УСТРОЙСТВО И СПОСОБ БЕСКОНТАКТНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ НА ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО Российский патент 2013 года по МПК B60L9/00 

Изобретение относится к технике бесконтактной передачи электрической энергии и может быть использовано для электропитания троллейбусов, электромобилей, электропогрузчиков, трамваев, электротракторов, электровозов, переносных компьютеров, мобильных телефонов и других электронных устройств.

Известен способ беспроводной передачи электрической энергии с помощью электромагнитной индукции. В этом случае провода однофазной тяговой линии из двух изолированных кабелей, соединенных накоротко в конце линии и присоединенные к подстанции переменного тока, передают энергию через воздушный зазор к приемнику из нескольких витков провода, образующих вторичную обмотку трансформатора. Приемник устанавливают на электротранспортном средстве и перемещают относительно линии. Переменный магнитный поток, создаваемый током в линии, индуктирует в обмотке приемника через воздушный зазор электродвижущую силу (Э.Д.С.), как в обычном трансформаторе. Для индукционной бесконтактной передачи используют ток высокой частоты 2-20 кГц. Для рельсового транспорта применяют верхнюю воздушную подвеску высокочастотных тяговых кабелей, а для безрельсового транспорта подземную прокладку тяговых кабелей (В.Е. Розенфельд, Н.А. Староскольский. Высокочастотный бесконтактный электрический транспорт. Москва, «Транспорт», 1975 г., стр.4-8).

Недостатком известного способа и устройства бесконтактной передачи электрической энергии на транспортное средство являются большие потери в тяговой линии из-за большого индуктивного сопротивления проводов при высокой частоте. Вследствие высокой частоты в витках обмотки приемника и в кабельной линии возникают значительные Э.Д.С. самоиндукции, активная составляющая которой направлена встречно по отношению к напряжению подстанции, питающей тяговую сеть. Для компенсации индуктивного сопротивления и Э.Д.С. самоиндукции в линии и в приемнике последовательно включают конденсаторы. Для снижения рассеивания энергии производят транспозицию - перекрещивание тяговых кабелей, при этом в местах транспозиции возникают затруднения с питанием транспортного средства, так как в токе перекрещивания тяговых кабелей в приемнике не наводится Э.Д.С. Из-за высокой стоимости и низкого КПД бесконтактного метода передачи электрической энергии с помощью электромагнитной индукции этот способ не нашел практического использования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления путем подачи электрической энергии через высокочастотный преобразователь и однопроводниковую контактную сеть к индивидуальным токоприемникам транспортных средств методом электростатической индукции через воздушный промежуток между изолированной однопроводниковой линией и токоприемником от резонансной однопроводниковой системы электропитания на частоте 0,1-400 кГц и напряжении в линии 0,5-1000 кВ.

Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник электрической энергии, к которому присоединен преобразователь частоты, и однопроводниковую линию для каждой полосы движения и токоприемники электротранспортных средств, устройство выполнено в виде резонансной электрической системы с резонансной частотой 0,1-400 кГц и напряжением однопроводниковой линии 0,5-1000 кВ с воздушным зазором 0,1-50 м между однопроводниковой линией и токоприемником, устройство содержит два, один передающий и один приемный, резонансных контура, настроенных на одинаковую частоту f₀=0,1-100 кГц, вход передающего контура присоединен к преобразователю частоты, а выход через резонансный повышающий трансформатор и однопроводниковую линию через воздушный зазор к токоприемнику; токоприемник выполнен в виде тонкого изолированного листа из проводящего материала и установлен на транспортном средстве параллельно однопроводниковой линии, вход второго приемного резонансного контура присоединен к токоприемнику через резонансный понижающий трансформатор, а выход через выпрямитель и блок управления к электродвигателю электротранспортного средства (пат. РФ №2297928 Способ питания электрических транспортных средств и устройство для его осуществления. БИ 2007, №12).

Недостатками известного способа и устройства являются большие потери на излучение в однопроводниковой линии и повышенная опасность при эксплуатации высоковольтной высокочастотной линии.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение потерь в однопроводниковой линии и повышение КПД передачи электрической энергии, а также повышение электрической безопасности электрических линий, передающих энергию на электротранспортное средство. В результате использования предлагаемого изобретения потери на излучение снижаются в 100-1000 раз и обеспечивается электробезопасность контактной сети на участках, на которых отсутствует в данный момент электротранспортное средство.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для бесконтактной передачи электрической энергии на электротранспортное средство, содержащем источник энергии, преобразователь частоты, резонансный контур, повышающий резонансный высокочастотный трансформатор, тяговую однопроводниковую линию, установленную в непосредственной близости от приемника излучения электротранспортного средства, резонансный понижающий высокочастотный трансформатор, выпрямитель и инвертор, соединенный с тяговым электродвигателем, установленные на электротранспортном средстве, устройство содержит дополнительно питающую экранированную однопроводниковую электроизолированную линию, установленную стационарно параллельно направлению движения электротранспортного средства и соединенную с повышающим резонансным высокочастотным трансформатором, экран питающей линии выполнен из отдельных изолированных друг от друга участков, длина которых много меньше резонансной длины волны λ₀ тока и напряжения в питающей линии, а тяговая однопроводниковая линия выполнена из изолированных друг от друга секций с длиной l₀, значительно меньшей резонансной длины волны λ₀ тока и напряжения в линии l₀<<λ₀, l₀=кλ₀, где к=0,001-0,1, каждая секция с длиной волны l₀ соединена с питающей линией через коммутатор с блоком управления и датчиком нахождения электротранспортного средства в данной секции.

В способе бесконтактной передачи электрической энергии на электрическое транспортное средство путем повышения электрической энергии источника энергии по частоте и напряжению, создания резонансных электрических колебаний в однопроводниковой линии и передачи электрической энергии методом электрической индукции через приемник на электротранспортное средство, понижения напряжения и частоты до параметров тягового электродвигателя, тяговую однопроводниковую линию разделяют на изолированные друг от друга секции с длиной l₀, значительно меньшей длины волны λ₀ резонансных колебаний тока и напряжения l₀<<λ₀, l₀=кλ₀ к=0,001-0,1, а электрическую энергию в резонансном режиме передают на изолированные секции тяговой линии от питающей экранированной линии, начало которой соединяют повышающим резонансным высокочастотным трансформатором Тесла, питающую экранированную линию соединяют с каждой изолированной секцией тяговой линии через электронный коммутатор с блоком управления и датчиком нахождения электротранспортного средства, который устанавливают в начале и конце каждой секции, посредством электронного коммутатора соединяют питающую экранированную линию с секцией тяговой линии при приближении электротранспортного средства к секции и отключают питающую экранированную линию при удалении электротранспортного средства от границы секции.

Изобретение поясняется фиг.1 и фиг.2, где на фиг.1 представлена блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии на электротранспортное средство, на фиг.2 - электрическая схема устройства при расположении однопроводниковой линии в дорожном покрытии.

Источник питания 1 на фиг.1 соединен с питающей экранированной однопроводниковой линией 2 через преобразователь частоты 3 и высокочастотный резонансный повышающий трансформатор Тесла 4. Питающая экранированная линия 2 с экранами 5 установлена параллельно тяговой неэкранированной однопроводниковой линии 6, которая находится в непосредственной близости от электрического транспортного средства 7. Тяговая однопроводниковая линия 6 изолирована от высокочастотного трансформатора Тесла 4 и состоит из секций 8 с длиной волны l₀, l₀<<λ₀, где λ₀ - длина волны резонансных электрических колебаний в питающей линии 2

$${\lambda }_0=\frac{c}{f_0},$$

с - скорость распространения электрических колебаний, f₀ - резонансная частота.

Секции 8 соединены с питающей линией 2 через электронные коммутаторы 9 с блоком управления 10 и датчиком 11 нахождения (присутствия) транспортного средства 7 в секции 8. Линия 2 и все соединения с электронным коммутатором 9 и секцией 8 имеют экраны 5. Экран 5 питающей линии 2 состоит из изолированных друг от друга участков 12, длина которых l_э значительно меньше резонансной длины волны колебаний тока и напряжения в питающей линии 2. l_э<<λ₀.

Электрическое транспортное средство 7 на фиг.2 имеет приемник 13, который установлен в непосредственной близости от секций 8 тяговой линии 6. Приемник 13 соединен через понижающий резонансный высокочастотный трансформатор 14, выпрямитель 15, инвертор 16 с тяговым электродвигателем 17. Секции 8 тяговой однопроводниковой линии 6 установлены в дорожном покрытии 18.

Устройство и способ бесконтактной передачи электрической энергии реализуется следующим образом. Электрическая энергия от источника энергии 1 поступает в преобразователь частоты 3, где увеличивается по частоте до 1-500 кГц. В резонансном высокочастотном трансформаторе Тесла 4 возникают резонансные колебания тока и напряжения с резонансной частотой f₀, резонансные колебания увеличиваются по напряжению в повышающем высокочастотном трансформаторе Тесла 4 и через высоковольтный вывод 6 поступают в экранированную однопроводниковую питающую линию 2 с экраном 5. Экран 5 выполнен по всей длине линии 2 из изолированных друг от друга участков 12, длина которых l_э много меньше длины волны тока и напряжения в линии 6. l_э<<λ₀. При приближении электрического транспортного средства к секции 8 тяговой однопроводниковой линии 6 срабатывает датчик 11, который через блок управления и коммутатор соединяет питающую экранированную линию 6 с секцией 8. Электрические колебания с длиной волны $${\lambda }_0=\frac{c}{f_0},$$ поступают через электрический конденсатор, образованный линией 6 и приемником 13, понижающий резонансный трансформатор 14, выпрямитель 15 и инвертор 16 на тяговый электродвигатель 17. При подходе электротранспортного средства 7 к следующей секции тяговой линии 6 срабатывает датчик 11 блока управления 10 и коммутатор 9 этой секции и подключает питающую линию 2 с данной секцией 8 и отключает предыдущую секцию 8 от питающей линии 2. Потери на излучение в линии без экрана определяются формулой:

$$P_{изл}=I_{эфф}^{2}80{\pi }^2{\left(\frac{l}{\lambda }\right)}^2,$$ где I_эфф - эффективная плотность тока в линии, l - длина линии, λ - длина волны.

(Семенов А.А. Теория электромагнитных волн. - М.: Изд. МГУ, 1968, с.76-81.)

При длине секции 8 l₀=кλ₀ потери на излучение составляют:

P₀=I² _эфф80π²к²,

а при длине не секционированной линии l₀=λ₀

P₁=I² _эфф80π².

Отношение $$\frac{P_0}{P_1}={к}^2$$ , т.е. потери на излучение уменьшаются в к² раз.

Пример выполнения способа и устройства для бесконтактной передачи электрической энергии.

Источник питания 1 имеет электрическую мощность 250 кВт, напряжение 220/380 В, частоту 50 Гц. Преобразователь частоты 3 имеет на выходе частоту f₀=25 кГц, равную резонансной частоте повышающего резонансного высокочастотного трансформатора 5. Трансформатор 4 имеет напряжение 100 кВ при частоте 25 кГц. Высоковольтный вывод трансформатора 4 соединен с экранированной питающей кабельной линией 2 напряжением 100 кВ и сечением медной токоведущей жилы 5 мм² длиной 12 км, расположенной вдоль бетонного дорожного покрытия 18. Экран 5 питающей линии 2 выполнен из изолированных друг от друга участков 12 длиной l_э=100 м, что значительно меньше резонансной длины волны λ₀=12 км колебаний тока и напряжения в линии 2. В дорожном покрытии 18 уложены секции 8 неэкранированной электроизолированной тяговой линии с длиной секций l₀=1,2 км площадью сечения медного проводника 10 мм². Каждая секция 8 через 1,2 км соединена с экранированной питающей линией 2 через коммутатор 9 с блоком управления 10 и датчиком 11 нахождения электротранспортного средства 7 на дорожном покрытии 18. В качестве электротранспортного средства 7 использован троллейбус с тяговым электродвигателем 17 электрической мощностью 200 кВт, имеющий под днищем электроизолированный приемник 13. Приемник 13 выполнен из двух листов стклотекстолита, между которыми запрессована медная фольга толщиной 0,1 мм. Размеры приемника 13 2×4 м. Приемник 13 соединен экранированным кабелем с высоковольтным понижающим высокочастотным резонансным трансформатором Тесла 14 с напряжением на выходе 500 В. Выход трансформатора Тесла 14 соединен через выпрямитель 15 и инвертор 16 с тяговым электродвигателем 17. Инвертор 16 используют для управления тяговым электродвигателем 17. Потери на излучение в экранированной питающей линии 2 отсутствуют, в а неэкранированной тяговой линии 6 составляют для резонансной частоты f₀=25 кГц, l=12 км, l₀=1,2 км, к=0,1, эффективной плотности тока 2 А, электрической мощности 200 кВт, напряжении в линии 100 кВ Р_изл=10,048 Вт.

Предлагаемое устройство и способ передачи электрической энергии позволяет снизить потери на излучение при бесконтактной передаче электрической энергии на электротранспортное средство в 100-1000 раз по сравнению с известным устройством и способом, улучшить условия электрической безопасности за счет подачи напряжения на участки неэкранированной линии только в момент нахождения на участке электротранспортного средства.

Рассмотренное устройство и способ передачи электрической энергии может быть использован для бесконтактного электроснабжения электрических рикш, электрических автомобилей, трамваев и троллейбусов, электропоездов, электровелосипедов и электромотоциклов, шахтных электровозов и другого электротранспорта.

Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано для электропитания троллейбусов, электромобилей, трамваев, электротракторов, электровозов. В устройстве содержится источник энергии, преобразователь частоты, резонансный контур, повышающий резонансный высокочастотный трансформатор, тяговая однопроводниковая линия, установленная в непосредственной близости от приемника энергии электротранспортным средством, резонансный понижающий трансформатор, выпрямитель и инвертор. Устройство содержит питающую экранированную однопроводниковую линию, установленную параллельно направлению движения электротранспортного средства и соединенную с повышающим резонансным высокочастотным трансформатором. Тяговая однопроводниковая линия выполнена из изолированных друг от друга секций с длиной, значительно меньшей резонансной длины волны. В способе бесконтактной передачи электрической энергии осуществляют повышение частоты и напряжения, создание резонансных электрических колебаний в однопроводниковой линии и передачу электрической энергии методом электрической индукции через приемник на транспортное средство. Питающую экранированную линию соединяют с каждой изолированной секцией тяговой линии через электронный коммутатор с блоком управления и датчиком нахождения электротранспортного средства, который устанавливают в начале и конце каждой секции, посредством которого соединяют питающую экранированную линию с секцией тяговой линии при приближении электротранспортного средства к секции и отключают питающую экранированную линию при его удалении. Технический результат заключается в снижении потерь энергии и повышении КПД. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для бесконтактной передачи электрической энергии на электротранспортное средство, содержащее источник энергии, преобразователь частоты, резонансный контур, повышающий резонансный высокочастотный трансформатор, тяговую однопроводниковую линию, установленную в непосредственной близости от приемника излучения электротранспортного средства, резонансный понижающий высокочастотный трансформатор, выпрямитель и инвертор, соединенный с тяговым электродвигателем, установленные на электротранспортном средстве, отличающееся тем, что устройство содержит дополнительно питающую экранированную однопроводниковую электроизолированную линию, установленную стационарно параллельно направлению движения электротранспортного средства и соединенную с повышающим резонансным высокочастотным трансформатором, экран питающей линии выполнен из отдельных изолированных друг от друга участков, длина которых много меньше резонансной длины волны λ₀ тока и напряжения в питающей линнии, а тяговая однопроводниковая линия выполнена из изолированных друг от друга секций с длиной l₀, значительно меньшей резонансной длины волны λ₀ тока и напряжения в линии l₀<<λ₀, l₀=кλ₀, где к=0,001-0,1, каждая секция с длиной волны l₀ соединена с питающей линией через электронный коммутатор с блоком управления и датчиком нахождения электротранспортного средства в данной секции.

2. Способ бесконтактной передачи электрической энергии на электрическое транспортное средство путем повышения электрической энергии источника энергии по частоте и напряжению, создания резонансных электрических колебаний в однопроводниковой линии и передачи электрической энергии методом электрической индукции через приемник на электротранспортное средство, понижения напряжения и частоты до параметров тягового электродвигателя, отличающийся тем, что тяговую однопроводниковую линию разделяют на изолированные друг от друга секции с длиной l₀, значительно меньшей длины волны λ₀ резонансных колебаний тока и напряжения l₀<<λ₀, l₀=кλ₀, к=0,001-0,1, а электрическую энергию в резонансном режиме передают на изолированные секции тяговой линии от питающей экранированной линии, начало которой соединяют с повышающим резонансным высокочастотным трансформатором Тесла, питающую экранированную линию соединяют с каждой изолированной секцией тяговой линии через электронный коммутатор с блоком управления и датчиком нахождения электротранспортного средства, которые устанавливают в начале и конце каждой секции, посредством электронного коммутатора соединяют питающую экранированную линию с секцией тяговой линии при приближении электротранспортного средства к секции и отключают питающую экранированную линию при удалении электротранспортного средства от границы секции.