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, складені з окремих електрично з'єднаних між собою ділянок провідної стрічки довжиною l , кожна з яких має дві частини: першу - довжиною l1 та другу - довжиною 2 3 29256 [Деклараційний патент UA 53151А, Кл. 7H02J 3/18, 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, що зроблені у вигляді провідної стрічки та складені з окремих послідовно з'єднаних між собою ділянок, причому кожна ділянка має по дві частини, з яких перша, довжиною l1 виконана із однієї провідної стрічки, друга, довжиною l2, - з двох провідних стрічок, розділених між собою шаром діелектрика; довжина ділянки мережі визначається друга співвідношенням ( ) l ³ 1 w L0C0 , має довжину частина ділянки æ w2L C l ö = 1ç l2 0 0 ÷ , де w - кутова частота струму в è ø тяговій мережі; L0 - питома (на одиницю довжини) індуктивність ділянки тягової мережі; С0 - питома (на одиницю довжини) ємність другої частини довжиною l2 ділянки. Недоліками означеної конструкції тягової мережі є порівняно велика довжина другої частини її ділянок, де штучно створюється електрична ємність, що зумовлено незначною за розміром індуктивністю провідних стрічок, та значна за рівнем напруга між двома провідними стрічками другої частини ділянок, що змушує до застосування діелектрика з великою електричною міцністю та знижує надійність роботи тягової мережі. Крім того, конструкція відомої тягової мережі не дає змоги узгоджувати розмір її електричного навантаження з режимом роботи джерела живлення тягової мережі. Також недоліком є збільшення втрат потужності у провідникових стрічках, викликане поверхневим ефектом та ефектом близькості. В основу корисної моделі поставлено завдання удосконалення тягової мережі системи електропостачання з безконтактною передачею енергії на електровози, в якій шляхом іншого виконання окремих елементів та їх розміщення забезпечується одержання значної питомої індуктивності провідних стрічок, що потребує меншої ємності для компенсації індуктивного опору і, як наслідок, меншої довжини другої частини її ділянок, де штучно створюється електрична ємність, і менших витрат провідникового матеріалу. Крім того, підвищується надійність роботи тягової мережі і з'являється можливість узгодження режиму роботи джерела живлення з розміром електричного навантаження мережі, що підвищує ефективність роботи джерела живлення. В цілому забезпечується більш надійна, більше економічна робота системи електропостачання безконтактних електровозів та меншають витрати провідникового матеріалу. Поставлене завдання вирішується тим, що у відомій тяговій мережі системи електропостачання з безконтактною передачею енергії на електровози, що має прямий та зворотний проводи, складені з окремих електрично з'єднаних між собою ділянок провідної стрічки довжиною l, кожна з яких має дві частини: першу довжиною l1 4 та другу довжиною l2, причому провідні стрічки другої частини ділянки розділені між собою діелектриком товщиною d1, згідно з пропонованою корисною моделлю провід (провідна стрічка) кожної з ділянок зроблено багатошаровим з провідних стрічок з розділенням шарів провідної стрічки прошарками діелектрика, причому товщину d2 прошарка діелектрика між шарами провідної стрічки другої частини кожної ділянки вибрано на порядок більшою товщини d1, а довжини l, l1 та l2 визначено співвідношеннями: l> 1 w nL0C0 ; l1 = l - l2 ; ö æ ÷ l ç 4 - 1÷ , l2 = 1 ç 1 + 2ç ÷ nw2L0C0l2 1 ø è де w - кутова частота струму в тяговій мережі; L0 - питома (на одиницю довжини) індуктивність проводу тягової мережі; С0 - питома ємність між двома провідними стрічками другої частини ділянки, розділених прошарком діелектрика товщиною d1; n - кількість шарів провідної стрічки у проводі тягової мережі. На фігурі зображено поздовжній переріз проводів тягової мережі. Тягова мережа має прямий та зворотний проводи, скомпоновані із окремих електрично з'єднаних між собою ділянок проводу (на фіг. повністю зображено дві ділянки 1 і 2), кожна довжиною l (загалом, ділянки можуть мати різну довжину). Ділянки 1 і 2, у свою чергу, складені з двох частин: першої - 3 довжиною l1 із n шарів провідних стрічок 4 (n³2), розділених між собою прошарками діелектрика 5, та другої - 6 довжиною l2, із 2n шарів провідних стрічок 7, які є продовженням стрічок 4 першої частини ділянок 1, 2. Другу частину 6 ділянок 1, 2 можна розглядати як складену із n пар шарів провідних стрічок, причому кожна пара розділена прошарком діелектрика 8 товщиною d1, а пари шарів провідних стрічок розділені між собою прошарком діелектрика 9 товщиною d2, причому d2³10d1. Провідні стрічки частин 3 і 6 ділянок 1, 2 мають розподілені по довжині l активний та індуктивний опори, пари провідних стрічок 7 другої частини 6 ділянок 1, 2, крім того, створюють штучно ємність, розподілену по довжині l2 і мають, відповідний, ємнісний опір. Тягова мережа працює таким чином. Змінний струм, що тече по провідним стрічкам 4 першої частини 3 ділянок 1, 2 та по провідним стрічкам 7 другої частини 6 ділянок 1, 2 прямого та зворотного проводів мережі, створює змінний магнітний потік (зовнішнє магнітне поле). Цей магнітний потік викликає у провідних стрічках проводів появу електрорушійної сили (е.р.с). При загальному струмі в проводі мережі Iл, у першій частині 3 ділянок 1, 2 (у провідних стрічках 4) е.р.с. дорівнює: 5 29256 E1 = wL 01I л l1 , (1) де L0l - питома (на одиницю довжини) зовнішня індуктивність тягової мережі ділянок 1, 2 на довжині l1; w - кутова частота струму. У другій частині 6 ділянок 1, 2 проводу (в провідних стрічках 7) е.р.с. дорівнює: E 2 = wL 02 I л l 2 , (2) де L02 - питома зовнішня індуктивність тягової мережі ділянок 1, 2 на довжині l2. Беручи до уваги малу товщину (порівняно зі провідною стрічкою) 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 стрічками. Для провідних стрічок 4 першої частини 3 ділянок 1, 2, I в яких струм у кожній провідній стрічці - л , n запишемо: E 1 = wL c1 Iл l1 , n (3) де Lc1 - питома зовнішня індуктивність провідної стрічки 4 на довжині l1. Порівнюючи (1) і (3), одержимо Lcl=nL0. Для провідних стрічок 7 другої частини 6 ділянок 1, 2, в яких струм у кожній Iл æ xö ç1 - ÷ стрічці змінюється за законом n ç l2 ÷ , ø è запишемо: l2 E2 = ò wL 0 c2 Iл n æ x ç1 ç l 2 è ö I ÷dx wL c 2 л l 2 ÷ = 2n ø (4) , де х - координата точки стрічки 7 від початку другої частини ділянки на довжині l2; Lc2 - питома зовнішня індуктивність провідної стрічки 7 на довжині l2. Зіставляючи (2) і (4), одержимо Lc2=2nL0. Внутрішня індуктивність провідних стрічок значно менша зовнішньої; при потребі високої точності розрахунків її можна включити у значення Lc1 і Lc2. Електрична ємність, що ввімкнена в електричне коло провідних стрічок 4, 7 на протязі довжини 12 другої частини 6 ділянок 1, 2, складає С0l2, де С0 - питома (на одиницю довжини) ємність між сусідніми провідними стрічками, що набігають з різних частин ділянки і складають пару обкладинок конденсатора на частині ділянок довжиною l2. Виходячи з еквівалентної електричної схеми заміщення проводу мережі, для компенсації індуктивного опору ділянки проводу, необхідно виконати умову: 6 wL 0 (l1 + l 2 ) = 1 , nwC 0 l 2 (5) При l1=0 із (5) знайдемо найменшу довжину l=lmin ділянки проводу мережі, на якій ще здійснима компенсація його індуктивного опору, тобто l min = 1 w nL0 C 0 , (6) Запишемо розв'язок рівняння (5) відносно l2: l2 = ö l1 æ 4 ç 1+ - 1÷ , 2 2 ÷ 2ç nw L 0 C0 l1 è ø (7) При довжині l2 по (7) другої частини 6 ділянок 1, 2 буде повністю компенсовано індуктивний опір, як на кожній із ділянок проводу, 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. Розділення 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. 7 29256 8