СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОАГРЕГАТОВ

Электроника, электрика / Не разобранное - электрика
Administrator
1 391
21-04-2017, 23:22
0

Созданию мобильных средств различного назначения с питанием от источников электрической энергии уделяется все больше внимания. Перспективность развития работ по их созданию определяется отсутствием выбросов в атмосферу токсичных веществ, экономией дефицитного жидкого топлива, возможностью использования электроэнергии ночного провала графика нагрузки электростанций, снижением эксплуатационных расходов. В качестве недостатков следует отметить повышенные требования к электробезопасности, ограничение запаса хода, необходимость строительства контактных сетей, создание кабелеприемных устройств, необходимость в станциях для подразрядки аккумуляторов и другие.

Многие ведущие автомобильные фирмы мира разрабатывают образцы электромобилей и электротракторов в основном для демонстрации и отработки технических решений шасси и кузова, энергетической установки, системы электропривода и управления. При этом создаются новые специальные конструкции шасси и кузова или используются серийно выпускаемые кузова и шасси тракторов и автомобилей. Для привода используют узлы механических передач или применяют систему мотор-колесо [1].

СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЬНЫХ СРЕДСТВ

Электроснабжение электромобильных средств может быть осуществлено с помощью автономной, комбинированной или централизованной систем питания. Автономными источниками питания могут служить тяговые аккумуляторные батареи, топливные элементы и солнечные батареи. Тяговые аккумуляторные батареи имеют малый запас хода при большой массе и требуют периодической подзарядки. Солнечные батареи могут работать только днем или служить для подзарядки аккумуляторов. Основными узлами автономных силовых установок электрических электроагрегатов являются бортовой источник энергии, тяговый электропривод, система управления и контроля параметров [2].

Комбинированные энергетические установки могут получать питание от тяговых аккумуляторных батарей или электрической сети и, кроме этого, также иметь дополнительно двигатель внутреннего сгорания (ДВС). При этом ДВС может иметь кинематическую связь с ведущими колесами или использовать две электрические машины, осуществляя двойное преобразование своей энергии, что приводит к увеличению массы установки и потерь энергии. Основными показателями при выборе необходимой схемы комбинированной энергетической установки являются условия работы и назначение, стоимость механического и электротехнического оборудования, масса электротранспортного средства.

Электроснабжение электротранспортных средств с централизованными источниками питания осуществляется в большинстве случаев путем подвода электроэнергии по двух- или четырехпроводной схеме через контактную сеть или гибкий кабель, собираемый на кабелеприемном барабане или на расположенном на пути своего движения тросе.

В 30-50-х годах во Всесоюзном научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) и других организациях был создан ряд сельскохозяйственных электроагрегатов: электротракторы гусеничные ЭТ-2, ХТЗ-13, хТЗ-120, колесные ЭТ-Э6, электрокомбайны СЭ-4 и СЭ-5, электрокосилка ЭК-10. В качестве тягового привода использовались асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым или фазным ротором с

напряжением питания 380 В, 500 В, 1000 В, 2500 В и мощностью 24...50 кВт, а также двигатели постоянного тока на напряжение 500 В. Система электроснабжения предусматривала использование передвижной трансформаторной подстанции ПТП-2 или ПЭА-75 для подключения к ВЛ-10 кВ.

Электротракторы обеспечивали высокое качество вспашки, культивации и посева за счет стабильности поддержания заданной глубины вспашки и заделки семян при постоянстве скорости движения агрегата и высокой перегрузочной способности тяговых электродвигателей. Электротракторы легки в запуске, просты в управлении и эксплуатации, не требуют периодического подвоза жидкого топлива и воды для охлаждения двигателей.

Электрокомбайны, благодаря равномерности и согласованности скоростей движения рабочих органов жатки и молотильного аппарата, имели производительность на 30% выше при значительном снижении потерь зерна. Применение

электротракторов и электрокомбайнов обеспечивало повышение производительности труда, резко сокращало объемы работ по их техническому обслуживанию и ремонту [3].

Разрабатываемые конструкции электроагрегатов имели ряд недостатков, ограничивающих их применение, которые заключались в недостаточной маневренности и большой металлоемкости из-за громоздкого кабелеприемного устройства массой около 3 т. Кабелеприемное устройство включало кабелеприемник в виде барабана или бункера, ка- белеукладыватель с кабеленатяжным приспособлением, узлы канализации кабеля и стрелы для его отвода, а также сам кабель сечением 6 или 10 мм и длиной 500.750 м.

В применяемой схеме "один провод - земля" (ОПЗ) для питания электротракторов по однопроводной линии в качестве второго провода использовалась земля. Эта система питания, имея ряд недостатков, обеспечивала возможность для экономии проводов [4]. Ток, протекающий в однопроводной линии, в обмотке трансформатора и далее через заземляющий электрод, равен току, проходящему через землю. Сопротивление обратного "земляного" провода не постоянно и зависит от состояния почвы и расстояния между обеими подстанциями.

Принцип действия такой однопроводной системы с заземлением одного из выводов трансформатора и приемника, так же, как двухпроводной линии, основан на использовании токов проводимости в замкнутой цепи для передачи мощности от генератора к потребителю.

При бесконтактном способе питания электротранспортных средств применяется высокочастотный кабель. Магнитный поток переменного тока, протекающего по кабелям тяговой линии, замыкается по разветвленному магнитопроводу и наводит ЭДС в многовитковых обмотках электроприемника, питающего тяговые электродвигатели [5].

Классификацию способов электроснабжения мобильных электроагрегатов можно рассматривать по следующей схеме.

Способы электроснабжения мобильных электроагрегатов

Автономное электроснабжение: аккумуляторные батареи; топливные элементы; солнечные батареи.
Комбинированные энергоисточники: аккумуляторные батареи + ДВС; аккумуляторные батареи + электросеть; электросеть + ДВС.
Централизованное электроснабжение: двухпроводная контактная сеть; однопроводная контактная сеть + рельс; гибкий кабель на барабане; один провод - земля (ОПЗ); лазерный луч в атмосфере; СВЧ-канал в атмосфере и вакууме; бесконтактная высокочастотная с двойной электромагнитной системой; однотроллейная однопроводная сеть повышенной частоты.

Основной проблемой при разработке мобильных электроагрегатов с централизованным источником питания является пере дача электрической энергии с малыми потерями от электросети к мобильному электроагрегату или транспортному средству.

ОДНОТРОЛЛЕЙНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ТРАНСПОРТА

Однотроллейный способ питания электротранспортных средств в соответствии с приведенной классификацией можно отнести к централизованному способу питания. Основой осуществления способа является однополюсный генератор электрической энергии, благодаря которому создаются условия для передачи электроэнергии по одному проводнику. Однотроллейный способ питания электротранспортных средств осуществляется путем подключения высоковольтного однополюсного генератора свободных электрических зарядов, генерации и перемещения этих электрических зарядов и связанной с ними энергии электрического поля в резонансном режиме через однопроводную линию. Здесь осуществляется обратное преобразование энергии электрического поля свободных зарядов в электрическую энергию постоянного или переменного тока, которую используют для электропривода транспортного средства [6].

Важной отличительной особенностью однотроллейной системы передачи электрической энергии от используемых в трамвае, метро и электропоездах является полная электрическая изоляция от земли системы электроснабжения.

При разработке системы в качестве прототипа использовались результаты исследований Н. Тесла по передаче электроэнергии по одному проводу в 1894 г. Трансформатор Тесла представляет собой бессердечниковый или с незамкнутым сердечником трансформатор, первичная обмотка которого расположена снаружи или соосно с вторичной обмоткой.

Вторичная обмотка состоит из большого числа витков тонкой медной изолированной проволоки. Один конец вторичной обмотки имеет нулевой потенциал по отношению к земле, а второй присоединяется к линии. Схема однотроллейного способа питания мобильного электроагрегата показана на рис.1.

Электрическая схема однотроллейной системы питания электроагрегата состоит из блока питания, соединенного однотроллейным проводом с электрооборудованием электроагрегата.

Блок питания состоит из источника питания 1 и высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла 3, которые через контактную сеть и токосъемник передают электрическую энергию на электрооборудование электроагрегата, содержащее приемно-согласующее устройство с диодноконденсаторным блоком 12, соединенными с блоком управления 13 тяговым электроприводом (ЭП), приводящим в движение через редуктор ведущие колеса электроагрегата.

Электрическая энергия источника питания после преобразования передается в резонансном режиме при напряжении 220 В в электрическую линию постоянного или переменного тока напряжением 28...600 В, 50 Гц для питания тягового электродвигателя. Вопросы теории и расчета однопроводной системы передачи электрической энергии описаны в [7].

Однопроводная система передачи электрической энергии использует последовательный контур с резонансом напряжений при частоте 1.100 кГц. Передача активной мощности происходит с помощью реактивного зарядного тока в линии и тока смещения в пространстве, окружающем проводник.

Установленный в начале линии высокочастотный трансформатор Тесла выполняет функции электростатического однополюсного генератора зарядов, которые перемещаются, вдоль однопроводной линии к нагрузке под действием кулоновских сил. Этот реактивный ток заряжает емкость линии и создает электрическое поле линии. Ток проводимости в линии и связанное с ним магнитное поле линии равны нулю.

Переменное электрическое поле создает в пространстве, окружающем линию, ток смещения, который создает магнитное поле токов смещения. Известно, что ток смещения и ток заряда емкости под действием кулоновских сил не подчиняются законам Ома и Джоуля-Ленца и не создают потерь на сопротивлении линии. Это подтверждено нашими экспериментами, в которых активная электрическая мощность 100 Вт на лампу накаливания передавалась через пленку алюминия толщиной 0,2 мкм, напыленную на нейлоновую леску диаметром 1 мм, длиной 0,5 м. В процессе передачи не наблюдался разогрев проводящей пленки. Потери на излучение, поляризацию диэлектрика, на сопротивлении линии и токи утечки при напряжении до 2000 В и частоте до 25 кГц малы. Поэтому вместо медного или алюминиевого провода можно использовать сталеалюминевый или стальной проводник.

Разработана и испытана однопроводная система передачи электрической энергии мощностью 1 кВт, напряжением 220 В, 10 кВ и 100 кВ. Разработан и испытан экспериментальный образец электромобиля мощностью 5 Вт, напряжением постоянного тока 28 В. Однотроллейная сеть имела напряжение 220 В, частоту 25 кГц.

Разрабатывается однотроллейная схема электропитания троллейбуса с двигателем 600 В, 100 кВт постоянного тока. Расчеты показывают, что замена двойного медного троллейного провода на однотроллейный стальной провод позволит снизить расход меди на шесть тонн на один километр линии.

Предполагается, что однотроллейные линии, установленные над двумя рядами полос движения на крупных городских магистралях и загородных трассах, позволят перевести в первую очередь гибридные автобусы, грузовики, а затем и легковые автомобили на электрическую энергию.

Под гибридным автомобильным транспортом мы понимаем обычный автотранспорт, использующий двигатель внутреннего сгорания, в котором дополнительно установлен тяговый электродвигатель с системой управления и небольшой аккумулятор для рекуперации энергии при торможении. При выезде изгаража используется двигатель внутреннего сгорания, а при движении на трассе и магистральных улицах - электрический привод.

В Москве в первую очередь облегченные однотроллейные системы необходимы для установки на Садовом и третьем транспортном кольце, а также на всех магистральных дорогах в пределах Московской области. В новых проектах использования легкого скоростного трамвая также необходимо применять однотроллейную электрическую систему, изолированную от земли. Использование рельсов в качестве второго провода приводит к быстрой коррозии подземных коммуникаций из-за блуждающих токов [8].

Другим направлением исследований является создание гибридного электротрактора с кабельным питанием. С использованием легкой однопроводной системы масса кабельного барабана может быть снижена в 100 раз - с 3 т до 30 кг. Ведутся разработки электротрактора мощностью 20 кВт для теплиц и фермерских хозяйств и трактора мощностью 70...100 кВт для полевых работ.

Новый принцип передачи электрической энергии позволяет использовать в качестве проводника неметаллические проводящие среды. В экспериментах по передаче энергии были использованы углеродные нити, пленки проводящих окислов на стекле, изолированные пластиковые шланги с водой и слои влажной земли. Мы не обнаружили существенных потерь энергии при передаче по указанным проводникам активной мощности до 1 кВт. Поэтому мы предложили использовать в качестве проводящей бесконтактной линии ионизированный канал, создаваемый в воздухе лучом лазера за счет фотоионизации [9]. Необходимая концентрация ионов воздуха в проводящем канале должна превышать 10¹⁴ см^-3.

Высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла создает высокий потенциал и обеспечивает передачу электрической энергии вдоль проводящего канала. Электрическая схема питания электротранспортных средств по лазерному лучу показана на рис.2. Источник электрической энергии 1 соединен параллельно с генератором излучения 2 и с высокочастотным высоковольтным трансформатором Тесла 3, который, в свою очередь, соединен с формирователем 4 проводящего канала 5. Формирователь 4 выполнен в виде трубки из проводящего материала и установлен соосно с генератором излучения 2. Между формирователем 4 и генератором излучения 2 установлен прозрачный для излучения электроизолирующий экран 6, который электрически изолирует генератор излучения 2 от высокого напряжения на формирователе 4.

На поверхности электроизолирующего экрана 6 со стороны, противоположной генератору излучения, нанесено электропроводящее покрытие 7, прозрачное для излучения генератора 2, электропроводящее покрытие электрически соединено с формирователем 4.

Приемник 9 проводящего канала 5 с помощью высоковольтных изоляторов 10 устанавливается на кабине транспортного средства 11 и соединяется через приемно-согласующее устройство 12 с блоком управления 13 тяговым электроприводом электроагрегата.

Источник электропитания 1, генератор излучения 2, электроизолирующий экран 7 и формирователь 4 канала установлены на некотором расстоянии от транспортного средства 7 и имеют общую систему слежения 14 за транспортным средством. Система слежения 14 обеспечивает соединение проводящего канала 5 с приемником 9 при произвольном перемещении транспортного средства 11. В общем случае стационарный источник энергии может иметь несколько генераторов излучения 2, формирующих несколько проводящих каналов 5 для электроснабжения нескольких транспортных средств одновременно.

Схема бесконтактного способа питания электротранспортных средств показана на рис.3.

Стационарный источник электрической энергии 1 через высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла 3 может быть соединен кабелем 75 с металлическим ленточным У- образным приемником 16, установленным на изоляторах 77 вдоль пути 18 перемещения электротранспортного средства 19, например электрического автомобиля, имеющего устройство ориентации 20.

Напряжение высокой частоты от источника 1 электрической энергии поступает на первичную обмотку высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла 3. Трансформатор Тесла 3 преобразует электрическую энергию повышенной частоты источника энергии в энергию электрических колебаний.

выводы

Разработаны новый метод и устройство для передачи электрической энергии по однопроводной линии, изолированной от земли. Способ использует реактивный зарядный ток и ток смещения для передачи активной мощности. Теоретически и экспериментально подтверждено, что однопроводная линия имеет малые потери энергии, что позволяет сократить расход цветных металлов в 100 и более раз.
Создан экспериментальный макетный образец электромобиля мощностью 5 Вт, 28 В с питанием от однотроллейной линии 220 В, 25 кГц, изолированной от земли. Предложена однотроллейная система электроснабжения гибридных транспортных средств, в качестве которых могут быть использованы существующие автобусы и автомобили с двигателем внутреннего сгорания, на которых дополнительно установлен тяговый электродвигатель с системой управления и устройст съема электрической энергии с однотроллейной линии.

Установка легких однотроллейных линий на магистральных улицах и загородных шоссе и дооборудование общественного и личного автотранспорта приемно-согласующим оборудованием и тяговыми электродвигателями позволит существенно улучшить экологическую обстановку в городах и обеспечить значительную экономию моторного топлива.

Предложены схемы кабельного однопроводного питания гибридных электротракторов мощностью 20 кВт для теплиц и фермерских хозяйств и тракторов мощностью 70...100 кВт. Показано, что масса кабельного барабана с кабелем может быть снижена с 3 т до 30 кг.

В заключение необходимо отметить, что на протяжении 70 лет ВИЭСХ разрабатывает системы электрообеспечения мобильных электроагрегатов с электроприводом.

В настоящее время разработаны новые технологии и конструкции солнечных фотоэлектрических станций низкой стоимости. Использование солнечных станций с однотроллейной системой электроснабжения транспортных средств позволяет полностью исключить потребление органического топлива и загрязнение окружающей среды выбросами автомобилей и энергетических установок.

Литература

Эйдинов А.А. Электромобили. - М.: МАМИ, 1997.
Ксеневич И.П. Наземные тягово-транспортные системы:

перспектива применения бортовых источников энергии с электрическим тяговым приводом// Приводная техника. - 2000. - №2. - С.30-36.

Стеценко В.Г. Электрификация мобильных процессов полеводства// Научные труды ВИЭСХ. - 1967. - Т.20. - С.261- 300.
Захарин А.Г., Бахирев Н.Ф., Куц П.В. Однофазная схема питания мобильных сельскохозяйственных машин// Научные труды ВИЭСХ. - 1960. - Т.5.
Энергоприемник для электровоза с бесконтактным приемом энергии А.С.998155//БИ. - 1983. - №7.
Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. Способ питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления. Патент РФ №2130515// БИ. - 1999. - №25.
Стребков Д.С., Авраменко СВ., Некрасов А.И. Исследование новых методов передачи электрической энергии: Сборник научных трудов ВИМ. - М.: 2000. - Т.134, ч.1, с.41- 59.
Мавлянбеков Ю. Городской транспорт должен быть экономичным, комфортабельным и безопасным// Контакты. - 2000. - №3. - С.1-2.
Стребков Д.С., Авраменко С.В., Некрасов А.И. Способ и устройство для передачи электрической энергии. Патент РФ №2143775// БИ. - 1999. - №36.

Обсудить на форуме

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОАГРЕГАТОВ

Комментарии

СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Методика оценки показателей надёжности электроснабжения в условиях ухудшенного качества электрической энергии

Компьютерное моделирование динамических режимов работы силового трансформатора новой конструкции

Аргон (газ)

Литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы

Аккумуляторы для мобильных устройств - разновидности, сравнительные характеристики.

СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ ЭЛЕКТРОАГРЕГАТОВ

Комментарии

Похожие статьи:

СООРУЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Методика оценки показателей надёжности электроснабжения в условиях ухудшенного качества электрической энергии

Компьютерное моделирование динамических режимов работы силового трансформатора новой конструкции

Аргон (газ)

Литий-полимерные (Li-pol) аккумуляторы

Аккумуляторы для мобильных устройств - разновидности, сравнительные характеристики.