Устройство системы беспроводной передачи электрической энергии

Разработка мероприятий по повышению качества троллейбусных пассажирских 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.

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

3.1.1 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

3.1.2 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
	30,5		30,5
	32,2		30,7
	32,1		31,0
	31,6		31,2
	30,6		31,4
	29,3		31,6
	27,2		31,7
	24,1		31,8
	20,3		31,9
	17,1		32,0
	14,5		32,0
	12,4		32,1
	7,1		32,1
	4,4		32,1
	1,6		32,1
	0,9		32,2
	0,01		32,1
	0,00		32,1
	0,00		32,1
	0,00		32,1
	0,00		32,1
	0,00		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

3.1.3 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].

Дата добавления: 2015-06-28