Система електропостачання безконтактного електровоза з акумулюванням енергії

Реферат: Винахід належить до систем електропостачання транспортних засобів, живлення яких забезпечується енергією електромагнітного поля тягової мережі і які розраховані на використання у вибухонебезпечних середовищах. Система електропостачання безконтактного електровоза включає дві тягові мережі - основну і допоміжну, кожна - з двох взаємно зміщених по ширині кабелів, з ввімкненим в них конденсаторами і з кількома транспозиціями кабелів по довжині мережі. На початку транспортної магістралі кабелі основної мережі приєднано до джерела високочастотного струму, в кінці - сполучено між собою. Кабелі допоміжної мережі з одного боку приєднано до входу реверсивного інвертора, вихід якого сполучено з накопичувачем енергії, а з протилежного - з'єднано між собою. До складу системи електропостачання також входить енергоприймач на електровозі з магнітопроводом і обмоткою з окремих груп витків з ввімкненим між ними конденсаторами, кожний з двох частин - першої та другої, сполучених паралельно. В електричне коло кожної другої частини введено вимикач. Виводи груп витків обмотки енергоприймача за допомогою перемикача приєднано до випрямляча, виконаного з можливістю роботи інвертором, до виходу якого приєднано тягові двигуни електровоза. Технічним результатом винаходу є накопичення та подальше використання енергії гальмування транспортного засобу. UA 99865 C2 (12) UA 99865 C2 UA 99865 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до систем електропостачання транспортних засобів, енергія на які передається за допомогою електромагнітної індукції через повітряний проміжок і які використовуються у вибухонебезпечних середовищах. Відомий пристрій для передачі електромагнітної енергії безконтактному електровозу [Патент України № 69964, кл. В60М 7/00. Пристрій для передачі електромагнітної енергії безконтактному електровозу (варіанти) / Півняк Г.Г., Панченко В.І., Рибалко А.Я., Кольцов І.Б. / Бюл. № 12, 2006], до складу якого входять просторово розподілені і з'єднані між собою прямокутні за формою котушки, виконані з прямого та зворотного кабелів тягової мережі, та енергоприймач на електровозі з окремих секцій з обмотками, розміщеними на феромагнітних осердях. Кількість вказаних секцій прийнято парною і не меншою чотирьох; обмотки сусідніх секцій з'єднано між собою послідовно-зустрічно і разом приєднано за допомогою випрямляча до ємнісного накопичувача енергії, паралельно якому ввімкнено тягові двигуни електровоза. Недоліком вказаного пристрою є значні втрати електричної енергії при його експлуатації. Найбільш близькою за технічною суттю до пропонованого винаходу є система електропостачання безконтактного електровоза [кн. Транспорт с индуктивной передачей энергии для угольных шахт. Под ред. Г.Г. Пивняка. М.: Недра, 1990 - 245 с.], що включає тягову лінію з двох кабелів - прямого та зворотного, взаємно зміщених по ширині, приєднаних до джерела високочастотного струму на початку і сполучених між собою в кінці мережі. В обидва кабелі ввімкнено конденсатори і по довжині мережі виконано кілька транспозицій кабелів. Енергоприймач, розміщений на електровозі, включає магнітопровід з обмоткою, складеною з окремих груп витків, з'єднаних між собою за допомогою конденсаторів. Обмотку сполучено зі входом випрямляча, до виходу якого приєднано тягові двигуни постійного струму з послідовним збудженням. Розмір ємності конденсаторів енергоприймача вибрано таким, що забезпечує частоту власних електричних коливань у його контурі, близькою до частоти струму живлення тягової мережі. Зазначена система електропостачання має низький коефіцієнт корисної дії тому, що не забезпечує накопичення та подальше використання енергії гальмування транспортного засобу. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення системи електропостачання безконтактного електровоза, в якій шляхом введення нових елементів, зміною схеми ввімкнення відомих, вибором співвідношення частот власних електричних коливань окремих контурів тягової мережі системи електропостачання забезпечується накопичення та використання енергії гальмування транспортного засобу і за рахунок цього зменшуються втрати потужності і досягається збільшення коефіцієнта корисної дії. Поставлена задача вирішується тим, що у відому систему електропостачання безконтактного електровоза в складі тягової мережі з двох, взаємно зміщених по ширині кабелів, приєднаних до джерела високочастотного струму на початку і сполучених між собою в кінці мережі, з ввімкненими послідовноконденсаторами і з кількома транспозиціями по довжині мережі, та на електровозі енергоприймача з магнітопроводом і обмоткою з окремих груп витків з ввімкненими в них конденсаторами, яку сполучено зі входом випрямляча, до виходу якого приєднано тягові двигуни постійного струму, причому загальну ємність у контурі обмотки енергоприймача виконано такою, що забезпечує в ньому стан резонансу напруг на частоті струму живлення тягової мережі, згідно з винаходом, введені інвертор, виконаний за реверсивною схемою, накопичувач енергії і, як мінімум, одна допоміжна тягова мережа з двох взаємно зміщених по ширині кабелів з послідовно ввімкненими конденсаторами і з транспозиціями кабелів по довжині мережі, причому пункти транспозиції розміщено посередині між такими основної мережі; кабелі допоміжної мережі розміщено впритул до відповідних кабелів основної та з'єднано між собою з одного краю, а з протилежного - приєднано до входу інвертора, вихід якого сполучено з накопичувачем енергії; ємність конденсаторів у контурі допоміжної тягової мережі вибрано такою, що забезпечує частоту власних електричних коливань не меншою k  f0 , де k  5d  2 25d2  1 ; f 0 - частота власних електричних коливань контуру основної тягової мережі; d - більше за розміром значення згасання будь-якої з тягових мереж; випрямляч виконано з можливістю роботи інвертором у зворотному напряму та введені з розміщенням на електровозі перемикач, до вхідних клем якого приєднано виводи груп витків обмотки енергоприймача, і регульоване джерело живлення постійного струму з можливістю приєднання останнього до обмоток збудження тягових двигунів; кожний з конденсаторів енергоприймача поділено на дві, ввімкнені паралельно частини - першу та другу, причому у коло другої частини введено вимикач з можливістю вимкнення останньої у періоди роботи 1 UA 99865 C2 допоміжної тягової мережі та забезпечено таким співвідношенням ємностей першої C1 та другої C 2 частин: C1 / C2  5 10 15 20 1 k2 1 , де k знаходиться за наведеною вище формулою. Суть винаходу пояснюється кресленням, де на фіг. 1 зображено електричну схему основної та допоміжної тягових мереж; на фіг. 2 - електричну схему кола енергоприймача для режиму гальмування транспортного засобу. Система електропостачання безконтактного електровоза містить основну тягову мережу з двох кабелів 1 і 2, взаємно зміщених по ширині і з ввімкненими послідовно конденсаторами 3 (фіг. 1). По довжині мережі виконано кілька транспозицій її кабелів (на фіг. 1 показано дві транспозиції). Допоміжну тягову мережу також виконано з двох кабелів 4 і 5 з транспозиціями по довжині мережі і з ввімкненими послідовно конденсаторами 6. Лінію розміщено на ділянці, кратній за розміром проміжку між сусідніми пунктами транспозиції кабелів основної мережі (на фіг. 1, як варіант, довжина ділянки дорівнює одному такому проміжку) і поблизу місця зупинки транспортного засобу або на проміжку транспортної колії з ухилом. Кабелі допоміжної мережі прокладено впритул до відповідних кабелів основної мережі, а пункти їх транспозиції виконано посередині між такими останньої. З одного краю кабелі 4 і 5 допоміжної мережі з'єднано між собою, а з протилежного ввімкнено до реверсивного інвертора 7. З іншого боку до інвертора 7 приєднано накопичувач енергії 8, ємнісний або електромеханічний, який розміщено нерухомо поряд з транспортною колією. Розмір конденсаторів 6 виконано таким, що забезпечує частоту власних електричних коливань f д контуру допоміжної мережі не меншою k  f0 , де f 0 - частота власних електричних 25 коливань контуру основної мережі; k  5d  2 25d2  1 , d - більше за розміром значення згасання будь-якої з двох тягових мереж. Кабелі 1 і 2 основної тягової мережі приєднано до джерела високочастотного струму 9 на початку транспортної магістралі і з'єднано між собою в її кінці (фіг. 1). Система електропостачання включає також енергоприймач на електровозі з магнітопроводом, в пазах якого розміщена обмотка. Обмотку поділено на окремі групи витків 10 (фіг. 2), які з'єднані між собою послідовно за допомогою конденсаторів, кожний з двох частин першої 11 і другої 12, ввімкнених паралельно. В електричне коло кожної другої частини введено вимикач 13. Співвідношення ємностей першої C1 та другої C 2 частин виконано таким: 30 C1 / C2  35 40 45 50 55 1 k2 1 , де значення k розраховують за наведеною вище формулою. Загальну ємність конденсаторів C  nC1  C2  вибрано такою, що забезпечує в контурі обмотки енергоприймача стан резонансу напруг на частоті струму живлення основної тягової мережі (n - кількість груп витків обмотки). Виводи груп витків 10 обмотки приєднано до вхідних клем перемикача 14, вихід якого сполучено зі входом випрямляча 15, який виконано з можливістю роботи інвертором у зворотному напряму (фіг. 2). До виходу випрямляча 15 приєднують обмотки тягових двигунів електровоза у характерному для них режимі роботи. У періоди гальмувань транспортного засобу до входу випрямляча 15, ввімкненого як інвертор, приєднують обмотки якорів 16 і 17 двигунів, які можуть бути сполучені між собою паралельно або послідовно (на фіг. 2 наведено схему з послідовним з'єднанням). При цьому обмотки збудження 18 і 19 з'єднують, як варіант, взаємно послідовно і вмикають до виходу керованого джерела живлення 20 постійного струму (фіг. 2). Частоту струму на виході інвертора 15 виконують близькою до частоти власних електричних коливань контуру допоміжної тягової мережі і такою, що забезпечує стан резонансу напруг у контурі обмотки енергоприймача у вимкненому стані вимикачів 13. Пропонована система електропостачання працює таким чином. Вводять в роботу джерело живлення 9 основної тягової мережі. Послідовно ввімкнені в обидва кабелі мережі конденсатори 3 забезпечують частоту власних електричних коливань f 0 , близькою до частоти струму живлення мережі. На електровозі переводять у замкнене положення вимикачі 13, що робить частоту власних електричних коливань контуру обмотки енергоприймача близькою до частоти струму живлення основної тягової мережі. З електричного кола останньої за допомогою електромагнітної індукції в обмотку енергоприймача передається енергія змінного струму, яка після перетворення випрямлячем 15, ввімкненого у прямому напрямі, живить тягові двигуни і забезпечує рух електровоза. У періоди гальмувань транспортного засобу тягові двигуни переводять у генераторний режим роботи, для чого обмотки збудження 18 і 19 тягових двигунів з'єднують між собою 2 UA 99865 C2 5 10 15 20 25 30 35 паралельно або послідовно і разом приєднують до виходу керованого джерела постійного струму 20 (фіг. 2). Обмотки якорів 16 і 17 двигунів з'єднують між собою, як варіант, послідовно і сполучують з випрямлячем 15, ввімкненого для роботи інвертором. Розмикають вимикачі 13, що робить частоту власних електричних коливань кола обмотки енергоприймача, близькою до частоти змінного струму на виході інвертора-випрямляча 15. Після вводу в роботу джерела постійного струму 20 і руху транспортного засобу виникає напруга в обмотках якорів 16 і 17, яка за допомогою 15 викликає змінний струм в обмотці енергоприймача. Змінний магнітний потік, який виникає при цьому в обмотці, наводить електрорушійні сили (ЕРС) в електричних колах основної і допоміжної тягових мереж. У колі допоміжної мережі, частота власних електричних коливань якого близька до частоти наведеної в ній ЕРС, остання викликає відповідний змінний струм, який за допомогою інвертора 7 в режимі роботи випрямлячем забезпечує заряджання накопичувача енергії 8. ЕРС у колі основної мережі також викликає струм, який за розміром не перевищує 0,1 струму допоміжної мережі, що пояснюється різницею між частотою власних електричних коливань f0 і частотою ЕРС, яка близька до значення k  f0 . Інтенсивність гальмування електровоза регулюють шляхом зміни струму збудження в обмотках 18 і 19 (фіг. 2) та переміщенням рухомого контакту перемикача 14 із положення А у наступні положення Б і В. Після заряджання накопичувача 8 до граничного рівня, що можливе, за декілька періодів гальмування інвертор 7 перемикається в режим "очікування". При потребі використання енергії накопичувача 8, за відповідним сигналом з електровоза інвертор 7 вводиться в роботу і забезпечує протікання у кабелях 5, 6 допоміжної тягової мережі змінного струму, частота якого близька до частоти власних електричних коливань контуру цієї мережі. Далі, розмикають вимикачі 13 у електричному колі обмотки електроприймача, що робить частоту власних електричних коливань цього кола близькою до частоти струму допоміжної мережі. Змінний магнітний потік останньої викликає появу в обмотці енергоприймача ЕРС, яка за допомогою випрямляча 15, ввімкненого у прямому напрямі, живить тягові двигуни електровоза. Більш глибоке розрядження накопичувача 8 і, відповідно, віддача більшої за розміром енергії тяговим двигунам здійснюється переміщенням рухомого контакту перемикача 14 у напрямі від положення А до наступних положень Б і В. Введення в систему електропостачання безконтактного електровоза допоміжної тягової мережі, приєднаної через реверсивний інвертор до накопичувача енергії, забезпечить накопичення та подальше використання енергії гальмування транспортного засобу. Розташування кабелів допоміжної мережі впритул до відповідних кабелів основної та розміщення пунктів транспозиції допоміжної мережі посередині між такими основної мережі забезпечить мінімальний електромагнітний вплив однієї мережі на другу. Забезпечення частоти власних електричних коливань f д контуру допоміжної тягової мережі не меншої k  f0 , де k  5d  2 25d2  1 ; f 0 - частота власних електричних коливань контуру основної тягової мережі, d - більше за розміром згасання будь-якої з двох тягових мереж, та вибір частоти струму інвертора на електровозі, близькою до f д , робить ефективною передачу 40 45 енергії у контур допоміжної мережі і практично унеможливлює передачу її у контур основної мережі. Поділ кожного з конденсаторів у колі обмотки енергоприймача на дві частини - першу та другу і вимкнення останніх у періоди роботи допоміжної тягової мережі, тобто у періоди накопичення та використання енергії гальмування транспортного засобу, забезпечить ефективність передачі енергії від допоміжної мережі у контур обмотки енергоприймача і у зворотному напряму. Сполучення виводів груп витків обмотки енергоприймача з вихідними клемами перемикача з можливістю зміни кількості груп, ввімкнених до входу випрямляча-інвертора, та уведення регульованого джерела постійного струму для живлення обмоток збудження тягових двигунів забезпечить ефективне використання накопичувача енергії. 50 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 55 Система електропостачання безконтактного електровоза, що включає тягову мережу з взаємно зміщених по ширині кабелів, приєднаних до джерела високочастотного струму на початку і сполучених між собою в кінці мережі, з ввімкненими послідовно конденсаторами і з кількома транспозиціями по довжині мережі, та енергоприймач на електровозі з магнітопроводом і обмоткою з окремих груп витків з ввімкненими в них конденсаторами, яку сполучено зі входом 3 UA 99865 C2 5 10 15 20 випрямляча, до виходу якого приєднано тягові двигуни постійного струму, причому загальну ємність у контурі обмотки енергоприймача вибрано такою, що забезпечує в ньому стан резонансу напруг на частоті струму живлення тягової мережі, яка відрізняється тим, що введені інвертор, виконаний за реверсивною схемою, накопичувач енергії і, як мінімум, одна допоміжна тягова мережа з двох взаємно зміщених по ширині кабелів з послідовно ввімкненими конденсаторами і з транспозиціями кабелів по довжині мережі, причому пункти транспозиції останньої розміщено посередині між такими ж основної мережі, кабелі допоміжної мережі розміщено впритул до відповідних кабелів основної і з'єднано між собою з одного краю, а з протилежного - приєднано до входу інвертора, вихід якого сполучено з накопичувачем енергії, ємність конденсаторів у контурі допоміжної тягової мережі вибрано такою, що забезпечує частоту власних електричних коливань контуру не меншою k  f0 , де k  5d  25d2  1 , f0 частота власних електричних коливань контуру основної тягової мережі, d - більше за розміром значення згасання будь-якої з двох мереж, випрямляч виконано з можливістю роботи інвертором у зворотному напряму та введені з розміщенням на електровозі перемикач, до вхідних клем якого приєднано виводи груп витків обмотки енергоприймача, і регульоване джерело живлення постійного струму з можливістю приєднання останнього до обмоток збудження тягових двигунів, кожний з конденсаторів енергоприймача поділено на дві, ввімкнені паралельно, частини - першу та другу, причому у коло кожної другої частини введено вимикач з можливістю вимкнення останньої у періоди роботи допоміжної тягової мережі та забезпечено 1 таким співвідношенням ємностей першої C1 та другої C 2 частин: C1 / C2  . 2 1 k 25 4 UA 99865 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