ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2158206

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АГРЕГАТА

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОБИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО АГРЕГАТА

Имя изобретателя: Стребков Д.С.; Авраменко С.В.; Некрасов А.И. 
Имя патентообладателя: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства
Адрес для переписки: 109456, Москва, 1-й Вешняковский пр., д.2, ВИЭСХ, ОНТИ и патентования
Дата начала действия патента: 1999.04.15 

Изобретение относится к электроснабжению электрического транспорта и предназначено для использования при реализации электропитания электротракторов, электропогрузчиков и других мобильных электроагрегатов и электротранспортных средств. В данном техническом решении электрическую энергию источника повышают по напряжению и частоте, преобразуют в электрическую энергию свободных зарядов и через передающее устройство осуществляют перемещение свободных зарядов от источника к приемнику под действием кулоновских сил по тонкому гибкому проводнику. У приемника преобразуют энергию свободных электрических зарядов в энергию переменного или постоянного тока. Устройство характеризуется малой металлоемкостью, высокой надежностью и малыми энергозатратами. Это предопределяет увеличение длины хода мобильного электрического агрегата и его повышенную маневренность.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к устройству для электроснабжения электрического транспорта и может быть использовано для электропитания электротракторов, электропогрузчиков и других мобильных электроагрегатов и электротранспортных средств.

Известно устройство для электроснабжения электропогрузчика с гибким кабелем, проходящем через водило, расположенное на барабане с электроприводом, закрепленном на поворотной площадке через токосъемное устройство на тяговый электропривод (а.с. СССР N 573443, МКИ B 60 L 9/04, 1977, БИ N 35).

Недостатком данного устройства, содержащего 4-жильный кабель и барабан с кабелеприемным устройством, является большая металлоемкость. Другим недостатком этого устройства является большой расход проводникового материала в гибком медном четырехжильном кабеле.

Известно устройство для передачи электроэнергии по одному проводу, разработаннoe Н. Тесла в 1900 г. В этом устройстве энергия от электрической станции поступает на искровой разрядник, соединенный параллельно с трансформатором Тесла. Один конец вторичной обмотки трансформатора Тесла соединен с землей, а второй конец с нагрузкой, выполненной в виде конденсатора сферической или тороидальной формы, установленного на изолирующей подставке.

Трансформатор Тесла, изобретенный в 1891 г., представляет собой бессердечниковый или с незамкнутым сердечником трансформатор, первичная обмотка которого расположена снаружи или соосно со вторичной обмоткой. Вторичная обмотка состоит из большого числа витков медной тонкой изолированной проволоки. Один конец вторичной обмотки остается свободным, а второй при передаче напряжения высокой частоты на первичную обмотку присоединяется к линии. В высоковольтной вторичной обмотке в условиях резонанса возникают высокочастотные колебания, колебания напряжением до 7Ч106 В (N.Tesla, Lectures, Patents, Articles, Beograd, 1956). Теория и конструкция трансформатора Тесла разработана немецким ученым П.Друде в 1904-1905 годах. При подаче электрического напряжения на искровой разрядник на вторичной обмотке трансформатора Тесла генерируется высокое напряжение высокой частоты (до 1000000 В, 250 кГц), которое вызывает появление высокого напряжения на конденсаторе.

Недостатком известного устройства является его использование для электроснабжения только стационарных объектов. Другим недостатком является использование разрядника в качестве высокочастотного генератора и отсутствие устройства, позволяющего изменять частоту и напряжение на нагрузке, и использовать в качестве нагрузки стандартные электрические приборы, работающие на постоянном или переменном токе.

В качестве такого устройства, позволяющего изменять частоту или напряжение на нагрузке у потребителя и использовать стандартные электрические приборы, может быть применен понижающий трансформатор Тесла или известный диодно-конденсаторный блок, который используется в схемах удвоения напряжения и выполнен из двух встречно включенных диодов, соединенных с конденсатором, общая точка диодов соединена с источником питания (Электротехнический справочник, 1971 г., изд-во Энергия, т. 1, с. 871). При подаче на диодно-конденсаторный блок переменного напряжения положительная волна переменного реактивного тока идет на одну обкладку конденсатора, а отрицательная на другую обкладку. Конденсатор будет накапливать заряды, пока напряжение на его выводах не достигнет положительной и отрицательной амплитуды переменного напряжения на общей точке диодов, тогда диоды окажутся запертыми, и заряд конденсатора прекратится. Так работает известная схема выпрямителя с удвоением напряжения.

Недостатком всех известных устройств для электроснабжения является то, что они обладают большой металлоемкостью, высокими энергозатратами и низкой надежностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является устройство электроснабжения мобильного электроагрегата, обеспечивающего подачу электрической энергии на тяговый электропривод по четырехжильному гибкому кабелю при помощи кабелеприемного устройства барабанного типа для растила и подбора кабеля ("Применение электрической энергии в сельскохозяйственном производстве". Справочник. - М.: Колос, 1974, под ред. П.Н. Листова).

Недостатком данного устройства электроснабжения мобильного электроагрегата, состоящего из 4-жильного кабеля и барабана с кабелеприемным устройством массой около 3 т, является большая материалоемкость и металлоемкость. Другими недостатками устройства является малая маневренность и длина хода электроагрегата, определяемая расстилаемым по земле или специальному каналу кабелем, а также большие затраты и потери при передаче электрической энергии на перемещение и вращение барабана с кабелем, малый срок службы и низкая надежность работы в связи с повышенным износом расстилаемого и подбираемого кабеля.

Задачей предлагаемого изобретения является создание устройства для электроснабжения мобильного электроагрегата с малой металлоемкостью, высокой надежностью и малыми энергозатратами, увеличенной длиной хода и маневренностью мобильного электроагрегата, увеличения срока службы и снижения массы.

Вышеуказанный результат достигается тем, что для электроснабжения мобильного электроагрегата преобразователь электрической энергии источника энергии в энергию электрического поля свободных зарядов выполнен в виде высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла, один конец вторичной обмотки которого соединен через передающее устройство с гибким проводником, а другой конец проводника соединен через приемник с приемно-согласующим устройством, выполненным в виде понижающего высокочастотного трансформатора Тесла или диодно-конденсаторного блока, установленных на мобильном электроагрегате.

Для увеличения срока службы устройства электроснабжения проводник выполнен в виде гибкой проволоки диаметром 0,5-5 мм из проводящего материала с высокой прочностью на разрыв, изгиб и кручение.

Для снижения потерь на корону проводник заключен в электроизоляционную оболочку.

В одном из вариантов устройства электроснабжения оболочка проводника выполнена из крученых нитей из особо прочной пластмассы. Для увеличения длины хода и маневренности мобильного электроагрегата передающее устройство у источника энергии и приемник у мобильного электроагрегата выполнены в виде мачты из электроизоляционного материала, на вершине каждой из которых установлены поворотный блок, выполненный в виде двух колец из электропроводящего материала, верхнее из которых имеет ось вращения, совпадающее с осью мачты и электрически соединено с тонким гибким проводником, а нижнее кольцо неподвижно и соединено кабелем с обмоткой трансформатора Тесла или диодно-конденсаторным блоком.

В другом варианте устройства электроснабжения поворотный блок установлен на изоляторах на вершине мачты.

Еще в одном варианте устройства на верхнем кольце поворотного блока установлена катушка с горизонтальной осью вращения, которая соединена с валом электродвигателя привода катушки с помощью электроизолированной муфты.

В другом варианте устройства верхнее кольцо поворотного блока снизу соединено через электроизолированную муфту с вертикально установленным валом второго электродвигателя, закрепленного на мачте.

Для увеличения высоты подвеса проводника и длины свободного перемещения мобильного электроагрегата тонкий гибкий проводник подвешен по крайней мере в одной точке к легкой оболочке, заполненной газом с плотностью, меньшей, чем плотность воздуха.

Для увеличения маневренности мобильного электроагрегата проводник подвешен на змейковом аэростате, который закреплен на тросе к мачте передающего устройства.

В другом варианте конструкции змейковый аэростат с подвешенным к нему проводником закреплен на мачте приемника.

Для повышения устойчивости в условиях воздействия ветровых нагрузок оболочка имеет форму диска, а точка подвеса проводника расположена на краю диска.

В другом варианте конструкции проводник закреплен по всей длине к нескольким соединенным между собой протяженным оболочкам малого диаметра, заполненным газом с плотностью, меньшей, чем плотность воздуха.

Для обеспечения устойчивости расположения тонкого гибкого проводника между источником и приемником энергии на газонаполненной оболочке установлен пропеллер с приводом радиоуправляемого электродвигателя, который соединен с тонким гибким проводником через понижающий трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок.

Сущность устройства для электроснабжения мобильного электрического агрегата и принцип его работы поясняется фиг. 1-7.

На фиг. 1 представлена общая блок-схема устройства для электроснабжения мобильного электрического агрегата.

На фиг. 2 - конструкция передающего устройства и приемника с поворотным блоком из двух колец, установленных на мачтах.

На фиг. 3 - конструкция приемника с поворотным блоком, содержащим катушку с горизонтальной осью вращения и два электродвигателя для вращения катушки вокруг горизонтальной и вертикальной осей.

На фиг. 4 - конструкция устройства энергоснабжения с закреплением проводника на оболочке, заполненной легким газом с плотностью, меньшей, чем плотность воздуха.

На фиг. 5 - конструкция устройства электроснабжения с тремя газонаполненными оболочками для подвеса проводника.

На фиг. 6 - конструкция устройства электроснабжения с множеством газонаполненных оболочек для подвеса проводника по всей длине.

На фиг. 7 - конструкция устройства электроснабжения, в котором на газонаполненной оболочке установлен пропеллер с приводом от электродвигателя.

блок-схема устройства для электроснабжения мобильного электроагрегата

На фиг. 1 показана блок-схема устройства для электроснабжения мобильного электроагрегата.

Электрическую энергию от источника энергии 1 повышают по частоте в преобразователе частоты 2 и по напряжению с помощью трансформатора Тесла 3 преобразуют в электрическую энергию свободных зарядов и под действием кулоновских сил по кабелю 4 осуществляют перемещение свободных зарядов к передающему устройству 5, и затем по тонкому гибкому проводнику 6 к приемнику 7 и затем по кабелю 8 к приемно-согласующему устройству 9. Свободные заряды перемещаются от точки "a" с высоким потенциалом к точке "в" с более низким потенциалом вдоль эквипотенциальных линий электрического поля, поэтому работа по их перемещению равна нулю, и равна нулю энергия Джоуля в незамкнутом проводнике 6. Из-за отсутствия джоулевых потерь диаметр проводника 6 можно выбрать сколько угодно малым и сделать его из сплавов металлов с высокой прочностью на разрыв, изгиб и кручение, не обращая внимания на его электрическое сопротивление.

В приемно-согласующем устройстве энергию свободных зарядов преобразуют в энергию постоянного тока или переменного тока заданной частоты, который используют для электроснабжения мобильного электроагрегата 10. При наличии нагрузки, например, в виде системы электропривода агрегата 10 в точке "в" происходит снижение количества (сток) свободных зарядов, и поэтому потенциал точки "в" будет меньше потенциала точки "a". При отсутствии стока зарядов в точке "в", что соответствует отсутствию нагрузки, плотность зарядов и потенциал вдоль линии становятся одинаковыми и передача электроэнергии прекращается, а в линии устанавливается стационарный режим резонансных колебаний в контуре, состоящем из индуктивности трансформатора Тесла 3 и емкости проводника 6.

На фиг. 2 электрическая энергия от источника энергии поступает на преобразователь частоты 2 и затем на повышающий высокочастотный трансформатор Тесла 3. Один из выводов 11 вторичной обмотки трансформатора Тесла 3 соединен кабелем 4 с проводником 6 через передающее устройство 5. Передающее устройство 5 состоит из мачты 12, на вершине которой на изоляторах 13 установлен поворотный блок 14, который состоит из нижнего неподвижного кольца 16, которое может поворачиваться вокруг вертикальной оси. Один конец проводника 6 присоединен к подвижному кольцу 16 поворотного блока 14. Другой конец проводника 6 присоединен к подвижному кольцу 16 поворотного блока 14. Другой конец проводника 6 закреплен на подвижном кольце 17 поворотного блока 18 приемника 7, установленного на мобильном электроагрегате 10. Приемник 7 состоит из мачты 19, на которой на изоляторах 20 установлены неподвижное 21 и подвижное кольцо 17, находящиеся в контакте друг с другом. К неподвижному кольцу 21 присоединен кабель 8. Другой конец кабеля 8 присоединен к приемно-согласующему устройству 9, выполненному в виде диодно-конденсаторного блока 22, состоящего из двух встречно включенных диодов 23 и 24, имеющих общую точку соединения с кабелем 8.

Другие выводы диодов 23 и 24 подключены к конденсатору 25 и через диод 26 к системе управления 27 и электропривода 28 мобильного электроагрегата 10.

Если мачты 12 и 19 выполнены из электроизоляционного материала, то изоляторы 13 и 20 могут отсутствовать.

На фиг. 3 приемник 7 выполнен в виде катушки 29, установленной на раме 30, соединенной с электродвигателем 31 привода катушки 29 через электроизолированную муфту 32. Проводник 6 закреплен на катушке 29.

Электродвигатель 31 изолирован от рамы катушки 29 с помощью изоляторов 33. Рама 30 катушки 29 установлена на изоляторах 34, закрепленных на поворотной площадке 35. Поворотная площадка 35 может вращаться вокруг вертикальной оси на подшипниках 36 с помощью электродвигателя 37 и редуктора 38, закрепленных на мачте 19.

Кабель 8 имеет скользящий контакт 39 с рамой 30, на которой установлена катушка 29. Рама 30 и катушка 29 выполнены из электропроводящего материала. Электродвигатель 31 получает электроэнергию с помощью кабеля 40. Электродвигатель 37 получает электроэнергию по кабелю 41. Кабели 8, 40 и 41 проходят внутри мачты 19 к системе управления электроагрегата.

В другом варианте конструкции электродвигатель 37 и редуктор 38 вращения вокруг вертикальной оси могут отсутствовать.

 

На фиг. 4 тонкий гибкий проводник 6, соединяющий передающее устройство 5 через поворотные блоки 14 и 18 с транспортным средством 10, подвешен в средней точке 42 к легкой оболочке 43, заполненной газом, плотность которого меньше плотности воздуха. Оболочка 43 выполнена в виде диска для снижения воздействия ветра.

На фиг. 5 проводник 6, соединяющий передающее устройство 5 через поворотные блоки 14 и 18 с транспортным средством 10, закреплен в трех точках 44, 45, 46 к трем легким оболочкам 47, 48 и 49, заполненной газом, плотность которого меньше плотности воздуха. Одна из точек закрепления 45 совпадает с серединой длины проводника, а две другие точки 44 и 46 подвеса расположены над мачтами передающего устройства и приемника 7.

На фиг. 6 проводник 6, соединяющий передающее устройство 5 через поворотные блоки 14 и 18 с транспортным средством 10, закреплен по всей длине к нескольким протяженным оболочкам 50 малого диаметра, заполненным газом с плотностью меньшей, чем плотность воздуха.

На фиг. 7 гибкий проводник 6, соединяющий передающее устройство 5 через поворотные блоки 14 и 18 с транспортным средством 10, закреплен на легкой оболочке 51, имеющей пропеллер 52 с приводом от электродвигателя 53, соединенный с поворотным блоком 14 тросом 54.

Для снижения потерь на корону проводник может быть заключен в легкую электроизоляционную оболочку. Оболочка проводника может быть выполнена из крученых нитей из особо прочной пластмассы.

Примеры выполнения способа электроснабжения мобильного электроагрегата.

Пример 1. Мобильный электроагрегат 10 выполнен на основе гибридного дизель-электрического трактора МТЗ-80 и имеет мощность дизеля 55 кВт и электропривода 55 кВт. Электропривод выполнен на основе вентильного электродвигателя 28 массой 60 кг с системой управления 27 с номинальным напряжением 220 В.

Гибридный трактор может передвигаться с помощью дизельного двигателя или электропривода постоянного тока. Электрическая энергия от трехфазной сети 380/220 В передается на преобразователь частоты 2 частотой 30 кГц и затем на трансформатор Тесла 3 напряжением 220/400 В. Один из выводов 11 вторичной обмотки трансформатора Тесла 3 соединен с помощью кабеля с передающим устройством, установленном на складывающейся мачте 12 диаметром 0,15 м, высотой 10 м. В качестве проводника 6 используется провод из легированной стали диаметром 0,5 мм, длиной 1000 м. На вершине мачты 12 передающего устройства 5 установлена катушка 29 с приводом от электродвигателя 31 мощностью 0,5 кВт (фиг. 3). Катушка 29 имеет диаметр 0,2 м без намотанного проводника 6 и 0,4 м с намотанным проводником 6 и длину 0,2 м.

Электродвигатель 31 привода катушки 29 установлен на изоляторах 34 и соединен с валом катушки 29 через электроизолированную муфту 32. Питание электродвигателя 31 осуществляется от источника электроэнергии 1 с помощью кабеля 40. Катушка 29 установлена на раме 30, которая закреплена на поворотной площадке 35 приемника 7. Катушка 29 снабжена датчиком натяжения проводника 6, который обеспечивает автоматическое регулирование вращения электродвигателя 31 привода катушки 29 и натяжение проводника 6.

Приемник 7, установленный на электротракторе 10, имеет мачту 19 высотой 6 м и диаметром 1 м, которая складывается при движении трактора с приводом от дизельного двигателя. На верхнем основании мачты 19 установлен поворотный блок 18, выполненный в виде подвижного кольца 17 из нержавеющей стали диаметром 0,12 м, установленного на подшипниках на неподвижном кольце 21. Неподвижное кольцо 21 соединено кабелем 8 с диодно-конденсаторным блоком 22.

Система управления 27 и вентильный электродвигатель 28 соединены с конденсатором 25 диодно-конденсаторного блока 9 через диод 26 (фиг. 2) и работают на постоянном токе.

Пример 2. Мобильный электроагрегат 10 соединен с передающим устройством 5 с помощью проводника 6 из оцинкованной легированной стальной проволоки диаметром 1 мм, длиной 500 м.

Масса проводника составляет 3,1 кг, разрывное усилие 200 кг. В средней части проводника установлена оболочка 43 в виде диска, наполненная водородом (фиг. 4). Объем оболочки составляет 5 м3.

В другом варианте исполнения (фиг. 5) проводник 6 подвешен к трем оболочкам 47, 48 и 49, в точках 44, 45 и 46.

Пример 3. Мобильный электроагрегат 10 соединен с поворотным блоком 14 с помощью проводника 6 из легированной стали диаметром 0,5 мм, общей длиной 1000 м (фиг. 6). Проводник 6 подвешен по всей длине к соединенным между собой протяженным оболочкам 50. Каждая оболочка 50, имеющая длину 10 м и диаметр 0,25 м, заполнена водородом.

Масса проводника 6 из оцинкованной проволоки диаметром 0,5 мм, длиной 1000 м составляет 166 кг, разрывное усилие 60 кг.

Пример 4. Мобильный электроагрегат 10 соединен с передающим устройством 5 с помощью проводника 6 из оцинкованной легированной стальной проволоки диаметром 2 мм, длиной 1 км. Масса проводника составляет 25 кг, разрывное усилие 750 кг. Над передающим устройством на отдельном тросе на высоте 100 м установлен змейковый аэростат 51 объемом 50 м3, к которому присоединен проводник 6. Приемник 7 мобильного электроагрегата 10 имеет катушку 29, на которой намотан проводник 6.

Пример 5. Змейковый аэростат 51 имеет электродвигатель 53 (фиг. 7) мощностью 1 кВт, на валу которого закреплен воздушный винт. Электродвигатель 53 присоединен к проводнику 6 через диодно-конденсаторный блок 22 (фиг. 2).

В предлагаемом способе электроснабжения мобильного электроагрегата энергия электромагнитного поля передается вдоль проводника 6, который является направляющей системой для электромагнитных волн. Длина волны для частоты 30 кГц составляет 10 км, что значительно (в 10-20 раз) превышает длину проводника 6. При частоте 10-30 кГц потери на излучение малы. Потери на сопротивлении линии также малы, так как в линии отсутствуют токи проводимости, циркулирующие в обычной двухпроводной или трехфазной замкнутой линии, это позволяет снизить диаметр проводника 6 в 10-20 раз и увеличить длину проводника до 500-1000 м.

Другим существенным преимуществом предлагаемого способа и устройства электроснабжения мобильного электроагрегата является то, что проводник 6 располагают в воздухе, а не на земле, а поворотные блоки 14 и 18 и катушка 29 выполнены из проводящего материала и имеют тот же потенциал, что и проводник 6. Оба отличия позволяют снизить вес проводника 6 и катушки в 100-1000 раз по сравнению с мобильным электроагрегатом с кабельным барабаном.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство для электроснабжения мобильного электрического агрегата, содержащее источник электрической энергии, соединенный через высоковольтный трансформатор Тесла и передающее устройство проводником с приемником мобильного электрического агрегата, отличающееся тем, что проводник выполнен в виде гибкой проволоки диаметром 0,5-5 мм из высокопрочного проводящего материала, а передающее устройство у источника энергии и приемник у мобильного агрегата - с мачтами из электроизоляционного материала, на вершине каждой из которых установлен поворотный блок, включающий в себя два кольца из электропроводящего материала, верхнее из которых имеет ось вращения, совпадающую с осью мачты, и электрически соединено с гибким проводником, а нижнее кольцо неподвижно и соединено с обмоткой трансформатора Тесла или диодно-конденсаторным блоком.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что каждая мачта изготовлена из проводящего материала, а поворотный блок установлен на изоляторах на вершине мачты.

3. Устройство по п. 2 или 3, отличающееся тем, что на верхнем кольце каждого поворотного блока установлена катушка с горизонтальной осью вращения, которая соединена с валом электродвигателя привода катушки с помощью электроизолированной муфты.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что верхнее кольцо каждого поворотного блока снизу соединено через электроизолированную муфту с вертикально установленным валом второго электродвигателя, закрепленного на мачте.

5. Устройство по любому из пп.1 - 4, отличающееся тем, что гибкий проводник подвешен, по крайней мере, к одной легкой оболочке, заполненной газом с плотностью, меньшей, чем плотность воздуха.

6. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что проводник закреплен на змейковом аэростате, подвешенном на тросе к мачте передающего устройства.

7. Устройство по любому из пп.1 - 6, отличающееся тем, что змейковый аэростат с подвешенным к нему проводником закреплен на тросе на мачте приемника.

8. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что газонаполненная оболочка имеет форму диска, а точка подвеса проводника расположена на краю диска.

9. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что проводник прикреплен по всей длине к нескольким соединенным между собой протяженным оболочкам малого диаметра, заполненным газом с плотностью, меньшей, чем плотность воздуха.

10. Устройство по любому из пп.1 - 9, отличающееся тем, что на газонаполненной оболочке установлен пропеллер с приводом от дистанционно управляемого электродвигателя, который соединен с гибким проводником через понижающий трансформатор Тесла или диодно-конденсаторный блок.

11. Устройство по любому из пп.1 - 10, отличающееся тем, что гибкий проводник заключен в электроизоляционную оболочку, выполненную из крученых нитей из прочной пластмассы.

Версия для печати
Дата публикации 28.04.2007гг


вверх