Тягова мережа в системі електропостачання з безконтактною передачею енергії на електровози

Тягова мережа в системі електропостачання з безконтактною передачею енергії на електровози, що має прямий та зворотний проводи, виконані з провідних стрічок, розділених між собою діелектриком, і складені з окремих електрично з'єднаних між собою ділянок довжиною ℓ+ℓ1, на яких провідні стрічки перекриваються на проміжках довжиною ℓ2, яка відрізняється тим, що провід окремих частин ділянки виконано з парних та непарних за кількістю шарів провідних стрічок, розділених між собою прошарками діелектрика по всій довжині, причому в першій частині ділянки довжиною ℓ, складеною з трьох відрізків: середній з довжиною ℓ1, та два крайні - з довжинами ℓ2, де на довжині ℓ1 парних (або, навпаки, непарних) шарів провідних стрічок виконано кількістю n+1, де n ³ 2, а в частині ділянки довжиною ℓ1 непарних 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 Н.А. Высокочастотный бесконтактный электрический транспорт. - М.: Транспорт, 1975. - С. 14], в якій кожен з проводів конструктивно складається із окремих відрізків тонких внутрішніх трубок із міді, на які надіті відрізки зовнішніх трубок також із міді, причому внутрішні та зовнішні відрізки трубок 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 тягової мережі є складна конструкція, значні витрати (майже подвійні порівняно зі звичайною конструкцією тягової мережі) провідникового матеріалу та мала поздовжня ємність тягової мережі, що зумовлено вмиканням послідовно один за одним великої кількості конденсаторів незначної ємності. Тому повна компенсація індуктивного опору тягової мережі можлива тільки при більшій, відносно використовуємої для живлення тягової мережі, частоті струму (більшій 20 кГц, тоді як в існуючих системах електропостачання частота струму дорівнює 5 кГц). Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованої корисної моделі є тягова мережа [Деклараційний патент UA 53151 А, Кл. 7H02J 3/18, 3/22. Тягова мережа системи (або, навпаки, парних) шарів провідних стрічок виконано кількістю n, причому в частині ділянки довжиною ℓ товщина шарів провідних стрічок, розташованих зовні, вибрана меншою від товщини інших шарів провідних стрічок, а довжини ℓ, ℓ1 та ℓ2 визначено співвідношеннями: (13) де ω - кутова частота струму в тяговій мережі; L0 питома (на одиницю довжини) індуктивність проводу тягової мережі; С0 - питома (на одиницю довжини) ємність між двома сусідніми шарами провідних стрічок, що набігають з різних частин ділянок; n - кількість пар таких шарів провідних стрічок. U ö l1 æ 8 ç 1+ - 1÷, 2 ÷ nw 2 L0C0l 1 4ç è ø 27896 l2 = (11) w 2nL 0 C 0 ℓ1=ℓ; 2ℓ ; 2 UA 1 (19) l> 3 27896 4 електропостачання транспорту з безконтактною довжиною l 2, згідно з пропонованою корисною передачею енергії на електровоз / Г.Г.Півняк, моделлю, провід окремих частин ділянки зроблено В.І.Панченко, А.Я.Рибалко, І.Б.Кольцов // з парних та непарних за кількістю шарів провідних Промислова власність, 2003. - Бюл. № і], Яка має стрічок, розділених між собою прошарками прямий та зворотний проводи, що зроблені у діелектрика по всій довжині, причому в першій вигляді провідної стрічки та складені з окремих частині ділянки довжиною l , складеної з трьох послідовно з'єднаних між собою ділянок, причому кожна ділянка має по дві частини, з яких перша, відрізків: середній - з довжиною l 1, та два крайні l 1, зроблена із однієї провідної стрічки, довжиною з довжинами l 2, де на довжині l 1, парних (або, навпаки, непарних) шарів провідних стрічок друга, довжиною l 2, - з двох провідних стрічок, зроблено кількістю n +1, де n ³ 2, а в другій розділених між собою шаром діелектрика; довжина ділянки мережі визначається частині ділянки довжиною l 1 непарних (або, навпаки, парних) шарів провідних стрічок зроблено l ³ 1/(w L 0 C 0 ) співвідношенням друга частина кількістю n причому в частині ділянки довжиною l 2 товщину шарів провідних стрічок розташованих ділянки має довжину l 2 = 1/(w L 0 C 0 l) , де w зовні вибрано меншою товщини інших шарів кутова частотаструму в тяговій мережі; L0 питома (на одиницю довжини) індуктивність провідних стрічок, а довжини l , l 1 та l 2 ділянки тягової мережі; С0 - питома (на одиницю визначено співвідношеннями: l2 1 довжини) ємність другої частини довжиною l> ділянки. w 2nL 0 C 0 l1 l -2 l 2; = ; Недоліками означеної конструкції тягової мережі є порівняно велика довжина другої частини ö l æ 8 ÷ ç її ділянок, де штучно створюється електрична - 1÷, l 2 = 1 ç 1+ 2 2 4 ç ÷ nw L 0 C 0 l 1 ємність, що зумовлено незначною за розміром ø è індуктивністю провідних стрічок, та значна за де w - кутова частота струму в тяговій мережі; L0 рівнем напруга між двома провідними стрічками питома (на одиницю довжини) індуктивність другої частини ділянок, що змушує до проводу тягової мережі; С0 - питома ємність між застосування діелектрика з великою електричною двома сусідніми шарами провідних стрічок, що міцністю та знижує надійність роботи тягової набігають з різних частин ділянок; n - кількість пар мережі. Крім того, конструкція відомої тягової таких шарів провідних стрічок. мережі не дає змоги узгоджувати розмір її На фігурі зображено поздовжній переріз електричного навантаження з режимом роботи проводів тягової мережі. джерела живлення тягової мережі. Також Тягова мережа системи електропостачання недоліком є збільшення втрат потужності у виконання (фіг.) скомпонована із окремих провідникових стрічках, викликане поверхневим довжиною l + l 1, електрично з'єднаних між ефектом та ефектом близькості. собою ділянок проводу (на фіг.повністю зображена В основу корисної моделі поставлено завдання удосконалення тягової мережі системи одна така ділянка). На довжині l ділянка електропостачання з безконтактною передачею складена із трьох відрізків. Середній з них 1 енергії на електровози, в якій шляхом іншого довжиною l 1, зроблений із n +1 шарів провідних виконання окремих елементів та їх розміщення стрічок 2, причому n ³ 2, які розділені між собою забезпечується одержання значної питомої прошарками діелектрика 3. Крайні - це відрізки 4 і індуктивності провідних стрічок, що потребує меншої ємності для компенсації індуктивного 5, кожний довжиною l 2. Відрізки 4 і 5 зроблено з опору і, як наслідок, меншої довжини другої (2n+ 1) шарів провідних стрічок (6 -одна з них), які частини її ділянок, де штучно створюється також розділені між собою прошарками електрична ємність, і менших витрат діелектрика (7 - один з них). Парні провідні стрічки провідникового матеріалу. Крім того, підвищується 6 є продовженням провідних стрічок сусідніх надійність роботи тягової мережі і з'являється ділянок проводу і з'єднані між собою провідними можливість узгодження режиму роботи джерела стрічками 8 відрізка 10 ділянки довжиною l 1. живлення з розміром електричного навантаження Кожен із n шарів провідних стрічок 8 на відрізку 10 мережі, що підвищує ефективність роботи відділений один від одного прошарком діелектрика джерела живлення. В цілому забезпечується 9. більш надійна, більше економічна робота системи В частині ділянки довжиною l товщина шарів електропостачання безконтактних електровозів та провідних стрічок ділянки, що розташовані зовні меншають витрати провідникового матеріалу. (на фіг.верхній та нижній шари провідних стрічок Поставлене завдання вирішується тим, що у відомій тяговій мережі системи електропостачання на довжині l ), зроблена вдвоє меншою товщини з безконтакною передачею енергії на електровози, інших шарів провідних стрічок. що має прямий та зворотний проводи зроблені з Провід тягової мережі на відрізках 4, 1, 5 і 10 провідних стрічок, розділених між собою ділянки довжиною l + l 1, має розподілені по діелектриком, і складені з окремих електрично довжині активний та індуктивний опори. На протязі з'єднаних між собою ділянок довжиною l + l 1 на відрізків 4 і 5 довжиною 2 l 2 крім того провід має яких провідні стрічки перекриваються на проміжках 5 27896 6 розподілену електричну ємність і, відповідний, де х - координата точки стрічки 6 від початку ємнісний опір. відрізку 4 або 5 довжиною l 2; Тягова мережа системи електропостачання L’c2(6) - питома зовнішня індуктивність стрічок 6, що працює таким чином. Змінний струм, що тече по розташовані зовні, на довжині l 2. провідним стрічкам 2, 6, 8 прямого та зворотного Зіставляючи (2) і (5), одержимо L’c2 (6) = 8nL0. проводів тягової мережі, створює змінний У (2n-1) інших провідних стрічках 6, в яких магнітний потік (зовнішнє магнітне поле). Цей магнітний потік викликає в провідних стрічках Iл æ x ö ÷ ç1 ç проводів появу електрорушійної сили (е.р.с). При 2n è l2 ÷ ø, струм у кожній загальному струмі в проводі мережі Іл у провідних , е.р.с. на довжині l 2 відрізків 4, 5 дорівнює: стрічках на довжині l 1, е.р.с. дорівнює : E1 = wL 01I л l 1 , де L01 - питома (на одиницю довжини) зовнішня індуктивність мережі на довжині l 1; w кутова частота струму. У провідних стрічках 6 на довжині l 2 е.р.с: (2) E 2 = wL 02 I л l 2 де L02 - питома зовнішня індуктивність тягової мережі на довжині l 2 відрізків 4 і 5 ділянки проводу. Беручи до уваги порівняно 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, яка враховує також взаємоіндуктивність із сусідніми провідними стрічками. В кожній з двох провідних стрічок 2, що Iл розташовані зовні, в яких струм у кожній 2n , е.р.с. на довжині l 1, дорівнює: I (3) E1 = wL c1( 2 ) л l 1, 2n де Lc1(2) - питома зовнішня індуктивність стрічки 2, що розташована зовні, на довжині l 1,. Порівнюючи (1) і (3), одержимо Lc1(2) = 2nL0. У інших (n-1) провідних стрічках 2, у кожній з Iл яких струм n , запишемо: Iл (4) l 1. n Порівнюючи (1) i (4), одержимо L”c1(2) = nL0. Для n провідних стрічок 8, в яких струм у Iл E 2 = wL'' 1( 2 ) c кожній n , е.р.с. дорівнює I E 1 = wL c1(8 ) л l 1. n і, зіставляючи її з (1), отримуємо Lc1(8) = nL0. У двох провідних стрічках 6, що розташовані Iл æ x ö ÷ ç1 4n ç l2 ÷ ø е.р.с. на è зовні, у кожній з яких струм l 2 (у відрізках 4, 5) дорівнює: довжині l2 E2 = ò wL' 0 c 2( 6 ) l2 (1) I Iл æ x ö ÷dx = wL' c 2( 6) л l 2 , (5) ç1 4n ç l2 ÷ 8n ø è E2 = де ò w L' ' 0 L’’c2(6) c 2( 6 ) I Iл æ x ö ÷dx = wL' ' c 2( 6 ) л l 2 , (6) ç1 l2 ÷ 2n ç 4n ø è питома зовнішня індуктивність внутрішньої провідної стрічки 6 на довжині l 2. Зіставляючи (2) і (6), одержимо L’’c2(6) = 4nL0. Внутрішня індуктивність провідних стрічок 2, 6, 8 значно менша зовнішньої; при потребі високої точності розрахунків її можна включити у значення L’c1(2), L’’c1(2), L’c2(6), L’’c2(6)та Lc1(8). Ділянка проводу довжиною l + l 1, що скомпонована з провідних стрічок 2 на відрізку 1, стрічок 6 на відрізках 4 і 5, стрічок 8 на відрізку 10, має такий індуктивний опір: x L(l + l 1 ) = x (1) + x ( 4) + x (5) + x (10 ) = wl 1 ; 8nL 0 4nL 0 2nL 0 nL 0 × × 2 2n - 1 + w l nL 0 2 n - 1 + 2w l 1 n 2 8nL 2nL 0 nL 0 0 + 4nL 0 + 2 2n - 1 2 n-1 спростивши цей вираз, отримуємо xL(l+l1 ) = 2wL 0 (l1 + 2l2 ) (7) На протязі відрізку 4 одержуємо n штучно створених парами провідних стрічкок 6 l 2, що мають сумарну конденсаторів ємністю С0 ємність nC0 l 2. Ділянка проводу довжиною l + l 1, має результуючу ємність 0,5nС0 l 2 і, відповідний, ємнісний опір 2 x C( l +l 1 ) = (8) wnC 0 l 2 Виходячи з еквівалентної електричної схеми заміщення проводу тягової мережі на ділянці довжиною l + l 1, компенсацію індуктивного опору (7) провідних стрічок 2, 6 і 8 ємнісним опором (8) отримаємо за умови: 1 w L 0 ( l 1 + 2l 2 ) = . (9) nwC 0 l 2 При l 1 = 0 із (9) знайдемо найменшу довжину l = l min ділянки проводу мережі, на якій ще здійснима компенсація його індуктивного опору, тобто 1 l min = . (10) w 2nL 0 C 0 Розв'язок рівняння (9) відносно l 2 має вигляд: ö l1 æ 8 ÷ ç 1+ - 1÷. (11) 2 2 4 ç ÷ ç nw L 0 C 0 l 1 ø è При довжині l 2 no (11) відрізків 4 і 5 ділянки проводу буде повністю компенсовано індуктивний l2 = 7 27896 опір як на кожній із ділянок, так і в цілому в тяговій мережі. В межах ділянки проводу досягається компенсація її індуктивного опору за рахунок ємності між шарами провідних стрічок. Порівняно з відомою конструкцією у пропонованій тяговій мережі у декілька разів зменшується довжина другої частини ділянок проводу мережі, де штучно створюється електрична ємність, що забезпечить відповідне зменшення витрат провідникового матеріалу. Розділ провідної стрічки на декілька шарів з відповідно меншою товщиною дає змогу усунути від'ємну дію поверхневого ефекту та ефекту близькості. Напруга, яка прикладена до прошарку діелектрика, що розділяє провідні стрічки на другій частині ділянок проводу, де штучно створюються конденсатори, у пропонованій тяговій мережі у декілька разів менша порівняно з відомою конструкцією, що підвищує надійність роботи тягової мережі. Пропонована конструкція тягової мережі дає змогу вмикати наскрізні провідні стрічки проводу в будь-якій комбінації, наприклад, всі стрічки паралельно або послідовно, або частину стрічок паралельно, а інші -послідовно. Це дає можливість узгоджувати режим роботи джерела живлення тягової мережі з рівнем її електричного навантаження. Зростає також надійність роботи тягової мережі при паралельному ввімкненні провідних стрічок (при пошкодженні однієї або двох стрічок живлення електровозів буде деякий час здійснюватися по решті провідних стрічок). Позитивний ефект досягається завдяки поділу провідних стрічок на декілька взаємно ізольованих шарів відповідно меншої товщини, що збільшує зовнішню індуктивність окремих провідних стрічок. У свою чергу, це потребує меншої ємності конденсаторів для компенсації їхнього індуктивного опору і, відповідно, менших витрат провідникового матеріалу. 8