Главная Коллекция "Otherreferats" Транспорт Повышение качества троллейбусных пассажирских перевозок на основе беспроводной технологии

Повышение качества троллейбусных пассажирских перевозок на основе беспроводной технологии

Описание современного состояния системы троллейбусных пассажирских перевозок, устранение недостатков. Передача энергии с помощью лазерных технологий. Устройство беспроводной передачи электроэнергии. Амортизация основного оборудования и накладные расходы.

Рубрика Транспорт
Вид дипломная работа
Язык русский
Дата добавления 28.10.2015
Размер файла 2,1 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Страница:

Год спустя вместо прожектора уже использовался лазер, благодаря чему удалось повысить КПД и сократить размер солнечной батареи.

2.1 Трансформатор Николы Тесла

Никола Тесла -- изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. В 1891 году получил гражданство США. По национальности -- серб [13].

Широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе, многофазных систем и электродвигателя, позволивших совершить так называемый второй этап промышленной революции.

Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, имевшие целью показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Однако, наибольшую популярность получил за счет изобретения трансформатора, названного в честь изобретателя.

В 1919 году Никола Тесла писал: "Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успех можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приемниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения её полной эксклюзивности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учетом физических свойств нашей планеты".

Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приемников. Заземленный винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приемной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732, Аппарат для передачи электрической энергии, 18 января 1902 г.). Тесла предложил установить более тридцати приемо-передающих станций по всему миру. В этой системе приемная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приемной.

Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.

Трансформатор Тесла - резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как "Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала" [14].

Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Теслы -- в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия -- генератор. Их согласованность ("подталкивание" строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства) [13].

Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек -- первичной и вторичной, а также разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора, тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как "выход"). Принципиальная схема представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - принципиальная схема трансформатора Тесла

Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферримагнитного сердечника. Таким образом взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферримагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент -- разрядник.

Разрядник, в простейшем случае обыкновенный газовый, представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Терминал может быть выполнен в виде диска, заточенного штыря или сферы и предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины.

Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём изменения ёмкости конденсатора и числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора -- первичный и вторичный контуры -- остается неизменным. Однако одна из его частей -- генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию.

На данный момент существуют:

1. SGTC (Spark Gap Tesla Coil) -- генератор колебаний, выполненный на искровом промежутке.

2. VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) -- ламповая катушка Тесла. В качестве генератора ВЧ колебаний используются электронные лампы.

3. SSTC (Solid State Tesla Coil) -- генератор выполнен на полупроводниках. Она включает в себя задающий генератор (с регулируемой частотой, формой, длительностью импульсов) и силовые ключи (мощные полевые MOSFET транзисторы)

4. DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) -- за счет двойного резонанса, разряды у такого вида катушек значительно больше, чем у обычной SSTC. Для накачки первичного контура используется генератор на полупроводниковых ключах -- IGBT или MOSFET транзисторах.

В отдельную категорию также относят магниферные катушки Тесла.

Использование трансформатора Тесла.

Выходное напряжение трансформатора Тесла может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в частоте минимальной электрической прочности воздуха способно создавать внушительные электрические разряды в воздухе, которые могут иметь многометровую длину. Пример такого разряда приведен на рисунке 2.3. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Тесла используется как декоративное изделие [13].

Никола Тесла использовал трансформатор для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (радиоуправление), беспроводной передачи данных (радио) и беспроводной передачи энергии. В начале XX века трансформатор Тесла также нашёл популярное использование в медицине. Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые, протекая по тонкому слою поверхности кожи, не причиняли вреда внутренним органам, оказывая при этом "тонизирующее" и "оздоравливающее" воздействие.

Рисунок 2.3 - Электрический разряд трансформатор Тесла

Неверно считать, что трансформатор Тесла не имеет широкого практического применения. Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Тем не менее, основное его применение в наши дни -- познавательно-эстетическое. В основном это связано со значительными трудностями при необходимости управляемого отбора высоковольтной мощности или тем более передача её на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса, а также значительно снижается добротность вторичного контура.

Пожалуй, самым наглядным примером использования трансформатора Тесла является высоковольтный испытательный стенд ВНИЦ ВЭИ в Истринском районе Подмосковья. Огромный генератор представляет собой универсальный комплекс для исследования и испытания различных технических объектов на стойкость к воздействию импульсных электромагнитных полей искусственного и естественного происхождения [15].

Составные части комплекса:

1) каскад трансформаторов с коммутационной приставкой;

2) генератор импульсных напряжений;

3) установки постоянного напряжения;

4) подземный бункер;

5) вышка и прочие конструкции.

На данный момент генератор не функционирует и заброшен, но круглосуточно охраняется сторожами и собаками. Масштабы конструкции представлены на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 - Внешний вид тороидальных накопителей электрической энергии

Влияние на организм человека.

Как и любой источник высокого напряжения, трансформатор Тесла смертельно опасен.

Существует мнение, касающееся некоторых видов трансформаторов Тесла. Так как высокочастотное высокое напряжение имеет скин-эффект, а сила тока чрезвычайно мала и ток значительно отстает по фазе от напряжения, то, несмотря на потенциал в миллионы вольт, разряд в тело человека не может вызвать остановку сердца или другие серьёзные повреждения организма, не совместимые с жизнью [13].

В противоположность этому другие высоковольтные генераторы, например преобразователь для люстры Чижевского, высоковольтный умножитель телевизора и иные бытовые высоковольтные генераторы постоянного тока, имеющие несравненно меньшее выходное напряжение -- порядка 25 кВ -- являются смертельно опасными. Всё это потому, что электричество в трансформаторе Тесла и в бытовых преобразователях разное по своей сути и природе. Высокие напряжения в бытовых преобразователях совпадают по фазе с токовой составляющей, а в трансформаторе Тесла токовая составляющая отстает по фазе от составляющей напряжения. Несколько другая картина со статическим электричеством, которое может очень чувствительно ударить током при разряде (при прикосновении к металлу). Объясняется эта разница тем, что в статическом электричестве токовая составляющая ближе к составляющей напряжения, чем в трансформаторе Тесла, поэтому при статическом разряде чувствуется "сила" разряда.

Кроме опасности природы тока трансформатора Тесла, существует опасность поражения сверхвысокочастотным электромагнитным полем трансформатора.

2.2 Космические электростанции

Вопрос энергетической безопасности стоит довольно остро. Запасы угля, нефти и даже урана с торием сокращаются. Перспективы термоядерной энергетики пока туманны. Между тем есть прекрасный и совершенно бесплатный термоядерный реактор, рассеивающий энергию направо и налево, - Солнце, и гелиоэнергетика развивается очень бурно. Однако на Земле, где бы ни построить солнечную электростанцию, есть как минимум одна проблема - ночь, а еще облака, пыль и прочие неудобства [12].

Логичный вывод - перенести электростанции в космос на геостационарную орбиту Земли, как представлено на рисунке 2.5. Впервые идея была выдвинута американцем Питером Глейзером в 1968 году. В 2009 году корпорация Solaren подписала с калифорнийской энергетической компанией контракт о поставке 200 мегаватт электроэнергии космического производства с начала 2016 года. В том же 2009 году шестнадцать японских компаний, включая Mitsubishi, подписали контракт о поставке той же электроэнергии в размере 1 гигаватта до 2030 года.

Самый сложный вопрос - доставка электроэнергии на Землю. Единственно возможный способ - беспроводная передача электроэнергии. Однако, потери при таком способе происходят трижды: при переводе электричества в излучение, при прохождении излучения через атмосферу и при обратном преобразовании.

2.3 Передача энергии с помощью лазерных технологий

Лазерный луч идеально подходит для передачи энергии: когерентный свет, почти не расходящийся пучок света с большой плотностью света. Однако именно высокая энергетическая концентрация делает эту технологию небезопасной [12].

Проблемы с безопасностью можно решить, если лазер мог эффективно передавать энергию. Не так давно японцы добились КПД 42% в преобразовании солнечного света в лазерное излучение. Однако эффективные передатчики и приемники, преобразующие лазерную энергию в электричество, работают в разных спектральных диапазонах и совместно применяться не могут.

Рисунок 2.5 - электростанция на геостационарной орбите Земли

Рисунок 2.6 - Прототип "космического лифта" компании LaserMotive

Прототип космического лифта, представленного на рисунке 2.6, получает по лазерному лучу около киловатта энергии и с КПД 20 % использует ее для подъема по свисающему с вертолета километровому тросу. В ноябре 2009 года на пятых ежегодных гонках космических лифтов этот аппарат, созданный компанией Laser Motive из Сиэтла, преодолел зачетный 900-метровый отрезок за 3 минуты 48 секунд (со средней скоростью 3,95 м/с), вы играв приз 900 000 долларов. Беспроводное питание -- принципиальное условие соревнований, проводимых под эгидой Spaceward Foundation и NASA.

2.4 Ректенна

Другой способ доставки энергии - радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ) в диапазоне от 2,45 до 5,8 ГГц. Они почти не поглощаются атмосферой, не отражаются ионосферой и эффективно преобразуются в электричество. Выполняет это преобразование так называемая ректенна - от английского rectifying antenna (выпрямляющая антенна). К обычной дипольной антенне размером нескольких сантиметров (порядка длины волны излучения) подключают быстродействующий диод Шоттки. Множество таких антенн, представленных на рисунке 2.7, собирают в решетку, покрывающих достаточно большую площадь, и соединяют между собой, чтобы суммировать выработанный в них электрический ток. Обычный радиоприемник можно сравнить с качелями. Он настраивается на частоту крайне слабого сигнала, чтобы тот, попав в резонанс, "раскачал" переменный ток в антенной цепи. Затем этот ток усиливается за счет внешнего источника энергии, аккумулятора, например, и из него извлекается информация. Ректенна, напротив, рассчитана на сильный сигнал. Американский физик Уильям Браун смог передать с помощью такой технологии 30 кВт на расстояние в одну милю с КПД 84% [12].

Рисунок 2.7 - СВЧ-ректенны

Главная проблема такого способа - капризность диодов Шоттки. Диод такого типа не выдерживает больших токов. Поэтому для создания мощного канала нужны большие площади ректенн с большим числом диполей. В итоге экономический эффект берет верх и возвращает к использованию солнечных батарей.

2.5 Технология Аскарьяна

Попытки преобразовать "концентрированные" потоки СВЧ в электроэнергию делались постоянно. Однако КПД был не выше 0,1%. Удача улыбнулась группе исследователей из Физического института им. Лебедева (ФИАН) под руководства Гургена Аскарьяна, одного из самых оригинальных и интересных российских физиков [12].

Экспериментаторы использовали в качестве антенны помещенный в вакуум металлический стержень, вблизи которого с помощью искры или лазера создавалась плазма. Через окно вакуумной камеры подавались короткие, но мощные импульсы СВЧ, порождавшие между стержнем и корпусом камеры электрический ток, от которого даже удалось зажечь лампочку. Роль хрупких диодов Шоттки здесь играла плазма, окружающая стержень. Она не разрушалась сильными токами до 200 ампер и напряжениями до 1500 вольт. "Показана возможность эффективного преобразования радиоволн в энергию тока с КПД>10%" - цитата из академического ежемесячника "Письма в журнал экспериментальной и теоретической физики" от 1979 года.

Но Советский Союз распался, и проект остался нереализованным. Конечно, результат, полученный группой Аскарьяна, еще нельзя назвать технологией, но обнаруженный эффект вполне может лечь в основу будущей системы беспроводной передачи энергии - по ряду параметров он еще никем не превзойден.

2.6 Индукционная зарядка

Все выше описанные способы касаются глобальных масштабов переброса электроэнергии без проводов на большие расстояния. Иное дело - повседневная жизнь, в которой не требуются мощности в мегаватты, а то и киловатты. Ноутбуки, смартфоны, цифровые камеры и прочие гаджеты периодически нужно заряжать или вовсе постоянно питать энергией [12].

Развитие эта система получила недавно. А сам прародитель такой системы - электрическая зубная щетка, заряжающаяся индукционными токами. На рисунке 2.8 представлен пример такой панели, позволяющей беспроводным способом заряжать аккумуляторы мобильных устройств. Абсолютно идентичная система стоит в "голове" - промышленный прожектор, способный совершать неограниченное количество оборотов вокруг своей оси во всех плоскостях, используемый на массовых мероприятиях, в клубах, на танцполах. При использовании проводной системы такое устройство имело бы ограниченные возможности и крайне малый ресурс, т.к. постоянное изменение проводов приводит к их разрыву.

Рисунок 2.8 - Индукционная зарядная панель

2.7 Беспроводная технология "WiTricity"

По словам авторов, уже сейчас можно достичь того, чтобы ноутбук начинал заряжаться при вносе в комнату, оборудованную системой, которую они назвали WiTricity. Подобные технологии стали анонсировать гиганты мировой электроники. В октябре 2009года SONY продемонстрировала 22-дюймовый ЖК-телевизор, который питается беспроводным способом на расстоянии 50 сантиматров от передатчика. "Если использовать специальные "пассивные расширители", то можно и все 80 сантиметров" - говорится в пресс-службе SONY. Правда, тут же сноска мелким шрифтом о том, что с телевизором эти самые расширители не тестировались. В ближайшем будущем технология пророчит расширение радиуса действия до 5 метров [12].

2.8 Беспроводная технология "PowerBeam"

Не секрет, что сегодня пользователи электробытовых и электронных приборов все чаще испытывают большие неудобства из-за нехватки электрических розеток -- наиболее "продвинутые" пользователи ощущают потребность в электрических розетках или других источниках питания едва ли не на каждом квадратном метре площади. Новая разработка американских ученых и инженеров предоставляет им такую возможность, обеспечивая подачу энергии в виде пучков излучения, беспрепятственно проникающих в помещениях от одной точки к другой вдоль любого из лучей зрения и предоставляющих потребителю полную свободу действий, позволяя ему обходиться вообще без проводов [16].

Речь идет о продукции американской компании "PowerBeam" (Солнечная Долина, штат Калифорния), которая представила на выставке и конференции по передовым технологиям "E-Tech 2009", прошедшей в марте прошлого года в калифорнийском городе Сан-Хосе, опытный образец новой системы для беспроводной передачи электроэнергии.

Как утверждается на сайте компании (power-beaminc.com), система основана на использовании "пучков энергии", передаваемых как обычные пучки излучения в традиционных оптических системах. С помощью этих пучков, как утверждают разработчики, уже можно передавать электричество из одного конца комнаты в другой, скажем, от розетки к компьютеру, телевизору, колонкам стереосистемы, цифровой фоторамке, торшеру и т. д.

По заверениям представителей "PowerBeam", эта технология позволит удалить из комнат почти все провода, повысив комфорт и эстетическую привлекательность наших жилищ. Вообще же, по словам разработчиков, данный способ передачи энергии пока оправдывает себя на расстояниях 10-100 м.

Утверждается, что с системой "PowerBeam" пользователю больше не нужно задумываться о таких наскучивших проблемах, как:

- подчас непростое и недешевое электрическое подключение приборов;

- ограниченное расстояние приборов от источников питания (например, от электрических розеток в доме);

- путающихся под ногами и свисающих клубков электрических проводов;

- ограничение зоны действия мобильных устройств (из-за привязки к розеткам мобильные устройства по сути уже давно перестали быть таковыми);

- наконец, главное -- отпадает необходимость постоянно заботиться о зарядке мобильных устройств.

С системой "PowerBeam" пользователи мобильных устройств могут вообще забыть об их зарядке, так что все эти устройства будут работать непрерывно, не создавая владельцам никаких неудобств из-за энергетических потерь.

Принцип работы "PowerBeam" довольно прост. Где-то неподалеку от источника электропитания размещается передатчик энергии, названный разработчиками Powmitter и содержащий некоторое число инфракрасных лазерных светодиодов с выходной мощностью луча 1--5 Вт каждый (это немало -- пучок лазерного излучения мощностью в 0,5 Вт может прожечь пластинку из пластика или серьезно повредить сетчатку глаза). Система формируемых ими лазерных пучков направляется, в частности, на расположенный на потребляющем электроэнергию устройстве приемник, где предусмотрена решетка из линз и высокоэффективных фотоэлектрических преобразователей, которые и преобразуют невидимый оптический луч в электричество.

Безопасность и надежность работы системы обеспечиваются сразу несколькими оригинальными решениями. Первое -- выходные лучи лазерных светодиодов при помощи оптики слегка расфокусируются, чтобы плотность потока в них не превышала 10 мВт/мм2 (хотя, как отмечают очевидцы, подставлять даже руку под них не рекомендуется -- ожог может быть довольно сильным, и ощущения будут сродни тем, что испытываешь, схватив горячую чашку кофе или чаю). В то же время расхождение пучка остается достаточно малым, чтобы при удалении (скажем, до 10 м) передать значительную часть энергии по назначению. Второе и главное -- приемник постоянно посылает передатчику слабый ответный сигнал, который служит индикатором исправной работы всей системы. Если он прерывается (например, из-за того, что человек или животное прервали распространение оптического пучка), электроника тут же прекращает излучение лазерных светодиодов, которые возобновляют свою работу лишь после того, как "канал" снова окажется свободен. На время подобных прерываний устройство-потребитель работает от аккумуляторов, спрятанных в приемнике, так что, перемещаясь по комнате, пользователь никаких сбоев в его работе заметить не должен. Но долго стоять на пути луча, конечно, не стоит.

Ранее в Массачусетском технологическом институте (МТИ) был предложен другой принцип беспроводной передачи электроэнергии, получивший название магнитно-связанного резонанса. Авторы этого открытия предложили интерпретировать его также как безызлучательный эффект в электромагнитном поле.

Но есть у новой системы беспроводной передачи энергии и серьезный недостаток -- сравнительно невысокий КПД. У лазерных диодов он колеблется в диапазоне 30--60%, а у ИК-приемников -- 40--50%, так что итоговый КПД, образуемый произведением КПД приемопередающей аппаратуры, составляет 15--30% (в зависимости от настроек, используемых компонентов, расстояния и величины передаваемой мощности). В будущем разработчики обещают довести эту величину до 35%, считая, что это вполне удовлетворит тех, для кого важнее отсутствие проводов в комнате, чем итоговое потребление электроэнергии. Но при этом они предпочитают не упоминать о том, что у конкурирующих систем беспроводной передачи электроэнергии на основе магнитного резонанса, предложенных учеными из МТИ, в последних версиях КПД уже превышает 75%.

3. Разработка мероприятий по повышению качества троллейбусных перевозок

В данном дипломном проекте в качестве приоритетных показателей используются показатели скорости, своевременности и безопасности. На основе анализа современного состояния троллейбусных пассажирских перевозок, а так же анализа состояния вопроса в области беспроводной передачи энергии группой студентов предпринята попытка изменения принципа питания транспорта на электрической тяге, предназначенного для пассажирских перевозок. Известный принцип заключается в передаче энергии потребителю по проводам электрической сети. Это влечет за собой использование тонн проводов, увеличенные затраты электроэнергии и т.д.

Новый принцип питания исключает все недостатки известной системы, сохраняя ее преимущества.

3.1 Устройство системы беспроводной передачи электрической энергии

Принцип работы системы технологии трансляции электрической энергии (ТТЭЭ) заключается в трансляции специального радиосигнала в пределах fm-диапазона, его прием и последующее преобразование в электрическую энергию [11].

Таким образом, ТТЭЭ состоит всего из двух основных элементов: радиопередатчика и приемника [17]. Принцип работы системы представлен на рисунке 3.1. ТТЭЭ работает следующим образом: сначала электрическая энергия преобразуется в определенную частоту с помощью генератора частот, модулятор преобразует этот сигнал в электромагнитную волну, ретранслятор усиливает эту волну и передает в эфир. Расположенные в пределах зоны покрытия электромагнитного сигнала антенны приемников, детектируют электромагнитную волну; после детектирования начинается процесс преобразования, подробно описанный в разделе "3.1.3 Приемник".

\

Генератор частот

Детектор

Конечный потребитель

Источник энергии

Модулятор

Преобразователь

Ретранслятор

Блок АКБ

Рисунок 3.1 - Принцип работы ТТЭЭ

Передатчик

С технической точки зрения, радиопередатчиком может выступать любая городская вышка, ретранслятор и т.д. Передача сигнала с радиопередатчика начинается с создания требуемой электромагнитной волны с заданными параметрами. После ее создания, в блоке преобразования сигнал обрабатывается и отправляется в блок трансляции. В общем случае процесс создания требуемой частоты с заданными характеристиками можно представить, как показано на рисунке 3.2 [17].

Рисунок 3.2 - Процесс создания электромагнитной волны с заданными характеристиками

Модулируемая частота

Как правило, звук в эфирном радиовещании модулируют несущую частоту передатчика одним из способов модуляции: амплитудным (АМ) или частотным (ЧМ). Частотная модуляция позволяет осуществлять высококачественное (как правило стереофоническое) вещание в диапазоне частот 66-108 МГц. В других диапазонах с более длинными волнами (ДВ, СВ, КВ) используется АМ и цифровое радиовещание в формате DRM. Попытки использования однополосной модуляции (SSB) в радиовещании особого успеха не имели [18].

Модулируемая частота напрямую влияет на характеристики детектирования и последующую обработку входящего сигнала системой. Для достижения максимально высокого КПД системы необходимо знать, какая частота, или ряд частот, наилучшим образом запускает лавинообразный процесс выделения энергии.

Для определения частоты проведен эксперимент, графически подтверждающий необходимость использования ведомой (модулированной) частоты в пределах от 47 до 62 Hz.

Для эксперимента использовались следующие устройства:

1) генератор частот;

2) передатчик;

3) приемник;

4) вольтметр.

Целью настоящего эксперимента являлось определение наиболее эффективной ведомой волны. Эксперимент проводился в два этапа:

1) минимальный частотный шаг составляет 25 Гц (начало отсчета - 25 Гц);

2) частотный шаг составляет 2 Гц (начало отсчета - 25 Гц).

При проведении эксперимента, используемое оборудование собирается в соответствии с рисунком 3.3.

Рисунок 3.3 - Схема подключения оборудования

В таблице 3.1 представлены результаты проведенного эксперимента.

Таблица 3.1 - Результаты эксперимента

Частота, Гц1

Напряжение, В1

Частота, Гц2

Напряжение, В2

25

30,5

25

30,5

50

32,2

27

30,7

75

32,1

29

31,0

100

31,6

31

31,2

125

30,6

33

31,4

150

29,3

35

31,6

175

27,2

37

31,7

200

24,1

39

31,8

225

20,3

41

31,9

250

17,1

43

32,0

275

14,5

45

32,0

300

12,4

47

32,1

400

7,1

49

32,1

500

4,4

51

32,1

800

1,6

53

32,1

1000

0,9

55

32,2

2000

0,01

57

32,1

5000

0,00

59

32,1

10000

0,00

61

32,1

15000

0,00

63

32,1

20000

0,00

65

32,1

30000

0,00

67

32,1

На рисунке 3.4 представлен результат эксперимента, наглядно иллюстрирующий эффективность электромагнитного сигнала низких частот. На рисунке 3.5 уменьшен шаг изменения частоты электромагнитного сигнала для наилучшего отображения результатов эксперимента.

В таблице 3.2 представлены диапазоны частот для радиовещания, принятые в России.

Рисунок 3.4 - Зависимость напряжения приемника от частоты электромагнитного сигнала

Рисунок 3.5 - Участок, на котором обнаружено выделение максимального количества энергии

Таблица 3.2 - Диапазоны частот для радиовещания, принятые в России

Общее название

Диапазон частот

Обозначение

Модуляция

Стандарт стереовещания

рус.

англ.

Длинные волны

148,5-283,5 кГц

ДВ

LW

АМ, DRM

DRM

Средние волны

526,5-1606,5 кГц

СВ

MW

АМ, DRM

DRM

Короткие волны

3,95-4,00 МГц

КВ-1 (75 м)

SW (75 m)

АМ, DRM

DRM

5,90-6,20 МГц

КВ-2 (49 м)

SW (49 m)

АМ, DRM

DRM

7,20-7,45 МГц

КВ-3 (41 м)

SW (41 m)

АМ, DRM

DRM

9,40-9,90 МГц

КВ-4 (31 м)

SW (31 m)

АМ, DRM

DRM

11,60-12,10 МГц

КВ-5 (25 м)

SW (25 m)

АМ, DRM

DRM

13,57-13,87 МГц

КВ-6 (22 м)

SW (22 m)

АМ, DRM

DRM

15,10-15,80 МГц

КВ-7 (19 м)

SW (19 m)

АМ, DRM

DRM

17,48-17,90 МГц

КВ-8 (16 м)

SW (16 m)

АМ, DRM

DRM

18,90-19,02 МГц

КВ-9 (15 м)

SW (15 m)

АМ, DRM

DRM

21,45-21,85 МГц

КВ-10 (13 м)

SW (13 m)

АМ, DRM

DRM

25,67-26,10 МГц

КВ-11 (11 м)

SW (11 m)

АМ, DRM

DRM

Ультракороткие волны

62-74 МГц

УКВ, УКВ-1

OIRT

ЧМ (девиация 50 кГц)

OIRT (полярно модулированный), CCIR(Zenith-GE c пилот-тоном)

76-100 МГц

УКВ-2

FM, VHF

ЧМ (девиация 75 кГц)

CCIR (Zenith-GE c пилот-тоном)

100-108 МГц

УКВ-3

FM, VHF

ЧМ (девиация 75 кГц)

CCIR (Zenith-GE c пилот-тоном)

Во время проведения экспериментов использовался модернизированный передатчик, сделанный на базе автомобильного fm-модулятора. На рисунке 3.6 представлен модернизированный модулятор, использованный в проведении экспериментов. Мощность такого модулятора составляет 1 мВт. С помощью модернизации удалось поднять мощность до 5 мВт.

Рисунок 3.6 - Экспериментальный fm-модулятор

В качестве генератора использовалась программа Frequency Sound Generator, распространяемая бесплатно на платформе Android 4.4.2 OC. На рисунке 3.7 представлены параметры и внешний вид генератора. Данная программа позволяет использовать такие виды сигнала, как синусоидальный, квадратный (импульсный) и треугольный. Кроме того, наличие встроенных регуляторов изменения уровня электронного шума, импеданса и гармоник позволяет создать практически любую форму сигнала. Возможна регуляция сигнала от 0 до 22 050 Гц.

Рисунок 3.7 - Внешний вид программы Frequency Sound Generator

Приемник

Теперь, когда в эфире есть электромагнитная волна с заданными параметрами, требуется ее детектировать и преобразовать для питания троллейбуса. Для этого служит приемник электрической энергии, как раз и предназначенный для преобразования транслируемого сигнала в аналоговый. Для преобразования сигнала используется детекторный приемник. Схема рассчитана таким образом, что для детектирования транслируемого сигнала не требуется дополнительная энергия. После детектирования сигнал проходит стадию обработки с помощью разработанных авторами радиоэлектронных систем. Выходной сигнал преобразователя представляет собой стабилизированное напряжение 12 вольт. Это напряжение заряжает аккумуляторы, используемые в качестве стабилизаторов напряжения питающей сети. Процесс преобразования представлен на рисунке 3.8 [11].

Детекторный приемник

Преобразователь 1-ого уровня

Стабилизатор

Система рекуперации

Преобразователь 2-ого уровня

Потребитель

Рисунок 3.8 - Процесс преобразования электромагнитной волны

Существуют определенные области электромагнитного спектра, в которых генерация и регистрация волн затруднена. Длинноволновый и коротковолновый концы спектра определены не очень строго. Эффективность генерации и детектирования в области больших длин волн тем меньше, чем больше длина волны. Для получения колебаний очень высоких частот требуется очень высокая концентрация энергии, а регистрация этих колебаний затруднена из-за большой проникающей способности коротковолнового излучения, а, следовательно, и его незначительного поглощения [19].

Во время проведения научно-исследовательской работы был создан прототип приемника, представленный на рисунках 3.9, 3.10, 3.11 и 3.12.

Блок приемника является сложным электронным устройством, в котором происходит двойное преобразование Фурье. Технологически блок состоит из детектора, усилителя, индукционной развязки и конечного преобразователя. Причем все элементы соединены таким образом, что запуск системы осуществляется с помощью двух 12-вольтовых аккумуляторных батарей малой емкости. В промышленном варианте аккумуляторы выступают в качестве стартера системы. Т.е. блок АКБ сначала запускает систему, а после заряжается с ее помощью.

Рисунок 3.9 - Прототип блока приемника; общий вид

Рисунок 3.10 - Прототип блока приемника; панель управления

Рисунок 3.11 - Прототип блока приемника; принудительная система охлаждения

Рисунок 3.12 - Прототип блока приемника; колодка подключения антенны

Блок приемника выполняется в металлическом корпусе с радиаторами на торцевых сторонах для отвода тепла, электронная модель которого представлена на рисунке 3.13 [20].

Рисунок 3.13 - Внешний вид блока приемника

На верхней крышке блока расположены вентиляторы охлаждения системы и вентиляции блока, а так же разъем для диагностики и подключения КИП, представленные на рисунке 3.14. На одной из торцевых сторон устанавливается разъем для подключения антенны приемника, как на рисунке 3.15. С другой - штекеры подключения силовых проводов для зарядки аккумуляторных батарей потребителя.

Рисунок 3.14 - Расположение колодки КИП и системы охлаждения

Рисунок 3.15 - Разъем подключения антенны блока приемника

Управляющая система выполнена на отдельной плате, с подключением типа "шлейф". Она предназначена для контроля параметров входных и выходных сигналов силовой платы. Соединена плата с разъемом диагностики и КИП. Силовая плата установлена на радиаторах охлаждения с подключением типа "шлейф". В корпусе приемника установлены 2 аккумулятора-стартера, емкостью 7,2 ампер-часа и напряжением 12 вольт, подключенных к силовой плате, для запуска двух контуров приемника. Силовая плата производит преобразование сигнала. Первоначальный процесс - детектирование электромагнитной волны. После выделения ведомой частоты, сигнал передается в усилитель. Усилитель увеличивает амплитуду сигнала и отправляет в блок рекуперации, который так же служит индукционной развязкой двух контуров. С блока рекуперации забирается минимальное количество энергии, необходимое для работы силовой платы. С того же блока рекуперации забирается сигнал, используемый для зарядки аккумуляторов конечных потребителей.

Допускается установка дополнительного водяного принудительного охлаждения блока. Аппаратная часть выполняется из SMD или DIP компонентов. Класс защиты электроприбора IP68, обслуживаемый.

После запуска блока начинается зарядка аккумуляторов. Основывается процесс работы блока приемника на принципе резонанса. Для достижении незатухающих колебаний системы достаточно небольшое количества энергии, выделяемого из электромагнитной волны, для поддержания резонансных колебаний.

Размер блока приемника номинальной мощностью 1 кВт и предельной - 1,5 кВт имеет металлический корпус с радиаторами, габариты которого 100*600*200 мм. В процессе разработки блока и его модернизации габаритные размеры уменьшаются за счет использования современных композитных материалов, что позволяет создавать более компактные устройства. Масса такого блока составляет не более 10 кг. Основную массу (около 85 %) составляют стартерные аккумуляторы, а так же суперконденсаторы, необходимые для бесперебойной работы блока приемника. В блок встроено два вентилятора системы охлаждения, преобразователь, детектор, блок рекуперации, инвертор, накопители и аккумуляторы. Слаженная работа электронной системы заключается в настройке системы. Процесс работы контролирует управляющая система.

Стоимость данного блока составляет 14 000 рублей (стоимость приведена без учета передатчика), мощностью 10 кВт - 30 000 рублей, 50 кВт - 50-100 000 рублей. Цена блока приемника может отличаться в зависимости от наличия дополнительного оборудования контроля и охлаждения. Стоимость радиоточки трансляции составляет около 100 000 рублей. Суммарная стоимость технологии рассчитывается из стоимости передатчика, способного создать радиоволну, способную полностью покрыть территорию города.

Для сравнения, стоимость электромобиля Nissan Leaf составляет 33 720 $. Электромобиль требует подзарядки аккумуляторных батарей для непрерывного движения. Даже несмотря на систему рекуперации, аккумуляторы быстро разряжаются. При встраивании блока, мощностью 50 кВт можно полностью избавиться от процесса зарядки. Пока автомобиль движется - аккумуляторы заряжаются, однако часть энергии тут же возвращается через стандартную систему рекуперации электромобиля, а так же от непрерывно работающего блока приемника, как только автомобиль остановился - начинается полноценная зарядка. Процесс восстановления заряда будет продолжаться до тех пор, пока не отключится транслятор, либо аккумуляторы полностью не зарядятся.

На данном этапе научных изысканий в области ТТЭЭ важно учитывать, что разработанный авторами детекторный приемник пока не способен напрямую передавать энергию электродвигателю без использования аккумулятора.

Приемник способен в пиковом состоянии отдать не более 5 кВт, в то время как тяговый электродвигатель, например, электромобиля на базе ЗАЗ-1102 "Таврия" потребляет 12 кВт, а троллейбус ЗиУ-682В не менее 110 кВт. Однако уже такая организация системы питания позволит поддерживать работоспособность троллейбуса в течение длительного времени.

Так или иначе, полностью отказаться от аккумуляторных батарей пока нельзя, поскольку они необходимы для бесперебойного обеспечения двигателя электроэнергией.

При отключении, сбое или диагностических работах, связанных с системой передачи энергии без проводов, троллейбус продолжит движение благодаря заряду аккумуляторных батарей [17].

Большая часть энергосистемы троллейбуса (оснастки) представляет собой мощные агрегаты, с большим потреблением энергии. При внедрении ТТЭЭ необходимо снизить уровень нагрузки на приемник и блок аккумуляторов путем использования более "легких" в энергетическом смысле агрегатов.

Так или иначе, главным потребителем является тяговый двигатель. Мощность тягового двигателя составляет 180 кВт. На ряд моделей устанавливается двигатель мощностью 120 кВт. Управлением оборотами такого двигателя занимается широтно-импульсный модулятор. Такая организация системы позволяет экономить электрическую энергию.

В отличие от транспортного средства, использующего двигатель внутреннего сгорания, троллейбусу необходимо специальное оборудование. Так, например, обогреватель салона требует дополнительные энергозатраты. Ввиду необходимости снижения энергозатрат необходим поиск аналога, имеющего меньший уровень потребления электроэнергии при равном количестве выделяемого тепла. Следует пересмотреть имеющееся оборудование, установленное в троллейбусе и оценить стоимость более энергоемких аналогов на рынке.

Двигатель компрессора требуется для поддержания работы тормозной системы в работоспособном состоянии, привода распашных дверей. В современном троллейбусе используется крупногабаритный компрессор совместно с ресивером.

При использовании модернизированной системы в виде двух меньших компрессоров и увеличенного ресивера с газовым редуктором позволит сэкономить около 20 % электроэнергии.

Двигатель насоса требуется для поддержания работоспособности гидроусилителя. Применение низковольтного высокоскоростного редукторного электродвигателя снизит энергозатраты на гидроусилитель до 50 %.

Нагрузку на освещение салона можно снизить с помощью использования современных осветительных приборов на основе светодиодных элементов.

В настоящий момент разработанная система проходит стадию защиты интеллектуальной собственности. Регистрационный номер заявки на патент № 2015100415, от 12 января 2015 года. Ведется усовершенствование блока приемника с использованием современных электронных элементов. В ближайшее время группой разработчиков запланирована модернизация всей системы, сборка конечного продукта и прохождение сертификации устройства [21].

3.2 Показатели качества троллейбусных пассажирских перевозок с исполь зованием ТТЭЭ

В соответствии с ГОСТ 51004-96 на основе номенклатуры показателей качества устанавливают перечень наименований характеристик потребительских свойств пассажирских перевозок, составляющих их качество, количественные показатели и методы (методики) их оценки [5].

Выбор номенклатуры показателей качества обосновывают:

- видом транспорта и сообщения;

- классом или категорией перевозки;

- используемым подвижным составом;

- требованиями, предъявляемыми к перевозочному процессу;

- задачами управления качеством транспортных услуг;

- составом и структурой свойств, характеризующих качество;

- основными требованиями к показателям качества.

Показатели качества должны отвечать следующим требованиям:

- обеспечивать безопасность услуг по пассажирским перевозкам;

- способствовать обеспечению соответствия качества пассажирских перевозок передовому мировому опыту и требованиям потребителей;

- характеризовать все свойства пассажирской перевозки, обусловливающие ее пригодность удовлетворять определенные потребности потребителей в соответствии с ее назначением;

- быть стабильными;

- способствовать систематическому повышению качества пассажирских перевозок;

- исключать взаимозаменяемость показателей при комплексной оценке уровня качества пассажирских перевозок;

- учитывать современные достижения науки и техники, основные направления научно-технического прогресса на транспорте и в сфере транспортных услуг.

ГОСТ 51004-96 устанавливает следующую номенклатуру основных групп показателей качества по характеризуемым ими потребительским свойствам пассажирских перевозок:

- показатели информационного обслуживания;

- показатели комфортности;

- показатели скорости;

- показатели своевременности;

- показатели сохранности багажа;

- показатели безопасности.

Как указано в первом разделе, приоритетными показателями качества в отношении пассажирских перевозок на троллейбусе являются показатели скорости, своевременности и безопасности.

Показатели скорости характеризуют свойства пассажирских перевозок, обусловливающие продолжительность пребывания пассажира в поездке или полете. К показателям скорости относят:

- продолжительность поездки;

- среднюю скорость движения транспортного средства;

- частоту остановок транспортного средства.

В результате внедрения ТТЭЭ среднестатистическая скорость движения троллейбуса увеличится. Следовательно - снизится время поездки. Главной причиной является отказ от использования контактной сети. Элементы с повышенным износом, сходные и расходные стрелки, соединительные элементы, т.е. все те элементы, которые используются в контактной сети, больше не будут влиять на скорость движения троллейбуса.

Продолжительность поездки от одной до другой конечной остановки снизится. Это обусловлено отсутствием контактной сети.

При указанных выше условиях, частота остановок не снизится, т.к. на количество остановок во время движения влияет характер маршрута движения троллейбуса. Другими словами, троллейбус обязан останавливаться на обозначенном месте остановки, независимо от наличия входящих или выходящих пассажиров.

Показатели своевременности характеризуют свойства пассажирских перевозок, обусловливающие движение транспортных средств в соответствии с объявленным расписанием или другими установленными требованиями по времени их движения.

К показателям своевременности относят:

- долю транспортных средств, отправляемых по расписанию;

- долю транспортных средств, прибывающих по расписанию;

- средний интервал движения транспортных средств;

- максимальный интервал движения транспортных средств.

При внедрении ТТЭЭ интервал движения можно снизить и приблизить к интервалу движения маршрутных такси. Кроме того, на маршруте сможет находиться большее количество троллейбусов.

Показатели безопасности характеризуют особенности пассажирских перевозок, обусловливающие при их выполнении безопасность пассажиров. К показателям безопасности относят показатели:

- надежности функционирования транспортных средств;

- профессиональной пригодности исполнителей транспортных услуг;

- готовности транспортного средства к выполнению конкретной перевозки (укомплектованность экипажем, спасательными средствами, обеспеченность нормативной документацией, маршрутными картами, инвентарем, приспособлениями и др.).

С точки зрения безопасности, троллейбус использующий ТТЭЭ наиболее безопасен, чем его современник. Контактная сеть передает электроэнергию тяговому двигателю с помощью силовых проводов. Поэтому, во время движения образуется магнитное поле в пределах силовых кабелей. Во время начала движения возникает скачек напряжения и резкое нарастание силы тока, что приводит к возникновению переменного поля. Это поле негативно влияет на здоровье человека и на окружающую среду в целом. С помощью ТТЭЭ возникновение переменного электромагнитного поля можно полностью исключить.

3.3 Преимущества системы беспроводной передачи электрической энергии

Касаемо троллейбусной системы преимущества очевидны:

1. отказ от тонн проводов, связывающих концы маршрутов электрического транспорта.

2. увеличение мобильности и маневренности транспорта

3. отказ от узлов транспорта с повышенным износом.

4. полная мобильность агрегата.

5. возможность изменения маршрута в зависимости от обстановки на дороге.

Одним из главных преимуществ новой системы является полное отсутствие проводников между источником энергии и конечным потребителем. Данное устройство вполне реализуемо для комнаты, квартиры, частного дома, здания, квартала, района города, либо для предприятий и частных лиц. Данную систему можно встроить в частном доме, или квартире в стену для питания традиционных энергопотребителей. В настоящий момент команда разработчиков придерживается 3-его пункта формулы заявки на изобретение № 2015100415, который гласит:

"Способ беспроводной передачи электрической энергии по п.1, или 2, отличающийся тем, что в качестве потребителей используют накопители энергии мобильных телефонов, ноутбуков, систем бесперебойного питания, факсов, сканеров, телевизоров, светильников, домашних кинотеатров, магнитофонов, радиоприемных и радиопередающих устройств, систем видеонаблюдения, электронных датчиков, охранной сигнализации" [21].

Учитывая большую область применения эта система имеет высокий экономический эффект, что является важным показателем.

На сегодняшний день проводник - главное препятствие в решении многих задач. В развитии данной технологии ставится ряд конкретных задач, решение которых позволит в корне изменить представление человека об электрификации.

Первый шаг - избавить электрический наземный транспорт от проводов, сохранив экологически чистые виды транспорта. Второй шаг - преобразование всей электронной системы города для использования ТТЭЭ. Третий - самый сложный шаг - беспроводная передача энергии из города в близ лежащие поселки без проводов.

Другой очевидной проблемой беспроводной передачи энергии является безопасность технологии. Во 2 главе данной работы указывается небезопасность разработанных систем на основе СВЧ и лазерных технологий. В совокупности с низким уровнем КПД, подобную технологию вовсе нецелесообразно использовать.

В отличие от конкурирующих технологий, ТТЭЭ полностью безопасна, имеет высокий КПД и не требует больших капиталовложений [21].

3.4 Перспективы развития беспроводной передачи электрической энергии

Перспективой развития ТТЭЭ является повсеместное использование системы. Начиная от мобильного телефона, заканчивая промышленными 200-киловаттными двигателями производственных машин. В данном случае мобильный телефон больше не будет разряжаться, автомобиль никогда не остановится, кофеварку можно будет использовать и дома, и в чистом поле. Один из возможных вариантов организации работы системы: для работы электромобилей используется несущая частота 70 МГц, для снабжения электроэнергией общественных и жилых зданий 80 МГц, для дорожного освещения 65 МГц [21].

Ярким примером внедрения ТТЭЭ является внедрение в систему освещения дорожного покрытия. На сегодняшний день используется две системы освещения:

1. столбы с плафонами, соединенные проводами над землей;

2. столбы с плафонами, соединенные проводами под землей.

Определенно, проводка, проложенная под землей наиболее безопасна, т.к. в аварийной ситуации - будь то природный катаклизм, или авария с участием дорожно-транспортных средств - система продолжит работать. Кабель проложенный под землей не оборвется при падении столба, а значит качество такой системы выше, нежели у системы с проводкой, установленной над землей.

Так или иначе, обе системы подвержены одному существенному недостатку - трудоемкая модернизация. На сегодняшний день даже самый маленький город, с развитой инфраструктурой, быстро развивается, а значит и растет численность населения, увеличивается поток дорожно-транспортных средств.

В результате пропускная способность дороги уменьшается, что со временем ведет к необходимости расширения дорожного полотна. Вот здесь мы натыкаемся на серьезную проблему: перенос столбов из одной точки в другую. Этот процесс трудоемкий и требует серьезных капиталовложений. Уменьшить капиталовложения, увеличить мобильность столбов, снизить их стоимость, а так же повысить качественный уровень всей системы позволяет ТТЭЭ.

Новые столбы сделаны из полимерных материалов, с металлическим фланцем в нижней части. В столб встроена индукционная катушка приемника, достаточных размеров, чтобы обеспечить энергией светодиодный блок освещения. Такая конструкция позволит расширить сферу использования столбов, а так же устанавливать их в труднодоступных местах.

4. Расчет затрат на проведение исследований и разработки

Таблица 4.1 - Структура и трудоемкость этапов научно-исследовательской работы

Этапы

Виды работ

Трудоемкость, чел-дни

1. Подготовительный этап

Работы по изучению состояния современной троллейбусной системы, состояния вопроса в области беспроводной передачи энергии, изучение современных способов передачи энергии беспроводным способом. Подбор и изучение научно-технической литературы и др. материалов, обобщение ответа, анализ состояния вопросов. Составление, согласование и утверждение технического задания и календарного плана проведения работ по теме

Страница:


Подобные документы

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.

© 2000 — 2023, ООО «Олбест» Все права защищены