способ питания электрических транспортных средств и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ питания электротранспортных средств, предусматривающий подачу электрической энергии через высоковольтный высокочастотный преобразователь и однопроводниковую контактную сеть к индивидуальным токоприемникам транспортных средств, отличающийся тем, что подачу питания к электротранспортному средству осуществляют методом электростатической индукции через воздушный промежуток между изолированной однопроводниковой линией, установленной в дорожном покрытии или в земле непосредственно около поверхности, и токоприемником, установленным под днищем электротранспортного средства, от резонансной однопроводниковой системы электропитания на частоте 0,1-100 кГц и напряжении в линии 0,5-500 кВ, напряжение на токоприемнике понижают, преобразуют в напряжение постоянного тока, аккумулируют электрическую энергию и преобразуют электрическую энергию в механическую энергию перемещения транспортного средства.

2. Устройство электропитания электротранспортного средства, содержащее источник электрической энергии, к которому присоединен преобразователь частоты, однопроводниковую линию для каждой полосы движения и токоприемники электротранспортных средств, отличающееся тем, что устройство выполнено в виде резонансной электрической системы с резонансной частотой 0,1-100 кГц и напряжением однопроводниковой линии 0,5-500 кВ с воздушным зазором 0,1-50 м между электроизолированной от земли однопроводниковой линией, установленной в дорожном покрытии или земле в непосредственной близости от поверхности, и токоприемником, установленным под днищем транспортного средства, устройство содержит два резонансных контура, один передающий и один приемный, 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, аккумулятор и блок управления - к электродвигателю электротранспортного средства.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам электроснабжения электрического транспорта и может быть использовано для электропитания троллейбусов, электромобилей, электропогрузчиков, трамваев, электротракторов, электровозов и других электротранспортных средств.

Известен способ питания рельсового электротранспортного средства, например трамвая и электропоезда, предусматривающий передачу электрической энергии по однопроводной контактной сети через токосъемник на транспортные средства, преобразование электрической энергии сети до заданных значений и подачи ее на тяговые электродвигатели (а.с. СССР № 1729843, МКИ 6 В60L 9/08, БИ № 16, 1992). Недостатком данного способа электроснабжения рельсового транспортного средства является большая металлоемкость устройства, необходимого для осуществления способа, состоящего из двухпроводной токопроводящей линии, содержащей контактный провод и металлический рельс.

Другим недостатком является невозможность использования данного способа для питания нерельсового электротранспорта, например электромобиля или троллейбуса.

Известен способ питания электротранспортного средства путем подачи электрической энергии через двухпроводную контактную сеть, штанговые троллейные токоприемники на тяговые электродвигатели (а.с. СССР № 1440767, МКИ 6 В60L 5/34, БИ № 44, 1988).

Недостатком данного способа является большой расход проводникового материала. Другим недостатком является низкая надежность работы троллейного токоприемника, особенно при движении с большой скоростью и при изменении направления и рядности движения.

Известен способ бесконтактной 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 является 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 точке перекрещивания тяговых кабелей в приемнике не наводится Э.Д.С. Из-за высокой стоимости и низкого к.п.д. 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 питания к однопроводной контактной сети, расположенной над каждой полосой (рядом) движения электротранспортного средства, подключения указанной контактной сети через определенное расстояние к выводу одного или нескольких высоковольтных высокочастотных электростатических генераторов свободных электрических зарядов, генерации и перемещения этих электрических зарядов и связанной с ними энергии электрического поля в резонансном режиме через контактную сеть и токоприемники, к электротранспортному средству, и обратного преобразования энергии электрического поля свободных зарядов в энергию электрического переменного тока, которую используют для электропривода транспортного средства.

Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник электрической энергии, высокочастотный преобразователь и высоковольтный электростатический генератор электрических зарядов, соединенный с однопроводной контактной сетью, состоящей из множества параллельных проводов, установленных над каждой полосой движения автострады и электротранспортных средств с выдвигающимися токоприемниками, каждые из которых имеют приемносогласующее устройство, диодный блок, преобразователь постоянного тока в переменный, соединенный с блоком управления и вентильным электродвигателем электротранспортного средства (пат. РФ №2136515 С1, В60L 9/00, БИ №25, 10.09.99).

Использование известного способа и устройства питания электротранспортного средства обеспечивает повышение эффективности, надежности работы, увеличение срока службы, уменьшение потерь энергии и обеспечение многорядного движения электротранспортных средств по автостраде. Недостатком известного способа является наличие однопроводного троллея, ограничивающего возможности перемещения транспортного средства и его надежность.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления, характеризующееся высокой надежностью и малыми потерями и обеспечивающего высокую маневренность электротранспортного средства при многополосном (многорядном) движении.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность питания электротранспортных средств с резиновыми и другими колесами из электроизоляционного и проводящего материала при многорядном движении электротранспортных средств по автостраде.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе питания электротранспортных средств, предусматривающем подачу электрической энергии через высоковольтный высокочастотный преобразователь и однопроводниковую контактную сеть к индивидуальным токоприемникам транспортных средств, подачу питания к электротранспортному средству осуществляют методом электростатической индукции через воздушный промежуток между изолированной однопроводниковой линией, установленной в дорожном покрытии или земле непосредственно около их поверхности, и токоприемником, установленным под днищем электротранспортного средства, от резонансной однопроводниковой системы электропитания с использованием переменного электростатического поля с частотой 0,1-100 кГц и напряжением в линии 0,5-500 кВ, напряжение на токоприемнике понижают, преобразуют в напряжение постоянного тока, аккумулируют электрическую энергию и преобразуют электрическую энергию в механическую энергию перемещения транспортного средства.

Устройство, реализующее данный способ электропитания электротранспортного средства, содержащее источник электрической энергии, к которому присоединен преобразователь частоты, и однопроводниковую линию для каждой полосы движения и токоприемники электротранспортных средств, выполнено в виде резонансной электрической системы с частотой 0,1-100 кГц и напряжением однопроводниковой линии 0,5-500 кВ с воздушным зазором 0,1-50 м между электроизолированной от земли однопроводниковой линией, установленной в дорожном покрытии или в земле в непосредственной близости от поверхности, и токоприемником, установленным под днищем транспортного средства, устройство содержит два резонансных контура, один передающий и один приемный, настроенных на одинаковую частоту f₀=0,1-100 кГц, вход передающего контура присоединен к преобразователю частоты, а выход через резонансный повышающий трансформатор, однопроводниковую линию и 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, аккумулятор и блок управления к электродвигателю электротранспортного средства.

Сущность предлагаемого способа питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления поясняется чертежом, на котором изображена общая схема устройства, реализующего заявленный способ питания электротранспортных средств методом электростатической индукции через воздушный зазор между однопроводниковой кабельной линией в дорожном покрытии и токоприемником, установленным под днищем транспортного средства.

Устройство на чертеже содержит источник электрической энергии 1 повышенной частоты и резонансную электрическую систему, состоящую из двух резонансных контуров, передающего 2 и приемного 3, и двух резонансных высокочастотных трансформаторов 4 и 5, соединенных однопроводниковой линией 6, установленной между повышающим 4 и понижающим 5 трансформаторами. Один из выводов 7 высоковольтной обмотки 8 понижающего высокочастотного трансформатора 5 соединен с естественной емкостью 9. Источник электрической энергии 7, резонансный контур 2, высокочастотный трансформатор 4 и однопроводниковая линия 6 установлены стационарно, а резонансный контур 3, высокочастотный трансформатор 5 установлены на транспортном средстве 10. Стационарная и передвижная часть резонансной системы соединены с помощью воздушного конденсатора 11, одна из обкладок которого выполнена стационарно в виде однопроводниковой линии 6 в дорожном покрытии 12, а вторая обкладка выполнена перемещающейся в виде плоского токоприемника 13, установленного под днищем 14 транспортного средства 10. Расстояние а между обкладками воздушного конденсатора составляет 0,1-1 м. Однопроводниковая линия 6 установлена в дорожном покрытии 12 под каждым рядом движения и снабжена электрической изоляцией 15. Токоприемник 13 установлен под днищем транспортного средства 10 на изоляторах 16 с воздушным зазором а относительно дорожного покрытия 12 и однопроводниковой линии 6 и соединен с приемным резонансным контуром 3, выход 17 которого соединен через выпрямитель 18 аккумулятор 19 и блок управления 20 с электродвигателем 21 транспортного средства 10. В качестве естественной емкости 9 может быть использовано изолированное проводящее тело или корпус транспортного средства.

Способ реализуется следующим образом.

К источнику электрической энергии 1 повышенной частоты присоединяют передающий резонансный контур 2, состоящий из конденсатора 22, индуктивной катушки 23 и низковольтной обмотки 24 повышающего трансформатора 4. Электрические колебания тока и напряжения в режиме резонанса повышают по частоте до 0,1-100 кГц и по напряжению до 0,4-500 кВ и направляют по однопроводниковой электроизолированной линии 6 вдоль дорожного покрытия 12, по которому перемещается транспортное средство 10.

На чертеже показаны два ряда движения. Направления зарядов вдоль однопроводниковой линии 6 в каждом ряде движения показаны знаком +.

В однопроводниковой линии возникают стоячие волны в виде пучностей и узлов напряжения и тока. При полуволновой длине линии пучность напряжения располагается приблизительно в середине линии 6, а пучности тока сдвинуты на 90° или на относительно пучностей напряжения и располагают на краях линии, на выводах 7 и 25 резонансных трансформаторов 4 и 5. Фазовый сдвиг между волнами тока и напряжения приводит к появлению свободных электрических зарядов в линии 6, которые перемещаются вдоль линии 6 от источника энергии 1 к потребителю - электродвигателю 21, приводящему в движение колеса 26 транспортного средства 10. Благодаря электростатической индукции и использованию переменного электростатического поля через воздушный конденсатор в токоприемнике 15 формируют электрический заряд и ток, которые поступают через понижающий трансформатор 5 в приемный резонансный контур 3, который настроен на частоту f₀=0,1-100 кГц передающего контура 2, электрические колебания тока и напряжения в приемном резонансном контуре 3 выделяются на резонансной частоте f ₀ и поступают через выпрямитель 18, аккумулятор 19 и блок управления 20 на тяговый электродвигатель 21 транспортного средства 10.

Электрическая мощность, которая передается через воздушный конденсатор 13 с емкостью с на транспортное средство 10, определяется по формуле:

где V - напряжение в линии 6.

Принимая f ₀=5 кГц, с=10·10^-9Ф, V=10 кВ, получим Р_эл=31,4 кВт.

Преимущество предлагаемого способа электропитания электротранспортных средств при подземной прокладке однопроводниковой линии 6 заключается в освобождении дороги от опор, тросов, проводов и троллеев и в возможности электропитания грузовых и легковых автомашин, автобусов, инвалидных колясок, внутрискладского транспорта. Однопроводниковая линия 6 выполняется изолированной и безопасна в отличие от голого контактного провода при троллейном способе электропитания. Предлагаемые способ и устройство электропитания электротранспортных средств имеют более высокую надежность по сравнению с троллейным способом электропитания благодаря отсутствию износа и искрения при бесконтактном методе передачи электроэнергии.