Тягова мережа для безконтактного живлення електровозів

Тягова мережа системи електропостачання транспорту з безконтактною передачею енергії на електровози, що має прямий та зворотний проводи, складені з окремих послідовно з'єднаних між собою ділянок провідної стрічки довжиною l, кожна з яких має дві частини: першу довжиною l1 та другу довжиною l2, причому провідні стрічки другої частини ділянки розділені між собою діелектриком, яка відрізняється тим, що першу частину ділянки довжиною l1 виконано з двох провідних стрічок, розділених між собою прошарком діелектрика і з'єднаних перемичкою на початку ділянки; другу частину довжиною l2 виконано з трьох провідних стрічок, розділених прошарками діелектрика, де зовнішні провідні стрічки є продовженням провідних стрічок першої частини ділянки, а центральна з'єднана з перемичкою першої частини в наступній ділянці і її товщину вибрано вдвоє більшою від товщин інших провідних стрічок, а довжини l, l1, та l2 визначено співвідношеннями: é ù 1 8 l= l1+ l = l1 ê 1 + l> - 1ú 2 2 l; ú 2w 2L 0 C 0 8ê l1 w 2L 0 C 0 ; 2 ë û, Корисна модель має відношення до системи електропостачання пересувних засобів транспорту, де використовується безконтактна передача енергії, а саме до живлення електровозів, які застосовують у вугільних шахтах, що небезпечні за газом та пилом. Відома тягова мережа [Розенфельд В.Е., Староскольский НА. Высокочастотный бесконтактный электрический транспорт. - М.: Транспорт, 1975. -208с., С.14], в якій кожен з проводів конструктивно складається з окремих відрізків тонких внутрішніх трубок із міді, на які надіті відрізки зовнішніх трубок також із міді, причому внутрішні та зовнішні відрізки розділені між собою шаром діелектрика (ізоляції). Стики внутрішніх та зовнішніх трубок також розділені між собою шарами діелектрика, причому стики внутрішніх трубок розміщені по довжині під серединою зовнішніх, а стики зовнішніх трубок над серединою внутрішніх. Така система трубок створює обкладинки конденсатора, а в тяговій мережі - ряд з'єднаних послідовно конденсаторів, що повинні компенсувати її індуктивний опір. Недоліками такої конструкції тягової мережі є мала поздовжня ємність в ній, що зумовлено включенням послідовно один за одним великої кількості конденсаторів незначної ємності. Тому повна компенсація індуктивного опору тягової мережі можлива тільки при більшій, відносно використовуємої, частоті струму в тяговій мережі (більшій 20кГц, тоді як в існуючих системах електропостачання електровозів доречна частота струму 5кГц), а також складна конструкція та значні витрати (майже подвійні порівняно зі звичайною конструкцією мережі) провідникового матеріалу. Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованої корисної моделі є тягова мережа [Деклараційний патент UA 53151A, Кл. 7H02J3/18,3/22. Тягова мережа системи електропостачання транспорту з безконтактною передачею енергії на електровоз /Г.Г.Півняк, В.І.Панченко, А.Я.Рибалко, І.Б.Кольцов/ Промислова власність, 2003. -Бюл.№1], яка має прямий та зворотний проводи, складені з окремих послідовно з'єднаних між собою ділянок, (19) UA (11) 28190 (13) U де ω- кутова частота струму в тяговій мережі; L0 питома (на одиницю довжини) індуктивність тягової мережі; С0 - питома поздовжня ємність між сусідніми провідними стрічками в другій частині довжиною в 4 ділянки. 3 28190 виконаних у вигляді провідної стрічки, причому кожна ділянка має дві частини, з яких перша, довжиною l1, зроблена із однієї провідної стрічки, друга, довжиною l2 - з двох провідних стрічок, розділених між собою шаром діелектрика; довжина ділянок проводу тягової мережі ( ) l ³ 1 w L0 C0 визначається співвідношенням , друга частина ділянок має довжину ( ) = 1 w2L 0 C 0 l , де w - кутова частота струму в l2 тяговій мережі; L0 - питома (на одиницю довжини) індуктивність ділянок мережі; С0 - питома поздовжня ємність в другій частини довжиною l2 ділянок. Недоліками такої тягової мережі є порівняно велика довжина другої частини ділянок мережі та збільшення втрат потужності в провідних стрічках другої частини ділянок, викликане ефектом близькості та поверхневим ефектом. В основу пропонованої корисної моделі поставлено завдання удосконалення тягової мережі системи електропостачання з безконтактною передачею енергії на електровози, в якій шляхом іншого виконання та розміщення окремих елементів забезпечується збільшення індуктивності, що потребує меншої ємності для компенсації індуктивного опору, зменшення втрат потужності і, за рахунок цього, в цілому спрощується живлення безконтактних електровозів та меншають витрати провідникового матеріалу. Поставлене завдання вирішується тим, що у відомій тяговій мережі системи електропостачання транспорту з безконтактною передачею енергії на електровози, що має прямий та зворотний проводи, складені з окремих послідовно з'єднаних між собою ділянок провідної стрічки довжиною l, кожна з яких має дві частини: першу довжиною l1 та другу довжиною l2, причому провідні стрічки другої частини ділянки розділені між собою діелектриком, згідно з пропонованою корисною моделлю, першу частину ділянки довжиною l1 зроблено з двох провідних стрічок, розділених між собою прошарком діелектрика і з'єднаних перемичкою на початку ділянки; другу частину довжиною l2, зроблено з трьох провідних стрічок, розділених прошарками діелектрика, де зовнішні провідні стрічки є продовженням провідних стрічок першої частини ділянки, а центральна з'єднана з перемичкою першої частини в наступній ділянці і її товщину вибрано вдвоє більшою товщин інших провідних стрічок, а довжини l, l1 та l2 визначено співвідношеннями: 1 l> 2w 2L 0 C 0 ; l=l1+l2; é ù l1 ê 8 1+ l2 - 1ú 2 2 ê ú 8 l1 w L 0 C 0 ë û, де ω - кутова частота струму в тяговій мережі; L0 - питома (на одиницю довжини) індуктивність тягової мережі; С0 - питома поздовжня ємність між 4 сусідніми провідними стрічками в другої частини довжиною 4 ділянки. На фігурі зображено поздовжній переріз проводів тягової мережі. Тягова мережа системи електропостачання із прямого та зворотного проводів, що складені з окремих послідовно з'єднаних між собою ділянок (на Фіг. повністю зображено дві такі ділянки 1 і 2), кожна довжиною l (ділянки можуть мати різну довжину). Ділянки 1, 2 проводів зроблені з провідних стрічок і мають у своєму складі дві частини. У кожної ділянки (розглядаємо ділянку 1) перша частина 3 довжиною l1 зроблена з двох провідних стрічок 4 та 5, які розділені між собою прошарком діелектрика 6 на протязі довжини l1 і з'єднані перемичкою 7 на початку ділянки. Друга частина 8 довжиною l2 зроблена з трьох провідних стрічок 9, 10, 11, які також розділені між собою прошарками діелектрика 12 та 13 по всій довжині l2. Середня провідна стрічка 10 з'єднана з перемичкою 7 наступної ділянки 2. Товщина d1 провідних стрічок 4, 5 та їх продовжень, відповідно провідних стрічок 9, 11, зроблена меншою (у два і більше разів) товщини d2 провідної стрічки 10. Перша 3 і друга 8 частини ділянки 1 проводу тягової мережі мають розподілені по довжині l1+l2 активну і індуктивну складові електричного опору, друга частина 8, крім того, має штучно створену ємність, розподілену по довжині l2, і, відповідний, ємнісний опір. Тягова мережа працює таким чином. Змінний струм, що тече по провідних стрічках 4 і 5 першої частини 3 ділянок 1, 2 та по провідних стрічках 9, 10, 11 другої частини 8 ділянок 1, 2 прямого та зворотного проводів тягової мережі, створює змінний магнітний потік (зовнішнє магнітне поле). Цей магнітний потік викликає у провідних стрічках появу електрорушійної сили (е.р.с.). При загальному струмі в проводі тягової мережі 7, у провідних стрічках 4 і 5 першої частини 3 ділянок 1, 2 е.р.с. дорівнює: E1=ωL01Iлl1 (1) де L01 - питома (на одиницю довжини) зовнішня індуктивність проводу тягової мережі на довжині l1. У провідних стрічках 9, 10, 11 другої частини 8 ділянок 1, 2 е.р.с. дорівнює: E2=ωL02Iлl2 (2) де L02 - питома (на одиницю довжини) зовнішня індуктивність проводу тягової мережі на довжині l2. Беручи до уваги малу товщину прошарків діелектрика між провідними стрічками, приймемо L01=L02=L0. Подамо е.р.с. (1) і (2) через струм у кожній провідній стрічці та через їх еквівалентну індуктивність, що враховує також взаємоіндуктивність із сусідніми провідними стрічками. Для провідних стрічок 4, 5 першої частини З ділянок 1, 2, в яких струм у кожній 0,5 Іл, запишемо: І (3) E1 = wL c1 л l1 2 5 28190 де Lc1 - питома зовнішня індуктивність провідної стрічки 4 або 5 першої частини на довжині l1. Зіставляючи (1) і (3), одержимо Lc1=2L0. Для провідних стрічок 9, 11 другої частини 8 Іл æ xö ç1 - ÷ ç 2è l2 ÷ ø, ділянок 1, 2, в яких струм у кожній запишемо: l2 E2 = ò wL c2 0 Іл 2 æ L xö ç 1 - ÷dx = wІ л c 2 l 2 ÷ ç 4 l2 ø è (4) де х - координата точок стрічки 9 або 11 від початку другої частини; Lc1 - питома зовнішня індуктивність провідної стрічки 9 або 11 на довжині l 2. Зіставляючи (2) і (4), одержимо Lc2=4L0. Для провідної стрічки 10 другої частини 8 x Іл l 2 - е.р.с. дорівнює: ділянок 1, 2 струм в якій l2 E' 2 = ò wL' c2 Іл 0 L' x dx = wІ л c 2 l 2 2 l2 (5) де х - координата точок на провідній стрічці 10 від початку другої частини 8 ділянки; L0 - питома зовнішня індуктивність провідної стрічки 10 на довжині l2. Порівнюючи (2) і (5), одержимо L'c2=2L0. Внутрішня індуктивність провідних стрічок значно менша зовнішньої; при потребі високої точності розрахунків її можна включити у значення L0. Індуктивний опір провідних стрічок ділянки складає: x L = x 4;5 + x 9;11 + x 10 = . wl1 2L 0 wl 2 4L 0 + + wl 2 2L 0 Þ x L = wL 0 (l1 + 4l 2 ) 2 2 Поздовжня електрична ємність, що включена в електричне коло провідних стрічок другої частини 8 ділянки складає 2С0l2, де С0 - питома (на одиницю довжини) поздовжня ємність між провідними стрічками 9 (11) і 10 на довжині l2 другої частини 8 ділянок. Виходячи з еквівалентної електричної схеми заміщення ділянки проводу тягової мережі, для компенсації індуктивного опору згідно першого варіанту необхідно виконання умови: 1 wL 0 (l1 + 4l 2 ) = (6) 2wC 0 l 2 При l1→0 із (6) знайдемо найменшу довжину l=lmin ділянки проводу мережі, на якій ще здійснима компенсація його індуктивного опору, тобто 1 lmin = (7) 2w 2L 0 C 0 Запишемо розв'язок рівняння (6) відносно l2: ù l1 é 8 ê 1+ - 1ú (8) 2 8ê ú l1 w 2L 0 C0 ë û При довжині l2 другої частини ділянок проводу мережі по (8) буде повністю компенсований l2 = 6 індуктивний опір, як на кожній із ділянок, так і в цілому в тяговій мережі. Порівняно з відомим технічним рішенням у пропонованій тяговій мережі зменшується майже у два рази довжина l2 відрізків проводу першоїчастини ділянок мережі, що приводить до відповідного зменшення витрат провідникового матеріалу. Позитивний ефект досягається завдяки використанню на ділянках проводу мережі двох і трьох провідних стрічок, товщина яких менша порівняно з відомою конструкцією. Це, з одного боку, збільшує зовнішню індуктивність провідних стрічок, що потребує меншої ємності для компенсації їхнього індуктивного опору. З другого боку, завдяки зменшенню товщини провідних стрічок, усуваються шкідливі дії поверхневого ефекту і ефекту близькості.