Тягова мережа системи електропостачання з безконтактною передачею енергії на електровози (варіанти)

1. Тягова мережа 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 3 Винахід 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 з окремих відрізків тонких внутрішніх трубок з міді, на які надіті відрізки зовнішніх трубок з 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 використовуємо!" в тяговій мережі, частоті струму (більше 20кГц, а в існуючих системах електропостачання частота струму дорівнює 5кГц). Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованого винаходу є тягова мережа [Деклараційний патент UA 53151 A, 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, зроблена із однієї провідної стрічки, друга, довжиною l2, - з двох провідних стрічок, розділених між собою шаром діелектрика; довжина ділянки мережі визначається співвідношенням l ³ 1 (w L0 C0 ) , друга частина ділянки має довжину l2 = 1 æ w2L0C0l ö , де w - кутова частота ç ÷ è ø струму в 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 80186 4 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 винаходу 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. В першому варіанті 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 та другу довжиною l2 , причому провідні стрічки другої частини ділянки розділені між собою діелектриком товщиною d1, згідно з винаходом провід (провідна стрічка) кожної з ділянок зроблено багатошаровим з провідних стрічок з розділом 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 nL0C 0 æ l ç ; l1=l-l2; l2 = 1 ç 1 + 2ç è ö ÷ 4 - 1÷ 2L C l2 ÷ nw 0 0 1 ø , де w - кутова частота струму в тяговій мережі; L0 - питома (на одиницю довжини) індуктивність проводу тягової мережі; С0 - питома (на одиницю довжини) ємність між двома провідними стрічками другої частини ділянки, розділених прошарком діелектрика товщиною d1; n - кількість шарів провідної стрічки у проводі тягової мережі. У другому варіанті поставлене завдання вирішується тим, що у відомій тяговій мережі системи електропостачання з безконтакною передачею енергії на електровози, що має прямий та зворотний проводи зроблені з провідних стрічок, розділених між собою діелектриком, і складені з окре 5 80186 мих електрично з'єднаних між собою ділянок довжиною l+l1, на яких провідні стрічки перекриваються на проміжках довжиною l2, згідно з винаходом, провід окремих частин ділянки зроблено з парних та непарних за кількістю шарів провідних стрічок, розділених між собою прошарками діелектрика по всій довжині, причому в першій частині ділянки довжиною l складеної з трьох відрізків: середній - з довжиною l1 та два крайні - з довжинами l2, де на довжині l1 парних (або, навпаки, непарних) шарів провідних стрічок зроблено кількістю n+1, де n³2, а в другій частині ділянки довжиною l1 непарних (або, навпаки, парних) шарів провідних стрічок зроблено кількістю n, причому в частині ділянки довжиною l товщину шарів провідних стрічок розташованих зовні вибрано меншою товщини інших шарів провідних стрічок, а довжини l, l1 та l2 визначено співвідношеннями: l> ö æ 1 ÷ ç 8 ; l1=l-2l2; l2 = l1 ç 1 + - 1÷ 2 w 2nL 0 C0 4ç ÷ nw2L 0C0l1 ø è , де w - 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. На Фіг.1 зображено поздовжній переріз проводів тягової мережі за першим варіантом, на Фіг.2 за другим варіантом виконання. Тягова мережа за першим варіантом виконання (Фіг.1) має прямий та зворотний проводи, скомпоновані із окремих електрично з'єднаних між собою ділянок проводу (на Фіг.1 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 4 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, мають штучно створену ємність, розподілену по довжині l2 і, відповідний, ємнісний опір. Тягова мережа системи електропостачання за другим варіантом виконання (Фіг.2) скомпонована із окремих довжиною l+l1 електрично з'єднаних між собою ділянок проводу (на Фіг.2 повністю зображена одна така ділянка). На довжині l ділянка складена із трьох відрізків. Середній з них 1 довжиною l1 зроблений із n+1 шарів провідних стрічок 2, причому n³2, які розділені між собою прошарками діелектрика 3. Крайні - це відрізки 4 і 5, кожний довжиною l2. Відрізки 4 і 5 зроблено з (2n+1) шарів 6 провідних стрічок (6 - одна з них), які також розділені між собою прошарками діелектрика (7 - один з них). Парні провідні стрічки 6 є продовженням провідних стрічок сусідніх ділянок проводу і з'єднані між собою провідними стрічками 8 відрізка 10 ділянки довжиною l1. Кожен із n шарів провідних стрічок 8 на відрізку 10 відділений один від одного прошарком діелектрика 9. В частині ділянки довжиною l товщина шарів провідних стрічок ділянки, що розташовані зовні (на Фіг.2 верхній та нижній шари провідних стрічок на довжині l), зроблена вдвоє меншою товщини інших шарів провідних стрічок. Провід тягової мережі на відрізках 4, 1, 5 і 10 ділянки довжиною l+l1 має розподілені по довжині активний та індуктивний опори. На протязі відрізків 4 і 5 довжиною 2l2 крім того має розподілену електричну ємність і, відповідний, ємнісний опір. Тягова мережа у виконанні за першим варіантом працює таким чином. Змінний струм, що тече по провідних стрічках 4 першої частини 3 ділянок 1, 2 та по провідних стрічках 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 І л у першій частині 3 ділянок 1, 2 (у провідних стрічках 4) е.р.с. дорівнює: (1) E1=wL01lлl1 де L01 - питома (на одиницю довжини) зовнішня індуктивність тягової мережі ділянок 1, 2 на довжині І1; w - кутова частота струму. У другій частині 6 ділянок 1, 2 проводу (в провідних стрічках 7) е.р.с. дорівнює: (2) Е2=wL02I лl2 де L02 - питома зовнішня індуктивність тягової мережі ділянок 1, 2 на довжині І 2. Беручи до уваги малу товщину (порівняно зі провідною стрічкою) прошарків діелектрика між провідними стрічками, приймемо L01=L02=L0. Виразимо 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, в яких струм у кожній I провідній стрічці ё , запишемо: n lл E1 = wL c1 l1 (3) n де Lc1 - питома зовнішня індуктивність провідної стрічки 4 на довжині І 1. Порівнюючи (1) і (3), одержимо Lc1=nL0. Для провідних стрічок 7 другої частини 6 ділянок 1, 2, в яких струм у кожній стрічці змінюється I æ хö за законом л ç1 - ÷ , запишемо: n ç І2 ÷ ø è l2 I æ xö I (4) E2 = ò wL c 2 л ç 1 - ÷dx = wL c 2 л l2 n ç l2 ÷ 2n ø è 0 де х - координата точки стрічки 7 від початку другої частини ділянки на довжині І 2; Lc2 - питома 7 80186 зовнішня індуктивність провідної стрічки 7 на довжині І2. Зіставляючи (2) і (4), одержимо Lс2=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 І 2 другої частини 6 ділянок 1, 2 складає С0І 2, 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 І 2. Виходячи з еквівалентної електричної схеми заміщення проводу мережі для компенсації індуктивного опору ділянки проводу, необхідно виконати умову: 1 wL 0 (l1 + l2 ) = (5) nwC0l2 При І 1=0 із (5) знайдемо мінімальну довжину І= І min ділянки проводу мережі, на якій ще здійснима компенсація його індуктивного опору, тобто lmin = 1 w nL 0 C 0 (6) Запишемо розв'язок рівняння (5) відносно І 2: æ ö ÷ 4 l ç - 1÷ l2 = 1 ç 2 ç nw2L C l2 ÷ 0 01 è ø (7) При довжині І 2 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. Тягова мережа системи електропостачання за другим варіантом виконання (Фіг.2) працює таким чином. Змінний струм, що тече по провідних стрічках 2, 6, 8 прямого та зворотного проводів тягової мережі, створює змінний магнітний потік (зовнішнє магнітне поле). Цей магнітний потік викликає в провідних стрічках проводів появу електрорушійної сили (е.р.с). При загальному струмі в проводі мережі І л у провідних стрічках на довжині І 1 е.р.с. дорівнює : E2 = wL02Ілl 2 , (8) де L01 - питома (на одиницю довжини) зовнішня індуктивність мережі на довжині І 1; w - кутова частота струму. У провідних стрічках 6 на довжині І 2 е.р.с: E 2 = wL 02Ілl2 , (9) де L02 - питома зовнішня індуктивність тягової мережі на довжині І 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. (8) і (9) 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 розтаI шовані зовні, в яких струм у кожній ё , е.р.с. на 2n довжині І1 дорівнює: 8 o I (10) A1 = wL'c1( 2) ё l1, 2n ' де L c1(2) - питома зовнішня індуктивність стрічки 2, що розташована зовні, на довжині І 1. Порівнюючи (8) і (10), одержимо L'c1(2)=2nL0. У інших (n-1) провідних стрічках 2, у кожній з I яких струм ё , запишемо: n o '' Iё (11) l, A1 = wL c1( 2) n 1 Порівнюючи (8) і (11), одержимо L"c1(2)=nL0. Для n провідних стрічок 8, в яких струм у кожI ній ё , е.р.с. дорівнює n o Iё l, A1 = wL c1(8 ) n 1 і, зіставляючи її з (8), отримуємо Lc1(8)=nL0. У двох провідних стрічках 6, що розташовані I æ хö зовні, у кожній з яких струм ё ç1 - ÷ , е.р.с. на 4n ç I2 ÷ ø è довжині l2 (у відрізках 4, 5) дорівнює: l2 ~ö l o l æ E2 = ò wL'c 2(6) ё ç1- ÷dx = wL'c2(6) ё l2 ç l ÷ 8n 4n è 2ø 0 (12) де x - координата точки стрічки 6 від початку відрізку 4 або 5 довжиною l2; L'c2(6) - питома зовнішня індуктивність стрічок 6, що розташовані зовні, на довжині l2. Зіставляючи (9) і (12), одержимо L'c2(6)=8nL0. У (2n-1) інших провідних стрічках 6, в яких I æ хö струм у кожній ё ç1 - ÷ , е.р.с. на довжині l2 відç I ÷ 4n è 2ø різків 4, 5 дорівнює: l2 ~ö l o l æ (13) E2 = ò wL''c 2( 6 ) ё ç 1 - ÷ dx = wL''c 2( 6 ) ё l2 ç l ÷ 4n 2n è 2ø 0 де L"c2(6) - питома зовнішня Індуктивність внутрішньої провідної стрічки 6 на довжині l2. Зіставляючи (9) і (13), 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+l1, 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: 8nL0 4nL0 2nL0 nL0 × × 2 2n - 1 + wl nL0 ; n - 1 + 2 wl xL (l + l ) = x(1) + x( 4) + x(5 ) + x(10) = wl1 2 1 2 8 nL 1 2nL0 nL0 n 0 + 4nL0 + 2 2n - 1 2 n-1 спростивши цей вираз, отримуємо xL (l + l1 ) = 2 wL 0 (l1 + 2l2 ) (14) На протязі відрізку 4 одержуємо n штучно створених парами провідних стрічок 6 конденсаторів ємністю С0l2, що мають сумарну ємність nС0l2. Ділянка проводу довжиною l+l1, має результуючу ємність 0,5nC0l2 і, відповідний, ємнісний опір 2 x C(l + l1 ) = (15) wnC0l2 9 80186 Виходячи з еквівалентної електричної схеми заміщення проводу тягової мережі на ділянці довжиною l+l1 компенсацію індуктивного опору (14) провідних стрічок 2, 6 і 8 ємнісним опором (15) отримаємо за умови: 1 wL 0 (l1 + 2l2 ) = (16) nwC0l2 При l1=0 із (16) знайдемо мінімальну довжину l=І min ділянки проводу мережі, на якій ще здійснима компенсація його індуктивного опору, тобто 1 lmin = (17) w 2nL0C0 Розв'язок рівняння (16) відносно l2 має вигляд: æ ö ÷ l1 ç 8 - 1÷ l2 = ç 1+ (18) 2L C l2 4ç nw 0 0 ÷ 1 è ø При довжині l2 по (18) відрізків 4 і 5 ділянки проводу буде повністю компенсовано індуктивний опір як на кожній із ділянок, так і в цілому в тяговій мережі. В межах ділянки проводу досягається компенсація її індуктивного опору ємністю між шарами провідних стрічок. Порівняно з прототипом 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 Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 10 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 прототипом, що підвищує надійність роботи тягової мережі. Пропонована конструкція тягової мережі дає змогу вмикати наскрізні провідні стрічки проводу у 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. 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