Тягова мережа для безконтактного живлення електровозів (варіанти)

1. 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 за товщини інших провідних стрічок, а довжини l, l1 та l2 визначено співвідношеннями: 1 ; l> 2w 2L 0 C 0 2 (19) 1 3 81018 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 тяговая мережа [Розенфельд В.Е., Староскольский Η.Α. Высокочастотный бесконтактный электрический транспорт. - Μ.: Транспорт, 1975. - 208 с., стр.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 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 (більше 20 кГц, а в існуючих системах електропостачання електровозів доречна частота струму 5 кГц), а також складна конструкція та значні витрати (майже двократні порівняно зі звичайною конструкцією мережі) провідникового матеріалу. Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованого винаходу є тяговая 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. № І], яка має прямий та зворотний проводи, складені з окремих послідовно з'єднаних між собою ділянок, 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 визначається співвідношенням ( ) l ³ 1/ w L 0 C0 , ( друга ) частина ділянок має довжину l 2= 1/ w2L 0 C 0 l , де ω - кутова частота струму в тяговій мережі; L0 - питома (на одиницю довжини) індуктивність ділянок мережі; С0 - питома (на одиницю довжини) 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. 4 В основу винаходу 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. У першому варіанті виконання 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 винаходом 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 + l 2 ; ù l1 é 8 ê 1+ - 1ú , 2 ú 8ê l1 w 2L 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 сусідніми провідними стрічками в другої частини довжиною l2, ділянки. У другому варіанті виконання поставлене завдання вирішується тим, що у відомій тяговій мережі системи електропостачання транспорту з безконтактною передачею енергії на електровози, що має прямий та зворотний проводи з провідної стрічки, складені з окремих послідовно з'єднаних між собою ділянок довжиною l+l1 і кожна ділянка має дві частини, першу довжиною l та другу довжиною l1, причому провідні стрічки першої частини ділянки розділені між собою діелектриком, згідно з винаходом, першу частину довжиною l ділянки виконано з трьох відрізків, де зроблено середній відрізок довжиною l1 із двох провідних стрічок, а два крайніх відрізки з довжинами l2 із трьох провідних стрічок, причому зовнішні провідні стрічки крайніх відрізків є продовженням провідних стрічок середнього відрізка, а центральні провідні стрічки крайніх відрізків першої частини ділянки з'єднані з такими ж центральними провідними l2 = 5 81018 6 продовженням провідних стрічок, відповідно, 2 і 3 стрічками сусідніх ділянок провідною стрічкою середнього відрізка 1 першої частини ділянки 13. другої частини ділянки довжиною l1 і яка має Центральні провідні стрічки 8 з'єднані з такими ж товщину, рівну товщині центральних провідних центральними провідними стрічками сусідніх стрічок крайніх відрізків і більшою товщин інших ділянок провідною стрічкою 12 довжиною l1 другої провідних стрічок першої частини ділянки, а частини ділянки 13. Товщину d2, провідних стрічок довжини l, l1 та l2 визначено співвідношеннями: 8 та 12 зроблено однаковою. Товщину d1, 1 ; l> провідних стрічок 2, 7 та 3, 9 зроблено меншою (у w 6L 0 C 0 два і більше разів) порівняно з товщиною d2. Протягом кожної ділянки довжиною l+l1 провід l = l1 + 2l 2 ; тягової мережі має розподілені по довжині активну ù та індуктивну складові опору; в першій частині l é 6 - 1ú , l2 = 1 ê 1 + ділянки на відрізках 5 і 6, крім того, має 2 2 ú 6ê l1 w L 0 C 0 ë û розподілену по довжині l2 електричну ємність і, відповідний, ємнісний опір. де ω - кутова частота струму в тяговій мережі; Тягова мережа у виконанні за першим L0 - питома (на одиницю довжини) індуктивність варіантом працює таким чином. Змінний струм, що тягової мережі; C0 - питома (на одиницю довжини) тече по провідних стрічках 4 і 5 першої частини 3 поздовжня ємність між сусідніми провідними ділянок 1, 2 та по провідних стрічках 9, 10, 11 стрічками в другій частини ділянки. другої частини 8 ділянок 1, 2 прямого та На фіг.1 зображено поздовжній переріз зворотного проводів тягової мережі, створює проводів тягової мережі за першим варіантом, на змінний магнітний потік (зовнішнє магнітне поле). фіг.2 - за другим варіантом виконання тягової Цей магнітний потік викликає у провідних стрічках мережі. появу електрорушійної сили (е.р.с.). При Тягова мережа системи електропостачання за загальному струмі в проводі тягової мережі Iл у першим варіантом виконання (фіг.1) для прямого провідних стрічках 4 і 5 першої частини 3 ділянок та зворотного проводів складена з окремих 1, 2 е.р.с. дорівнює: послідовно з'єднаних між собою ділянок (на фіг.1 повністю зображено дві такі ділянки 1 і 2), кожна E1 = wL 01I л l1 , (1) довжиною l (ділянки можуть мати різну довжину). де L01 - питома (на одиницю довжини) Ділянки 1, 2 проводів зроблені з провідних стрічок і зовнішня індуктивність проводу тягової мережі на мають у своєму складі дві частини. У кожної довжині l1. ділянки (розглядаємо ділянку 1) перша частина 3 У провідних стрічках 9, 10, 11 другої частини 8 довжиною l1 зроблена з двох провідних стрічок 4 ділянок 1, 2 е.р.с. дорівнює: та 5, які розділені між собою прошарком E2 = wL 02I лl 2 , (2) діелектрика 6 на протязі довжини l1, і з'єднані перемичкою 7 на початку ділянки. Друга частина 8 де L02 - питома (на одиницю довжини) довжиною l2, зроблена з трьох провідних стрічок 9, зовнішня індуктивність проводу тягової мережі на 10, 11, які також розділені між собою прошарками довжині l2. діелектрика 12 та 13 по всій довжині l2. Середня Беручи до уваги малу товщину прошарків провідна стрічка 10 з'єднана з перемичкою 7 діелектрика між провідними стрічками, приймемо наступної ділянки 2. L01=L02=L0. Товщина d1 провідних стрічок 4, 5 та їх Подамо е.р.с. (1) і (2) через струм у кожній продовжень, відповідно провідних стрічок 9, 11, провідній стрічці та через їх еквівалентну зроблена меншою (у два і більше разів) товщини індуктивність, що враховує також d2 провідної стрічки 10. взаємоіндуктивність із сусідніми провідними Перша 3 і друга 8 частини ділянки 1 проводу стрічками. Для провідних стрічок 4, 5 першої тягової мережі мають розподілені по довжині l1+l2, частини 3 ділянок 1, 2, в яких струм у кожній 0,5 Iл активну і індуктивну складові електричного опору, запишемо: друга частина 8, крім того, має штучно створену I E1 = wL c1 л l1 , (3) ємність, розподілену по довжині l2, і, відповідний, 2 ємнісний опір. де Lс1 - питома зовнішня індуктивність Тягова мережа системи електропостачання за провідної стрічки 4 або 5 першої частини на другим варіантом виконання (фіг.2) має прямий та довжині l1. зворотний проводи, що скомпоновані з окремих Зіставляючи (1) і (3), одержимо Lc1=2L0. ділянок довжиною l+l1 (на фіг.2 повністю зображені Для провідних стрічок 9, 11 другої частини 8 таких дві ділянки 13 і 14), які послідовно з'єднані I æ xö між собою. Кожна ділянка (розглядаємо ділянку ділянок 1, 2, в яких ·" V, струм у кожній л ç 1 - ÷ , 13) має у своєму складі дві частини. Перша 2ç l2 ÷ ø è частина має три відрізки: середній з них 1 запишемо: довжиною l1 зроблений з двох провідних стрічок 2 і l2 3, які розділені між собою прошарком діелектрика I æ L xö (4) E 2 = wL c 2 л ç1 - ÷dx = wI л c 2 l 2 , 4; два крайніх відрізки 5 і 6, кожний довжиною l2, 2ç 4 l2 ÷ ø è що розміщені по краям середнього відрізка 1. 0 Відрізки 5 і 6 зроблені з трьох провідних стрічок 7, де x - координата точок стрічки 9 або 11 від 8 і 9, які розділені між собою прошарками початку другої частини; Lc2 - питома зовнішня діелектрика 10 і 11. Зовнішні провідні стрічки 7 і 9 є ò 7 81018 8 індуктивність провідної стрічки 9 або 11 на довжині де ω - кутова частота струму в мережі; L01 l 2. питома (на одиницю довжини) зовнішня Зіставляючи (2) і (4), одержимо Lc2=4L0. індуктивність тягової мережі на протязі довжиною Для провідної стрічки 10 другої частини 8 l 1. Е.р.с. у провідних стрічках 7, 8, 9 крайніх x е.р.с. дорівнює: ділянок 1, 2 струм в якій I л відрізків першої частини ділянки 13: l2 E2 = wL 02I лl 2 , (10) l2 L' c 2 Iл x де L02 - питома зовнішня індуктивність мережі (5) l2 , E 2 = wL' c 2 I л dx = wI л на протязі довжиною l2. 2 2 l2 0 Беручи до уваги порівняно малу товщину де x - координата точок на провідній стрічці 10 шарів діелектрика між провідними стрічками, ’ від початку другої частини 8 ділянки; L c2 - питома приймемо L01=L02=L03. зовнішня індуктивність провідної стрічки 10 на Виразимо е.р.с. (9) і (10) через струм у кожній довжині l2. провідній стрічці та через їх еквівалентну ’ Порівнюючи (2) і (5), одержимо L c2=2L0. індуктивність, яка враховує також Внутрішня індуктивність провідних стрічок взіємоіндуктивність із сусідніми стрічками. значно менша зовнішньої; при потребі високої Запишемо для стрічок 2, 3 середнього відрізку 1 точності розрахунків її можна включити у значення першої частини ділянки, струм в яких 0,5Iл: L0. I Індуктивний опір провідних стрічок ділянки E1 = wL c1 л l1 , (11) 2 складає: wl1 2L 0 wl 2 4L 0 wl 2 2L 0 де Lc1 - питома зовнішня індуктивність x L = x 4;5 + x 9;11 + x10 = + + Þ x L = wL 0 (l1 + 4l 2 ) 2 2 2 провідних стрічок 2, 3 у складі мережі на протязі l1. . Порівнюючи (9) і (11), одержимо Lc1=2L0. Поздовжня електрична ємність, що включена в Для провідних стрічок 7, 9 крайніх відрізків електричне коло провідних стрічок другої частини першої частини ділянки: 8 ділянки складає 2C0l2, де С0 - питома (на l2 I æ L xö одиницю довжини) поздовжня ємність між E 2 = w л ç1 - ÷L c 2 dx = wI л c 2 l 2 , (12) ç провідними стрічками 9(11) і 10 на довжині l2 2è 4 l2 ÷ ø 0 другої частини 8 ділянок. де x - координата точок стрічки 7 або 9 від Виходячи з еквівалентної електричної схеми початку крайнього відрізку; Lc2 - питома зовнішня заміщення ділянки проводу тягової мережі для індуктивність провідних стрічок 7, 9 на довжині l2. компенсації індуктивного опору згідно першого Порівнюючи (10) і (12), одержимо Lc2=4L0. варіанту необхідно виконання умови: Для провідної стрічки 8 крайнього відрізку 1 wL 0 (l1 + 4l 2 ) = , першої частини 13 ділянки: (6) 2wC 0 l 2 l2 L' x При l1 ® 0 із (6) знайдемо мінімальну (13) E 2 = wI л L ' c 2 dx = wI л c 2 l 2 , 2 l2 довжину l=l ділянки проводу мережі, на якій ще ò ò min здійснима компенсація його індуктивного опору, тобто 1 , lmin = (7) 2w 2L 0 C 0 Запишемо розв'язок рівняння (6) відносно l2: ù l é 8 l2 = 1 ê 1 + - 1ú , (8) 2 2 ú 8ê l1 w L 0 C 0 ë û При довжині l2 другої частини ділянок проводу мережі по (8) буде повністю компенсований індуктивний опір як на кожній із ділянок, так і в цілому в тяговій мережі. Тягова мережа у виконанні за другим варіантом працює таким чином. Змінний струм, що протікає по провідних стрічках 2, 7, 3, 9, 8 і 12 (фіг.2) прямого та зворотного проводів мережі, створює змінний магнітний потік (зовнішнє магнітне поле). Цей потік викликає в провідних стрічках електрорушійну силу (е.р.с.). При струмі Iл у проводі мережі в провідних стрічках 2, 3 середнього відрізку 1 першої частини ділянки 13 та в провідній стрічці 12 другої частини ділянки 13 е.р.с. буде рівнятися: E1 = wL 01I л l1 , (9) ò 0 де L’c2 - питома зовнішня індуктивність провідної стрічки 8 на протязі довжиною l2; x координата точки на стрічці від початку крайнього відрізку першої частини ділянки 13. Порівнюючи (10) і (13), одержимо L’c2=2L0. У провідній стрічці 12 протікає струм Iл, тому для неї, виходячи з (9), зовнішня індуктивність L’c1=L0. Внутрішня індуктивність провідних стрічок значно менша зовнішньої; при потребі її можна включити у значення L0. Індуктивний опір провідних стрічок ділянки 13 складає: xL = x 2;3 + x 7;9 + x 8 + x12 = wl1 2L 0 wl 2 4L 0 wl2 2L 0 + + + wl 2 2L 0 + wl1L 0 Þ x L = 2wL 0 (l1 + 3l 2 ) 2 2 2 . Поздовжня електрична ємність, що включена в електричне коло провідних стрічок ділянки 13 на 2C 0 l 2 відрізках 5 і 6 складає , де С0 – питома (на 2 одиницю довжини) поздовжня ємність між провідними стрічками 7 (9) і 8 на довжині l2. Виходячи з еквівалентної електричної схеми заміщення проводу мережі для компенсації індуктивного опору ділянки необхідно забезпечити умову: 9 81018 1 2wL 0 (l1 + 3l 2 ) = , wC 0 l 2 (14) Мінімальну довжину ділянки проводу (l=lmin), на якій ще здійснима компенсація його індуктивного опору, одержимо із (14) при l1 ® 0 : l min = 1 w 6L 0 C 0 , (15) Із виразів (14) і (15) запишемо розв'язок рівняння (14) відносно l2: ù l é 6 - 1ú , l2 = 1 ê 1 + (16) 2 2 ú 6ê l1 w L 0 C 0 ë û При довжині l2 по (16) кожного з відрізків 5 і 6 буде повністю компенсований індуктивний опір як на кожній ділянці проводу, так і в цілому в тяговій мережі. Порівняно з прототипом у пропонованих варіантах виконання тягової мережі зменшується майже у два рази довжина l2 відрізків проводу першої частини ділянок мережі, що приводить до відповідного зменшення витрат провідникового матеріалу. Позитивний ефект у пропонованих варіантах виконання тягової мережі досягається завдяки використанню на ділянках проводу мережі двох і трьох провідних стрічок товщина яких менша порівняно з прототипом. 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, усувається шкідлива дія поверхневого ефекту і ефекту близькості. Приклад застосування 1. Приймемо наступні показники для тягової мережі: рад ; w = 3,14 × 10 - 4 с Гн ; L 0 = 0,597 × 10 - 6 м Ф . С 0 = 0,221 × 10 - 6 м 2. Мінімальна довжина ділянки проводу мережі: а) за прототипом lmin = 1 w L0C0 = 1 3,14 × 10 4 0,597 × 10 - 6 ×0,221× 10 - 6 87,6 м; б) за пропозицією за варіантами виконання: у першому 1 удругому = 31 05 м; l min = , 2w 2L 0 C 0 = lmin 1 = 35,9 м. 2w 6L 0 C 0 3. Приймемо довжину середньоговідрізку першої частини ділянки проводу мережі l1 =200м. 4. Довжина крайнього відрізку першої частини ділянки проводу мережі а) за прототипом 10 ù é é ù ú ê l ê 4 4 ú 200 ê l2 = 1 ê 1+ - 1ú = 33 м - 1ú = ú 2 2 ê 2 l 2 w2 L 0 C 0 ê ú ú ê æ 3,14 × 10 4 ö × (200 )2 × 0,597 × 10 - 6 × 0,221 × 10 - 6 1 ÷ ç ë û ú ê è ø û ë б) за пропозицією за варіантами виконання: ù l é 8 - 1ú = 14,8 м; першим - l 2 = 1 ê 1 + 2 ú 8ê l1 w 2L 0 C 0 ë û ù l1 é 6 ê 1+ - 1ú = 15,6 . 2 ú 6ê l1 w 2L 0 C 0 ë û 5. Зменшення довжини крайнього відрізку першої частини ділянки проводу за першим варіантом виконання в 2,2 раз , а за другим - в 2,1 раз. 6. Довжина ділянки проводу: а) за прототипом l=l1+l2=200+33=233 м; б) за пропозицією за варіантами виконання: першим - 214,8 м; другим - 215,6 м. 7. При довжині проводу тягової мережі lnp=6000 м кількість n ділянок: l np 6000 а) за прототипом = n = » 26 l 233 (округлення до цілого числа); б) за пропозицією за варіантами виконання: першим - 28; другим - 28. другим - l 2 =