Система и способ для передачи электрической энергии на транспортное средство
Изобретение относится к области транспортных средств, прежде всего к рельсовым транспортным средствам, содержащим электрическую проводниковую структуру (12) для создания переменного электромагнитного поля и передачи посредством него энергии на транспортное средство. Электрическая проводниковая структура (12) содержит по меньшей мере две линии (1, 2, 3), каждая из которых приспособлена для пропускания своей фазы переменного электрического тока, и содержит множество участков, каждый из которых проходит вдоль своего отрезка пути движения транспортного средства, и отрезки указанных по меньшей мере двух линий, которые могут включаться и выключаться отдельно от других участков. Технический результат заключается в обеспечении непрерывной передачи электроэнергии на транспортное средство при отсутствии электрического контакта между транспортным средством и проводниковой структурой. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 15 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к системе и способу для передачи электрической энергии на транспортное средство, прежде всего на колейное транспортное средство, такое как легкое рельсовое транспортное средство (например, трамвай).
Уровень техники
Транспортным средствам, в частности колейным транспортным средствам, таким как обычные рельсовые транспортные средства, монорельсовые транспортные средства, троллейбусы и транспортные средства, направляемые по колее другими средствами, например другими механическими, магнитными, электронными и/или оптическими средствами, требуется электрическая энергия, необходимая для приведения их в движение по колее и для работы вспомогательных систем, не создающих тяги транспортного средства. Такими вспомогательными системами являются, например, системы освещения, система отопления и/или кондиционирования воздуха, системы вентиляции и информирования пассажиров. Вместе с тем, следует особо отметить, что настоящее изобретение относится к передаче электрической энергии на транспортное средство, которое не обязательно (но предпочтительно) является колейным транспортным средством. Вообще говоря, транспортное средство может быть, например, транспортным средством, имеющим электрический тяговый двигатель. Транспортное средство также может быть транспортным средством, имеющим гибридную систему привода, например систему, которая может приводиться в действие электрической энергией или другим видом энергии, например энергией из электрохимического источника или энергией топлива (например, природного газа или бензина).
Колейные транспортные средства, в частности транспортные средства для общественного пассажирского транспорта, обычно имеют токоприемник (в альтернативном варианте - устройство) для обеспечения механического и электрического контакта с проходящим вдоль колеи контактным проводником, таким как контактный рельс или подвесная контактная линия (контактный провод). По меньшей мере один тяговый двигатель на борту транспортных средств питается электрической энергией от внешней колеи или линии и вырабатывает механическую энергию движения.
Трамваи и другие поезда местного сообщения или региональные поезда обычно работают в пределах города от подвесных контактных линий. Однако в городах, особенно в их исторических частях, применение подвесных контактных линий является нежелательным. С другой стороны, контактные рельсы в земле или рядом с поверхностью земли создают проблемы в отношении безопасности.
В публикации WO 95/30556 A2 описана система энергоснабжения колесного транспортного средства с электроприводом. Полностью электрифицированное транспортное средство имеет один или несколько бортовых элементов или устройств накопления энергии, которые могут быстро заряжаться энергией, получаемой от электрического источника, например от сети электромеханических батарей. Элементы накопления энергии могут заряжаться во время работы транспортного средства. Зарядка осуществляется посредством сети элементов передачи энергии, например катушек, встроенных в дорожное полотно.
Размещение катушек в заданных местах по длине дорожного полотна имеет тот недостаток, что хранение энергии на борту транспортного средства требует использования аккумулятора большой емкости. Кроме того, если транспортное средство во время не доехало до ближайшей катушки, запас энергии на транспортном средстве для создания тяги или других целей может закончиться. Поэтому, по меньшей мере для некоторых применений, передачу энергии на транспортное средство предпочтительно осуществлять вдоль пути движения, т.е. вдоль колеи, непрерывно.
На индуктивную передачу энергии с колеи на транспортное средство, т.е. на создание электромагнитных полей, накладываются ограничения в отношении ЭМС (электромагнитной совместимости). С одной стороны, электромагнитные поля могут вызывать помехи в работе других технических устройств. С другой стороны, люди и животные не должны подвергаться постоянному воздействию электромагнитных полей. По крайней мере, необходимо соблюдать соответствующие предельные значения напряженности поля.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является разработка системы и способа для передачи электрической энергии на транспортное средство, прежде всего на колейное транспортное средство, которые обеспечили бы непрерывную передачу электрической энергии во время движения и способствовали бы соблюдению соответствующих ограничений по ЭМС.
В соответствии с идеей, положенной в основу настоящего изобретения, энергия передается от электрической проводниковой структуры, расположенной вдоль колеи, на транспортное средство, движущееся по этой колее, в отсутствие электрического контакта между транспортным средством и проводниковой структурой. Через проводниковую структуру пропускают переменный ток, который возбуждает соответствующее электромагнитное поле, и это электромагнитное поле используется для передачи электрической энергии на транспортное средство.
Предпочтительно, чтобы проводниковая структура была расположена в колее и/или под колеей, например под поверхностью земли, по которой движется транспортное средство. Вместе с тем, изобретение также применимо к случаю, когда по меньшей мере часть проводниковой структуры расположена сбоку от колеи, например, если колея находится в сельской местности или в туннеле.
Частота переменного тока, проходящего по проводниковой структуре, может находиться в диапазоне 5-100 кГц, в частности в диапазоне 10-30 кГц, предпочтительно может составлять около 20 кГц.
Принцип передачи энергии посредством электромагнитных полей имеет то преимущество, что проводниковую структуру можно электрически изолировать от контакта с ней. Например, провода или линии проводниковой структуры могут прокладываться под землей. Пешеход не сможет случайно коснуться подземной линии. Кроме того, решается проблема изнашивания и поломок токоприемника, применяемого для обеспечения контакта со стандартными подвесными контактными линиями или контактными рельсами.
Как это в основном раскрыто в публикации WO 95/30556 A2, транспортное средство, которое движется по колее, может содержать по меньшей мере одну катушку, и в этой катушке электромагнитное поле создает переменное электрическое напряжение, которое может использоваться для работы любой электрической нагрузки в транспортном средстве, такой как тяговый двигатель, или может использоваться для зарядки аккумуляторной системы, такой как обычные батареи и/или суперконденсаторы (ионисторы).
В частности, предлагается система для передачи электрической энергии на колейное транспортное средство, в частности на легкое рельсовое (например, узкоколейное или монорельсовое) транспортное средство, такое как трамвай, содержащая электрическую проводниковую структуру для создания электромагнитного поля и для передачи посредством него энергии на транспортное средство, причем:
- электрическая проводниковая структура содержит по меньшей мере две линии, каждая из которых приспособлена для пропускания своей фазы переменного электрического тока,
- проводниковая структура содержит множество участков, каждый из которых проходит вдоль своего отрезка пути движения транспортного средства (например, колеи), содержит отрезки указанных по меньшей мере двух линий и может включаться и выключаться отдельно от других участков.
Одним преимуществом такой системы является то, что электромагнитные поля для передачи энергии на транспортные средства могут создаваться там, где это необходимо. В результате уменьшаются потери во время работы системы. Кроме того, легче выполняются требования по ЭМС, поскольку исключаются ненужные электромагнитные поля.
Под участком понимается часть проводниковой структуры, причем каждый участок создает электромагнитное поле для передачи энергии на транспортное средство, при условии, что этот участок включен, т.е. приведен в действие. В частности, каждый участок может состоять из отрезков указанных по меньшей мере двух линий проводниковой структуры, каждая из которых приспособлена для пропускания своей, т.е. отличной от других, фазы переменного электрического тока.
Предпочтительно, чтобы электрическая проводниковая структура содержала три линии, каждая из которых пропускает свою фазу трехфазного переменного тока. Вместе с тем, также возможен вариант, в котором имеется только две фазы или более трех фаз, проходящих по соответствующему числу линий. В частности, каждый из участков может содержать отрезки каждой из линий, в результате чего каждый участок создает электромагнитное поле, возбуждаемое тремя фазами.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере две линии проводниковой структуры соединены в нейтральной точке звезды, т.е. линии соединены друг с другом в точке соединения, являющейся общей для всех фаз. Подобная конфигурация с нейтральной точкой звезды особенно проста в реализации и гарантирует, что имеющиеся фазы ведут себя симметрично, т.е. что во всех фазах действующее значение тока одинаковое, хотя между фазами, конечно, имеется определенный угол сдвига. Например, в случае трехфазной системы угол сдвига фаз, как обычно, равен 120°. Переменный ток в каждой фазе может быть гармоническим (синусоидальным) или почти гармоническим. Дополнительное преимущество соединения в нейтральной точке звезды заключается в том, что обратный проводник к системе электропитания (которая может содержать питающую линию, тянущуюся вдоль пути движения, т.е. вдоль участков проводниковой структуры) не требуется. Все соединения проводниковой структуры с системой электропитания могут быть выполнены в одном и том же месте системы электропитания, в частности в одном и том же месте питающей линии.
Соединение в нейтральной точке звезды может быть реализовано переключателем или переключательным устройством, предусмотренным в зоне стыка (сопряжения) следующих один за другим участков проводниковой структуры. Если следующие один за другим участки одновременно не приводятся в действие для передачи электрической энергии на транспортное средство, т.е. если в действие приводится только один из этих участков, то в зоне стыка участков реализуется соединение в нейтральной точке звезды. Если же следующие один за другим участки приводятся в действие одновременно, соединение в нейтральной точке звезды в зоне стыка этих участков можно не реализовывать, т.е. переключатель или переключательное устройство может быть разомкнут(-то) или может быть выполнен(-но) для подключения приводимого в действие участка к системе питания. Этот же переключатель или это же переключательное устройство может служить для соединения соответствующих линий следующих один за другим участков, чтобы эти линии были последовательно соединены друг с другом. Соответственно, в первом коммутационном состоянии реализуется соединение в нейтральной точке звезды, а во втором коммутационном состоянии соответствующие линии соединены друг с другом.
Если соответствующие линии следующих один за другим участков (которые приводятся в действие одновременно) соединяются друг с другом последовательно, соединение в нейтральной точке звезды в зоне стыка следующих один за другим участков является не единственной возможностью. Альтернативой этому может быть подключение линий следующих один за другим участков к системе электропитания по схеме соединения "треугольник". Однако это может вызывать кратковременный перерыв в электроснабжении конкретного участка при включении следующего за ним участка, поскольку концы линий этого конкретного участка должны переключаться с системы электропитания на соответствующие линии следующего за ним участка. В отличие от этой схемы, решение с соединениями в нейтральной точке звезды позволяет избежать этого перерыва, как это описывается ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Участки электрической проводниковой структуры предпочтительно приводить в действие (т.е. пропускать по линиям этих участков переменный ток, создающий электромагнитное поле) только во время занятия соответствующих отрезков пути движения транспортным средством. Следовательно, предпочтительно, чтобы участки электрической проводниковой структуры на отрезках пути, не занятых транспортным средством, были выключены.
Особенно предпочтителен вариант осуществления изобретения, в котором отрезки пути движения (вдоль которого проходят участки электрической проводниковой структуры) меньше длины транспортного средства, находящегося на колее, в направлении движения, а система выполнена с возможностью приведения в действие участков (в частности, их включения) только в том случае, если транспортное средство занимает соответствующий отрезок колеи, на котором находится участок. Поскольку включаются только участки, находящиеся под колеей (или в некоторых случаях, например в тоннелях, сбоку от колеи), транспортное средство экранирует окружающую среду от электромагнитного поля, создаваемого проводниковой структурой. Приводить в действие предпочтительно только те участки, которые полностью заняты транспортным средством, т.е. чтобы - глядя в продольном направлении вдоль пути движения - приводимые в действие участки не выступали за переднюю сторону транспортного средства и не выступали за задний конец транспортного средства.
Участки электрической проводниковой структуры наиболее предпочтительно приводить в действие таким образом, чтобы передача электрической энергии от этих участков на транспортное средство осуществлялась непрерывно, пока транспортное средство движется вдоль пути движения. Поэтому участки могут быть частями ряда следующих один за другим участков, ряда, проходящего вдоль пути движения. Это означает, что первый участок, занятый транспортным средством, может быть приведен в действие, и прежде чем транспортное средство (или прежде чем приемное устройство транспортного средства) войдет на следующий за ним участок ряда, этот следующий участок включается. С другой стороны, первый участок может быть выключен, после того как транспортное средство покинуло соответствующий отрезок пути движения.
Под "соответствующим отрезком" понимается отрезок, который имеет ту же самую протяженность в продольном направлении вдоль пути движения, что и соответствующий участок проводниковой структуры. "Непрерывная передача электрической энергии" означает, что приемное устройство транспортного средства постоянно находится на отрезке пути, когда соответствующий участок приводится в действие (т.е. по линиям этого участка пропускается переменный ток для создания электромагнитного поля, обеспечивающего передачу энергии на транспортное средство). Возможна ситуация, в которой прохождение тока по линиям кратковременно (например, на несколько миллисекунд) прерывается при включении следующего участка или при выключении первого участка. Несмотря на это, передача электрической энергии является "непрерывной", поскольку приемное устройство транспортного средства находится на отрезке пути движения, когда соответствующий участок электрической проводниковой структуры приведен в действие. Вместе с тем, предпочтителен вариант, в котором передача электрической энергии является беспрерывной. Примеры такой беспрерывной передачи описываются ниже. Беспрерывная передача особенно легко достигается, если линии следующих один за другим участков электрической проводниковой структуры последовательно соединены друг с другом. Поэтому предпочтителен вариант, в котором проводниковая структура выполнена таким образом, что по меньшей мере два следующих один за другим участка могут приводиться в действие одновременно, причем соответствующие линии, предназначенные для пропускания одной фазы переменного тока на следующих один за другим участках, последовательно соединены друг с другом. Например, стык следующих один за другим участков может содержать переключательное устройство или переключатели, которые могут соединять или разъединять соответствующие линии.
Число следующих один за другим участков, которые приводятся в действие одновременно, не ограничено двумя. Напротив, одновременно могут приводиться в действие три или более следующих один за другим участков, например, если по пути движется длинное транспортное средство, например транспортное средство, имеющее приемные устройства, разнесенные по различным местам. В этом случае предпочтителен вариант, в котором участки выключаются только тогда, когда отрезок пути, соответствующий участку, покинуло последнее приемное устройство.
Процессом переключения можно управлять с использованием по меньшей мере одной из линий выключенных участков. Предпочтительно, чтобы была обеспечена возможность определения занятия соответствующего отрезка колеи транспортным средством, в частности, путем обнаружения в линиях участка напряжения и/или тока, вызванного индуктивной связью транспортного средства с линиями и/или электромагнитными полями, создаваемыми транспортным средством. Соответственно, по меньшей мере к одной из линий может быть подключен измерительный прибор. Предпочтительно, чтобы несколько участков линии или все участки линии были подключены к измерительному прибору и/или к одному и тому же измерительному прибору. Измерительный прибор или приборы выполнен(-ы) с возможностью определения занятия соответствующего отрезка колеи транспортным средством путем обнаружения в линии или в отдельной петле (контуре) напряжения и/или тока, вызванного индуктивной связью транспортного средства с линией и/или электромагнитными полями, создаваемыми транспортным средством.
Система может быть выполнена с возможностью включения участка электрической проводниковой структуры, прежде чем приемное устройство транспортного средства, предназначенное для приема передаваемой энергии, войдет на отрезок пути движения, на котором находится этот участок.
Например, длина участков может быть подобрана с таким расчетом, чтобы по меньшей мере два из участков перекрывались по длине транспортным средством, находящимся на колее, т.е. чтобы минимальная длина транспортного средства, находящегося на колее, была вдвое больше длины одного участка (предпочтительно, чтобы все участки линии(-ий) были одинаковой длины). В результате приемное устройство или приемные устройства транспортного средства, предназначенное(-ые) для приема передаваемой энергии, может/могут быть расположено(-ы) на среднем, в продольном направлении, участке транспортного средства. Кроме того, предпочтителен вариант, в котором включаются только те участки, которые полностью перекрыты транспортным средством, находящимся на колее. С другой стороны, то, что транспортное средство входит в область над конкретным участком линии, может определяться (как указано выше), и этот участок линии включается, как только транспортное средство войдет в область над следующим сразу за ним участком линии.
Соответственно, участки линии выключаются, прежде чем транспортное средство покинет область над участком линии. Предпочтительно, чтобы они выключались до того, как они перестанут полностью перекрываться транспортным средством.
Если проводниковая структура содержит более одной линии, обнаружение событий входа транспортного средства на конкретный участок линии и выхода с этого участка может осуществляться с помощью только одной из линий. Другие же линии могут включаться и выключаться соответственно, т.е. проводниковая структура содержит секции, причем все линии на других секциях могут включаться и выключаться вместе.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере одна из линий по меньшей мере на одном из участков (предпочтительно все линии на всех участках) может быть расположена таким образом, что эта линия в любой момент времени при прохождении по ней переменного электрического тока создает ряд следующих один за другим магнитных полюсов электромагнитного поля, имеющих чередующуюся магнитную полярность. Ряд следующих один за другим магнитных полюсов тянется в направлении движения транспортного средства, определяемом колеей или путем движения транспортного средства. В качестве варианта, по меньшей мере одна линия имеет множество отрезков, вытянутых поперек направления движения транспортного средства, определяемого колеей или путь движения. В этом случае отрезки одной линии расположены в ряд вдоль пути движения (например, колеи) таким образом, что в любой момент времени при прохождении по линии переменного электрического тока этот переменный ток проходит через следующие один за другим в ряду отрезки в попеременно противоположных направлениях.
Магнитные полюсы, создаваемые линиями и/или отрезками различных линий, в любой момент времени располагаются в повторяющейся последовательности, проходящей в направлении движения транспортного средства, причем повторяющаяся последовательность соответствует последовательности фаз. Например, в случае трехфазного переменного тока, имеющего фазы U, V, W, за отрезком, пропускающим фазу U, следует отрезок, пропускающий фазу V, за которым, в свою очередь, следует отрезок, пропускающий фазу W, и эта последовательность фаз U, V, W повторяется несколько раз в направлении колеи, т.е. в направлении движения транспортного средства. Соответствующий пример рассматривается ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения, упомянутом выше, по меньшей мере одна линия в любой момент времени при прохождении по ней переменного электрического тока создает ряд следующих один за другим магнитных полюсов электромагнитного поля, имеющих чередующуюся магнитную полярность. Иными словами, в данный момент времени переменный ток в линии создает - в направлении движения - магнитное поле, вектор которого ориентирован в первом направлении в первой области линии, за которой следует вторая область линии, где вектор магнитного поля ориентирован в направлении, противоположном первому направлению, за которой следует еще одна область линии, где вектор магнитного поля снова ориентирован в первом направлении, и так далее. Однако не всегда бывает так, что первое направление и направление вектора магнитного поля в следующей области линии ориентированы точно в противоположном направлении. Одной причиной этого может быть то, что линия расположена не строго правильным, упорядоченным, повторяющимся образом. Другой причиной могут быть несимметричные факторы влияния других линий проводниковой структуры. Еще одной причиной могут быть внешние электромагнитные поля. Также на результирующее электромагнитное поле влияет транспортное средство, движущееся по колее.
При этом принцип чередующихся магнитных полюсов, создаваемых в любой момент времени одной линией проводниковой структуры, имеет то преимущество, что результирующее электромагнитное поле имеет по бокам проводниковой структуры очень малую напряженность, быстро убывающую с увеличением расстояния до проводниковой структуры. Иными словами, противоположно направленные магнитные поля в областях линии накладываются друг на друга по бокам линии и компенсируют друг друга. Поскольку по обе стороны от колеи желательно иметь очень малую напряженность электромагнитного поля, предпочтителен вариант, в котором по меньшей мере одна линия электрической проводниковой структуры расположена в колее и/или под колеей, причем отрезки линии, которые вытянуты поперек направления движения, проходят в горизонтальной плоскости. В этом контексте понятие "горизонтальная" также охватывает тот случай, когда колея может изгибаться и быть слегка наклоненной. Таким образом, соответствующая "горизонтальная" плоскость отрезков линии также может быть слегка наклонена. Поэтому слово "горизонтальная" относится к стандартному случаю, когда колея проходит в горизонтальной плоскости. То же самое применимо к случаю, в котором путь движения или колея проходит с уклоном в гору или под гору. Небольшие процентные значения уклона пути пренебрежимо малы для компенсации магнитных полей по бокам от пути.
Поскольку напряженность поля по бокам от пути очень низка, передача энергии на транспортное средство может осуществляться при высокой мощности, и в то же время легко выполняются ограничения по ЭМС (например, предельное значение 5 мкТл для напряженности бокового магнитного поля).
В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения по меньшей мере одна линия по меньшей мере на одном участке электрической проводниковой структуры змеевидно проходит вдоль пути движения или колеи, т.е. за каждым отрезком линии, вытянутым в направлении движения, следует отрезок, который вытянут поперек направления движения, за которым, в свою очередь, снова следует отрезок, вытянутый в направлении движения. В случае многофазной системы предпочтительно, чтобы таким образом были расположены все линии проводниковой структуры. Линия может быть реализована кабелем.
Понятие "змеевидно" охватывает линии, имеющие искривленную конфигурацию и/или имеющие прямые отрезки с резко изогнутыми (в виде изломов) зонами перехода к соседним отрезкам. Прямые отрезки предпочтительны, поскольку они создают более однородные поля.
В частности, переменный ток в указанной по меньшей мере одной линии по меньшей мере одного участка порождает электромагнитную волну, которая движется в направлении движения транспортного средства или в противоположном ему направлении со скоростью, пропорциональной расстоянию между следующими друг за другом магнитными полюсами линии и пропорциональной частоте переменного тока. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере некоторые из отрезков, вытянутых поперек направления движения, а предпочтительно все эти отрезки, были вытянуты на расстояние по ширине, превышающее ширину приемного устройства транспортного средства, находящегося на колее, для приема передаваемой энергии. Например, ширина отрезков может быть больше максимальной ширины транспортных средств, которые могут занимать колею.
Одно преимущество этого варианта осуществления изобретения заключается в том, что переменный ток, протекающий через отрезки линии, создает магнитное поле практически однородной напряженности в той области, где может быть расположено приемное устройство.
Еще один вариант осуществления предлагаемых в изобретении системы или способа гарантирует, что напряженность переменного магнитного поля является постоянной во времени. Для достижения этой цели линии проводниковой структуры соединены со стабилизированным источником переменного тока, который выполнен с возможностью питания линии переменным током, среднее значение которого является постоянным (или почти постоянным) вне зависимости от мощности, передаваемой от электрической проводниковой структуры на транспортное средство или на транспортные средства.
В предпочтительном варианте выполнения стабилизированного источника переменного тока, он содержит электрическое устройство, преобразующее переменное напряжение в переменный ток. Это электрическое устройство может содержать, в каждой линии, входную индуктивность на входной стороне стабилизированного источника тока и выходную индуктивность на выходной стороне стабилизированного источника тока, причем входная сторона соединена с источником напряжения, выходная сторона соединена с участками линий вдоль пути движения, каждая линия имеет точку соединения входной и выходной сторон, и каждая точка соединения соединена через емкость с одной общей нейтральной точкой звезды.
Если в данный момент времени источник питания первичной стороны (который питает проводниковую структуру) снабжает энергией только одно транспортное средство, переменное напряжение постоянной величины может прикладываться к электрической проводниковой структуре колейной стороны попеременно. Ввиду наличия только одного транспортного средства исключаются любые взаимные помехи распределения нагрузки. В этом случае переменный ток через проводниковую структуру (вызываемый подачей переменного напряжения постоянной величины) зависит от мощности нагрузки. Поэтому электрические потери электрической проводниковой структуры первичной стороны зависят от нагрузки, и величина тока не постоянна, как в случае (описанном выше) подачи переменного тока постоянной величины.
Источник энергии (или источник питания) может быть (это относится и к другим вариантам выполнения системы) обычным инвертором для получения переменного напряжения из стабилизированного напряжения постоянного тока.
Предпочтительно, чтобы электрическая проводниковая структура была расположена под колеей, например под землей.
Указанная по меньшей мере одна линия содержит индуктивность, используемую для передачи электрической энергии на транспортное средство или транспортные средства, а также индуктивность рассеяния, которая не участвует в передаче энергии на транспортное средство или транспортные средства, причем индуктивность рассеяния компенсируется емкостью, расположенной в той же линии, в результате чего суммарное полное электрическое сопротивление емкости и индуктивности рассеяния равно нулю. Такое нулевое полное электрическое сопротивление имеет то преимущество, что реактивная мощность системы сводится к минимуму, и поэтому конструкция компонентов с активной мощностью также минимизируется.
Принципы и подробности в отношении приема энергии внутри транспортного средства рассматриваются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи. При этом некоторые особенности таковы: приемное устройство транспортного средства может содержать катушку из проводника или проводников или оно может содержать несколько катушек. Преимущество нескольких катушек многофазного приемного устройства заключается в том, что оно легче и означает меньшие затраты на сглаживание колебаний принимаемых токов или напряжений.
Предпочтительно, чтобы по меньшей мере одна катушка располагалась над проводниковой структурой первичной стороны лишь в нескольких сантиметрах от нее, поскольку магнитная связь между первичной и вторичной катушками уменьшается с увеличением расстояния. Например, по меньшей мере одна катушка расположена над землей не более чем в 10 см от нее, предпочтительно не более чем в 5 см и наиболее предпочтительно в 2-3 см над землей. В частности, это относится к случаю, если проводниковая структура расположена под землей. Линия или линии проводниковой структуры может/могут быть расположена(-ы) на глубине не более 2 см под поверхностью земли, предпочтительно не более 1 см.
Предпочтительно, чтобы приемное устройство, принимающее передаваемую энергию, было подвижным в вертикальном направлении, что позволяет устанавливать его в положение над землей вблизи нее и поднимать приемное устройство в более высокое положение, когда оно не используется.
Предпочтительно, чтобы приемное устройство содержало несколько катушек, размещенных в различных местах в направлении движения. Например, расстояние между катушками может быть равно расстоянию вдоль колеи между отрезками различных фаз проводниковой структуры, причем эти отрезки являются отрезками, которые вытянуты поперек направления движения. Вместе с тем, различные катушки транспортного средства необязательно располагать на одном и том же расстоянии друг от друга, как в случае расстояния между отрезками.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления настоящего изобретения рассматриваются ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематичное изображение трехфазной проводниковой структуры, вытянутой вдоль колеи,
на фиг.2 - диаграмма, на которой показаны переменные токи, проходящие через три фазы изображенной на фиг.1 структуры, в зависимости от времени,
на фиг.3 - силовые линии магнитного поля, создаваемого изображенной на фиг.1 проводниковой структурой, в то время как над показанной областью проводниковой структуры расположено приемное устройство транспортного средства, причем направление распространения распределения магнитного поля проходит в плоскости чертежа справа налево или слева направо,
на фиг.4 - еще одна диаграмма, на которой показана область магнитного поля, создаваемого проводниковой структурой, в то время как к приемному устройству в транспортном средстве подключена нагрузка,
на фиг.5 - диаграмма, схематично изображающая движение магнитной волны, создаваемой проводниковой структурой, вдоль колеи и показывающая движение приемного устройства, обусловленное движением транспортного средства по колее,
на фиг.6 - принципиальная электрическая схема изображенной на фиг.1 проводниковой структуры, которая подключена к источнику переменного напряжения посредством электрического устройства, которое преобразует напряжение источника в переменный ток постоянной величины, подаваемый в проводниковую структуру,
на фиг.7 - принципиальная электрическая схема, на которой показано приемное устройство транспортного средства, имеющее катушки для трех различных фаз, причем приемное устройство подключено к преобразователю переменного тока в постоянный,
на фиг.8 - рельсовое транспортное средство, движущееся по колее, вдоль которой тянется проводниковая структура,
на фиг.9а-9в - три следующих друг за другом момента времени в ситуации движения рельсового транспортного средства по колее, снабженной множеством следующих один за другим участков линий проводниковой структуры, причем эти участки линий могут включаться и выключаться для снабжения транспортного средства энергией,
на фиг.10 - система, аналогичная показанной на фиг.8, включая электрическую схему проводниковой структуры, расположенной вдоль колеи, причем проводниковая структура содержит участки линий, которые могут включаться и выключаться, и
на фиг.11 - структура, аналогичная показанной на фиг.1 и схематично иллюстрирующая проводниковую структуру между двумя рельсами рельсового пути,
на фиг.12 - семь участков, проходящих вдоль пути движения транспортного средства, причем в действие приведен только один из участков, а второй, следующий за ним участок, выключается,
на фиг.13 - структура, показанная на фиг.12, причем в действие приведены два следующих один за другим участка, и один из этих участков выключается,
на фиг.14 - структура с пятью участки, которые могут включаться и выключаться, и
на фиг.15а-15в - полупроводниковое переключательное устройство для включения и выключения одной фазы, например для включения и выключения фазы в переключателе питающей линии, показанной на фиг.12 или 13.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана проводниковая структура, которая может быть расположена под землей вдоль колеи, например вдоль рельсов рельсового пути (см., например, структуру, показанную на фиг.11). В последнем случае рельсы тянутся, на виде, приведенном на фиг.1, слева направо. Структура, показанная на фиг.1, может быть одним из множества участков всей проводниковой структуры, проходящей вдоль пути движения.
Подразумевается, что фиг.1 является схематическим видом. Три линии 1, 2, 3 проводниковой структуры содержат отрезки, которые вытянуты поперек направления движения (слева направо или справа налево). Лишь некоторые из поперечно вытянутых отрезков линий 1, 2, 3 обозначены номерами позиций, а именно три отрезка 5a, 5b и 5c линии 3, некоторые другие отрезки линии 3, обозначенные номером позиции "5", один отрезок 5х линии 2 и один отрезок 5y линии 1. В наиболее предпочтительном случае структура 12, показанная на фиг.1, проложена под землей и расположена под колеей, так что на фиг.1 показан вид на структуру 12 сверху. Рельсы могут проходить слева направо, вверху и внизу на фиг.1, т.е. поперечно вытянутые отрезки линий могут располагаться полностью в пределах границ, определяемых рельсами (см. также фиг.11).
Например, как это показано на фиг.6, три линии 1, 2, 3 могут быть подключены к источнику трехфазного переменного тока. Как вариант, источник тока может быть подключен к показанной на фиг.1 структуре через питающую линию, которая тянется вдоль пути движения транспортного средства и которая может питать током и другие участки. В представленный на фиг.1 момент времени по линии 3 течет положительный ток I1. "Положительный" означает, что ток течет от источника тока в линию. На другом конце структуры три линии 1, 2, 3 соединяются вместе в общей нейтральной точке 4 звезды. Следовательно, по меньшей мере один из других токов, в данном случае ток I2 по линии 2 и ток I3 по линии 1, являются отрицательными. Вообще говоря, действует правило нейтральной точки звезды, означающее, что сумма всех токов, входящих в нейтральную точку звезды и выходящих из нее, в любой момент времени равна нулю. Направления токов, текущих по линиям 1, 2, 3, указаны стрелками. Если показанная на фиг.1 структура является одним из множества участков проводниковой структуры в целом, линии 1, 2, 3 могут быть соединены с нейтральной точкой 4 звезды посредством трехфазного переключателя. Кроме того, также может быть предусмотрен трехфазный переключатель для соединения этих трех фаз в конце соединения в нейтральной точке звезды с питающей линией. Назначение таких переключателей, соединяющих линии с нейтральной точкой звезды, и переключателей подключения к питающим линиям рассматривается ниже.
Отрезки линии 3 и соответствующие отрезки линий 1, 2, которые вытянуты поперек направления движения транспортного средства, предпочтительно имеют одинаковую ширину и параллельны друг другу. На практике предпочтительно, чтобы между поперечно вытянутыми отрезками трех линий не было смещения в направлении ширины. Такое смещение показано на фиг.1 по той причине, чтобы можно было идентифицировать каждый отрезок или каждую линию.
В предпочтительном случае каждая линия проходит вдоль колеи по одинаковому змеевидному пути, причем линии смещены относительно друг друга в направлении движения на одну треть расстояния между следующими один за другим ближайшими отрезками одной линии, вытянутыми поперек направления движения. Например, в средней части чертежа на фиг.1 расстояние между следующими один за другим отрезками 5 обозначено как Tp. В пределах области между этими следующими один за другим отрезками 5 есть два других отрезка, вытянутых поперек направления движения, а именно отрезок 5х линии 2 и отрезок 5y линии 1. Эта схема расположения следующих один за другим отрезков 5, 5x, 5y повторяется при постоянстве расстояний между этими отрезками в направлении движения.
Соответствующее направление тока, проходящего через отрезки линий, показано в левой части фиг.1. Например, через отрезок 5a ток проходит от первой стороны A структуры 12 к противоположной стороне B структуры. Сторона A является одной стороной колеи (например, правой стороной при взгляде с движущегося транспортного средства в направлении движения), а сторона B является противоположной стороной (например, левой стороной колеи), если структура 12 укрыта в земле под колеей или, вообще говоря, проходит в горизонтальной плоскости.
Соответственно, через непосредственно следующий отрезок 5b электрический ток одновременно проходит от стороны B к стороне A. A через далее следующий отрезок 5с линии 3 ток проходит от стороны A к стороне B. Все эти токи имеют одинаковую силу, поскольку они одновременно проходят по одной и той же линии. Иными словами, отрезки, которые вытянуты поперек, соединены между собой отрезками, которые вытянуты в направлении движения.
В результате этого змеевидного расположения линий магнитные поля, возбуждаемые отрезками 5a, 5b, 5c, … линии 3, создают ряд следующих один за другим магнитных полюсов электромагнитного поля, причем эти следующие один за другим магнитные полюсы (полюсы, создаваемые отрезком 5a, 5b, 5c, …) имеют чередующуюся магнитную полярность. Например, полярность магнитного полюса, создаваемого отрезком 5a, может соответствовать в определенный момент времени магнитному диполю, для которого северный магнитный полюс обращен вверх, а южный магнитный полюс обращен вниз. В то же время магнитная полярность магнитного поля, создаваемого отрезком 5b, ориентирована таким образом, что соответствующий магнитный диполь обращен своим южным полюсом вверх, а своим северным полюсом вниз. Соответствующий магнитный диполь отрезка 5c ориентирован таким же образом, как для отрезка 5a, и так далее. То же самое касается линий 1 и 2.
Вместе с тем, настоящее изобретение осуществимо и в том случае, если имеется только одна фаза, только две фазы или более трех фаз. Проводниковая структура, имеющая только одну фазу, может быть расположена, как линия 3 на фиг.1, но вместо нейтральной точки 4 звезды конец линии 3 (который находится с правой стороны фиг.1) может быть подключен к источнику энергии (на фиг.1 не показан) посредством соединительной линии (на фиг.1 не показана), которая тянется вдоль колеи. Двухфазная структура может состоять, например, из линий 3 и 2, но расстояние между поперечно вытянутыми отрезками этих двух линий (или вообще говоря, всех линий) предпочтительно является постоянным (т.е. расстояния от поперечно вытянутого отрезка линии 3 до двух ближайших к нему поперечно вытянутых отрезков линии 2 - в направлении движения и в противоположном направлении - равны друг другу).
Фиг.11 приведена для иллюстрации некоторых размеров проводниковой структуры, например проводниковой структуры, показанной на фиг.1. На фиг.11 показаны только части трех линий 111, 112, 113, а их соединения друг с другом (например, посредством нейтральной точки 4 звезды, показанной фиг.1) и с источником энергии не показаны.
Змеевидные линии 111, 112, 113 расположены между двумя рельсами 116a, 116b рельсового пути, предназначенного для рельсовых транспортных средств (таких как региональные или местные (городские) поезда, например трамвай). Выражение "между" относится к виду сверху, показанному на фиг.11.
Например, линии 111, 112, 113 могут быть расположены ниже уровня рельсов 116.
Каждая из линий 111, 112, 113 содержит линейные отрезки, которые вытянуты поперек направления колеи, т.е. поперек продольного направления рельсов 116. Эти поперечно вытянутые отрезки соединены со следующими за ними поперечно вытянутыми отрезками той же линии посредством продольно вытянутых отрезков, проходящих в продольном направлении рельсов. Поперечно и линейно вытянутые отрезки имеют длину LB, которая предпочтительно составляет по меньшей мере половину расстояния RB между рельсами. Например, расстояние RB может быть 1 м, а длина поперечно вытянутых отрезков может быть равна 50 см или может находиться в диапазоне от 50 до 75 см.
Поперечно вытянутые отрезки и продольно вытянутые отрезки одной линии соединены друг с другом криволинейными отрезками. Кривизна последних соответствует, например, кривизне окружности радиусом 150 мм.
На фиг.11 также схематично показан заштрихованный участок 118, который закрыт катушкой приемного устройства транспортного средства, движущегося по рельсам 116. Ширина катушки равна длинам поперечно вытянутых отрезков линий. Однако на практике предпочтителен вариант, в котором эта ширина меньше длины поперечно вытянутых отрезков. Это допускает смещение положения катушки в направлении, поперечном направлению движения, обозначенное двумя стрелками и линией под заштрихованным участком 118. Такое смещение не повлияет на прием энергии катушкой, если оно не приведет к выходу катушки за пределы границ поперечно вытянутых отрезков.
Как следует из временных диаграмм, приведенных на фиг.2, токи, проходящие через фазы 1, 2, 3, показанные на фиг.1, являются фазными токами обычного трехфазного переменного тока.
Обозначения LI, L2, L3 на фиг.2 показывают, что змеевидные линии 1, 2, 3 образуют индуктивности.
Как показано на фиг.2, пиковое значение токов может находиться в пределах 300 A и соответственно -300 A. Вместе с тем, также возможны бóльшие или меньшие пиковые токи. Пиковый ток 300 A достаточен для снабжения тяговых двигателей трамвая энергией, позволяющей трамваю проходить вдоль колеи расстояние от нескольких сотен метров до нескольких километров, например, в пределах исторического центра города. Кроме того, трамвай может брать энергию от бортового накопителя энергии (аккумулятора), например от обычного электрохимического батарейного устройства и/или от ионисторного устройства. Накопитель энергии может быть снова полностью заряжен, как только трамвай покинет центр города и подключится к подвесной контактной линии.
Искривленными линиями на фиг.3 являются силовые линии магнитного поля, создаваемого отрезками линий 1, 2, 3, показанных на фиг.1. На фиг.3 представлены ситуации в четыре различных момента времени, соответствующих значениям "0", "30", "60", "90" по временной шкале фиг.2. Временную шкалу фиг.2 также можно интерпретировать как шкалу, представляющую характер изменения токов по гармоническому закону (по синусоиде), что означает, что на фиг.2 показано изменение токов за один полный период, т.е. значения силы тока в начале периода при угле "0" такие же, что и в конце периода при угле "360".
На крайней левой из четырех диаграмм на фиг.3 показаны поперечно вытянутые отрезки линий 1, 2, 3 в поперечном сечении. Позицией "I1" обозначен ток I1, проходящий через поперечно вытянутый отрезок линии 1, и так далее. Эти поперечно вытянутые отрезки проходят перпендикулярно плоскости чертежа на фиг.3, причем плоскостью чертежа фиг.3 является вертикальная секущая плоскость, проходящая через структуру 12 на фиг.1, плоскости чертежей на фиг.1 и фиг.3 перпендикулярны друг другу, а плоскость чертежа на фиг.3 тянется в направлении движения, рассекая отрезки 5 на фиг.1 на две половины. Сверху на фиг.3 электромагнитные катушки 7 схематично показаны как плоские участки в прямоугольных рамках. Сверху этих катушек 7, представляющих собой части приемного устройства транспортного средства, которое (приемное устройство) предназначено для приема энергии от структуры 12, расположены ферромагнитные магнитопроводы 8, чтобы собирать вместе и отклонять силовые линии магнитного поля. Эти магнитопроводы 8 выполняют функции сердечника электромагнита.
На фиг.4 показан вид, аналогичный видам, приведенным на фиг.3. Однако эта фигура призвана иллюстрировать гипотетическую ситуацию, когда катушки в транспортном средстве (движущемся по колее) наводят ток в проводниковой структуре колеи. В дополнение к тому, что показано на фиг.3, на фиг.4 также показаны поперечные сечения электрических проводников 41a, 41b в областях 7a, 7b, 7c, 7d катушки 7. В области 7a, 7b в отображенный момент времени проходит ток, направленный вверх из плоскости чертежа на фиг.4. С правой стороны чертежа на фиг.4, где показаны области 7c, 7d катушки 7, ток направлен вниз в плоскость чертежа на фиг.4, как это показано перекрещивающимися штрихами. Электромагнитное поле (представленное силовыми линиями на фиг.4), которое создается катушкой 7, является симметричным относительно линии границы участков 7b и 7d, поскольку величины токов на участках 7a-7d также симметричны относительно этой границы.
На фиг.5 показан еще один разрез вдоль секущей плоскости, которая проходит вертикально и тянется в направлении движения. В верхней половине фиг.5 показаны провода или жгуты проводов линий 1, 3, 2, расположенные на отрезках этих линий 1, 3, 2, вытянутых поперек направления движения. На фиг.5 показано, по меньшей мере частично, в общей сложности семь отрезков структуры 12, вытянутых поперек направления движения. Первый, четвертый и седьмой отрезки в ряду (слева направо) принадлежат линии 1. Поскольку направление тока I1 через отрезок 5b (четвертый отрезок на фиг.5) противоположно направлению тока I1 через отрезки 5a, 5c (первый и седьмой отрезки на фиг.5), и поскольку токи I1, I3, I2 являются переменными токами, создаваемая электромагнитная волна перемещается в направлении движения со скоростью vw. Волна обозначена номером позиции 9, индуктивность структуры 12 - как Lp.
Поперечные сечения, показанные в верхней половине фиг.5, представляют приемное устройство транспортного средства, движущегося в направлении движения и со скоростью vm, а обозначение "2 TP" вверху фиг.5 указывает на то, что на фиг.5 показан участок линии структуры 12, длина которого равна удвоенному расстоянию между тремя следующими один за другим поперечно вытянутыми отрезками линии, в данном случае линии 1.
Система, показанная фиг.6, включает в себя проводниковую структуру 103, 104, 105, которая может быть проводниковой структурой 12, соответствующей фиг.1. Для отображения их электрических свойств на фиг.6 используются символы эквивалентной схемы. В фазах 1, 2, 3 трехфазной системы 103, 104, 105 проходят фазные токи I1, I2, I3. Собственные индуктивности фаз 1, 2, 3 обозначены как Lp1, Lp2, Lp3 и создают электромагнитное поле для передачи энергии на любое транспортное средство, находящееся на колее. Вместе с тем, линии 1, 2, 3 также содержат индуктивности Ls1, Ls2, Ls3 рассеяния, как это показано на фиг.6 в рамке 104. Полное электрическое сопротивление этих нежелательных индуктивностей рассеяния компенсируется емкостями Ck1, Ck2, Ck3 в линиях 1, 2, 3, как показано в рамке 103.
Электрическая энергия, используемая для создания электромагнитных полей в линиях 1, 2, 3, генерируется источником 101 трехфазного напряжения. Фазные источники для отдельных фаз обозначены как V1, V2, V3 в рамке 101. Создаваемые в линиях 1, 2, 3 напряжения обозначены как U1, U2, U3. Источник напряжения соединен с входом стабилизированного источника 102 тока. Выход этого источника 102 соединен с емкостями в рамке 103. На выходе источника 102 генерируются токи I1, I2, I3. Эти токи постоянны во времени, вне зависимости от энергии, передаваемой от линий 1, 2, 3 на любое транспортное средство, находящееся на колее. На входной стороне стабилизированного источника 102 тока этот источник 102 содержит в каждой линии 1, 2, 3 входную индуктивность L1a, L2a, L3a. На выходной стороне источника 102 каждая линия 1, 2, 3 содержит выходную индуктивность L1b, L2b, L3b. Между входной и выходной индуктивностями каждая линия 1, 2, 3 соединена через емкость C1, C2, C3 с общей нейтральной точкой 61 звезды.
На фиг.7 приведена принципиальная электрическая схема системы, которая может быть расположена в транспортном средстве, движущемся по колее. Система содержит трехфазное приемное устройство для приема электромагнитного поля от колеи и его перевода в электрическую энергию. Приемное устройство содержит для каждой фазы 1a, 2a, 3a одну катушку или блок катушек, причем катушки обозначены как L71, L72, L73 (рамка 201). В показанном варианте осуществления изобретения фазы 1a, 2a, 3a соединены вместе в общей нейтральной точке 71 звезды. Индуктивности рассеяния (отдельно на фиг.7 не показаны) фаз 1a, 2a, 3a компенсируются емкостями C71, C72, C73, как показано в рамке 202.
Выходная сторона приемного устройства 201, 202, где на фиг.7 показаны фазные токи Is1a, Is2a, Is3a, соединена с преобразователем 203 переменного тока в постоянный ток. Сторона постоянного тока преобразователя 203 соединена с линиями 76a, 76b промежуточного контура. Линии 76a, 76b соединены друг с другом через сглаживающую емкость C7d, обозначенную номером позиции "204". Электрическая нагрузка, которая может снабжаться энергией внутри транспортного средства, представлена сопротивлением RL, которое обозначено номером позиции "205" и которое может быть соединено с линиями 76a, 76b промежуточного контура. Обозначение "Ud" указывает на то, что нагрузка R1 может вызывать падение напряжения, причем напряжение Ud является, например, напряжением в промежуточном контуре.
На фиг.8 показана колея 83 (в данном случае железнодорожная колея с двумя рельсами), которая занята колейным транспортным средством 81, таким как поезд, относящийся к региональному общественному транспорту, или трамвай.
Изображенная на этом чертеже система включает в себя электрическую проводниковую структуру, предназначенную для создания электромагнитного поля и передачи посредством него энергии на транспортное средство, находящееся на колее. Проводниковая структура 89 изображена схематично. Например, проводниковая структура может быть выполнена, как это показано на фиг.1. Проводниковая структура 89 (это относится и к другим структурам, а не только к примеру, показанному на фиг.8) может быть расположена под землей или над землей. В частности, в случае железных дорог, имеющих два рельса, по которым могут катиться колеса рельсовых транспортных средств, проводниковая структура может быть расположена над землей между рельсами на уровне железнодорожной шпалы или частично над землей, но под железнодорожными шпалами. Если железнодорожные шпалы изготавливаются, например, из бетона, то шпалы или другая конструкция для удержания рельсов могут иметь отверстия и/или полости, через которые проходит(-ят) линия или линии проводниковой структуры. Таким образом, конструкция рельсового пути может использоваться для фиксации желательной змеевидной формы линии(-ий) проводниковой структуры.
Колейное транспортное средство 81 имеет на своей нижней стороне приемное устройство 85 для приема электромагнитного поля, создаваемого проводниковой структурой 89. Приемное устройство 85 электрически соединено с бортовой электрической сетью 86, благодаря чему электрическая энергия, индуцируемая в приемном устройстве 85, может распределяться внутри транспортного средства 81. Например, к распределительной сети 86 могут подключаться вспомогательные устройства 90 и силовые агрегаты 80, 84 для приведения в действие тяговых двигателей (не показаны), расположенных в тележках 780a, 780b с колесами 88a, 88b, 88c, 88d. Кроме того, к распределительной сети также может быть подключен накопитель 82 энергии, например электрохимический аккумулятор или система конденсаторов, таких как суперконденсаторы (ионисторы). Таким образом, накопитель 82 энергии может заряжаться энергией, получаемой приемным устройством, в частности, во время остановок транспортного средства 81 на колее. Когда транспортное средство 81 движется по колее, часть движущей энергии, необходимой для перемещения транспортного средства 81, можно брать из накопителя 82 энергии, и одновременно в сообщение транспортному средству движения свой вклад может вносить энергия, получаемая приемным устройством, т.е. эта энергия может быть частью движущей энергии.
На фиг.9а-9в иллюстрируется концепция проводниковой структуры 112, включающей в себя секции, которые могут включаться и выключаться таким образом, что электромагнитное поле для передачи энергии на транспортное средство или транспортные средства, находящееся(-иеся) на колее, создают только включенные секции. В приведенных на фиг.9 примерах имеется пять таких секций или участков T1, T2, T3, T4, T5, расположенных вдоль колеи в виде ряда следующих один за другим участков.
По колее движется транспортное средство 92, такое как трамвай. Под полом транспортного средства 92 предусмотрено два приемных устройства 95a, 95b для приема электромагнитного поля, создаваемого участками проводниковой структуры. Приемные устройства 95a, 95b могут резервировать друг друга таким образом, что для функционирования транспортного средства необходимо только одно из этих устройств. Это повышает эксплуатационную надежность. Вместе с тем, устройства 95a, 95b могут быть и нерезервированными, вырабатывая энергию для энергоснабжения транспортного средства одновременно. Правда, в этом случае может случиться так, что по меньшей мере одно из этих устройств 95 окажется неспособным выдавать электрическую энергию. Вместо двух приемных устройств транспортное средство может содержать большее число приемных устройств.
Следующее описание относится ко всем этим случаям, а также к случаю, когда транспортное средство имеет только одно приемное устройство.
В изображенных на фиг.9 примерах транспортное средство движется слева направо. На фиг.9а транспортное средство 92 занимает колею над участками (секциями) T2, T3 и частично занимает колею над участками T1 и T4. Приемные устройства 95 или приемное устройство всегда расположены над участками, которые полностью заняты транспортным средством. Это связано с тем, что расстояние от приемных устройств до ближайшего конца транспортного средства в продольном направлении больше длины каждого участка проводниковой структуры 112.
В ситуации, показанной на фиг.9а, участки T2, T3 включены, а все остальные участки T1, T4, T5 выключены. На фиг.9б, где транспортное средство 92 полностью занимает колею над участками T2, T3 и почти полностью занимает колею над участком T4, участок T2 выключен, поскольку приемные устройства 95 или приемное устройство уже покинули/покинуло область над участком Т2, и участок Т4 включится, как только транспортное средство полностью займет область над участком T4. Это состояние, когда участок T4 включен, показано на фиг.9в. Участок же Т3 тем временем был выключен.
На фиг.10 показана система, аналогичная показанным на фиг.9. В действительности, это может быть другим видом той же системы, что показана на фиг.9. Вместе с тем, на фиг.10 показаны и дополнительные элементы системы. Каждый из следующих один за другим участков 103a, 103b, 103c проводниковой структуры для создания электромагнитного поля подключен к магистрали 108 посредством отдельного переключателя 102a, 102b, 102c, предназначенного для включения и выключения участка 103. В случае системы трехфазного переменного тока магистраль 108 может содержать провода или кабели для каждой фазы. Дальний конец магистрали 108 (находящийся с правой стороны фиг.10, но не показанный) может иметь общую для всех трех фаз нейтральную точку звезды. С противоположной стороны магистрали 108 она соединена с источником 101 энергии, таким как устройство, обозначенное рамками 101, 102 на фиг.6.
На каждой из фиг.12 и 13 показана проводниковая структура, имеющая семь участков, которые могут включаться и выключаться отдельно, причем на этих фигурах показаны два различных коммутационных состояния проводниковой структуры.
Показанные на фиг.12 и 13 структуры являются примерами и призваны иллюстрировать предпочтительный вариант осуществления изобретения. На практике же число участков, входящих в состав проводниковой структуры, может меняться. В частности, участков может быть более семи, особенно если длина участков в направлении движения транспортного средства (на фиг.12 и 13 не показанного) меньше длины транспортного средства.
На фиг.12 и 13 участки показаны схематично и обозначены как T1-T7. Структуры, показанные на фиг.9, могут быть частью структуры, показанной на фиг.12 или 13. В частности, проводниковые линии, предназначенные для пропускания фаз переменного тока, могут быть расположены описанным выше образом, например, как показано на фиг.1, которая может служить иллюстрацией одного участка, где переключатель SE соединения участка с нейтральной точкой звезды не показан.
Структура, показанная на фиг.12 и 13, содержит трехфазную питающую линию, изображенную над линией следующих один за другим участков T1-T7. У каждого стыка (сопряжения) двух следующих один за другим участков T1-T7 имеется трехфазный переключатель SP2-SP7. Эти переключатели SP2-SP7 соединяют три фазы питающей линии 135 со стыком двух следующих один за другим участков при условии, что переключатель SP2-SP7 замкнут. Если переключатель SP2-SP7 не замкнут, т.е. разомкнут, соответствующий стык электрически изолирован от питающей линии.
В зоне соответствующего стыка имеется электрическое соединение между соответствующими линиями следующих один за другим участков (т.е. между линиями обоих участков, предназначенными для пропускания фазы U, фазы V и фазы W) и, кроме того, трехфазное соединение с соответствующим переключателем SP2-SP7. Вместе с тем, в альтернативных вариантах осуществления изобретения могут использоваться дополнительные переключатели для отсоединения линий по меньшей мере одного из следующих один за другим участков от стыка между участками.
Кроме того, каждый стык двух следующих один за другим участков T1-T7 также соединен с переключателем SE2-SE7. При разомкнутом состоянии переключателя SE2-SE7 соединение между тремя фазами U, V, W в зоне стыка отсутствует. При замкнутом же состоянии переключателя SE2-SE7 три фазы U, V, W замкнуты накоротко, т.е. реализовано соединение в нейтральной точке звезды.
На фиг.12 и на верхней половине фиг.13 переключатель SE2 соединения с нейтральной точкой звезды замкнут, а все остальные переключатели SE1 и SE3-SE8 соединения с нейтральной точкой звезды разомкнуты. На нижней половине фиг.13 замкнут только переключатель SE3 соединения с нейтральной точкой звезды, а все остальные переключатели SE1, SE2 и SE4-SE8 соединения с нейтральной точкой звезды разомкнуты.
В представленном на фиг.12 и 13 варианте осуществления изобретения имеются также переключатели SP8 и SP1 соединения с питающей линией, расположенные, соответственно, в начале участка T7 и в конце участка T1. Кроме того, имеются переключатели SE8 и SE1 соединения с нейтральной точкой звезды, предназначенные для реализации соединения в нейтральной точке звезды, соответственно, в начале участка T7 и в конце участка T1.
Структура, показанная на фиг.12 и 13, работает, например, следующим образом. Начиная с ситуации, показанной на верхней половине фиг.12, в действие приведен только участок T2 электрической проводниковой структуры. Например, транспортное средство может занимать отрезок пути движения, проходящий вдоль участка T2, т.е. приемное устройство транспортного средства или приемные устройства транспортного средства может/могут находиться на отрезке пути, соответствующем участку T2. В частности, участок T2 может быть расположен под колеей рельсового транспортного средства, а приемное(-ые) устройство(-а) может/могут находиться над участком T2 электрической проводниковой структуры.
Для реализации работы участка T2 как единственного включенного участка электрической проводниковой структуры переключатель SP3 соединения с питающей линией и переключатель SE2 соединения с нейтральной точкой звезды замкнуты. Все остальные переключатели SP соединения с питающей линией и все остальные переключатели SE соединения с нейтральной точкой звезды разомкнуты. Следовательно, передний конец участка T2 (под "передним" понимается конец, расположенный на фиг.12 и 13 справа) подключен к питающей линии 135. Поскольку задние концы трех линий участка T2 замкнуты накоротко замкнутым переключателем SE2 соединения с нейтральной точкой звезды, по трем линиям на участке T2 проходят три фазы переменного тока, создавая электромагнитное поле, требуемое для снабжения транспортного средства электрической энергией. Хотя задние концы линий участка T3 также подключены к питающей линии 135 переключателем SP3 соединения с питающей линией, переменный ток по линиям участка T3 не проходит, поскольку передние концы линий участка T3 не соединены с общей нейтральной точкой звезды, не подключены к питающей линии.
Транспортное средство движется от левой стороны фиг.12 в правую сторону фиг.12. Следовательно, приемное(-ые) устройство(-а) транспортного средства войдет(-дут) на отрезок пути движения, проходящий вдоль участка T3 электрической проводниковой структуры. Перед тем как приемное устройство фактически войдет на участок T3, этот участок предпочтительно включить, чтобы он был задействован одновременно с участком T2, т.е. чтобы участки T2 и T3 стали следующими один за другим участками, одновременно приведенными в действие.
Для включения участка T3 первый переключатель SP4 соединения с питающей линией замыкается. В результате последовательное соединение соответствующих линий участков T2 и T3 подключается к питающей линии 135 переключателем SP4 соединения с питающей линией, а на другой стороне этого последовательного соединения оно по-прежнему соединено с общей нейтральной точкой звезды переключателем SE2 соединения с нейтральной точкой звезды. Таким образом, по линиям участков T2 и T3 проходит трехфазный переменный ток.
На следующем этапе переключатель SP3 соединения с питающей линией в зоне стыка двух следующих один за другим участков T2, T3 размыкается, как показано на нижней половине фиг.12.
Затем, как возможный вариант, участок T4 может быть включен таким же образом, что и участок T3, в результате чего три следующих один за другим участка T2, T3, T4 будут одновременно приведены в действие. Вместе с тем, как возможный вариант, участок T2 может быть выключен (как это описывается со ссылкой на фиг.13), прежде чем будет включен участок T4. В любом случае там, где во время движения транспортного средства по пути движения расположено приемное(-ые) устройство(-а) транспортного средства, всегда включен и приведен в действие по меньшей мере один участок.
Приведенное выше описание может относиться не только к трехфазной системе. Напротив, любую проводниковую структуру, имеющую следующие один за другим участки, линии которых могут соединяться друг с другом последовательно, можно приводить в действие, сначала замыкая переключатель соединения с питающей линией, а затем размыкая другой переключатель соединения с питающей линией в зоне стыка, как описано выше. Например, другая проводниковая структура может иметь только две фазы (и поэтому только две линии на каждом участке) или более трех фаз, с соответствующим числом линий на каждом участке. Такая альтернативная проводниковая структура также может приводиться в действие, как это описано ниже со ссылкой на фиг.13.
Для выключения участка T2, когда участки T2 и T3 одновременно приведены в действие, сначала замыкается переключатель SE3 соединения с нейтральной точкой звезды. В результате фазы в зоне стыка следующих один за другим участков T2, T3, приведенных одновременно в действие, замыкаются накоротко, и поэтому прохождение тока через участок T2 прекращается. На следующем этапе может быть разомкнут переключатель SE2 соединения с нейтральной точкой звезды.
Описание осуществления изобретения со ссылкой на фиг.12 и 13 приведено только в качестве примера. Как указано выше, проводниковая структура может быть модифицирована в том, что касается числа фаз и/или реализации переключателей соединения с питающей линией и переключателей соединения с нейтральной точкой звезды. Например, могут быть предусмотрены дополнительные переключатели в зоне стыков следующих один за другим участков, предназначенные для размыкания или замыкания соединения между соответствующими линиями на следующих один за другим участках.
В предпочтительном же варианте осуществления изобретения, описанном выше, имеется соединение на переднем конце приведенного в действие участка или на переднем конце следующих один за другим участков, приведенных в действие одновременно. "Передний конец" означает сторону участка или участков, расположенную в направлении движения транспортного средства. Таким образом, в примере, приведенном на фиг.12 и 13, транспортное средство движется слева направо. Если бы транспортное средство двигалось справа налево, то при приведении в действие участков T2 и T3 переключатель SP2 соединения с питающей линией и переключатель SE4 соединения с нейтральной точкой звезды были бы замкнуты, а все остальные переключатели были бы разомкнуты. В этом случае передний конец был бы слева.
Как было упомянуто, предпочтительно, чтобы замыкаемый переключатель соединения с питающей линией был расположен на конце участка или участков, приводимого(-ых) в действие. Таким образом, переключатель соединения с нейтральной точкой звезды, который также замкнут, расположен на заднем конце участка или участков, приводимого(-ых) в действие.
Следует отметить, что по пути движения одновременно может двигаться более одного транспортного средства. Например, для снабжения энергией еще одного транспортного средства в ситуации, показанной на верхней половине фиг.12, одновременно с участком T2 могут быть приведены в действие участки T6 и T7. При этом должны быть включены переключатель SE6 соединения с нейтральной точкой звезды и переключатель SP8 соединения с питающей линией. Транспортные средства при этом предполагаются движущимися в одном и том же направлении.
На фиг.14 показана система с пятью следующими один за другим участками проводниковой структуры. Участки T1 и T5 расположены на противоположных концах проводниковой структуры. Участки T2, T3, T4 являются участками, длина которых меньше длины транспортного средства, которое может двигаться по соответствующему пути движения.
Питающая линия 145 подключена к источнику 147 питания (например, к стабилизированному источнику переменного тока, показанному на фиг.6). Питающая линия 145 проходит вдоль участков T2, T3, T4, но не вдоль участков T1 и T5. На практике участки T1 и T5 также могут быть короче по сравнению с длиной снабжаемого энергией транспортного средства. Кроме того, может быть предусмотрено большее число участков, проходящих параллельно питающей линии.
В зоне каждого стыка между участками T2, T3 и T4 линии этих участков последовательно соединены друг с другом. В зонах же стыков участков T1, T2 и T4, T5 имеется переключатель SC1, SC5, который разъединяет соответствующие линии следующих один за другим участков, если этот переключатель разомкнут.
Аналогично структурам, показанным на фиг.12 и 13, в зоне каждого стыка следующих один за другим участков имеются переключатели SE1-SE4 соединения с нейтральной точкой звезды. Кроме того, также аналогично фиг.12 и 13, в зоне каждого стыка имеются переключатели SP1-SP4 соединения с питающей линией.
Для компенсации индуктивности рассеяния участков в зоне стыков следующих один за другим участков расположены емкости CF1-CF5. Точнее говоря, в каждой линии имеется по меньшей мере один конденсатор, так что емкости CF1-CF5 образованы по меньшей мере тремя конденсаторами. Кроме того, имеются дополнительные емкости CT1-CT8 и CT9-CT18, расположенные вдоль более длинных участков T1 и T5 для компенсации их индуктивности рассеяния. Все переключатели SP1-SP4, SE1-SE4 и SC1, SC5, питающая линия 145, емкости CF1-CF5 и/или источник 147 питания могут быть расположены в одном блоке 149, например контейнере. На практике же питающая линия может тянуться вдоль пути движения и может быть укрыта в земле под путем движения. Питающую линию предпочтительно экранировать, чтобы воспрепятствовать распространению электромагнитных полей, создаваемых фазами питающей линии, в окружающую среду или значительно уменьшить напряженность этих полей.
Как указано выше, предпочтительно, чтобы все следующие один за другим участки, приводимые в действие одновременно, были соединены друг с другом последовательно, а не параллельно. Показанная на фиг.14 система соответствует предпочтительному варианту осуществления изобретения, а именно с применением соединений в нейтральной точке звезды в зоне стыков следующих один за другим участков. Концы участков T1 и T5 (с правой стороны участка T1 и с левой стороны участка T5) также соединены в нейтральной точке звезды, т.е. три линии участков T1 и T5 на конце замкнуты накоротко. Следовательно, для исключения ситуаций, в которых участки, приводимые в действие одновременно, являются электрически параллельными друг другу, предусмотрены переключатели SC1 и SC5, которые при необходимости размыкаются.
На фиг.15а показано переключательное устройство Z1, Z2 для переключения одной фазы. Переключатели Z1, Z2 представляют собой полупроводниковые ключи, предпочтительно биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), но могут быть и другими полупроводниковыми ключами, такими как запираемые транзисторы.
Управляющие электроды 151, 152 переключателей Z1, Z2 соединены с устройством 153 управления. Управление переключателями может осуществляться любым известным методом. Другие элементы и соединения для осуществления управления на фиг.15а-15в не показаны.
На фиг.15б и 15в иллюстрируются два различных рабочих состояния переключательного устройства. На фиг.15б электрический ток проходит сверху через переключатель Z1 к точке 154 соединения между переключателями Z1, Z2 и оттуда через разрядный диод D2, включенный параллельно переключателю Z2.
На фиг.15в ток проходит через переключательное устройство в противоположном направлении, через переключатель Z2, затем к точке 154 соединения и затем через разрядный диод D1, включенный параллельно переключателю Z1.
Для реализации переключателя соединения с нейтральной точкой звезды (такого как переключатели SE1-SE8 на фиг.12 и 13) требуется только один полупроводниковый ключ для каждой фазы. Например, исходя из устройства, показанного на фиг.15, нижнюю половину устройства можно исключить, т.е. оставить для каждой фазы только переключатель Z1 и соответствующий разрядный диод D1. Три фазы соединены друг с другом в точке 154 соединения. Возможны также другие конструкции переключателей, такие как традиционные механические переключатели.
1. Система для передачи электрической энергии на транспортное средство (81; 92), прежде всего на колейное транспортное средство, такое как легкое рельсовое транспортное средство, содержащая электрическую проводниковую структуру (12) для создания переменного электромагнитного поля и для передачи посредством него энергии на транспортное средство (81; 92), причем электрическая проводниковая структура (12) содержит по меньшей мере две линии (1, 2, 3), каждая из которых приспособлена для пропускания своей фазы переменного электрического тока, проводниковая структура содержит множество участков (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5), каждый из которых проходит вдоль своего отрезка пути движения транспортного средства, содержит отрезки указанных по меньшей мере двух линий и может включаться и выключаться отдельно от других участков, проводниковая структура выполнена таким образом, что одновременно в действие могут приводиться по меньшей мере два следующих один за другим участка (Т2, Т3), причем соответствующие линии (1, 2, 3), предназначенные для пропускания одной фазы переменного тока на следующих один за другим участках, последовательно соединены друг с другом, в зоне стыка двух следующих один за другим участков (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) проводниковой структуры расположен переключатель или переключательное устройство (SP, SE), и управление переключателем или переключательным устройством (SP, SE) осуществляется таким образом, что если одновременно в действие приводится только один из двух следующих один за другим участков (Т2, Т3), линии приводимого в действие участка (Т2) соединяются с общей нейтральной точкой звезды или с системой электропитания, а если одновременно в действие приводятся оба следующих один за другим участка (Т2, Т3), соответствующие линии следующих один за другим участков (Т2, Т3) соединяются друг с другом последовательно.
2. Система по п.1, в которой участки (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) меньше длины транспортного средства (81; 92) в направлении движения, а система выполнена с возможностью приведения в действие участков (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) только в том случае, если транспортное средство (81; 92) занимает соответствующий отрезок пути движения, на котором находится этот участок (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5).
3. Система по п.1 или 2, выполненная с возможностью включения участков (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) только в том случае, если транспортное средство (81; 92) полностью занимает соответствующий отрезок пути движения.
4. Способ передачи электрической энергии на транспортное средство (81; 92), прежде всего на колейное транспортное средство, такое как легкое рельсовое транспортное средство, характеризующийся тем, что:
- с помощью электрической проводниковой структуры, расположенной вдоль колеи, создают электромагнитное поле, передавая посредством него электрическую энергию на транспортное средство (81; 92),
- электромагнитное поле создают путем пропускания по меньшей мере первой фазы переменного тока по первой линии (1) электрической проводниковой структуры (12) и по меньшей мере второй фазы переменного тока по второй линии (2) электрической проводниковой структуры (12),
- для создания электромагнитного поля в ограниченной области пути движения транспортного средства одни участки (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) проводниковой структуры включают и выключают отдельно от других участков (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5), причем каждый участок (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) проходит вдоль своего отрезка пути движения транспортного средства и содержит отрезки указанных по меньшей мере двух линий,
- одновременно приводят в действие по меньшей мере два следующих один за другим участка (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5), причем соответствующие линии (1, 2, 3), предназначенные для пропускания одной фазы переменного тока на следующих один за другим участках (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5), соединяют друг с другом последовательно,
- если одновременно в действие приводится только один из двух следующих один за другим участков, линии (1, 2, 3) приводимого в действие участка (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) соединяют с общей нейтральной точкой звезды или с системой электропитания, а если одновременно в действие приводятся два следующих один за другим участка, соответствующие линии (1, 2, 3) следующих один за другим участков (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) соединяют друг с другом последовательно.
5. Способ по п.4, в котором длины участков (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) вдоль пути движения меньше длины транспортного средства (81; 92) в направлении движения, причем участки (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) включают только в том случае, если транспортное средство (81; 92) уже занимает соответствующий отрезок пути движения, вдоль которого этот участок (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) проходит.
6. Способ по п.5, в котором участки (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) включают только в том случае, если транспортное средство (81; 92) полностью занимает соответствующий отрезок пути движения.
7. Способ по п.5, в котором занятие транспортным средством (81; 92) соответствующего отрезка пути определяют путем обнаружения на участке (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) или в отдельной петле напряжения и/или тока, вызванного индуктивной связью транспортного средства (81; 92) с участком (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) линии и/или электромагнитными полями, создаваемыми транспортным средством (81; 92).
8. Способ по пп.5-7, в котором участок (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) включают, прежде чем приемное устройство транспортного средства (81; 92), предназначенное для приема передаваемой энергии, войдет на отрезок пути движения, вдоль которого этот участок (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5) проходит.
