Система електропостачання з індуктивною передачею енергії на електровози (варіанти)

Реферат: Система електропостачання з індуктивною передачею енергії на електровози (варіанти) належить до транспортної галузі і може бути використаний, наприклад, у вугільних шахтах, небезпечним за газом та пилом. Система включає енергоприймач на електровозі з магнітопроводом і обмоткою, яку сполучено зі входом випрямляча, до виходу якого приєднано тягові двигуни, та дві тягові мережі однакової довжини, кожна з двох кабелів - прямого та зворотного, з послідовно ввімкненими в них конденсаторами. Кабелі прокладено уздовж транспортної магістралі, розміщено в одній площині з взаємним зсувом прямих та зворотних кабелів у поперечному напряму, причому відповідні кабелі обох мереж прокладено впритул. По довжині мереж виконано кілька транспозицій їх кабелів, причому кількість пунктів транспозиції кабелів другої мережі виконано на одиницю, більшою таких в першій мережі, а відстані між сусідніми пунктами транспозиції першої та другої мереж виконано удвічі меншими відстаней між відповідними пунктами транспозиції першої мережі. За першим варіантом прямі та зворотні кабелі обох мереж приєднано до джерела високочастотного струму на початку мереж і сполучено між собою в кінці транспортної магістралі. Кабелі другої мережі можуть бути приєднані до джерела високочастотного струму посередництвом автоматичного перемикача полярності. На електровозі встановлено ємнісний накопичувач енергії, ввімкнений до виходу випрямляча. За другим варіантом виконання введено перемикач полярності, вхідні клеми якого приєднано до джерела високочастотного струму, а вихідні - до кабелів другої тягової мережі на її початку: в кінці мережі згадані кабелі сполучено між собою. На електровозі, над обмоткою розміщено первинний елемент давача місцезнаходження енергоприймача; вторинні елементи цього давача розміщено в пунктах транспозиції кабелів першої та другої мереж, причому виходи вторинних елементів сполучено зі входом перемикача полярності. Технічним результатом є значне зменшення реактивної потужності конденсаторів, ввімкнених у тягові UA 100269 C2 (12) UA 100269 C2 мережі, зменшення втрат потужності та небезпеки при експлуатації транспорту, збільшення надійності роботи та можливість використання енергії гальмування транспорту. UA 100269 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до транспортної галузі і може бути використаний для передачі енергії на електровози через індуктивний зв'язок з тяговою мережею, наприклад, у вугільних шахтах, небезпечних за газом та пилом. Відома двопроводова лінія підвищеної частоти [А. с. СССР, №150125. Двухпроводная тяговая линия повышенной частоты / Н.А. Староскольский, Р.И. Мейер // БИ №18, 1962] у складі двох кабелів - прямого та зворотного, які у початковому положенні розміщено біфілярно і виконано з можливістю їх розсунення елементами транспортного засобу на довжину енергоприймача та повернення у початкове положення після проходу транспортного засобу. Недоліками вказаної тягової лінії є складність конструкції та вимушене обмеження швидкості руху транспортного засобу. Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованого винаходу є система електропостачання транспорту з індуктивною передачею енергії на електровози [кн. Транспорт с индуктивной передачей энергии для угольных шахт. Под ред. Г.Г. Пивняка. - М.: Недра, 1990.245с, стр.5] у складі тягової лінії з двох високочастотних кабелів - прямого та зворотного, прокладених уздовж транспортної магістралі, та енергоприймача на електровозі з магнітопроводом та обмоткою. Кабелі тягової мережі розміщено в одній площині з взаємним зсувом у поперечному напряму, приєднано до джерела високочастотного струму на початку та сполучено між собою в кінці мережі. По довжині мережі через визначені проміжки виконано транспозиції кабелів. В обидва кабелі ввімкнено конденсатори, які забезпечують в контурі тягової мережі стан резонансу напруг. Недоліками зазначеної системи електропостачання є: 1) значна індуктивність тягової мережі, що змушує до використання конденсаторів значної реактивної потужності; 2) значні втрати потужності від вихрових струмів у гірських породах та в елементах кріплення, викликаних змінним магнітним полем струму в тяговій мережі; 3) низька надійність, викликана відсутністю резерву, тобто використанням тільки однієї тягової мережі. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення системи електропостачання з індуктивною передачею енергії на електровози, в якій шляхом введення нових елементів та відповідною комутацією окремих елементів забезпечується зменшення індуктивності тягової мережі та втрат потужності і за рахунок цього досягається зменшення реактивної потужності конденсаторів мережі та матеріальних втрат, підвищення надійності роботи системи електропостачання та рівня безпеки при її експлуатації. У першому варіанті поставлена задача вирішується тим, що у відому систему електропостачання з індуктивною передачею енергії на електровози, що включає енергоприймач на електровозі з магнітопроводом і обмоткою, сполученою з випрямлячем, до виходу якого приєднано тягові двигуни, та тягову мережу з двох кабелів - прямого та зворотного, з послідовно ввімкненими конденсаторами, прокладених уздовж транспортної магістралі, розміщених в одній площині з взаємним зсувом у поперечному напряму, приєднаних до джерела високочастотного струму на початку і сполучених між собою у кінці мережі, причому по довжині мережі виконані транспозиції кабелів, згідно з винаходом, в схему енергоприймача введено ємнісний накопичувач енергії, який приєднано до виходу випрямляча, та введено другу тягову мережу однакової довжини з першою з двох, із послідовно ввімкненими конденсаторами, кабелів - прямого та зворотного, приєднаних до вказаного джерела високочастотного струму на початку і сполучених між собою в кінці мережі, причому кількість пунктів транспозиції кабелів виконано на одиницю більше таких у першій мережі, відстані між сусідніми пунктами транспозиції першої та другої мереж виконано удвічі меншими відстаней між пунктами транспозиції першої мережі, а прямі та, окремо, зворотні кабелі обох мереж прокладено впритул. Крім того, в електричну схему другої тягової мережі введено перемикач полярності з можливістю роботи у автоматичному режимі, посередництвом якого другу тягову мережу сполучено з джерелом високочастотного струму. У другому варіанті поставлена задача вирішується тим, що у відому систему електропостачання з індуктивною передачею енергії на електровози, що включає енергоприймач на електровозі з магнітопроводом і обмоткою, сполученою з випрямлячем, до виходу якого приєднано тягові двигуни, та тягову мережу з двох кабелів - прямого та зворотного, з послідовно ввімкненими конденсаторами, прокладених уздовж транспортної магістралі, розміщених в одній площині з взаємним зсувом у поперечному напряму, приєднаних до джерела високочастотного струму на початку і сполучених між собою в кінці мережі, причому по довжині мережі виконано транспозиції кабелів, згідно з винаходом, введені перемикач полярності, вхідні клеми якого приєднано до вказаного джерела високочастотного струму, безконтактний давач місцезнаходження енергоприймача, первинний елемент якого розміщено у верхній зоні енергоприймача, і другу тягову мережу однакової довжини з першою з двох, із 1 UA 100269 C2 5 10 15 20 25 послідовно ввімкненими конденсаторами, кабелів - прямого та зворотного, приєднаних до вихідних клем перемикача полярності на початку і сполучених між собою в кінці лінії, причому кількість пунктів транспозиції її кабелів виконано на одиницю більше таких у першій мережі; відстані між сусідніми пунктами транспозиції першої та другої мереж виконано удвічі меншими відстаней між пунктами транспозиції першої мережі, а прямі та, окремо, зворотні кабелі обох мереж прокладено впритул; вторинні елементи давача розміщено в пунктах транспозиції кабелів першої та другої мереж, причому виходи вторинних елементів приєднано до входу перемикача. Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. 1, 2 приведено електричні схеми з'єднань першої та другої тягових мереж за першим варіантом; на фіг. 3 - електричну схему контуру енергоприймача за першим варіантом; на фіг. 4 - електричну схему з'єднань першої та другої тягових мереж за другим варіантом; на фіг. 5 - електричну схему енергоприймача за другим варіантом. Стрілками на фіг. 1, 4 позначено напрями струму в тягових мережах у певні моменти часу. Система електропостачання з індуктивною передачею енергії на електровози за першим варіантом має у своєму складі першу 1 та другу 2 (показано пунктиром) тягові мережі однакової довжини, кожна з двох кабелів - прямого та зворотного, приєднаних до джерела 3 високочастотного струму на початку і сполучених між собою в кінці мережі (фіг. 1, 2). Кабелі кожної з мереж прокладено уздовж транспортної магістралі і розміщено в одній площині з взаємним зсувом у поперечному напряму, причому відповідні кабелі першої та другої мереж прокладено впритул. У прямі та зворотні кабелі тягових мереж 1 і 2 ввімкнено конденсатори, відповідно, 4 і 5 для забезпечення у електричних контурах мереж стану резонансу напруг. По довжині мереж 1 і 2 виконано транспозиції їх кабелів, причому кількість пунктів транспозиції у лінії 2 виконано на одиницю більше таких у мережі 1 (на фіг. 1, 2 показано, як приклад, один пункт транспозиції мережі 1 і два пункти транспозиції мережі 2). Відстань  2 між сусідніми пунктами транспозиції мережі 2 (пункт А, фіг.1) та мережі 1 (пункт Б, фіг. 1) виконано удвічі меншою відстані (  1   2 ) між пунктами транспозиціями А і В (фіг. 1) мережі 1. Як наслідок: (  1   2 ), а кількість проміжків 30 35 40 45 50 55 (  1   2 ) - парна. У електричне коло другої тягової мережі 2 може бути введено перемикач полярності 6 (фіг. 2) з можливістю роботи його у автоматичному режимі. При цьому мережу 2 на її початку приєднано до виходу перемикача 6, який зі сторони входу сполучено з джерелом 3 високочастотного струму. На електровозі розміщено енергоприймач з обмоткою 7, приєднаною до входу випрямляча 8 посередництвом конденсатора 9 (фіг. 2), який забезпечує стан резонансу напруг у електричному колі обмотки. До виходу випрямляча 8 ввімкнено ємнісний накопичувач енергії 10 та тягові двигуни 11 і 12 (фіг. 1). Випрямляч 8, як варіант, може бути керованим для забезпечення оптимального режиму роботи накопичувача 10. Система електропостачання за другим варіантом має у своєму складі першу 1 та другу 2 тягові мережі, які виконано аналогічно таким за першим варіантом (фіг. 4). Відміна в тому, що мережу 2 на її початку приєднано до вихідних клем фактично керованого перемикача полярності 13, який зі сторони входу ввімкнено до джерела 3 високочастотного струму. У зонах транспозиції кабелів мереж 1 і 2 розміщено вторинні елементи 14 давача (як варіант, ємнісного типу) місцезнаходження енергоприймача електровоза, виходи яких сполучено зі входом перемикача 13. Первинний елемент 15 давача місцезнаходження закріплено на електровозі зверху енергоприймача (фіг. 4-5). Система електропостачання з індуктивною передачею енергії на електровози (перший варіант) працює таким чином. Після вводу в роботу джерела високочастотного струму 3 у кабелях мереж 1 і 2 виникає змінний електричний струм, який створює відповідні магнітні потоки у навколишньому середовищі. Діючі значення струмів в обох мережах однакові. На ділянках транспортної магістралі довжиною  1 (фіг. 1) струми прямих та зворотних кабелів мереж 1 і 2 співпадають за фазою і, як наслідок, магнітні потоки обох мереж підсумовуються. На ділянках транспортної магістралі довжиною  2 струми відповідних кабелів мереж 1 і 2 є у протифазі завдяки зміщенню пунктів транспозиції кабелів по довжині, тому магнітні потоки мереж віднімаються, створюючи результуючий магнітний потік, близький до нуля. У початковому стані електровоз знаходиться на одній з ділянок довжиною  1 . При цьому сумарний змінний магнітний потік мереж 1 і 2 викликає появу в обмотці 7 (фіг. 3) енергоприймача електрорушійної сили (ЕРС), яка забезпечує живлення двигунів 11 і 12 і 2 UA 100269 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 накопичення енергії ємнісним накопичувачем 10. Після виходу електровоза за межі ділянки довжиною  1 , ЕРС в обмотці 7 зникає і рух електровоза на наступній ділянці довжиною  2 забезпечує енергія, яка була запасена у накопичувачі 10 за попередній період роботи. Потрібну ємність С накопичувача енергії визначають за формулою 2  P  l2  K 3 , C 2 V(U1  U 2 ) 2 де P - розрахункова потужність навантаження двигунів електровоза при роботі на ділянках довжиною  2 ; K 3 - коефіцієнт запасу ( K 3  1); V - середня швидкість руху електровоза на ділянках довжиною  2 ; U1 , U2 - напруга ємнісного накопичувача, відповідно, при вході на ділянку  2 і наступному виході з неї. У випадку, коли другу тягову мережу 2 сполучено з джерелом живлення 3 посередництвом перемикача полярності 6, система електропостачання працює таким чином. У початковому положенні електровоз може знаходитись у будь-якому місці ділянок  1 або  2 . За допомогою перемикача полярності 6 (фіг. 2) автоматично, з визначеною періодичністю змінюється на протилежну фаза струму в мережі 2. Період T комутації фази струму забезпечують таким: 2 C(U1  U 2 2 . T P K3 При цьому поперемінно, в будь-якому місці транспортної магістралі (крім пунктів транспозиції) струми в мережах 1 і 2 або співпадають за фазою, або знаходяться у протифазі. У першому випадку джерело 3 забезпечує живлення двигунів електровоза і його рух, а також накопичення енергії ємнісним накопичувачем 10 (фіг. 3). У другому випадку живлення двигунів електровоза і його рух здійснюється за рахунок енергії накопичувача 10. За другим варіантом система електропостачання працює таким чином. У початковому стані електровоз знаходиться на одній з ділянок транспортної магістралі, в межах якої струми у відповідних кабелях мереж 1 і 2 співпадають за фазою (наприклад, ділянці довжиною  1 ). У момент виходу електровоза з такої ділянки первинний елемент 15 давача місцезнаходження взаємодіє з відповідним вторинним елементом 14 цього давача, внаслідок чого в останньому генерується електричний імпульс, який за допомогою перемикача 13 змінює фазу струму в мережі 2 на протилежну (фіг. 3). Після цього, на ділянках довжиною  2 струми в мережах 1 і 2 будуть співпадати за фазою, що забезпечить живлення двигунів електровоза при його руху в межах цих ділянок. Таким чином забезпечується безперервний рух електровоза по всій транспортній магістралі. При одночасній роботі кількох електровозів моменти їхнього входження у ділянки  1 та  2 та вихід з них необхідно узгоджувати. Індуктивний опір ділянок першої та другої тягових мереж, де струми співпадають за фазою, практично подвоюється порівняно з прототипом через взаємоіндукцію з сусідньою мережею. Індуктивний опір ділянок мереж, де струми протилежні за фазою, близький до нуля. Кількість ділянок обох мереж, де струми співпадають за фазою, складає половину загального числа ділянок, тому індуктивний опір кожної мережі Х л дорівнює такому у прототипі. Потужність джерела високочастотного струму 3 відповідає прототипу, тому струми I1 , і I2 мереж 1, 2 складають половину від струму I тягової мережі прототипу. Реактивна потужність конденсаторів 4 і 5, ввімкнених у кабелі мереж 1 і 2, при умові Х л  Xc (стан резонансу напруг), де X c ємнісний опір, буде, відповідно: 2 Q1  I1 X c  I2  X c I2  X c , Q 2  I2 X c  . 2 4 4 Загальна реактивна потужність конденсаторів Q  Q  Q 2  1 45 I2  X c Qn складе половину  2 2 від реактивної потужності Q n  I2  X c конденсаторів прототипу. На половині довжини тягових мереж 1 і 2 змінне магнітне поле у навколишньому середовищі від струмів цих мереж практично відсутнє, що зменшить небезпеку при експлуатації електровозів у вибухонебезпечних середовищах та втрати потужності від вихрових струмів у елементах кріплення та у гірських породах в умовах вугільних шахт. Використання двох незалежних тягових мереж збільшить надійність роботи системи електропостачання порівняно з прототипом. 3 UA 100269 C2 Введення в систему електропостачання ємнісного накопичувача енергії дозволить використати енергію гальмування транспорту після переведення двигунів електровоза в генераторний режим роботи. 5 10 15 20 25 30 35 40 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Система електропостачання з індуктивною передачею енергії на електровози, що включає енергоприймач на електровозі з магнітопроводом і обмоткою, сполученою з випрямлячем, до виходу якого приєднано тягові двигуни, та тягову мережу з двох, із послідовно ввімкненими конденсаторами, кабелів - прямого та зворотного, прокладених уздовж транспортної магістралі, розміщених в одній площині і взаємним зсувом у поперечному напряму, приєднаних до джерела високочастотного струму на початку і сполучених між собою в кінці мережі, причому по довжині мережі виконано транспозиції кабелів, яка відрізняється тим, що в схему енергоприймача додатково введено ємнісний накопичувач енергії, який приєднано до виходу випрямляча, та введено другу тягову мережу однакової довжини з першою, з двох, із послідовно ввімкненими конденсаторами, кабелів - прямого та зворотного, приєднаних до вказаного джерела високочастотного струму на початку і сполучених між собою в кінці мережі, причому кількість пунктів транспозицій кабелів виконано на одиницю більше таких у першій мережі, відстані між сусідніми пунктами транспозиції першої та другої мереж виконано удвічі меншими відстаней між пунктами транспозиції першої мережі, а прямі та, окремо, зворотні кабелі обох мереж прокладено впритул. 2. Система електропостачання з індуктивною передачею енергії на електровози, що включає енергоприймач на електровозі з магнітопроводом і обмоткою, сполученою з випрямлячем, до виходу якого приєднано тягові двигуни, та тягову мережу з двох, із послідовно ввімкненими конденсаторами, кабелів, прокладених уздовж транспортної магістралі, розміщених в одній площині з взаємним зсувом у поперечному напряму, приєднаних до джерела високочастотного струму на початку і сполучених між собою в кінці мережі, причому по довжині мережі виконано транспозиції кабелів, яка відрізняється тим, що додатково введені перемикач полярності, вхідні клеми якого приєднано до вказаного джерела високочастотного струму, безконтактний давач місцезнаходження енергоприймача, первинний елемент якого розміщено у верхній зоні енергоприймача, і другу тягову мережу однакової довжини з першою, з двох, із послідовно ввімкненими конденсаторами, кабелів - прямого та зворотного, приєднаних до вихідних клем перемикача полярності на початку і сполучених між собою в кінці мережі, причому кількість пунктів транспозиції її кабелів виконано на одиницю більше таких у першій мережі, відстані між сусідніми пунктами транспозиції першої та другої мереж виконано удвічі меншими відстаней між пунктами транспозиції першої мережі, а прямі та, окремо, зворотні кабелі обох ліній прокладено впритул, а вторинні елементи давача місцезнаходження розміщено в зонах транспозиції кабелів першої та другої мереж, причому виходи вторинних елементів приєднано до входу перемикача. 3. Система електропостачання по п. 1, яка відрізняється тим, що введено перемикач полярності з можливістю роботи у автоматичному режимі, посередництвом якого другу тягову мережу сполучено з джерелом високочастотного струму. 4 UA 100269 C2 Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5