CC BY
8ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ, СИСТЕМЫ, МАТЕРИАЛЫ И ПРИБОРЫ
ENERGY-SAVING TECHNOLOGIES, SYSTEMS, MATERIALS, AND INSTRUMENTS
Статья поступила в редакцию 06.02.14. Ред. рег. № 1927
The article has entered in publishing office 06.02.14. Ed. reg. No. 1927
УДК 621.389
ЭЛЕКТРОИНДУКЦИОННАЯ БЕСПРОВОДНАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МОБИЛЬНЫХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ЭЛЕКТРОАГРЕГАТОВ
В.З. Трубников, А.И. Некрасов
Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства ВИЭСХ, г. Москва, 1-й Вешняковский проезд, д.2, тел. 8 (499) 171-85-40, e-mail: viesh@dol.ru; korsakova36@mail.ru
Заключение совета рецензентов 14.02.14 Заключение совета экспертов 21.02.14 Принято к публикации 28.02.14
Представлен электроиндукционный метод энергоснабжения мобильных агрегатов, предназначенный для передачи электрической энергии подвижному техническому средству. Дается описание бесконтактной энергоприемопередающей установки, содержащей преобразователь частоты, передающий повышающий высокочастотный резонансный трансформатор, энергопередающую линию, расположенную в дорожном покрытии в месте движения электроагрегата, и энергоприемное устройство мобильного средства. Приводится анализ результатов испытаний макетного образца установки. В разработанном методе передачи электрической энергии в качестве транслятора энергии работает реактивное электромагнитное поле, генерируемое питающим электроиндукционным устройством. Применение технологии бесконтактной передачи электроэнергии на мобильные агрегаты позволит исключить затраты на сооружение контактных сетей или специальных барабанов для приёма кабелей, обеспечить более высокую надежность и снизить отрицательное влияние транспорта на окружающую среду.
Ключевые слова: высокочастотный генератор, резонансная электроиндукционная система, бесконтактная передача электроэнергии.
ELECTROINDUCTION WIRELESS SYSTEM OF POWER SUPPLY OF MOBILE AGRICULTURAL ELECTRICAL UNITS
V.Z Trubnikov, A.I. Nekrasov
All-Russian institute of electrification of agriculture 2 Veshnyakovskiy dr., Moscow, 109456, Russia Tel.: 8 (499) 171-85-40, e-mail: viesh@dol.ru; korsakova36@mail.ru
Referred 14.02.14 Expertise 21.02.14 Accepted 28.02.14
The electroinduction method for power supply of mobile units is proposed. This method is designed to transmit electrical energy to mobile unit. The description of the contactless receiving/transmitting device is presented. This device contains frequency converter, step-up high-frequency resonant transformer, energy transmission line located inside the roadbed on which the electrical unit moves, and energy receiving system for the mobile unit. The analysis of the test results of the device model sample is presented. The reactive electromagnetic field generated by the supply electroinduction system works as a translator of energy in the developed electrical energy transmission method. The application of the contactless electrical energy transmission for mobile units will permit to remove the costs of the contact circuits installation or the costs of the special drums for cable receiving, as well as to ensure high reliability and to decrease negative influence of vehicles on the environment.
Keywords: high-frequency generator, resonant electro induction system, contactless power transmission.
Сведения об авторе: научный сотрудник отдела электроснабжения Государственного научного учреждения Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ). Владимир Трубников окончил электромеханический факультет МЭИ в 1960 г. по специальности «полупроводники и диэлектрики».
Награды: Бронзовая медаль ВДНХ, 1985 г.; Серебряная медаль ВДНХ, 1986 г.; Медаль министерства оборонной промышленности РФ «Почетный радист», 1996 г.; Медаль «Лауреат международного салона промышленной собственности «Архимед», 2001 г., 2002 г.
Область научных интересов: преобразовательная техника, резонансные электротехнологии.
Публикации: 55.
Трубников Владимир Захарович
Сведения об авторе: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства, доктор технических наук.
Образование: факультет электрификации с/х Казахского сельскохозяйственного института. Область научных интересов: электрификация сельского хозяйства, эксплуатация электрооборудования, резонансные электротехнологии. Публикации: 235.
Некрасов Алексей Иосифович
Введение
Основной проблемой при создании электромобильных устройств является
необходимость подвода электрической энергии к движущемуся агрегату. Питание транспортных агрегатов от централизованных источников осуществляется в большинстве случаев путем подвода электроэнергии через контактную сеть или гибкий кабель, собираемый на приемном барабане, расположенном по пути движения. Кроме того, при автономном питании тяговые аккумуляторные батареи обеспечивают малый запас хода при большом весе и требуют периодической подзарядки.
Новый способ питания электротранспортных средств, предложенный авторами данной статьи, поможет создать экологически чистое электромобильное средство с беспроводным электропитанием от резонансного трансформатора. Рациональная схема электроснабжения, отсутствие вредных выбросов позволят использовать такие электромобильные средства в закрытых помещениях: теплицах, фермах, складах, улучшить условия окружающей среды, снизить затраты ручного труда при производстве экологически чистой продукции сельского хозяйства.
Предлагаемый способ бесконтактной передачи электрической энергии из плоскости дорожного полотна на мобильный приемник энергии, перемещающийся по этому полотну, основывается на использовании электроиндукционного механизма
возбуждения электрических зарядов в энергоприемной конструкции и последующем использовании энергии возбужденных зарядов. Электроиндукционный резонансный узел передачи электрической энергии включает в себя передающую и принимающую части, разделённые воздушным промежутком.
Описание эксперимента
Проведен эксперимент по бесконтактной передаче электрической энергии электроиндукционным способом. На рисунке 1 условно представлено взаимное расположение устройств в узле передачи энергии из дорожного покрытия к мобильному энергопотребителю.
Рис. 1. Взаимное расположение передающего и приемного устройств при передаче энергии из плоскости дорожного полотна к мобильному агрегату Fig. 1.Positional relationship of the transmitting and receiving devices during the energy transfer from the roadbed plane to the mobile unit
78
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (144) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
GSD/ätl®
Учитывая тот факт, что габаритные размеры совместной конструкции системы передачи диктуют соотношение в соответствии с требованием а х Ь хс, целесообразным размещением элементов конструкции следует считать такое, при котором проводник или система проводников должны быть расположены на участке дороги на передающей стороне, а проводящая пластина - на приёмной стороне. В этом случае:
а', а" - длина активной части передающего устройства (вдоль направления дороги) и длина активной части приемного устройства на мобильном агрегате;
Ь', Ь'' - ширина активной части передающего устройства (поперек направления дороги) и ширина активной части приемного устройства на мобильном агрегате;
с - расстояние между передающим и приемным устройствами (зазор между дорогой и днищем мобильного агрегата).
Предполагается, что в проводниках на передающей стороне не протекают токи, достаточные для возбуждения необходимой интенсивности магнитной индукции, а питающим генератором обеспечивается поддержание в передающем проводнике необходимого высокого потенциала. Магнитное поле с необходимой напряженностью Н, в соответствии с уравнением Д. Максвелла, генерируется электрическим полем Е высокопотенциального проводника передающего устройства:
__НЕ
(1)
rotH = £п —
и dt
Из (1) видно, что магнитное поле представляет собой вихрь, ортогонально расположенный в пространстве по отношению к силовым линиям электрического поля, а также то, что изменения напряженности магнитного поля Н отстают во времени от изменений электрического поля Е. При гармонически меняющемся Е отставание Н составляет л/2. Таким образом, генерируемое произведение П=[Я * Я] является реактивным [1] (здесь П - плотность потока электромагнитной энергии).
Реактивное электромагнитное поле заполняет пространство над передающим устройством на полотне дороги. Если в области реактивного электромагнитного поля появляется поглощающий электромагнитную энергию объект, например, приемное устройство мобильного агрегата, то в этом приёмном устройстве возбуждается
электродвижущая сила (ЭДС), которая используется для нужд мобильного агрегата. В областях реактивного электромагнитного поля, где отсутствуют поглотители, реактивное поле существует в динамическом режиме, при этом происходит переход энергии магнитного поля в энергию электрического поля и наоборот. При этом приёмное устройство, поглощающее энергию из реактивного электромагнитного поля, перемещается
вдоль полотна дороги вместе с мобильным агрегатом.
В лабораторном макете узла передачи энергии активный проводник передающего устройства представляет собой провод в изоляции. Диаметр проводящей жилы провода: d = 0,7 мм. Диаметр провода в изоляции - 4 мм. Электрическая прочность изоляции - 40 кВ. Проводник укладывается «змейкой» с шагом 7 см вдоль дороги. Принимающее устройство представляет собой изолированную проводящую пластину, укрепленную с помощью изоляторов из электротехнического фарфора на «днище мобильного агрегата» на высоте 15 см от «дорожного полотна». Принимающая энергию пластина выполнена из фольгированного стеклотекстолита с размерами 0,6 х 0,5 м. Вверху, на расстоянии 5 см от принимающей энергию пластины, расположен лист фольгированного стеклотекстолита с размерами 1,0 х 0,8 м, имитирующий проводящий «корпус мобильного агрегата». Экранирующий лист стеклотекстолита заземлён.
Электрические соединения в макете приемопередающего электроиндукционного устройства, а также между «мобильным агрегатом» и питающим устройством показаны на рисунке 2.
Рис. 2 .Электрическая схема макета приемопередающего устройства Fig. 2. The electric circuit of the transponder devices
На рисунке 2 представлены:
3 - земля, полотно дороги;
А - мобильный агрегат;
L - передающая энергию линия, питающий проводник;
S - принимающая электроэнергию пластина;
Тр1, Тр2 - трансформаторы Тесла;
L1, C1 -индуктивность и емкость питающего контура;
L4, C2 - индуктивность и ёмкость нагрузочного контура;
L5 - индуктивность приемного контура мобильного агрегата;
L6, C3 - индуктивность и емкость согласующего контура мобильного агрегата;
L2,L3 - высоковольтные обмотки трансформаторов Тесла;
Л1, Л2 - лампы накаливания (нагрузка) в нагрузочном контуре и в контуре потребления энергии на мобильном агрегате;
иг - клеммы для подключения источника электрической энергии.
Макет устройства для резонансной электроиндукционной передачи электрической энергии питается от генератора переменного тока (преобразователя) повышенной частоты, способного обеспечить нагрузку переменным током требуемой мощности с выходным напряжением (0 ^ 500)В, с диапазоном регулирования частот (1,0 20,0) кГц. Преобразователь обеспечивает на выходе симметричное напряжение по отношению к земле [2, 3].
Напряжение от генератора подается на питающую обмотку Г1 повышающего четвертьволнового резонансного трансформатора Тр1 через электрический конденсатор С1. Электрический конденсатор С1 и питающая (первичная) обмотка трансформатора Тр1 образуют последовательный резонансный контур с резонансной частотой.
1
/0 = "-. (2)
этим создаются условия для поддержания постоянного по модулю потенциала вдоль питающей линии Г.
Поверх высоковольтной обмотки Г3 трансформатора Тр2 в области пучности тока (у заземленного вывода) установлена сливная (понижающая) обмотка Г4, она через электрический конденсатор С2 питает стационарные потребители электрической энергии системы электроснабжения. Резонансная частота контура Г4, С2 также равна частоте питающего тока.
Принимающая электрическую энергию пластина 8 находится в области электромагнитного поля питающей линии Г, на расстоянии 15 см от неё. На «борту» мобильного агрегата А размещена резонансная катушка Г5 приёмного устройства. Индуктивность катушки Г5 и ёмкость принимающей пластины 8 на линию Г образуют принимающий последовательный резонансный контур с резонансной частотой.
2Жу] L1C1
fs =
1
LSC,
(3)
SL
Повышающая (вторичная) обмотка
трансформатора Тр1 выполнена в виде секционированной обмотки (15 секций по 80 витков) на фарфоровом секционированном каркасе высотой 1200 мм и диаметром 300 мм. Низкопотенциальный вывод Тр1 заземлён. Первичная обмотка Г1 располагается в области заземленного вывода вторичной обмотки, поверх нее. Такая конструкция исполнения трансформатора создает физические условия для возникновения на нем стоячих волн напряжения и тока длиной в одну четверть периода, с пучностью тока у заземлённого вывода и с пучностью потенциала у верхнего высоковольтного вывода.
Наиболее эффективным является способ питания резонансного четвертьволнового трансформатора на его резонансной частоте Г> Отсюда следует требование к питающему напряжению: оно должно иметь частоту Г = Гз, где Г - частота тока питающего генератора.
К высоковольтному выводу четвертьволнового резонансного трансформатора подключается питающая линия Г электроиндукционной системы бесконтактной передачи электрической энергии и измерительный киловольтметр.
Линия укладывается на землю вдоль «предполагаемого маршрута» мобильного агрегата. Конец линии Г подключается к высоковольтному выводу Г3 отражающего четвертьволнового резонансного трансформатора Тр2 идентичного трансформатору Тр1. Резонансная частота трансформатора Тр2 равна резонансной частоте трансформатора Тр1. Трансформатор Тр2 возбуждается, и на его высоковольтном выводе генерируется синфазный потенциал по отношению к потенциалу высоковольтного вывода Тр1. В связи с
Резонансная частота Г8 также должна быть равна частоте питающего тока Г .
На рисунке 3 представлен внешний вид макета узла электроиндукционной системы бесконтактного энергоснабжения мобильного агрегата.
Рис. Э.Энергопередающее устройство в собранном виде Fig. 3. The energy transmitting device in assembled form
Электрическая энергия прокачивалась на частоте 16,5 кГц. При испытаниях макетного образца получены следующие результаты.
При передаче энергии мощностью 1,0 кВт в лампу Л2 напряжение на звене постоянного тока в питающем генераторе тока повышенной частоты составляло 200 В, ток накачки в первичной обмотке L1 питающего трансформатора Тесла Тр1 был равен 5,5 А. Измерения тока произведены с помощью цифрового осциллографа и ноутбука. Программное обеспечение осциллографа фирмы Velleman. В
80
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (144) 2014
© Scientific Technical Centre «TATA», 2014
GSD/ätl®
качестве первичного измерителя использован датчик тока типа ЬБМ. Крутизна преобразования у датчика тока - 1,0 В на 10 А. Номинал датчика по измеряемому току - 100 А. Погрешность измерения 2%. Ширина полосы пропускания датчика тока -(0...250) кГц. Датчик тока ЬБМ бесконтактный, прочность электрической развязки - 4 кВ. Форма тока накачки - синусоидальная. Форма напряжения на выходе питающего генератора - меандр. При передаче энергии 1,0 кВт напряжение на питающей линии составляло 3,5 кВ. Приведенные цифры по измерениям представляют собой усредненные по результатам пятикратных измерений.
При передаче энергии мощностью 2 кВт напряжение на звене постоянного тока в питающем генераторе составляло 220 В. Мощность распределена следующим образом: 1 кВт расходовался лампой Л1 и 1 кВт - лампой Л2. Напряжение на питающей линии составляло 5 кВ.
При передаче энергии мощностью 4 кВт напряжение на звене постоянного тока в питающем генераторе составляло 350 В. Мощность распределена следующим образом: 1 кВт расходовался лампой Л2 и 3 кВт - лампами Л1.1, Л1.2, Л1.3. Напряжение на питающей линии составляло 12 кВ.
Достигнутая плотность потока активной электрической энергии в макетном образце узла бесконтактной передачи электрической энергии .' электроиндукционным способом на расстояние 15 см составила:
„ 3 „г Р 1,0-103 „ „ 2
Ж = - = --= 3,3 кВт/м2. (4)
5 0,3
Е то
Оценочные измерения КПД бесконтактной передачи энергии на электроиндукционном макете в лабораторных условиях оказались на уровне 0,9. | Исследуемый электроиндукционный метод энергоснабжения мобильных средств полностью соответствует концепции резонансного метода передачи энергии, поскольку энергопитающая дорожная полоса может быть также реализована на элементах с распределенными электромагнитными параметрами.
Выводы
Исследован электроиндукционный метод энергоснабжения мобильных агрегатов, при котором передача электрической энергии осуществляется реактивным электромагнитным полем,
генерируемым питающим электроиндукционным устройством.
Передача энергии осуществлялась при плотности потока передаваемой мощности на мобильный агрегат не ниже 3,3 кВт/м2, на частоте 16,5 кГц, при воздушном зазоре 15 см, с КПД не ниже 0,9.
Предполагается, что наиболее перспективными областями применения бесконтактного метода энергоснабжения электрифицированных мобильных агрегатов являются склады, сельскохозяйственные фермы, хранилища, зернотоки и другие объекты сельскохозяйственного производства.
Бесконтактная передача электроэнергии на мобильные агрегаты позволит снизить затраты на сооружение систем передачи энергии, обеспечить экономию цветных металлов, повысить надежность и экологические характеристики системы энергоснабжения.
Список литературы
1. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи и применения электрической энергии. Изд. 3-е. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2008. С. 352.
2. Стребков Д. С., Некрасов А.И., Трубников В.3. Резонансная система передачи электрической энергии // Материалы Всеросс. научно-техн. конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования». Томск: ТПУ, 2010. С. 205-207.
3. Патент РФ № 2 442700 МПК B60L9. Способ и устройство бесконтактного электроснабжения электротранспортного средства (варианты) / Стребков Д.С., Трубников В.3., Некрасов А.И., Королев В.А. // БИ. 2012. № 5.
References
1. Strebkov D.S., Nekrasov A.Y. Rezonansnyhe metodyh peredatchy y prymenenyja ehlektrytcheskoj ehnerghyy. Yzd. 3-e. M.: GHNU VYEHSKH, 2008. S. 352.
2. Strebkov D.S., Nekrasov A.Y., Trubnykov V.Z. Rezonansnaja systema peredatchy ehlektrytcheskoj ehnerghyy // Materyalyh Vseross. nautchno-tekhn. konferentsyy «Ehlektroehnerghyja: otpolutchenyja y raspredelenyja do ehffektyvnogho yspoljzovanyja». Tomsk: TPU, 2010. S. 205-207.
3. Patent RF № 2 442700 MPK B60L9. Sposob y ustrojstvo beskontaktnogho ehlektrosnabzhenyja ehlektrotransportnogho sredstva (varyantyh) / Strebkov D.S., Trubnykov V.Z., Nekrasov A.Y., Korolev V.A. // BY. 2012. № 5.
Транслитерация no ISO 9:1995
