Приемники и потребители электрической энергии систем электроснаб. 1. Приемники электрической энергии Введение
 Скачать 5.27 Mb.
|
|
2.4.2. Транспорт с электрическим приводом Весь электротранспорт можно разделить на две большие группы – с собственными источниками электропитания и с питанием от контактной сети. В качестве собственных источников обычно используются аккумуляторные батареи, лучшими из которых считаются литий-ионные. Благодаря их появлению во всем мире и в России широкое распространение получили электрические велосипеды, скутеры и сегве́и. К собственным источникам энергии можно отнести и топливные элементы, которые превосходят аккумуляторы по энергоемкости, но пока слишком дороги и требовательны к качеству топлива. Гальванические элементы применяются только в игрушках. Совмещение двигателей внутреннего сгорания и электрогенераторов имеет место на тепловозах и крупногабаритных автомобилях типа БЕЛАЗ, а также в легковых гибридных автомобилях. Подводные и надводные корабли в качестве собственного источника питания используют атомную электростанцию. Магистральные электровозы оснащены сдвоенными двигателями постоянного тока общим напряжением 3 кВ, однако построение соответствующей контактной сети большой протяженности проблематично. Поэтому применяется переменное напряжение 25 кВ, которое уже на электровозе преобразуется в нужное постоянное. Городской транспорт – метро, трамваи и троллейбусы – имеют не такие мощные двигатели и получают из контактной сети сразу постоянный ток. Напряжение составляет в метрополитене 825 В, в остальных видах – 600. Главной проблемой аккумуляторного электротранспорта является отсутствие энергоемкой и недорогой аккумуляторной батареи. Кислотные 116 аккумуляторы при весьма скромных характеристиках имеют большую массу. Проверенные временем никель-кадмиевые и никель-железные отличаются долговечностью и неприхотливостью, но тоже тяжелы и недостаточно эффективны. В разработанных для их замены никель-металл-гидридных аккумуляторах удалось повысить емкость всего на 20 %, причем за счет долговечности. На современном этапе наибольший интерес для электротранспорта представляют щелочные аккумуляторы на основе лития. Их первые версии из-за высокой активности чистого лития иногда самопроизвольно загорались и даже взрывались, но позже эта проблема была решена применением катодов из соединений лития. Плотность энергии таких аккумуляторов уже сейчас как минимум в два раза превышает аналогичный показатель никель- кадмиевых, а в ближайшем будущем ожидается достижение тройного превосходства. Наиболее дешевыми в этой группе являются литий-железо- фосфатные аккумуляторы. Во всем мире проводятся исследования по повышению эффективности литиевых аккумуляторов. Если, как обещают ученые, их удельная емкость будет увеличена в 10 раз, проблему аккумуляторного электротранспорта можно будет считать в принципе решенной. Электропогрузчики Выполнение погрузочно-разгрузочных и иных складских работ в закрытых помещениях не позволяет применять оборудование с двигателями внутреннего сгорания. Поэтому еще в первой половине 20-го века появились классические вилочные электрифицированные погрузчики и их различные модификации – штабелеры, ричтра́ки, электрические тележки. В настоящее время такая техника есть на всех складах. Ее усовершенствовали, но принципы работы остались прежними. Типичный электропогрузчик показан на рис. 78. 117 Рис. 78. Электропогрузчик В электропогрузчике два электродвигателя: тяговый, обеспечивающий движение по территории и двигатель подъемного механизма. Оба являются коллекторными, мощность, в зависимости от модели, составляет несколько киловатт. Аккумуляторы применяются как щелочные, так и кислотные, напряжением от 45 до 75 В. Для обеспечения длительной работы количество аккумуляторов в такой технике довольно велико – они занимают бо́льшую часть ее внутреннего пространства. Практически в погрузчике, кроме электродвигателей с трансмиссией и аккумуляторов, место есть только для оператора. Построение на таких принципах средств передвижения по городу бесперспективно. Электромобили При всей сложности проблемы электромобиля его серийный выпуск все- таки начат. На рис. 79 представлен один из наиболее ярких представителей этого класса – электромобиль TeslaModel S американского производства. 118 Рис. 79. Электромобиль TeslaModel S По состоянию на 2014 год их было продано более 32 тысяч. Несмотря на официальное отсутствие продаж в России, в одной только Москве таких электромобилей насчитывается уже больше 80-ти. В качестве источника энергии данной модели выбрана литий- ионная батарея емкостью 85 киловатт-часов. Вместо традиционного коллекторного двигателя постоянного тока применен электродвигатель переменного тока мощностью 362 лошадиных силы. Напряжение для его работы вырабатывается специальным инвертором. Практически все лучшие технические решения нашли применение в этом автомобиле. Эксплуатационные характеристики впечатляют: разгон до 100 км/ч занимает всего 3,1 с, максимальная скорость – более 200 км/ч, пробег на одной зарядке – не менее 400 км. Недостаток всего один – цена более 100 тысяч долларов. Впрочем, производители заявляют, что в 2017 году она снизится до 35000. В России была попытка построить так называемый «Ё-мобиль», но она не имела успеха. К тому же, эта модель планировалась как гибридный автомобиль, то есть содержащий как бензиновый, так и электрический двигатели. 119 Электромотоциклы Электромотоциклы по своим техническим возможностям не слишком сильно отстают от автомобилей. Одним из лучших образцов считается мотоцикл «Зеро», показанный на рис. 80. Рис. 80. Электромотоцикл «Zero» Такие мотоциклы уже не являются скромным и дешевым транспортом. Их цена, в зависимости от комплектации, находится в пределах 1–2 миллионов рублей. Покупают такие мотоциклы люди, ценящие скорость и маневренность, оригинальный внешний вид, сторонники различных движений в защиту природы, мототуристы. Электропривод «Зеро́» дает ряд новых возможностей по сравнению с классическим бензиновым мотоциклом. Вентильный двигатель на основе редкоземельных магнитов питается от инвертора с интеллектуальной системой управления режимами работы. Такой подход позволяет обойтись без коробки передач, передавая усилие от двигателя непосредственно на заднее колесо. При этом вся мощность регулируется лишь поворотом ручки газа. В комплекте мотоцикла есть зарядное устройство, способное зарядить аккумуляторную батарею за 2 часа. Учитывая значительный запас хода, электромотоцикл вполне способен заменить традиционный двухколесный 120 транспорт. Есть информация о применении таких мотоциклов в полиции ряда европейских стран. Электроскутеры Электрический скутер, который также называют мотороллером, отличается от мотоцикла только характеристиками и, как правило, более низкой ценой. По своим техническим возможностям скутер близок к мопеду, но не имеет педалей. Однако, несмотря на свою простоту и сравнительно низкую цену, он стал привычным транспортом как в европейских странах, так и в Азии, особенно в Китае. Цена скутеров в России начинается от 60 тысяч рублей. Бюджетные модели скутеров для взрослых оборудуются коллекторными электродвигателями мощностью 350 Вт, литий-ионной батареей, обеспечивающей пробег около 30 км. В комплект входит зарядное устройство, позволяющее полностью зарядить батарею от бытовой сети за несколько часов. Такой скутер может быть использован для поездок на работу или для туристических поездок. Более дорогие модели имеют двигатели мощностью от 0,5 до 5 кВт. Самый мощный скутер развивает скорость до 100 км/ч, имеет запас хода около 100 км и мало чем отличается от мотоцикла. Внешний вид скутера показан на рис. 81. Рис. 81. Электроскутер 121 Кроме технических характеристик, электроскутеры существенно отличаются особенностями исполнения. Выпускаются варианты трехколесные, для инвалидов, для детей, для перевозки грузов и другие. Электроквадроциклы Электроквадроциклы пользуются спросом у туристов, охотников, рыбаков и других любителей активного отдыха. Самые дешевые из них стоят от 80 тысяч рублей и вполне подходят для поездок на дачу или на рыбалку. Такие квадроциклы оснащены однокиловаттным двигателем, который обеспечивает грузоподъемность 120 кг, максимальную скорость 30–40 км/ч и запас хода – до 40 км, который может быть увеличен за счет дополнительной батареи. Модели «Дачник», «Спринтер», «Мини» и другие выпускаются в России. Основным производителем является Китай. Внешний вид квадроцикла показан на рис. 82. Рис. 82. Квадроцикл Более мощные квадроциклы с двигателями от 3 до 5 кВт стоят от 300 тысяч до полумиллиона рублей, поэтому пока они в нашей стране встречаются редко. Среди них есть варианты с кабиной, трициклы и другие. С точки зрения удобства эксплуатации, электрические квадроциклы превосходят свои бензиновые аналоги. В них нет коробки передач, крутящий момент стабилен на любых оборотах, что обеспечивает высокую 122 проходимость. Простота устройства и эксплуатации способствует повышению надежности. Что касается ограниченного пробега, то в хороших моделях он около 100 км, а этого многим достаточно. Электровелосипеды Электровелосипед, изображенный на рис. 83, сочетает возможность движения с помощью электродвигателя с традиционной ездой при помощи педалей. Этот вид транспорта особенно популярен в Китае, его количество в Европе также быстро растет, наша страна только начинает его осваивать. Рис. 83. Электровелосипед Существует два подхода к изготовлению электровелосипеда. Наиболее простой и распространенный – применение мотор-колес. Смысл этих конструктивных элементов понятен из названия. Выпускаются передние и задние мотор-колеса. В комплекте с ними обычно поставляется ручка газа, контроллер и некоторое другое оборудование. Стоят такие комплекты сравнительно немного – от 20 тысяч рублей. Их главный недостаток – низкая надежность и отсутствие специализированных мастерских по ремонту такой техники. Самостоятельно починить мотор-колесо довольно сложно из-за множества специфических компонентов. 123 Второй подход предполагает установку на раму обычного велосипеда навесного моторного блока. Это выглядит примерно так, как было на старых мопедах с бензиновыми двигателями. На заднее колесо устанавливается дополнительная звездочка, которая цепной передачей связывается с ведущей звездочкой моторного блока. В России такие блоки выпускает тольяттинская фирма «Фарадей». Разработчики принципиально использовали только легкодоступные комплектующие изделия, поэтому такой моторный блок можно починить даже самостоятельно. Нетрадиционный электротранспорт Вместе с понятными электрическими аналогами автомобилей, мотоциклов и велосипедов появилось много довольно странных транспортных средств, приобрести которые захотят лишь любители необычного. а) б) в) Рис. 84. Нетрадиционные транспортные средства На рис. 84 показаны сегвей (а), моноколесо (б) и самокат (в) с электрическим приводом. Сегве́й – это двухколесная электрифицированная тележка с рулем. При внешней простоте он является высокотехнологичным устройством со сложной системой балансировки. Выпускаются и сегвеи без 124 руля, которые также называют гироску́терами. В них повороты выполняются при помощи ног. Сегвеи и гироскутеры развивают небольшую скорость – до 10–15 км/ч, запас хода тоже невелик, цена умеренная. Их применяют в крупных торговых центрах и на полях для гольфа. Еще более экзотичным выглядит моноколесо. Для управления им требуется хорошая координация и тренировка. По скорости, пробегу и другим характеристикам оно соответствуют сегвеям. Электросамокаты, показанные на правом рисунке, обладают малыми размерами и массой, в сложенном состоянии их удобно хранить дома. На таком самокате можно ездить по городу. Это доступное транспортное средство для подрастающего поколения. Специфическая черта электротранспорта За исключением самых дорогих моделей, электротранспорт имеет сравнительно маломощные двигатели. Так, квадроциклы, успешно преодолевающие разбитые грунтовые дороги, имеют двигатели мощностью не более 5 кВт (киловатт). Электровелосипеды с 200-ваттными двигателями вполне уверенно трогаются с места и развивают скорость до 30 км/ч. Объясняется это следующим образом. Если у бензинового двигателя измерить зависимость крутящего момента от скорости вращения вала, то она будет иметь выраженный максимум на номинальных оборотах, а в остальной области эффективность будет низкой. Поэтому бензиновому транспорту требуется коробка передач. У электродвигателей подобная закономерность тоже наблюдается – вне области номинальных оборотов крутящий момент значительно меньше. Также меньше и потребляемый ток вследствие реакции якоря. Однако, если обеспечить стабильность тока на любых оборотах, то крутящий момент тоже стабилизируется, и коробки передач не понадобится. Для стабилизации тока напряжение питания повышают и используют специальный широтно- 125 импульсный регулятор тока. Это упрощает механическую конструкцию и делает управление транспортным средством более удобным. Магистральный и городской электротранспорт Магистральный и городской электротранспорт получает электроэнергию через контактную сеть, которая бывает двух типов – воздушной и рельсовой. Воздушная сеть троллейбусов имеет два провода, у трамваев и электровозов – один. В последнем случае вторым проводником являются рельсы. Поезда метро получают питание от контактного рельса, установленного на изоляторах. Городской электротранспорт питается постоянным током, напряжение составляет для метро 825 В, а для троллейбусов и трамваев – 600. Мощность двигателей классического городского транспорта – от 50 кВт. В современных моделях используются асинхронные двигатели, питаемые от инверторов. Их мощность значительно больше. Магистральные электровозы имеют двигатели постоянного тока, сила которого достигает 5000 А. Строить контактную сеть на такой ток технически нецелесообразно, поэтому применяется сеть переменного тока напряжением 25 кВ. Ток при этом обычно не превышает 200 А. В электровозе имеются трансформатор и выпрямитель, преобразующие полученный переменный ток в постоянный нужного напряжения. Токоприемники электрифицированных транспортных средств представляют собой различные конструкции, способные подниматься и опускаться. Непосредственный токосъем осуществляется полозами с графитовыми вставками. В Японии применяют вставки из специальной проводящей керамики, которые обладают лучшими эксплуатационными характеристиками. Традиционные электропоезда Первые шаги в создании рельсового электрифицированного транспорта предпринимались еще в первой половине 19-го века. Они связаны с именами таких выдающихся ученых, как Я́коби и Си́менс. В нашей стране внедрение 126 электровозов началось в рамках плана государственной электрификации России. Внешний вид такого транспортного средства показан на рис. 85. Рис. 85. Электропоезд привычного типа Современные электровозы делятся на пассажирские, грузовые и грузо- пассажирские. Они различаются отдельными характеристиками: передаточным числом редуктора, системой отопления, тормозной системой и некоторыми другими. В качестве тяговых используются коллекторные, асинхронные и вентильные двигатели. Традиционным является коллекторный, но коммутация токов в несколько тысяч ампер ограничивает его ресурс. Асинхронные, питаемые от инверторов, обладают наилучшими характеристиками, но очень сложны и требуют дорогостоящих преобразователей. Вентильные по соотношению цены и эффективности занимают промежуточное положение. Все двигатели питаются постоянным током, но, как правило, получают электроэнергию от контактной сети переменного тока с последующим преобразованием. Есть модели, сочетающие способность работать от контактной сети переменного и постоянного токов, а также аккумуляторные. Высокоскоростные поезда В 2003 году японский поезд Shinkansen на магнитном подвесе, изображенный на рис. 86, установил мировой рекорд скорости на железной дороге – 581 км/ч. 127 Рис. 86. Высокоскоростной поезд Shinkansen На обычных железнодорожных линиях он движется несколько медленнее – 443 км/ч. Необходимо заметить, что скоростные поезда этой марки выпускаются уже 40 лет и не совершили ни одной аварии. Этот факт приводит к выводу, что они имеют большое будущее. Повышение скорости до 300 км/ч и выше требует решения двух проблем. Во-первых, необходимо свести к минимуму аэродинамическое сопротивление. Для этого все выступающие части, например токоприемники, снабжаются обтекателями. Вторая проблема – прогиб рельсов во время движения, оказывающий серьезное тормозящее действие. Для его уменьшения применяют усиленные рельсы, бетонные шпалы, щебеночный балласт, а сами поезда делают из легких сплавов, как самолеты. В наиболее скоростных моделях применяется магнитная подвеска, что позволяет добиться заметного повышения скорости. Вместо традиционных рельсов такие поезда используют монорельс. Однако широкое внедрение поездов на магнитной подушке на современном этапе сдерживается технологическими и экономическими факторами. Метрополитен 128 Определения метрополитена в различных источниках сильно отличаются друг от друга, потому что в разных странах и в разное время применялись собственные технические решения. Мы будем считать, что метро – это сугубо городской вид транспорта, максимально скрытый в туннелях, состоящий из небольшого количества вагонов и работающий с малыми временными интервалами. Вид поезда метро показан на рис. 87. Рис. 87. Поезд метро Первое метро было открыто в Лондоне в 1863 году. До 1890 года оно использовало паровую тягу, а потом было электрифицировано. Вскоре появились его аналоги в Америке, Греции, Австро-Венгрии. В России Московский метрополитен был запущен в 1935 году. В современных поездах метро все вагоны оборудованы собственным электроприводом и системой рекуперативного торможения. Сначала в качестве тяговых применялись коллекторные электродвигатели, позже их сменили асинхронные, управляемые специализированными инверторами. В наиболее распространенных в наше время головных и промежуточных вагонах все оси являются ведущими и приводятся в действие 4-мя электродвигателями по 114 кВт каждый. Такое конструкторское решение обеспечивает быстрый разгон и остановку состава. Токосъемный рельс – стальной, расположенный на стене туннеля. Рабочее напряжение – 825 В. Трамвай 129 Прототипом трамвая является конка – вагон, движущийся по рельсам с помощью лошадей. После изобретения электродвигателя во многих странах начались попытки замены конной тяги на электрическую, что и было успешно реализовано в 1881 году в Германии. На рис. 88 изображен один из первых трамваев. Рис. 88. Один из первых трамваев В конце 19-го века выработка электроэнергии была уже достаточно развита, и внедрение трамваев в городской быт шло быстрыми темпами. Этому способствовало отсутствие автомобилей и громоздкость паровозов. В период между двумя мировыми войнами наступила эра автомобилей, и выпуск трамваев во всем мире начал сокращаться. Эта тенденция продолжилась и в послевоенные годы. Однако бесконтрольное заполнение улиц автомобилями породило такие проблемы, как пробки и загазованность городского воздуха. Трамваи получили новую жизнь. Их новые модели обрели новый облик, улучшили свои технические характеристики, значительно уменьшили производимый шум. Важным преимуществом трамваев перед другими видами городского транспорта является их большая вместимость. В некоторых странах трамвайные поезда достигают 90 м в длину. В России пока отношение к трамваям довольно скептическое, но мировые тренды всегда доходят и до нас. 130 Троллейбус Рис. 89. Троллейбус Главным недостатком трамвая является производимый при движении шум, который создает проблемы жителям близлежащих домов. Троллейбус, изображенный на рис. 89, почти бесшумен и не загрязняет воздух. Во многих городах, в частности в Тольятти, он является единственным видом уличного электротранспорта. Первое транспортное средство, которое можно считать троллейбусом, было испытано в Германии в 1881 году знаменитым изобретателем Си́менсом. Токосъем осуществлялся с помощью 8-колесной тележки, катящейся по двум проводам. Конструкция оказалась не слишком надежной, часто происходили замыкания. Потом испытывались и другие варианты токосъемников, но современная штанговая конструкция была внедрена только в 1909 году. В СССР первый троллейбус появился на улицах Москвы в 1933 году. Эксперименты с двухэтажными троллейбусами ЯТБ-3, проведенные в 1938 131 году, были признаны неудачными из-за плохой устойчивости зимой. Однако конструкция из двух сочлененных троллейбусов и троллейбусные поезда, появившиеся в 50-е годы, используется и поныне. Кроме пассажирских, существуют грузовые и специальные троллейбусы. В качестве тяговых электродвигателей в первых троллейбусах применялись низкооборотные моторы постоянного тока с последовательным возбуждением. В послевоенные годы их стали заменять на быстроходные двигатели со смешанным возбуждением, сохранившиеся до наших дней. На новых моделях троллейбусов стали применять частотно-регулируемые приводы на основе асинхронных двигателей. |