampling rate and dynamic measurement range. Providing the required accuracy and resolution in the time and frequency domain in accordance with the requirements of industry regulatory documents to ensure electromagnetic compatibility of traction current with rail circuits and other signaling and communication devices on the railway. A study of the influence of the ADC parameters on its dynamic properties was carried out on a model using a synthesized test alternating current with a frequency of 50 Hz with effective harmonic noise currents similar to real traction current with the maximum allowable noise levels. The noise threshold values obtained in the model experiment for ADCs with a resolution of 10 and 12 bits are too large to provide the required accuracy in determining the harmonics of the traction current. The signal-to-noise ratio for a 10-bit ADC is less than 21 dB, and for a 12-bit one it is less than 42 dB, which is insufficient for spectral analysis of the traction current. The value for the 14-bit ADC varies within 20..50 dB, and the 16-bit ADC within 40..60 dB depending on the RMS of the traction current and the number of Fourier transform points, which makes it possible to carry out a rational choice of APC parameters to obtain the required measurement accuracy least harmonics, the frequencies of which are regulated by regulatory documents. The equivalent number of bits of the ADC reaches values greater than 7 for the bit depth of the ADC 14 and 9 for the bit depth of the ADC 16 bits.
Description
В. Гаврилюк: ORCID 0000-0001-9954-4478; В. Мелешко: ORCID 0000-0001-6833-964
Keywords
спектральний аналіз, тяговий струм, аналогово-цифрове перетворення, електромагнітна сумісність, спектральный анализ, тяговый ток, аналогово-цифровое преобразование, электромагнитная совместимость, spectral analysis, traction current, analog-to-digital transform, electromagnetic compatibility, КАТ
Citation
Гаврилюк, В. І., Мелешко, В. В. Раціональний вибір параметрів апаратно-програмного комплексу для спектрального аналізу тягового струму. Електромагнітна сумісність та безпека на залізничному транспорті. 2019. № 17. С. 20–29. DOI: 10.15802/ecsrt2019/245282.