Резонансная однопроводная схема электроснабжения мобильных сельскохозяйственных машин и электроагрегатов

Резонансная однопроводная схема электроснабжения мобильных сельскохозяйственных машин

и электроагрегатов

Разработка мобильных электроагрегатов средств сельскохозяйственного назначения занимает особое место на всем протяжении развития электрификации села. Основным нерешенным вопросом остается система подвода электрической энергии к движущемуся сельскохозяйственному электроагрегату.

Электроснабжение мобильных электротранспортных средств может осуществляться различными способами, классификация которых представлена на рис. 3.1. К рассматриваемым источникам питания относят автономные, комбинированные и централизованные. Основными видами автономных источников питания являются тяговые аккумуляторные батареи и солнечные батареи. Тяговые аккумуляторные батареи имеют малый запас хода при большом весе и требуют периодической подзарядки, а солнечные батареи могут работать только днем или служить для подзарядки аккумуляторов.

Комбинированные (гибридные) энергетические установки получают питание от тяговых аккумуляторных батарей или электрической сети и кроме этого имеют двигатель внутреннего сгорания. При этом ДВС может не иметь или иметь кинематическую связь с ведущими колесами. Обе эти схемы имеют свои преимущества и недостатки. В схеме, представленной на рис. 3.2,а используют две электрические машины и происходит двойное преобразование энергии ДВС, что приводит к увеличению массы установки и потерь энергии. В схеме на рис. 3.2,б затруднено изменение скоростных режимов ДВС, зависящих от скорости движения транспортного средства. Основными показателями при выборе необходимой схемы комбинированной энергетической установки являются условия работы и назначение, стоимость механического и электротехнического оборудования, масса электротранспортного средства и его энергетика.

Централизованные источники питания электротранспортных средств обеспечивают их электроснабжение в большинстве случаев путем подвода электроэнергии через контактную сеть или гибкий кабель, собираемый на кабелеприемном барабане или на расположенном по пути движения тросе. При бесконтактном способе питания электротранспортных средств применяется высокочастотный кабель. Магнитный поток переменного тока, протекающего по кабелям тяговой линии, замыкается по разветвленному магнитопроводу и наводит ЭДС в многовитковых обмотках энергоприемника, питающего тяговые электродвигатели.

Рассматриваемые разработки сельскохозяйственного назначения были направлены на создание электротрактора, электрокомбайна или самоходного электрошасси с комплектом сельскохозяйственных машин и орудий, а также оборудования и установок для выполнения различных полевых работ или электротехнологических операций. Выполнение технологических процессов в растениеводстве с применением системы электрифицированных сельскохозяйственных машин, орудий и установок, получающих привод от электродвигателей, обеспечивает экономию нефтепродуктов, улучшение экологии, исключение токсичных выбросов, рациональное использование графика нагрузок энергосистемы в весенне-летний период, возможность автоматизации и совершенствования технологических процессов, повышение урожайности, сокращение потерь, снижение себестоимости продукции, сокращение ручного труда, возможность широкого внедрения различных видов высокоэффективных электротехнологий путем непосредственного воздействия электрической энергии на растения, сорняки, почву и др. /18, 19, 20/.

В ВИЭСХе и других научных учреждениях был создан ряд сельскохозяйственных электроагрегатов: электротракторы гусеничные ЭТ-2, XT3-13, XT3-120, ХТЗ-15А, колесные ЭТ-36, электрокомбайны СЭ-4, СЭ-5, СЭМ-5, электрокосилка ЭК-10. Система электроснабжения предусматривает использование передвижной трансформаторной подстанции для подключения к ВЛ-10 кВ. Электротракторы обеспечивали высокое качество вспашки, культивации и посева за счет стабильности поддержания заданной глубины вспашки и заделки семян при постоянстве скорости движения агрегата и высокой перегрузочной способности тяговых электродвигателей. Электротракторы легки в запуске, просты в управлении и эксплуатации, не требуют периодического подвоза жидкого топлива и воды для охлаждения двигателей. Электрокомбайны благодаря равномерности и согласованности скоростей движения рабочих органов жатки и молотильного аппарата имели производительность на 30% выше при значительном снижении потерь зерна. Применение электротракторов и электрокомбайнов обеспечивало повышение производительности труда, резко сокращало объемы работ по их техническому обслуживанию и ремонту.

Основными причинами, ограничивающими применение мобильных электроагрегатов, являются недостаточная маневренность из-за необходимости подбора питающего кабеля длиной до 750 м, громоздкость и большая металлоемкость кабельного барабана и самого медного кабеля, достигающих 3 т, а также потери мощности в подводящем кабеле до 13%.

Проводятся работы по созданию электрифицированных систем для растениеводства с многодвигательным приводом, осуществляющих передвижение опор мостового агрегата и обеспечивающих работу активных рабочих органов или орудий для выполнения различных операций технологических процессов. Также разрабатывается мобильная малогабаритная электрифицированная техника для ЛПХ и садово-огородных участков.

В животноводстве передвижными средствами с электроприводом являются: подвесные монорельсовые тележки на фермах для раздачи корма или уборки навоза; кормораздаточные системы на свиноводческих комплексах с высокой степенью автоматизации процесса дозирования и индивидуального кормления животных; электромобильные навозоуборщики и другие установки. Электропривод состоит из асинхронного электродвигателя с редуктором и системы управления, а подвод электроэнергии к такого вида подвижным установкам осуществляется при помощи кабель-шторки.

В настоящее время за рубежом предложен способ питания электротракторов и электрокомбайнов с присоединением прицепа, на котором установлена дизельная электростанция (ДЭС) или дизельный агрегат с гидравлическим приводом.

Предлагаемый резонансный способ питания мобильных электротранспортных средств в соответствии с приведенной классификацией (рис. 3.1) можно отнести к централизованному способу питания.

Схема резонансного способа электроснабжения электротранспортного средства и устройство для его реализации представлены на рис. 3.3 /20, 29, 30, 31/. Источник электрической энергии (ИП) сетевого напряжения соединен через преобразователь частоты (ПЧ) и резонансный генератор (РГ) с контактной сетью (КС). Токосъемник соединен с контактной сетью (КС) и тяговым электродвигателем (ТЭД), соединенным с ведущими колесами (ВК) электротранспортного средства через приемно-согласующее устройство (ПСУ), диодный блок (ДБ), инвертор (И) и блок управления (БУ). Резонансный генератор состоит из трансформатора Тесла с резонансной частотой 1 – 20 кГц, имеющего высоковольтную 1 и низковольтную 2 обмотки, намотанные на общий сердечник. Низковольтная обмотка 2 соединяется с преобразователем частоты, а высоковольтная обмотка 1 одним выходом соединяется с контактной сетью, а другой конец обмотки остается свободным или заземляется для обеспечения достаточной собственной емкости системы. Электриче-

Рис. 3.3. Схема резонансного способа питания электроагрегата

(обозначения в тексте)

скую энергию напряжением 1 – 10 кВ однопроводной линии электропередачи подают на вход высоковольтной обмотки 3 приемно-согласующего устройства, а другой конец этой обмотки также изолирован или заземляется. Электрическую энергию требуемого напряжения с двух выходов обмотки 4 приемно-согласующего устройства после преобразования в переменный ток подают на блок управления электротранспортным средством.

Использование резонансного способа и устройства для питания электротранспортных средств позволяет повысить эффективность и надежность работы, снизить потери энергии в соединительных проводах. Такой способ питания мобильных электропотребителей дает возможность осуществлять передачу мощности по проводниковым линиям контактной сети любой конструкции (например, металлическая сетка) для питания группы электротранспортных средств. В другом варианте вместо контактной сети возможно использование тонкого изолированного провода с высокой механической прочностью.

В системе электропривода в качестве тяговых электродвигателей электротранспортных средств (ЭТС) применяют электродвигатели переменного тока – тяговые асинхронные двигатели (ТАД), тяговые электродвигатели постоянного тока с щеточно-коллекторным устройством (ТЭД) и бесщеточные тяговые синхронные двигатели (ТСД). Назначением системы управления и регулирования тягового электропривода является плавное изменение скорости от нуля до максимального значения и получения высокого КПД. Система управления должна обеспечивать рекуперативное торможение, реверсирование при наличии нейтральной позиции, защиту от перегрузок и соответствие требованиям электробезопасности.

Создание экологически чистого мобильного энергетического средства с электроприводом на основе резонансного генератора позволит осуществить принципиально новый способ питании электротранспортных средств по однопроводной схеме. Рациональная схема электроснабжения, отсутствие вредных выбросов дает возможность работы в закрытых помещениях – теплицах, фермах, повышает условия эксплуатации и производительность труда, снижает затраты ручного труда при производстве экологически чистой продукции сельского хозяйства.

Электроснабжение мобильных дождевальных машин и других поливальных агрегатов возможно осуществлять по проводящему каналу, выполненному в виде открытого водовода, изолированного от земли (рис. 3.4).

Подача электрической энергии в проводящий канал (воду) осуществляется через потенциальный вывод высоковольтной обмотки высокочастотного трансформатора Тесла. Из проводящего канала вода отбирается дождевальной машиной, которая получает электроэнергию вместе с водой из проводящего канала.

Для съема электрической энергии и отвода воды используется высокочастотный трансформатор Тесла, установленный на дождевальной машине, которая передвигается вдоль проводящего канала и производит дождевание и орошение прилегающих участков земли. На дождевальной машине установлен на изоляторах трубчатый приемник, который забирает из магистрального канала воду и электрическую энергию и подает ее на высоковольтную обмотку понижающего высокочастотного трансформатора Тесла, выполненную в виде многослойных трубчатых витков, а затем вода поступает через электронасос на орошение. Электрическая энергия от трансформатора Тесла через инвертор подается на электронасос через систему управления электропривода. Вопрос практического использования изолированного от земли проводящего канала требует дальнейшего изучения.

Для внутрипроизводственного, например внутрифермерского обеспечения перевозок хозяйственных грузов, целесообразно использовать троллейный способ питания мобильных электроагрегатов.

Изготовлен действующий макетный образец мобильного электроагрегата мощностью 10 Вт с питанием по однопроводной линии, который представлен на рис. 3.5. Целью разработки является создание макета экологически чистого мобильного энергетического средства с электроприводом, использующим новый способ питания по однопроводной линии, исключая применение громоздких металлоемких кабелеприемных барабанов или аккумуляторных батарей /32/.

Макетный образец состоит из блока питания с преобразователем частоты и повышающим высокочастотным трансформатором и макета мобильного средства, на котором установлен понижающий трансформатор с выпрямителем и приемно-согласующим устройством, соединенным с приводным электродвигателем постоянного тока, который через понижающий редуктор приводит в движение ведущие колеса электроагрегата. Выпрямленное напряжение подается также на два светодиода для подсветки фар.

Рис. 3.4. Схема электропитания дождевальной машины:

1 – фермы пролетов; 2 – ферма центральная; 3, 4 – тележки опорные и центральные; 5 – всасывающая линия; 6 – оросительная линия (электропроводящий канал)

 

 

 

 

Рис. 3.5. Макетный образец мобильного средства

с однопроводной схемой питания

Рис. 3.6. Макетный образец электрической сенокосилки

с электроснабжением по тонкому одножильному проводу

Аналогичный действующий макетный образец сенокосилки с электропитанием по тонкому одножильному проводу, закрепленному на высокой опоре, представлен на рис. 3.6.

Разрабатываемая резонансная однопроводная система питания мобильных электроагрегатов требует применения преобразователя частоты, повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов, вносящих дополнительные затраты, но вместе с тем, имеет ряд преимуществ перед известными способами питания электроустановок по трех- или четырехпроводным питающим кабелям, предопределяет высокую эксплуатационную надежность электроснабжения и малые потери мощности, повышенную маневренность электроагрегата, снижение расхода проводникового материала и уменьшение металлоемкости.