The diploma thesis is dealing with the area of controlling and safety technology for the railway transportation. The problems of the design and practical realization of an functional sample of switching unit supplying the ends of a track circuit are solved here. The switching unit enables the operation of the train control system. The outline of the design is formed by a power switch operated with a microprocessor. In addition, for the increase in safety the switching unit contains a control processor, which is controlling the right function of a work microprocessor and the failure-free state of a power switch.

The project simulates the passage of a moving train on the railway when it is passing a level crossing. The project uses hardware and software to simulate the signals that the relays, which are connected to the track, get when a train is passing the level crossing. This simulation is to evaluate a new level crossing system that is called Alex and will be used in Sweden in the future. One set of relays and two Alex systems will be installed at the Swedish school of transportation (Trafikverksskolan) in Ängelholm at a simulated level crossing for testing and training purposes. The project also evaluates the reactions of the relays of any level crossing without running any real train on them.

Tunnelbanan är ett mycket viktigt transportmedel i Stockholm som är igång större delen av dygnet. Tunnelbanans Röda och Blå linjer använder sig av ett äldre signalsystem från 60-talet. Det system som används för signaleringen av de två linjerna är av typen växelströmspårledning med kodning och använder reläställverk. Spårledningarna som detekterar positionen av olika tåg på spåret använder frekvensen 75 Hz. Vid konverteringen av frekvensen 50 Hz till 75 Hz, uppstår koldamm och värmeförluster till utrymmet från frekvensomformaren. Koldammet som avges i luften riskerar att påverka reläfunktionaliteten när det tränger in i relähöljet och sätter sig på ytan för reläkontakterna i utrymmet bredvid frekvensomformare. Trafikförvaltningen har planer på att upprusta Röda linjens signalsystem för att kunna använda dess signalsystem i ytterligare 25 år. Spårledningssystemet positionerar och ger hastighetsbesked till tågen. En litteraturstudie har genomförts kring uppbyggnad av spårledningssystemet och tidigare forskning har utförts kring frekvensomformare för att hitta en ny frekvensomformare som inte riskerar reläfunktionaliteten. Genom faktainsamling från Trafikförvaltningen har nya lämpliga frekvensomformare som kunde ersättas mot de befintliga undersökts. Statiska frekvensomformare har analyserats. Enligt kraven från Trafikförvaltningen identifierades fyra produkter från olika leverantörer. Ingen av de statiska frekvensomformare var direkt kompatibel med befintligt system med anledningen av att systemet är byggd för ett roterande frekvensomformare. ”HZ-50-1105” från GoHz denna modell finns i 1-fas in- respektive 1-fas utmatning. ”FR-D 700” från Mitsubishi och ”Micromaster 440” från Siemens som hade lika användnings funktion det gjorde att de var lik varandra. ”ACS-150” från ABB denna modell hade som max märkeffekt upp till 4 kVA, vilket passar bara för frekvensomformare med märkeffekt 2.5 kVA. De olika typerna av statiska frekvensomformare belastade nätet på ett asymmetriskt sätt. Därför var det viktigt att kunna fördela lasten så jämnt som möjligt på varje fas. Det var svårt att kunna rangordna de valda produkterna utan det bara visades vilka valmöjligheter som fanns vid utbytet av roterande frekvensomformare. Användningen av statiska frekvensomformare eliminera de risker som en roterande frekvensomformare orsakar. Statiska frekvensomvandlare generera olika frekvenser med större noggrannhet samt de har en kortare driftsättnings tid men belastar de nätet asymmetriskt jämfört med roterande frekvensomformare. / The subway is a very important means of transport in Stockholm and is in operation most of the day. The Red and Blue lines of the metro use an older signal system from the 60s. The system used for the signaling of the two lines is of the type AC power line with coding and uses relay switches. The track circuit that detects the position of different trains on the track use the frequency 75 Hz. When converting the frequency 50 Hz to 75 Hz, carbon dust and heat losses is released to the space from the frequency converter. The carbon dust emitted into the air risks affecting relay functionality as it enters the relay housing and settles on the surface of the relay contacts in the space next to the frequency converter. The Traffic Administration have plans to upgrade the Red Line's signaling system in order to use the existing signaling system for another 25 years. The track circuit system positions and gives speed messages to the trains. A literature study has been conducted on the construction of the track circuit system and previous research has been conducted on frequency inverters to safely find a new frequency inverter that does not risk relay functionality. Through fact-finding from the Traffic Administration, new suitable frequency converters that could be replaced with the existing ones were investigated in this research. Static frequency converters were chosen to be investigated. According to the requirements of the Traffic Administration, four products were identified from different suppliers. None of the static frequency converters was directly compatible with existing systems because the system was built for a rotary frequency converter. "HZ- 50-1105" from GoHz this model is available in 1-phase input and 1-phase output respectively. "FR-D 700" from Mitsubishi and "Micromaster 440" from Siemens which were equal in and out connection. "ACS-150" from ABB this model had a maximum rated power up to 4 kVA, which is only suitable for frequency inverters with a rated power of 2.5 kVA. The various types of static frequency inverters loaded the network in an asymmetrical way. Therefore, it was important to be able to distribute the load as evenly as possible on each phase. It was difficult to be able to rank the selected products without just showing the choices that existed when replacing rotary frequency converters. However, the use of static frequency inverters eliminates the risks of a rotating frequency converter. Static frequency converters can more accurately generate different frequencies and they have a shorter commissioning time; however, they load the network asymmetrically compared to rotating frequency converters.

Spårledning används inom järnvägen för att lokalisera var tåg befinner sig. Detta examensarbete behandlar en modell av tonfrekvensspårledningar från Alstom. Teoridelen behandlar de båda modellerna DTC – 921 och DTC- 24 medan uträkningarna enbart behandlar den tidigare. Tonfrekvensspårledningar separeras med elektroniska skarvar genom förbindningar i spåret. Den förbindning som examensarbetet undersökt är av typ S-förbindning som idag består av en kopparkabel. Arbetet gick ut på att undersöka hur funktionen är uppbyggd och hur den skulle påverkas vid ett byte av material då koppar är stöldbegärligt. Undersökningar har gjorts på tre olika alternativ: aluminium, järn och safecable från safetrack.  Genom att studera S-förbindningens funktion och hur den agerar med tillhörande tuningbox har materialets eventuella påverkan utvärderats. Med teoretiska uträkningar har parametrarna räknats ut för de olika materialen. För att bekräfta funktionen har simuleringar i Pspice utförts. / Track circuits are used to detect where the trains are along the railway. This report contains a study of two models of audio frequency track circuit from Alstom called DTC – 921 and DTC - 24. The calculations made in the result section are made on only DTC-921. The different frequencies between two track circuits are divided by an S-bond. The S-bond is made of cupper which is a material that is theft-prone. The purpose of the project was to investigate the functionality of the S-bond and how  a cable with a different kind of material would affect the function. Three different kinds of materials have been investigated: aluminum, iron and safecable from safetrack.   By studying the function of the S-bond and how it interacts with the tuning box the affect off the different materials have been evaluated. The parameters of the materials have been calculated and the function has been simulated in Pspice.

In countries with rough weather conditions, frequent delays cause railway companies to waste time and money. Many of these delays are related to the train detection systems, as the old DC track circuits are still used in some countries, including Sweden, our case study. Since the most important factor in the railway system is safety, in some cases, the train detection system gets incorrect information and detects a non-existent train. The train slows down to avoid a problem in the track (with other trains or other faults), causing prolonged delays with cascading effects. The analysis in this licentiate contributes to the detection and reduction of TC failures; this, in turn, will save money for the railway community.A classification of the most probable causes of failures related to the train detection system was derived from the Swedish failures report database 0FELIA. After classifying failures, we focussed on the three most common worst case scenarios: low resistance between the rails, external interference such as a lightning strike, and iron-powder-bridges in the insulated joint.Electromagnetic interferences (EMI) are a problem for the railway system in general. One source of electromagnetic (EM) transients is the return current harmonic produced by the engine of the rolling stock itself. In the first stage of this licentiate, we implemented a Matlab model of the power supply system of the Swedish railway infrastructure, using the characteristics and previous measures of a real source. A model of a train as an active load validated by the manufacturer was integrated as a subsystem in different positions of the infrastructure. This method was used to study the behaviour of the low frequency system from an electrical point of view but it could also be used as input for an electromagnetic model using high frequencies. The model was validated through measurements taken in northern Sweden.In addition, a 3D model of the whole railway system was proposed. The simulation software was CST STUDIO SUITE® (Computer Simulation Technology Studio Suite), supported by real measurements on site and the lab to tune and validate the model. The results of the simulation show that the model fits with reality and is reliable for the study of track circuit sections.Some measurements followed the current standards, but we also analysed points not covered by them, allowing us to update the current standards

Ett signalställverk används för säker styrning av tågtrafiken. Ett datorställverk säkerställer atttåg kan framföras på en järnvägssträcka genom att låsa tågvägar och även förhindra otillåtnakombinationer av tågvägar. Kopplingen mellan de olika delarna på en bangård (objekten) ochställverket utförs med hjälp av Object Controllers (OC). Den svenska benämningen för OC ärutdelar. Spårledningar är bangårdsobjekt som används för att detektera positionen av tåg på enspecifik järnvägssträcka. Ställverk 95 ska ersätta Ställverk 85 på Östra Station. Detta arbete ska genom enlitteraturstudie och en systemanalys undersöka vilka effekter detta får på fördröjningarna i 75Hz växelströmsspårledningen (SASIB) och tonfrekvensspårledningen DigiCode, tillsammansmed fördröjningarna från Object Controller System (JZU840 och OCS950). Detta utfördesmed syftet om att ta reda på hur cykeltiden i Ställverk 95 påverkas av fördröjningarna frånspårledningarna och OC. Cykeltiden är tiden det tar för signalställverket att få enstatusuppdatering från OC, till att signalställverket skickar nya kommandon som ska utförasav objekten. Orsaken till tilläggsfördröjningarna för spårledningarna är en följd av kontaktstudsar.Kontaktstudsarna uppstår när spårledningsreläerna ändrar position och innebär att ankaret ireläet inte stannar av direkt utan studsar för att sedan stabilisera. Om reläet i spårledningarnasnabbare kan garantera en absolut lägesändring, är det möjligt att minska cykeltiden och ökakapaciteten på Östra Station. / Railway interlocking is used for safe control of train traffic. A computer based interlockingsystem ensures that trains can be driven on a railway line by locking train paths and preventingunauthorized combinations of train paths. The connection between the different parts of a yard(objects) and the interlocking system is performed with the help of Object Controllers (OC).The Swedish name for OC is “utdelar”. Track circuits are railway objects used for thedetection of trains on a specific railway section. EBILOCK 950 will replace EBILOCK 850 at Östra Station. Through a literature study and asystem analysis, this work will investigate the effects this has on delays in the 75 Hz AC trackcircuit (SASIB) and the audio frequency track circuit DigiCode, together with the delays fromthe Object Controller Systems, JZU840 and OCS950. This was done with the aim of findingout how the cycle time in EBILOCK 950 is affected by the delays from the track circuits andOC. The cycle time is the time it takes for the interlocking system to receive a status updatefrom OC, until the interlocking system sends new commands to be executed by the objects. The reason for the additional delays for the track circuits is a consequence of contact bounces.The contact bounces occur when the track circuit relay change position and means that thearmature in the relay does not stop immediately but bounces and the stabilizes. If the relay inthe track circuits can guarantee an absolute change of position more quickly, it is possible toreduce the cycle time and increase the capacity at Östra Station.

Positioneringssystem har en vital roll när det gäller att kontrollera säkra tågrörelser. Det finnsmånga olika typer av positioneringssystem. Det här arbetet behandlar hur axelräknare, communications-based train control (CBTC) och olika typer av spårledningar fungerar. Det innehåller ocksåen analys av växelströmsspårledningar och axelräknare med RAMS-parametrar (Reliability, Availability,Maintenance and Safety) som utgångspunkt för att dra slutsats om vilken typ som passar bästför Trafikförvaltningens spårburna banor. Genom intervjuer med erfarna personer inom järnvägsbranscheni Stockholm erhölls kunskap om för- och nackdelar med olika system. En felträdsanalys(FTA) utfördes för axelräknare och spårledningar för att åskådliggöra potentiellt farliga situationer.Felstatistik för två järnvägsbanor togs fram för att visa felfrekvens för en bana med axelräknare ochen bana med spårledningar. Resultatet är inte entydigt men visar ändå att axelräknare undvikerfelkällor som finns hos spårledningar. Det som tydligast kommit fram var att förvaltningen behöverstandardisera till färre typer av system för de olika banorna. Det skulle underlätta vid förvärvandetav personal med rätt kompetens som ska utföra underhåll. Det skulle också göra det lättare att säkerställatillgången till ersättningsprodukter. / Positioning systems have a vital role in securing safe movement of trains. There are many differenttypes of positioning systems. This thesis is about how axle counters, communications-based traincontrol (CBTC) and different kinds of track circuits operate. It also contains an analysis of AC-trackcircuits and axle counters with RAMS-parameters (Reliability, Availability, Maintenance and Safety)as guide points to make a conclusion of what type of system that best suits for Stockholm PublicTransports railway tracks. Through interviews with experienced persons within the railway industryin Stockholm knowledge of pros and cons of different systems was obtained. A fault tree analyses(FTA) was made for axle counters and track circuits to visualize potentially hazardous situations.Failure statistics were produced to show failure frequency for one track with axle counters and onetrack with track circuits. A clear result was not shown but it can be concluded that sources of failurethat are prone to track circuit systems can be avoided using axle counters. What became evident isthat the management need to standardize to a fewer amount of different positioning systems. Itwould make it easier to find available personnel with the required skills for doing maintenance. Thiswould also have a benefit when securing maintenance supplies.

Railway signaling is of paramount importance to ensure traffic management andsafety on the rail network. The main lines are divided into sections called ‘blocks’,which are governed by a fixed signal installation. To prevent trains from colliding,each block allows one train at once. In France (and most European countries),train detection is performed by an electrical device called track circuit that consistsof a transmitter and a receiver installed at the track-side, and connected via therails. In the absence of a train, an electrical signal flows from the transmitter tothe receiver through the rails. As a train enters a track circuit, its axles shuntthe rails, provoking a short circuit (also called ‘shunt’): the signal transmitted tothe receiver drops. The detection of that signal drop results in the detection of atrain. This method rarely fails throughout the network, but there can be criticalcases where it may be inefficient. In this Master’s Thesis, new detection criteriaproposed in previous studies have been tested on signals measured in poor shuntingconditions. Three approaches have been tested: one in the time domain and two inthe frequency domain. The time approach compares the short-term and long-termstatistics of the received signals. The observation of a change in the spectra of thereceived signals around the 3rd order harmonic (3OH) has led to the implementationof two frequency criteria: the estimation of the band power around the 3OH andthe detection of the 3OH peaks. The obtained results show that better detection isachieved when the new criteria and the existing one are combined. / Tågsignalsystem är väsentliga för att garantera trafikstyrning och säkerhet i tågnätet.Spåren är indelade i sektioner, s.k. block, som övervakas med fasta signalinstallationer.För att hindra tåg från att krocka, tillåts bara ett tåg i taget per block. IFrankrike (och de flesta andra europeiska länder), detekteras tågen med en elektriskspårkrets som består av en sändare och en mottagare som är installerad bredvidspåret och ansluten till rälsen. När inget tåg finns på spåret, flyter en elektrisk signalfrån sändaren till mottagaren via spåret. När ett tåg anländer, kortsluts kretsenav hjulaxeln och signalen försvinner från mottagaren. Minskningen i signalstyrkaanvänds för att detektera tåget. Denna metod sällan misslyckas i tågnätet, men iovanliga fall kan det uppstå farliga situationer. I detta examensarbete utvärderasnya detektionsmetoder, som har föreslagits i tidigare studier, på signaler som haruppmätts under förhållanden med dålig kontakt mellan hjul och spår. Tre olika metoderhar testats, en i tidsdomänen och två i frekvensdomänen. Tidsdomänsmetodenjämför kortvarig och långvarig statistik för den mottagna signalen. I spektrum förden mottagna signalen, har man observerat en förändring runt den tredje övertonen,samt detektering av frekvenstoppar vid tredje övertonen. De erhållna resultatenvisar på förbättrad detektering när de nya och existerande kriterierna kombineras.

Spårledningar används inom tunnelbanan för att visa tågets position samt bestämma tågets hastighet genom att bryta spänningsamplituden i signalen vid olika frekvenser. Frekvensen till spårledningen fås från en roterande frekvensomformare. I dagens anläggning används roterande frekvensomformare med borstar. Dessa avger i relärum mycket värme och ger miljöproblem i form av koldamm från borstarna. Det befintliga systemet är gammal och har funnits i drift över 30 år, därför håller reservdelar på att ta slut samt service till systemet svårtillgängligt. Detta examensarbete har undersökt möjligheten att uppgradera till nyare system som bygger på en lösning med roterande borstlös frekvensomformare där reservdelarna och service är tillgängliga i minst 25 år. Undersökningen jämför olika roterande borstlösa frekvensomformare från olika leverantörer för att hitta en frekvensomformare där kraven från Trafikförvaltningen uppfylls. Studien har haft fokus på problemområdet med borstade frekvensomformaren som producerar skadliga ämnen såsom koldamm och värmen i relärum. Diskussioner med tillverkningsföretag av roterande borstlös frekvensomformaren har skett under denna studies gång där möjliga alternativ för vidare utveckling av systemet i relärum analyseras. I projektet har även diskuterat möjligheten att använda det nya systemet av frekvensomformare med borstlösa motor och generator istället för den nuvarande borstade frekvensomformaren som finns i anläggningen. Resultatet har även visat att den roterande borstlösa frekvensomformaren kan omvandla frekvensen till 75 Hz. Det nya systemet uppfyller kraven från Trafikförvaltningen samt att systemet håller i minst 25 år till. Att systemet håller minst i 25 år till var ett stort krav av Trafikförvaltningen som uppfylldes under denna studie. / Track lines are used in subway stations to show the train locations and determine the speed of the train by chopping the frequency. The frequency of the track lines is obtained from a rotary frequency converter. In today's stations, rotary frequency converters with brushes are commonly used. These emit a great deal of heat in some relays and produce environmental problems in the form of carbon dust from the brushes. The existing systems have been used for over 30 years and obtaining spare parts and conducting maintenance on the systems can be difficult. This degree project examines the possibility of newer systems being built on a rotating brushless frequency converter, where the spare parts and servicing would be available for at least the next 25 years. The project surveys and compares different rotating brushless frequency converters from different suppliers to find an identical frequency converter to meet the requirements of the Traffic Administration. The result of this study has had a lot of focus on the problem area with the brushed frequency converter that produces harmful substances such as carbon dust and the heat in the relay room. Discussions with manufacturing companies of rotating brushless frequency converters have been made during this study where possible options were discussed for further development of the system in relay rooms. The result has also discussed the possibilities of using the new system of frequency converters with brushless motor and generator instead of the current brushed frequency converter available in the facility. The result has also shown that the rotating brushless frequency converter can convert the frequency to 75 Hz. The new system meets RAMS requirements of the Trafikförvaltning, and the system lasts for at least 25 years. This was a major requirement of the Trafikförvaltning, which was fulfilled during this study.