Спосіб живлення тягової мережі системи електропостачання транспорту з безконтактною передачею енергії на електровоз

Спосіб живлення тягової мережі системи електропостачання транспорту з безконтактною передачею енергії на електровоз за допомогою імпульсів, який відрізняється тим, що імпульси формують як модульовані імпульси струму з прямокутною обвідною та сталою частотою заповнен 2 3 60203 4 ня. При меншій тривалості буде зменшуватися передачею енергії на електровоз за допомогою потужність, яка передається тяговою мережею. імпульсів, згідно з винаходом, використовують Недоліками такого способу є наступне. Помодульовані імпульси струму з прямокутною обвіперше, тягова мережа живиться від джерела надною та сталою частотою заповнення, не меншою пруги, а не струму. При цьому, із зростанням на2,86Qe,к початкову тривалість Ti0 вибирають не вантаження електровоза збільшується внесений в Ti0 мережу опір, що зумовить зменшення струму в меншою десятикратної тривалості перехідного мережі та переданої до енергоприймача електропроцесу в мережі, діюче значення напруги на вході воза енергії. По-друге, для формування імпульсу тягової мережі зі зміною навантаження електровонапруги мережа вмикається на відповідну напругу за підтримують сталим шляхом регулювання трипромислової частоти і при установленні струму в валості модульованих імпульсів, а період модуній виникає перехідний процес. Тривалість перехільованих імпульсів приймають згідно із дного процесу Tn не повинна перевищувати зна2 CUp чення Ti / 2 для того, щоб струм встиг досягти маспіввідношенням T  , де Q e,к - добротність Pнв ксимального значення. Тривалість перехідного електричного контуру енергоприймача в стані його процесу в мережі можна оцінити як Tn  3м, де короткого замкнення; С - ємність батареї конден2L м  м - стала часу електричної мережі, де саторів, встановленої на електровозі; Up - напруга Rм батареї конденсаторів в кінці дії модульованого Lм, Rм - індуктивність і активний опір мережі. Звідімпульсу; Pнв - максимальна потужність двигунів си тривалість імпульсу повинна бути Ti  6м . Для електровоза. Тягова мережа живиться від джерела струму існуючої тягової мережі м  0,003 с і тривалість імпульсами, які є модульованими імпульсами імпульсу повинна бути не меншою 0,018 с. Періоструму тривалістю Ti з частотою заповнення f0 та дичну послідовність таких імпульсів струму можна розкласти в ряд Фур'є. Частота першої гармонічної складової, в-якій зосереджена більша частина енергії імпульсу, повинна бути 1 1 f1    55,5 Гц . Тi 0,018 В обмотку енергоприймача енергія імпульсів струму передається за допомогою магнітної індукції, причому коефіцієнт передачі k  2fM, де f частота сигналу; M - взаємна індуктивність тягової мережі і обмотки енергоприймача на ділянці їх зближення. Очевидно, що при такому малому значенні частоти f  f1 , передача енергії імпульсами струму в енергоприймач буде неефективною. Підвищити частоту f1 не дає змоги визначена тривалість перехідного процесу у тяговій мережі. Потретє, енергія імпульсу струму передається в широкій смузі частот. Для ефективної роботи енергоприймача електровоза в його обмотці необхідно забезпечити резонанс напруг, що потребує передачі енергії у вузькому діапазоні частот. Застосована у прототипі форма імпульсів цього робити не дозволяє, що приведе до зменшення енергії, яка передається до енергоприймача. В основу винаходу поставлено завдання удосконалення способу живлення тягової мережі системи електропостачання транспорту з безконтактною передачею енергії на електровоз, в якому шляхом вибору іншого типу, форми та тривалості імпульсів забезпечується значно вужчий діапазон частот та достатньо висока частота, на яких енергія, з врахуванням перехідного процесу в мережі, передається на електровоз і за рахунок цього забезпечується більш ефективна передача енергії на електровоз та зменшення сумарних втрат потужності у тяговій мережі та в обмотці енергоприймача електровоза. Завдання вирішується тим, що у відомому способі живлення тягової мережі з безконтактною періодом T . В мережу послідовно увімкнені конденсатори для забезпечення в ній стану резонансу напруг на частоті заповнення f0 . В обмотці енергоприймача електровоза на протязі проміжку часу Ti діє е.р.с. Ee  0MI , де 0  2f0 ; M - взаємна індуктивність обмотки енергоприймача і тягової мережі на ділянці їх I зближення; I  max - діюче значення сінусоїдаль2 ного струму в мережі на протязі часу Ti , Imax амплітуда струму. За час Ti дії імпульсу струму до енергоприймача електровоза поступає енергія We1  EeIeTi, (1) де Ee,Ie - діючі значення е.р.с. та струму електроприймача на протязі часу дії модульованого імпульсу. Енергія, яка необхідна для роботи електровоза на протязі періоду T , We2  EeI'e T, (2) де I'e - діюче значення струму в обмотці енергоприймача, потрібного для роботи електровоза у сталому режимі. Передбачається застосування на електровозі ємнісного накопичувача енергії у вигляді батареї конденсаторів. Струм енергоприймача Ie забезпечує накопичення енергії, необхідної для роботи двигунів електровоза на протязі паузи часу T  Ti , та їх роботу на протязі проміжку часу Ti . Очевидно, що енергія We 2 повинна бути накопичена за проміжок часу Ti дії модульованого імпульсу, тобто We1  We2 (3) 5 60203 Із рівності (3) з врахуванням (1) і (2) одержуємо Ie  I'e T  I'e n, Ti де n  T . Ti (4) Втрати енергії в тяговій мережі Wм та в обмотці енергоприймача We за один період T : Wм  I2RмТi; We  I2ReТi  I'2 Re e T2 , Ti де Rм, Re - активний опір, відповідно, мережі та обмотки енергоприймача. Втрати потужності в мережі Pм та в обмотці енергоприймача Pе в розрахунку на період де P'м  I2Rм , P'e  I'2 Re - втрати потужносe ті в мережі та обмотці енергоприймача в сталому режимі роботи. Сумарні втрати потужності Р'м P  Pм  Ре   P'e n. (5) n Відношення сумарних втрат потужності при імпульсному та сталому режимах живлення тягової мережі P'м  P'e n P (6)  n . P' P'м  P'e Імпульсне живлення має сенс у випадку, коли P  1 . Для забезпечується виконання нерівності P' P'м . цього необхідно вибрати значення n  P'е Струм в обмотці енергоприймача в стаціонарному режимі живлення мережі, при забезпеченні в електричному контурі обмотки енергоприймача стану резонансу напруг, Ee Ee Ee I'e    , 1 Re  R'нв  R'нв   (7)  Re 1   Re 1   Re   a   де R'нв - активний опір, еквівалентний наванRe - коефіцієнт наваR'нв нтаження. Вважаючи на (7), запишемо 2 2 P'м IмRм R R  1  2  м e 1    n P'e I'e Re 0М2  а  де amax - коефіцієнт навантаження, відповідний максимальному навантаженню електровоза. Значення amax вибирають завчасно. Параметри системи електропостачання електровозів вибирають згідно з (9). Це забезпечує виконання P'м нерівності n  для навантажень до максимаP' е льного та приведе до зниження сумарних витрат потужності при імпульсному живленні тягової мережі порівняно із сталим режимом живлення. Діюче значення напруги на вході тягової мережі, при забезпеченні в ній стану резонансу напруг та при навантаженні електровоза,  M2 , Uм  IRм   (10) Rен     де Rен  Rе  Rнв , причому розмір Rен визначають із співвідношення E R ен  e . (11) Ie Wм 2 Т P'м  I Rм і  ; Т Т n We Т Pe   I'2 Re  P'e n; e Т Тi Pм  таженню електровоза; a  6 (8) При максимальному навантаженні електровоза бажано забезпечити тривалість імпульсу Ті  Т , тобто n=1. Тоді із (8) маємо  1  0M 1   , (9)  a  RмRe max   Підставивши значення струму із (4) в (11), одержимо E Ti T R ен  e   R'ен i , (12) I'e T T де R'ен  Ee - опір у випадку сталого режиму I'e живлення мережі. Напруга на вході мережі із врахуванням (12)    М2  Т   IR  М2  Т .  Uм  IRм    м (13) 1 Т  R'ен Ті        Rе  1   і   а   Зі зміною навантаження електровоза (коефіцієнта навантаження) регулюють тривалість модульованих імпульсів струму таким чином, щоб напруга на вході мережі залишалась незмінною при будь-якому навантаженні і рівною  M  , Uм,max  IRм 1  (14)  RмRe    тобто напрузі при максимальному навантаженні, коли Ті  Т з врахуванням співвідношення (9). При цьому отримаємо зменшення сумарних втрат потужності в тяговій мережі і в обмотці енергоприймача електровоза. Крім того, підтримання напруги на рівні відповідно (14) забезпечує надходження у тягову мережу максимально можливої потужності при визначених амплітуді та тривалості імпульсів струму. Значення тривалості модульованих імпульсів струму слідує із співвідношення 1 Т 1   , (15) R'ен Ti R'ен,max де R'ен,max - відповідає максимальному навантаженню електровоза. Із (15) маємо 7 60203 8 ванням співвідношення (18) 1 1 2Qe R'ен,max amax f0  . (16) Ті  Т T. 1 (21) 1 R'ен Ti 1 1 a m2 Із збільшенням навантаження електровоза сиВважаючи m  mгр ; Qe  Qe,к і те, що мінімастемою автоматичного регулювання джерела жильна тривалість імпульсів струму дорівнює Ті0 , влення тривалість модульованих імпульсів струму збільшується. одержимо Якщо навантаження від електровозів відсутнє, 2,86Qе,к f0  . (22) то струм I'e  0 і R'ен   . Із (16) слідує, що при Ті0 цьому Ті  0 . Тут Q е,к - добротність електричного контуру Щоб зробити чутливою систему регулювання енергоприймача при його короткому замкненні тривалості модульованих імпульсів до навантатому, що у цьому випадку енергоприймач працює ження електровоза в початковий період роботи, практично в такому стані в перший момент часу треба забезпечити надходження в тягову мережу роботи електровоза і забезпечує в основному заімпульсів струму тривалістю рядку ємнісного накопичувача енергії. Ті0  10Тn, (17) Відомо, що спектральна щільність радіоімпульсу має максимум на частоті заповнення. Для де Tn - тривалість перехідного процесу в тягоефективної передачі енергії на електровоз необвій мережі. хідно, щоб електричний контур енергоприймача Виконання співвідношення (17) дає змогу знебув настроєний в стан резонансу напруг з частохтувати впливом перехідного процесу у тяговій тою заповнення імпульсу струму тягової мережі. мережі при створенні в ній модульованих імпульсів Тому розмір частоти заповнення імпульсу вибираструму навіть при відсутності навантаження елекють не меншою такої, яка витікає зі співвідношентровоза, одержати в обмотці енергоприймача ня (22). При цьому в перший момент часу вхое.р.с., незмінну по амплітуді на протязі проміжку дження електровоза в роботу забезпечується часу, не меншого 0,9Ti0 , а також забезпечити пепередача в обмотку енергоприймача не менше редачу в енергоприймач деякої початкової енергії. 60% повної енергії модульованого імпульсу. Відомо, що ширина частотного діапазону раПередача енергії відбувається у відносно вудіоімпульсу, в якому зосереджено більш як 90% зькому діапазоні частот, що забезпечує ефективйого повної енергії має значення ність цього процесу. 2 Із зростанням навантаження електровоза збі2 f  . (18) Ti льшується тривалість імпульсів струму Ti , що зуПриймемо, що в початковий період роботи мовлює звуження діапазону частот (згідно з співелектровоза в енергоприймач повинно надійти не відношенням (18)), в якому передається енергія модульованих імпульсів. Ефективність передачі менше 60% повної енергії W імпульсу. Запишемо енергії на електровоз при цьому зростає. цю вимогу у вигляді Остаточно частоту заповнення імпульсів стру2 We  0,6 W  0,9mгр W, (19) му вибирають із відомої умови забезпечення е.р.с. в обмотці енергоприймача, достатньої для стійкої де коефіцієнт 0,9 спричинений обмеженням роботи двигунів електровоза, але не меншою згіддіапазону частот в границях 2f по виразу (18); но (22). Період слідування модульованих імпульсів mгр - визначає границю смуги частот пропускання струму вибирають із умови забезпечення достателектричного контуру енергоприймача, на якій має ньою енергією двигунів електровоза на протязі місце визначене We  0,6W  відносне ослабленчасу паузи T  Ti , при будь-якому їх навантаження потужності. ню, тобто 2 Із (19) маємо mгр  0,67 . 2 UCp (23) T , Рівняння резонансної кривої для послідовного Pнв коливального контуру, який являє собою електриде С - ємність батареї конденсаторів, встаночний контур енергоприймача, має вигляд 1 вленої на електровозі; Up - напруга батареї конm , 2 денсаторів в кінці дії імпульсу струму; Pнв - потуж 2f  (20)  1   f Qe  ність двигунів електровоза при їх максимальному  0  навантаженню. Співвідношення (23) отримано з наступних міде m - відношення струму енергоприймача ркувань. Енергія, яка накопичується в батареї конпри поточній частоті f до струму при резонансній 2 2 C Up  U0 частоті f0 ; f  f  f0 ; Qe - добротність електричденсаторів WC  за час Ti дії імпульсу 2 ного контуру енергоприймача. струму повинна забезпечити працездатність двиЗапишемо рівняння (20) відносно f0 з урахугунів електровоза в час паузи в живленні тягової   9 60203 10 застосувати і одержати позитивний ефект також у мережі T  Ti, тобто випадку живлення від тягової мережі одночасно WC  P(T  Ti ). кількох електровозів. Для підтвердження працездатності пропоноТут позначено U0 - напруга батареї відповідно ваного способу живлення тягової мережі проведена початку дії наступного імпульсу; P - потужність но розрахунок. двигунів електровоза при визначеному навантаПрийнято: ємність батареї конденсаторів на женню. Прийнявши U0  0,7Up, що є достатнім для електровозі - 1 Ф; стійкої роботи двигунів, одержуємо напруга батареї конденсаторів в кінці дії моду2 льованого імпульсу струму - 550В; тривалість пеCUp  T (24) WC   PT1  i . рехідного процесу в тяговій мережі - 0,01с; макси4 T  мальна потужність двигунів електровоза - 50кВт; добротність електричного контуру енергоприймача Ti P  Із виразу (16) випливає тотожність і в стані його короткого замкнення - 155,5; взаємоіT Pнв ндуктивність тягової мережі з обмоткою енергопдалі з (24) маємо риймача - 83  106 Гн; амплітуда модульованого T 2 CUp . (25)  P  4P1   P   нв   Досліджуючи на екстремум по змінній - навантаженню двигунів співвідношення (25), отримуємо мінімально можливе значення періоду слідування імпульсів струму - вираз (23). Вибір періоду слідування імпульсів згідно (23) забезпечує працездатність викладеного способу живлення тягової мережі модульованими імпульсами струму. Завдяки тому, що для живлення тягової мережі системи електропостачання транспорту з безконтактною передачею енергії на електровоз застосовано модульовані імпульси струму з прямокутною обвідною, вибір відповідної частоти заповнення імпульсів, регулювання тривалості імпульсів з тим, щоб напруга на вході тягової мережі залишалась незмінною при зміні навантаження електровоза, - забезпечується більш ефективна передача енергії на електровоз та зменшення сумарних втрат потужності в тяговій мережі і в обмотці енергоприймача електровоза. Спосіб можна Комп’ютерна верстка M. Клюкін імпульсу струму в тяговій мережі - 211,5А; коефіцієнт, відповідний максимальному навантаженню електровоза - 0,8; коефіцієнт навантаження в пересічному стані режиму роботи електровоза - 0,4; діюче значення струму енергоприймача у сталому режимі роботи 150А; активний опір обмотки енергоприймача 0,15Ом; активний опір тягової мережі - 2,52Ом. Одержано, тривалість імпульсів струму в початковому стані роботи - 0,1с; ширина частотного діапазону, в якому передається енергія в початковий період роботи - 20Гц; період слідування імпульсів струму - 6,05с; тривалість імпульсу в пересічному стані режиму роботи - 1,03с; ширина частотного діапазону, в якому передається енергія при навантаженні електровоза 1,94Гц і частота заповнення імпульсів струму T  1,55; відношення су4431Гц; відношення n  Ti марних втрат потужності при імпульсному та сталому режимах живлення тягової мережі - 0,69; напруга на вході тягової мережі - 1976В. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601