Повышение качества троллейбусных пассажирских перевозок на основе беспроводной технологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

[Введите текст]

Аннотация

Выпускная квалификационная работа посвящена вопросу повышения качества троллейбусных пассажирских перевозок на основе беспроводной технологии.

В работе анализируется состояние современной троллейбусной системы, состояние вопроса в области беспроводной передачи энергии, исследуются возможности модернизации троллейбусной системы, а так же рассматривается инновационная технология передачи электрической энергии конечному потребителю без использования проводов.

Используя литературные источники, автор излагает уровень существующей проблемы, а так же актуальность научно-исследовательской работы.

Большое место в работе уделено инновационной технологии передачи электрической энергии без проводов. Главное внимание обращается на эффективность, уникальность и простоту внедрения системы. Подробно описывается устройство системы передачи энергии без проводов.

Работа представляет интерес с точки зрения эффективности инновационной системы в сравнении с известной системой.

Пояснительная записка содержит 80 листов машинописного текста, в том числе 36 рисунков, 11 таблиц, 17 формул, 33 источника. Графическая часть выполнена на 8 листах формата А3.



The summary

Final qualifying work is devoted to improving the quality of trolleybus passenger traffic based on wireless technology.

The paper analyzes the state of modern trolleybus system, the state of matter in the field of wireless transfer of energy, possibilities of a cart-researched modernization of the trolleybus system, as well as examines the innovative technology of electric energy transmission to the end user without the use of wires.

Using literary sources, the author presents the level of the problem, as well as the relevance of the research.

A great place is paid to innovative transmission of electrical energy without wires. The main focus is on efficiency, uniqueness and ease of deployment of the system. Details discloses a device power transmission system without wires.

The work is of interest in terms of the effectiveness of the innovation system in comparison with the known system.

The explanatory note contains 80 typewritten pages, including 36 figures, 11 tables, 17 formulas, 33 source. Graphic part is made of 8 sheets of A3.



Введение

Внедрение электротяги, т. е. применение электрической энергии для передвижения транспортных средств, началось в тридцатые годы прошлого столетия. Русский ученый, академик Б. С. Якоби в 1834 г. изобрел первый в мире электродвигатель, пригодный для практического применения. Дальнейшие работы привели Якоби к созданию мощного двигателя, использованного в 1838 г. впервые в мире на р. Неве для лодки с пассажирами на борту. Гребной механизм лодки приводился в действие электродвигателем, получавшим энергию от батареи гальванических элементов. Это был первый в мире электроход. Испытание продолжалось до 1842 г. Широкого распространения этот способ питания электродвигателя не получил из-за большой массы батареи, ее малой мощности, ограниченного радиуса действия, низкого коэффициента полезного действия и малой рентабельности [1].

Однако заманчивая идея применения электрического транспорта с источником энергии, находящимся на подвижном составе, используется и сегодня. Для перевозки на небольшие расстояния грузов и пассажиров используются электрокары и электромобили, электродвигатели которых питаются от аккумуляторных батарей.

Для городского электротранспорта и магистральных железных дорог такой способ питания электродвигателей в силу указанных выше причин оказался неприемлемым. Поиск новых возможных решений был направлен прежде всего на устранение аккумуляторных батарей с электроподвижного состава. Оптимальным оказался способ питания от стационарной электростанции с передачей энергии подвижному составу через дополнительное звено, получившее название электротяговая сеть. В нее входят питающие кабели или воздушные линии положительной и отрицательной полярностей, опорные устройства, контактная и рельсовая сеть.

Трамваи и электрические железные дороги используют для электроснабжения контактный провод и ходовые рельсы в качестве обратного провода.

Система электроснабжения с двумя контактными проводами нашла применение для безрельсового электрического транспорта - троллейбуса.

Контактные сети трамвая и троллейбуса представляют собой сложное техническое сооружение.

Контактные сети подвержены, воздействию атмосферных явлений, связаны с работой расположенных рядом сооружений, принадлежащих разным организациям, нередко повреждаются при дорожно-транспортных происшествиях. Их обслуживание затруднено из-за больших потоков транспорта и пешеходов.

Безаварийная работа системы электроснабжения трамвая в первую очередь зависит от надежности контактной сети. Поэтому перед персоналом, обслуживающим контактные сети трамвая и троллейбуса, стоит ответственная задача - постоянно содержать устройства контактной сети в исправном состоянии.



1. Описание современного состояния системы троллейбусных пассажирских перевозок

В связи с интенсивным развитием легкового автомобильного транспорта возникают сложности в формировании городских территорий. Кроме того, в стесненных условиях городского движения на поездку на легковом автомобиле затрачивается значительное время. Поэтому в последние годы правительства ряда стран, где индивидуальный автомобильный транспорт получил большое развитие, издали законопроекты, акты и решения по государственному финансированию развития общественного транспорта [2].

В настоящий момент значительно увеличилось количество индивидуального автомобильного транспорта, что существенно отразилось на работе систем общественного пассажирского транспорта: увеличились сезонные, месячные и суточные колебания пассажиропотоков, уменьшается общий объем перевозок на нем. Это обстоятельство необходимо учитывать при планировании перевозок массовым пассажирским транспортом [3].

Троллейбусный пассажирские перевозки являются неотъемлемым атрибутом динамично развивающегося города. Данный вид общественного транспорта является лучшим решением для мегаполисов. Троллейбус, в отличие от пассажирского транспорта на ДВС, не производит вредных выбросов в атмосферу, в качестве источника питания использует электрический ток, который в разы дешевле нефтепродуктов, не требует подавления звукового воздействия силовых агрегатов. Кроме того обслуживание троллейбуса заключается лишь в проверке состояния присоединительных элементов. Т.е. отсутствует потребность в использовании любого типа нефтепродуктов для работы силовых агрегатов (моторное масло, трансмиссионное масло, охлаждающее масло).

Однако, троллейбус не столь идеален. К весомым недостаткам троллейбуса можно отнести высокую энергоемкость силовых агрегатов, зависимость от проводной системы и самое главное: низкий КПД системы в целом. Помимо выше перечисленного стоимость троллейбусной системы в разы превышает аналогичные пассажирские автопарки. В итоге, суммарный коэффициент рентабельности троллейной системы не превышает 20 %.

Внутригородские перевозки осуществляются в основном средствами массового пассажирского транспорта: автобусом, троллейбусом, трамваем и метрополитеном, в отдельных случаях - частично железнодорожным и водным транспортом. Роль легкового автомобильного транспорта - такси, ведомственных, личных автомобилей и других транспортных средств - незначительна, на их долю приходится около 5 % всех перевозок [4].

Развитие городского транспорта тесно связано с развитием городов. В настоящее время разрабатываются комплексные схемы развития всех видов городского пассажирского транспорта для городов с численностью населения более 250 тыс. чел. При их разработке учитывается, что пассажирский транспорт будет развиваться в условиях интенсивного роста городов и насыщенности улично-дорожной сети средствами транспорта.

Троллейбусы по своим эксплуатационным показателям немногим отличаются от автобусов, однако для их движения требуется устройство тяговых подстанций и оборудование линий двухпроводной контактной сетью. Троллейбусы используются на внутригородских линиях, имеющих пассажиропотоки средней мощности.

При проектировании троллейбусной сети стремятся до минимума сократить число пересечений линий между собой и с линиями трамвая, т.к. пересечения и воздушные стрелки снижают скорость движения троллейбуса, а иногда вызывают его остановку из-за соскакивания токосъемника. Вместимость подвижного состава троллейбуса 74-139 пассажиров. По условиям надежности токосъема трассы троллейбусных линий прокладывают только по улицам с усовершенствованным капитальным покрытием. Продольный уклон троллейбусной линии не должен превышать 0,07 [4].

По маневренности троллейбусы уступают автобусам, что особенно ощутимо в условиях старых городов с улицами недостаточной ширины. Основное преимущество троллейбуса по сравнению с трамваем в том, что посадки и высадка пассажиров осуществляется непосредственно с тротуара. Кроме того, троллейбус при движении может отклоняться от оси контактного провода до 4,2 метра, что позволяет эксплуатировать его на улицах с интенсивным движением.

Для движения по коротким участкам пути, не оборудованным контактной сетью, а также для поддержания движения при перерывах энергоснабжения на троллейбусах могут быть установлены вспомогательные агрегаты, например, аккумуляторы, суперконденсаторы или двигатели внутреннего сгорания.

Для повышения провозной способности троллейбусных линий применяется подвижной состав с большим количеством пассажиро-мест, например, двухэтажные и сочлененные машины. Провозная способность обычной троллейбусной линии близка к провозной способности автобусной линии и составляет около 5000 пас/ч. На рисунке 1.1 представлен двухэтажный троллейбус, курсирующий на улицах Лондона.

1.1 Показатели качества троллейбусных перевозок

Показатель качества (продукции) -- это количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции, входящих в её качество, рассматриваемая применительно к определённым условиям её создания и эксплуатации или потребления [5].

Каждая продукция обладает своей номенклатурой показателей, которая зависит от назначения продукции, условий её производства и эксплуатации и многих других факторов. Показатель качества может выражаться в различных физических единицах измерения (например, секунда, метр, кв. метр, куб. метр, км/ч, грамм, вольт, ватт, и др.), условных единицах измерения (балл, рубль, FLOPS, процент избирателей и др.), а также быть безразмерным (вероятность наступления ожидаемого события, и др.). В виде технических требований показатели входят в состав технического задания на разрабатываемую продукцию и технических условий.

Стремление учесть как можно больше показателей в желании максимально полно охарактеризовать продукцию делает задачу проектирования практически нерешаемой. Важно выделять главные показатели, отражающие наиболее существенные потребительские свойства объекта. Также следует иметь в виду, что для определённых условий производства и эксплуатации существуют обязательные к учёту показатели. В основном это касается безопасности, когда минимально приемлемый уровень требований устанавливают нормативные документы федеральных органов исполнительной власти, осуществляющих контроль за качеством и безопасностью товаров, такие как Госгортехнадзор, Роспотребнадзор и другие. Также, если продукция предназначается для реализации отдельным гражданам или каким-то образом может быть им продана, то она должна удовлетворять дополнительным требованиям, устанавливаемыми Законом Российской Федерации «О защите прав потребителей».

Рисунок 1.1 - Лондонский двухэтажный троллейбус

К показателям предъявляются следующие требования:

1. монотонная связь с качеством при условии постоянства остальных показателей;

2. простота определения, измерения и контроля;

3. наглядность отображения свойств объекта или процесса;

4. соответствие рассматриваемым свойствам;

5. хорошая чувствительность к изменению этих свойств;

6. устойчивость к случайным помехам.

Классификация показателей

Для наглядности и удобства все показатели обычно делят на две группы, условно называемые «цена» и «качество». Первая группа объединяет экономические требования, вторая -- технические. С другой стороны, при решении практических задач это облегчает использование методов оптимизации и выбор целевой функции.

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.

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.

На сегодняшний день потребитель, исходя из существующих вариантов перемещения с помощью общественного городского транспорта, останавливает свой выбор в пользу скорости движения. Маршрутные такси двигаются с достаточно высокой среднестатистической скоростью, что является весьма приоритетным значением. Однако техническое состояние 80 процентов таких машин оставляет желать лучшего.

Альтернатива маршрутному такси - ПАЗ. Данный вид транспорта более вместителен, однако скоростные характеристики такого транспорта не уступают маршрутному такси.

Троллейбус находится на последнем месте по показателям скорости городского общественного транспорта. Продолжительность поездки по маршруту номер 10 на троллейбусе, одного из самых коротких маршрутов г. Оренбурга, займет не менее 35 минут. В то время как маршрутное такси номер 42 преодолеет тот же участок пути за 15 минут.

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.

Так, например, маршрутное такси номер 42 имеет интервал движения в 3 - 5 минут. Интервал движения троллейбуса номер 10 составляет не менее 20 минут. Важную роль во времени ожидания играет дорожная ситуация, исправность троллейбуса, а так же состояние контактной цепи и количество вспомогательных механизмов.

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.).

Показатели комфортности как часть эргономических показателей в пределах троллейбусной системы, является приоритетным для постоянных пользователей троллейбусных пассажирских перевозок. Так, например, низкопольный троллейбус имеет обновленный дизайн, однако посадочные места для пассажиров рассчитаны неверно, в связи с чем возникает дискомфорт, который в последствии негативно сказывается на уровне использования троллейбуса. В тоже время ЗиУ-682Г-016.02 и ЗиУ-682Г-016.03, а так же ЗиУ-9 не являются ультрасовременными и сверхтехнологичными троллейбусами. Однако посадочные места организованны лучше, чем у низкопольного.

1.2 Подвижной состав троллейбусов

Механическое оборудование троллейбуса состоит из шасси с силовой передачей, рессорной или пневматической подвеской, передним и задним мостом и рулевым управлением, кузова, тормозного оборудования с механическим или пневматическим приводом [4].

В состав электрического оборудования входят тяговый двигатель, высоковольтная аппаратура управления и защиты, низковольтная аппаратура управления и токосъемник.

Шасси с механическим оборудованием по конструкции сходны с автобусными шасси, но отличаются более низким положением рамы, что создает удобства для монтажа и обслуживания двигателя и электрической аппаратуры.

Ведущие колеса приводятся в действии тяговым двигателем через карданный вал, снабженный с обоих концов шарнирными соединениями. Вращение вала якоря тягового двигателя передается карданному валу через переднее шарнирное соединение. Через задний шарнир кардана вращающий момент передается редуктору с дифференциалом, который приводит во вращение полуоси с насаженными на них задними колесами. Шарнирные соединения карданного вала позволяют изменять угол его наклона в вертикальной плоскости.

Кузова троллейбусов строят цельнометаллическими вагонного типа. Планировка салона троллейбуса должна предусматривать необходимое число мест для сидения при расстоянии между сиденьями не менее 735 мм.

Для подсобных целей троллейбус имеет низковольтное оборудование (генератор 250-350 Вт, аккумуляторную батарею из двух 6-вольтных аккумуляторов, соединенных последовательно и реле-регулятор). Потребителями тока низкого напряжения являются фары, цепи управления, габаритные фонари, стоп-сигнал, запасное освещение в кузове, звонок и сигнал.

Тормозная система троллейбуса представляет собой сложное устройство. Троллейбусы типа ЗИУ и МТБ снабжены двумя механическими и двумя электрическими видами торможения. Оба механических тормоза имеют самостоятельные приводы. Центральный тормоз, приводимый в действие ножной педалью, передает усилие через силовую передачу на тормозные колодки и осуществляет торможение задних ведущих колес. Этот тормоз создает замедление 3,5 м/с2, что соответствует тормозному пути 10 метров при скорости движения 30 км/ч и полной нагрузке. Колесный колодочный тормоз, расположенный на каждом из четырех колес, работает от пневматического привода и создает замедление около 2,5 м/с2, что соответствует тормозному пути 14 метров при тех же условиях [6].

Электрическое торможение, возникающее при переводе тягового двигателя на генераторный режим, характеризуется двумя стадиями торможения:

- рекуперативное торможение с отдачей вырабатываемой энергии в контактную сеть

- реостатное торможение с поглощением энергии пусковыми реостатами.

Для отопления салона используется тепло, выделяемое пусковыми сопротивлениями. Специальный вентилятор забирает воздух из верхней части пассажирского помещения, прогоняет его через пусковые сопротивления и снова, уже нагретый подается по воздуховодам в нижнюю часть кузова. В летнее время воздух после прохода через пусковые сопротивления выбрасывается в нижней части кузова в атмосферу.

В последнее время развитие технологий играет ключевую роль в развитии троллейбусной системы. Так, для снижения энергоемкости ряда агрегатов используют разработки из области нанотехнологий. Например, освещение салона в современном троллейбусе осуществляется с помощью светодиодных плафонов и лент, представленных на рисунке 1.2, энергопотребление которых в разы ниже ламп накаливания.

Новые конструкционные решения позволяют создать троллейбус на базе рамной конструкции, что позволяет играть с формой и дизайном. Рессорная подвеска троллейбусов заменена на многорычажную с элементами повышенного комфорта, такие как газо-масляные стойки, работающие совместно с пневматическими подушками. Данная система позволяет достичь плавного хода даже на достаточно серьёзных дефектах дорожного покрытия. Такая подвеска представлена на рисунке 1.3.

Рисунок 1.2 - Освещение салона с помощью светодиодной ленты



Рисунок 1.3 - Подвеска современного низкопольного троллейбуса

1.3 Система питания тяговых сетей

Городской электротранспорт работает на постоянном токе напряжением 600 В для трамваев и троллейбусов и 825 В для метрополитена, т.к. тяговые двигатели допускают частое изменение режима работы, обладают высоким КПД и имеют небольшую массу [4].

Выбор величины напряжение для передачи электрической энергии - один из наиболее важных и принципиальных вопросов, оказывающих влияние на технические и экономические показатели, капиталовложения и эксплуатационные расходы электрохозяйства городского электротранспорта. Например, при постройке метрополитена в Москве было принято напряжение 750 В. Повышение напряжения до 825 В дало значительную экономию цветных металлов, привело к сокращению числа тяговых подстанций и увеличению мощности существующих ртутных выпрямителей на 20-25 %.

Источником электроснабжения городского электротранспорта является общая энергосистема города, входящая в районную энергетическую систему. Производство электроэнергии в современных энергосистемах сосредотачивается на мощных электрических станциях - тепловых и гидроэлектрических. Источники энергии, как правило, удалены от потребителей [7].

Электрические станции вырабатывают трехфазный переменный ток напряжением 6,3 и 10,5 кВ при частоте 50 Гц. Передача электроэнергии от станций, расположенных далеко от потребителей, производится напряжением 35, 110 и 220 кВ и выше. Для получения такого напряжения строят повышающие подстанции. Передаваемая энергия принимается понижающими подстанциями, расположенными в районах ее потребления. На понижающих подстанциях напряжение понижается до 6-10 кВ.

Так как на подвижном составе городского электротранспорта устанавливают электродвигатели постоянного тока, то для получения постоянного тока должны строится подстанции с установками, преобразующими трехфазный ток, поступающий из энергосистемы, в постоянный ток нужного напряжения. Такие установки называются тяговыми преобразовательными подстанциями.

Преобразовательным агрегатом подстанции являются ртутные выпрямители. Ртутный выпрямитель представляет собой аппарат, пропускающий ток только в одном направлении. Работа ртутного выпрямителя основана на особом свойстве электрической дуги в сосуде выпрямителя - гореть между ртутным катодом м только тем анодом, который имеет положительный потенциал по отношению к катоду. Процесс горения дуги в выпрямителе протекает следующим образом. При включении выпрямителя в цепь переменного тока между анодом и катодом возникает электрическое поле. На поверхности ртутного катода под воздействием тока образуется раскаленное пятно, излучающее большой поток электронов, движущихся в одном направлении [8].

Ртутные выпрямители обладают высоким коэффициентом полезного действия, который остается почти постоянным даже при значительных изменениях нагрузки. Это имеет большое практическое значение, т.к. на подстанциях городского электротранспорта нагрузка в течение рабочего дня изменяется в широких пределах.

Электрическая энергия передается троллейбусам по контактным проводам через токосъемники, представленные на рисунке 1.4, установленные на подвижном составе.

Рисунок 1.4 - Токосъемники, подключенные к контактной сети

1.4 Контактная сеть

Контактная сеть - совокупность устройств, служащих для подачи электрической энергии подвижному составу. Основные требования, которым должно удовлетворять устройство контактной сети городского электротранспорта, следующее:

- надежность и бесперебойность передачи электрической энергии, безупречный токосъем при любых атмосферных условиях и любых скоростях движения;

- механическая и электрическая прочность в сложных метеорологических условиях;

- обеспечение максимальной безопасности пешеходов и обслуживающего персонала, а также наилучшее соответствие архитектурному облику городских улиц и площадей;

- простота конструкции и возможность быстрейшего устранения повреждений;

- минимальная трудоемкость при монтаже и эксплуатации;

- наименьшая строительная стоимость при небольшом расходе дефицитных материалов [4].

Системы подвеса контактного провода могут быть простыми (жесткими), цепными и полигонными.

При скольжении токосъемника провод подвергается механическому износу и подгоранию вследствие появления электрической дуги между проводом и токосъемником (при отрыве его от провода). Износ провода и искрение зависят от скорости движения и типа токосъемника, стрелы провеса провода и величины нажатия токоприемника на контактный провод. Нормальная высота подвеса контактного провода над уровнем головки рельса или проезжей части на городских улицах с учетом габаритов подвижного состава составляет 5500-6300 мм. Минимальная высота подвеса контактного провода под мостами и путепроводами 4200 мм. В местах пересечений линий электротранспорта с железнодорожными путями высота подвеса контактного провода от железнодорожного релься должна быть не меньше 5750 мм.

Подвесная арматура контактной сети должна позволять головке токоприемника беспрепятственно проходить через точки подвеса. Применяемый четырехвинтовой зажим, представленный на рисунке 1.5, состоит из двух обтекаемых щечек (основной 3 и прижимной 1), скрепляемых винтами 2 с потайными головками. Верхняя часть одной из щечек имеет прилив с резьбой для крепления подвесного болта, а нижние части щечек -- грани 4, входящие в вырезы контактного провода 5 и удерживающие его в необходимом положении [9].



Рисунок 1.5 - Четырехвинтовой зажим

Соединение контактных проводов осуществляется стальным «стыковым зажимом, представленным на рисунке 1.6. Зажим представляет собой цельный конструктивный элемент, имеющий продольный паз, соответствующий профилю контактного провода. Концы проводов удерживаются тремя вертикальными винтами, расположенными с обоих концов зажима. Вертикально расположенные в верхней части зажима винты фиксируют положение провода в зажиме. В соответствии с техническими условиями эксплуатации контактных сетей, количество стыковых зажимов на участке сети ограничено. Однако, отсутствие финансирования вынуждает руководство троллейбусных депо увеличивать количество стыковых зажимов до неограниченного количества. Ярким примером такого грубого нарушения являются цеха технического осмотра депо. Обрыв происходит в местах наибольшего износа контактной сети. Цех технического осмотра ежедневно должен проводить технический осмотр каждой машины, выпускаемой на маршрут. Поэтому троллейбусы всех маршрутов, так или иначе, проходят по контактной линии цеха технического осмотра, что и является причиной максимального износа контактной сети. В результате такого нарушения увеличивается нагрузка на контактную сеть, а значит и на тяговую подстанцию [9].



Рисунок 1.6 - Стыковой зажим Б12 (а) и обхватный (б)

Подвеска контактной сети осуществляется различными по конструкции подвесами, представленными на рисунке 1.7. Цифрами обозначены следующие элементы:

1 - места крепления контактного провода;

2 - изоляторы из дельта-древесины;

3 - пряжечные изоляторы.

Они обеспечивают надежное крепление и изоляцию проводов как между собой, так и с натяжными тросами.

Рисунок 1.7 - Конструкции подвеса контактной сети



Контактная сеть делится на отдельные участки с помощью секционных изоляторов, имеющих воздушный промежуток. Конструкция секционного изолятора представлена на рисунке 1.8. При прохождении токоприемника через этот изолятор возникает электрическая дуга, которая способна перекрыть воздушный промежуток между двумя изолированными участками и тем самым полностью разрушить изолятор. Поэтому в контактной сети троллейбуса применяется устройство для "гашения” электрической дуги -- секционный изолятор.

Рисунок 1.8 - Секционный изолятор

К специальным частям контактной сети относятся кривые держатели, пример которого представлен на рисунке 1.9, стрелки, крестовины и пересечения троллейбусных линий как друг с другом, так и с линиями трамвая. Чтобы не создавать в местах поворота контактной сети сложной системы подвеса, которая ухудшит условия токосъема, и для создания на контактных проводах плавной кривой поворота устанавливают кривые держатели. Они помогают головке токоприемника пройти участок кривой и могут изменять направление контактного провода до 45°.

Для перевода токоприемника на одну линию контактной сети в местах слияния двух трасс устанавливают сходную стрелку, представленную на рисунке 1.10. Она проста по конструкции. Контактные провода сходящихся трасс оканчиваются на плите стрелки направляющими. При входе с любой трассы на стрелку головка токоприемника скользит обоймой вдоль специальных направляющих, установленных на плите стрелки, которые выводят головку токоприемника на новое направление трассы, уходящей со сходной стрелки.

Конструктивные элементы сходных стрелок выполнены с постепенно меняющейся высотой, благодаря чему головка токоприемника плавно переходит со скольжения угольной вставкой по контактному проводу на скольжение обоймами головки по направляющим плиты стрелки.

При необходимости перевода токоприемника с одной линии на ветвь разветвляемой трассы устанавливают расходную (управляемую) стрелку, пример которой представлен на рисунке 1.11. Конструкция расходных стрелок значительно сложнее сходных. Механизм привода этих стрелок должен направлять движение головки токоприемника в одно из двух направлений. В троллейбусных системах стран СНГ применяется управление по току с движением налево под нагрузкой.

Рисунок 1.9 - Кривой держатель типа КД-5

Рисунок 1.10 - Сходная стрелка

Рисунок 1.11 - Расходная стрелка

Перевод направления движения головки токоприемника осуществляется пером (4), которое может занимать одно из двух фиксированных положений. Подвижное перо (4) стрелки постоянно удерживается пружиной (не указана) в положении для движения троллейбуса направо. Механизм включения перевода стрелки состоит из электромагнита (3), связанного рычагом с подвижным пером (4). При нахождении головки токоприемника (2) на участке контактного провода (1), ток , потребляемый троллейбусом, проходит через катушку электромагнита (3). Если его величина превышает 10- 15 А (ток, идущий на вспомогательные цепи троллейбуса), т.е троллейбус движется с включенным силовым приводом, электромагнит срабатывает и переводит перо в положение, разрешающее движение башмака токоприемника в левом направлении. После проезда стрелки ток через катушку электромагнита прекращается и под действием возвратной пружины перо возвращается в исходное положение. Для увеличения надежности срабатывания механизма перевода стрелки в троллейбусе могут быть предусмотрены переключатели режима проезда. Выключатель проезда стрелки вправо для уменьшения потребления тока отключает отопители и двигатель компрессора. Выключатель проезда влево для увеличения тока подключает в силовом электроприводе дополнительную нагрузку, не влияющую на скорость троллейбуса.
В заключение можно отметить, что идея использования отдельных участков контактной сети, подключенных через токовое реле, может быть применена для автоматизации некоторых процессов. К примеру, в троллейбусном депо г. Гродно установлены и успешно эксплуатируются системы автоматического открытия и закрытия ворот депо, управляемые троллейбусом.

На сегодняшний день проводится модернизация и улучшение показателей качества контактной сети как отдельного структурного элемента троллейной системы. Так, например, с целью диагностики состояния и защиты тяговой сети используют систему диагностики тяговой сети СДТС-1, предназначенную для установки в распределительных устройствах постоянного тока до 1000 В [10].

Функциональные возможности СДТС-1:

1. Измерение величины и формы тока и напряжения тяговой сети в различных режимах, в том числе при коротком замыкании в тяговой сети.

2. Передачу измеренных значений тока и напряжения в систему высокого уровня (систему телеизмерения, сигнализации, центральный пульт дистанционного управления и т.д.).

3. Фиксацию и передачу (при запросе) амплитудных значений измеренных величин.

4. Защиту тяговой сети от токов короткого замыкания, в том числе от малых токов к.з.

4.1 Защита осуществляется путём моделирования нагрева и остывания контактного провода. Исходя из уравнения теплового баланса и параметров контактного провода, СДТС рассчитывает температуру и строит график нагрева провода в зависимости от времени протекания различных токов. Текущая температура передаётся в систему высокого уровня.

4.2 Система позволяет реализовать дополнительную защиту путем введения электронной установки по току тяговой сети и температуре контактного провода. При превышении значений установки и температуры, подается выходной сигнал на отключение быстродействующего выключателя постоянного тока, и сопровождается индикацией на сигнальных светодиодах СДТС.

5. Измерение скорости нарастания и спада тока и напряжения в тяговой сети. С целью увеличения вероятности обнаружения удаленного к.з., вводится установка срабатывания защиты по величине предельного тока, позволяющая реализовать защиту тяговой сети по нескольким параметрам.

6. Обеспечение точного (0.5ч1% от необходимой величины установки) контроля и дублирование установки быстродействующего выключателя постоянного тока с выдачей сигнала о ее несоответствии.

7. Осциллографирование и запоминание величины и формы токов и напряжений при к.з., их последующая передача в систему высокого уровня для статистического анализа с целью корректировки токовой установки.

8. Гальваническую развязку цепей, находящихся под потенциалом до 1000В Развязка обеспечивается через высокочастотный трансформатор с испытательным напряжением изоляции 5кВ (АС, 50Гц). Цепи передачи данных реализуются по волоконно-оптической связи, обеспечивающей изоляцию более 60кВ. Выходные реле для управления внешними устройствами обеспечивают изоляцию 10 кВ [7].

1.5 Разворотные пункты

Конечные пункты троллейбусов имеют оборотные кольца. В первых троллейбусных системах на конечных пунктах устраивались треугольники. Обычно есть разветвления контактной сети для возможности отстоя троллейбусов, обгона различных маршрутов. Иногда обустраиваются пункты контроля технического состояния, диспетчерские пункты. В пунктах контроля технического состояния производится прежде всего проверка сопротивления изоляции, состояния штанг, тормозов и прочих узлов, от которых зависит безопасность движения. На рисунке 1.12 представлен пример оборотного пункта троллейбусов [1].

Рисунок 1.12 - Разворотный пункт троллейбусов

1.6 Преимущества троллейбусной системы

Преимущества перед другими видами транспорта представлены в таблице 1.1.



Таблица 1.1 - Преимущества троллейбусной системы

Преимущества троллейбусной системы
по сравнению с трамваем	По сравнению с автобусом
Троллейбус использует то же дорожное полотно, что и автомобильный транспорт, в то время как движение по трамвайным путям может быть затруднено или даже полностью запрещено. В результате экономится городское пространство.	При эксплуатации на горных трассах троллейбус не требует установки специального ретардера, поскольку его роль благополучно выполняет тяговый двигатель.
Значительно более низкие капитальные расходы на строительство троллейбусной линии -- не требуется ни вскрытия дорожного полотна, ни строительство обособленного пути, потому что используется существующая дорожная инфраструктура. Требуется лишь смонтировать воздушную контактную сеть.	Троллейбусы не загрязняют воздух в городе выхлопными газами.
	Двигатель троллейбуса допускает довольно значительные по величине кратковременные перегрузки. Электродвигатель может развивать полную мощность во всём диапазоне скоростей, что также важно при эксплуатации в гористой местности.
Троллейбус может отклоняться от оси контактной сети на расстояние до 4,5 м, иногда даже более, благодаря чему сравнительно легко маневрирует в транспортном потоке и имеет гораздо меньше проблем с объездом препятствий наподобие неправильно припаркованного или неисправного автомобиля, и даже другого троллейбуса -- при условии, что у последнего опущены обе штанги.	Современный троллейбус значительно менее шумен, чем автобус. Основными источниками шума в троллейбусах являются компрессор, системы отопления и кондиционирования, а в некоторых моделях -- ещё и главный редуктор, мотор-генератор и системы управления двигателем. В современных троллейбусах эти шумы либо устранены, либо значительно снижены. Теоретически троллейбусы могут быть сделаны практически бесшумными, но полная бесшумность может стать источником опасности для пешеходов.
Резиновые шины троллейбуса имеют лучшее сцепление с дорогой, чем металлические колёса трамвая, что позволяет эксплуатировать его на трассах с большими уклонами (до 8-12 %).	Тяговый электродвигатель более надежен, чем двигатель внутреннего сгорания.
	Срок службы подвижного состава троллейбуса больше, чем срок службы автобуса.
Троллейбус обычно использует общие с автобусами остановки, расположенные на тротуаре. Остановки трамвая на совмещённом полотне расположены в глубине дороги и требуют выхода пассажиров на проезжую часть.	На троллейбус можно установить систему рекуперации энергии в контактную сеть, что обеспечивает экономию электроэнергии, особенно при работе на участках со сложным рельефом.
Троллейбус может проходить по кривым меньшего радиуса, чем трамвайный вагон.	Троллейбус может работать по системе многих единиц
Поскольку троллейбус имеет двухпроводную систему электроснабжения, то он не вызывает появления подземных блуждающих токов, резко сокращающих срок службы дорогостоящих подземных металлических сооружений.	Вместимость низкопольного троллейбуса больше, чем у низкопольного автобуса, так как не требуется места для размещения топливных баков, двигатель и агрегаты трансмиссии троллейбуса намного более компактны, а часть электрооборудования можно разместить на крыше
	Троллейбус использует электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, КПД которых выше, чем у двигателя автобуса. Причём источником электроэнергии для троллейбуса может служить любая доступная электростанция.

1.7 Недостатки троллейбусной системы

1. Первоначальные затраты на развёртывание троллейбусной системы выше, чем для автобусной, так как требует строительства тяговых подстанций и контактной сети [1].

2. Троллейбус потребляет больше электроэнергии, чем трамвай.

3. Провозная способность троллейбусной линии не превышает таковую у автобусной линии и всегда ниже чем у трамвайной линии.

4. Троллейбус очень чувствителен к состоянию дорожного покрытия и контактной сети. При необходимости проехать повреждённый участок дороги приходится значительно снижать скорость, чтобы избежать схода штанг с проводов контактной линии.

5. Троллейбусная сеть отличается сравнительно низкой гибкостью из-за привязки к контактной сети. Тем не менее, применение систем автономного хода и дуобусов отчасти решает эту проблему.

6. В отличие от трамвая, кузов троллейбуса не заземлён, поэтому требуется принятие дополнительных мер обеспечения электробезопасности: контроль тока утечки, обеспечение двойной изоляции электроцепей, регулярные проверки состояния изоляции.

7. Конструкция спецчастей контактной сети (изгибов на поворотах, пересечений, стрелок, разделяемых соединений на разводных мостах) требует проходить их на пониженной скорости (иногда до 5 км/ч). Кроме того, существует опасность остановки на обесточенном участке на пересечении и троллейбусной стрелке, например при «подрезании» другим транспортом. Существуют спецчасти, свободные от этих недостатков, но в постсоветских странах есть только единичные случаи применения таких спецчастей, например, в Вологде.

8. Фактически невозможен обгон одного троллейбуса другим, если это не предусмотрено контактной сетью -- для этого необходимо опускать штанги на одном из троллейбусов.

9. Троллейбус чувствителен к обледенению контактных проводов. Плохой контакт приводит к быстрому износу контактных вставок, которые в этом случае приходится менять несколько раз за рабочую смену.

10. Контактная сеть троллейбуса загромождает улицы и площади городов, путаница проводов и подвесных тросов выглядит неэстетично и портит исторический облик города.

11. Троллейбус, не оснащённый системой автономного хода, не может отклониться от контактной сети более, чем на 4,5 метра, что иногда приводит к затруднениям при объезде дорожных заторов и повреждений контактной сети. Также при значительном отклонении от контактной сети необходимо снижать скорость во избежание схода штанг с проводов контактной сети.

1.8 Попытки устранения недостатков троллейбусной системы

Указанные недостатки можно устранить использованием усовершенствованных троллейбусов - троллейбус с блоком аккумуляторов. Такая модификация троллейбуса позволяет отклоняться от контактной сети, но время движения сильно ограничено зарядом блока аккумуляторов. Итогом такой модификации является повышение рентабельности на 2-5 % и эффективности на 1-2 %. Один из таких троллейбусов используется в Братском троллейбусном депо, пришедший в январе 2014 года из Новосибирска. По утверждениям инженеров, Новосибирский модифицированный троллейбус способен пройти 60 км без подзарядки [11].

Так или иначе, троллейбусу требуется контактная сеть. Через определенный промежуток времени заряд аккумуляторных батарей иссякнет и троллейбус остановится. Если такая ситуация произойдет в месте отсутствия контактной сети, троллейбус потребуется транспортировать до ближайшей точки подзарядки, либо контактной сети. В итоге, даже блок аккумуляторных батарей не способен достаточно высоко поднять качество пассажирских перевозок на троллейбусе.

2. Состояние вопроса в области беспроводной энергетики

Когда речь заходит о беспроводной передаче энергии, необходимо сделать важную оговорку. С точки зрения физики выпущенный из орудия линкора снаряд, который топит другой корабль, тоже переносит на расстояние энергию - кинетическую и химическую. Так что, когда речь идет о беспроводной передачи энергии, мы имеем в виду только передачу электроэнергии [12].

Причем передача эта должна осуществляться достаточно эффективно, чтобы энергию имело смысл использовать в повседневных целях. Человечество уже сотню лет успешно передает электроэнергию при помощи радиоволн. Передатчик их излучает, приемник снова переводит в электричество, и мы слушаем, к примеру, джаз. Однако КПД этой передачи ничтожно мал. Принятой по радио энергии не хватает даже для работы наушников, из-за чего нам приходится регулярно менять батарейки в приемниках. Энергия радиоволн способна донести информацию с границ Солнечной системы, от летящего там зонда «Вояджер», но ей не под силу зажечь даже обыкновенную лампочку.

Среди проблем беспроводной передачи энергии выделяются две существенно различные задачи: первая - избавится от проводов, вторая - передать энергию туда, куда тянуть кабель экономически невыгодно, а то и просто невозможно.

Рисунок 2.1 - Эксперимент NASA по передаче энергии без проводов



На рисунке 2.1 представлен эксперимент, проводимый американской корпорацией NASA в 2002 году. Прожектор передает энергию для пропеллера радиоуправляемой модели самолета. Но из нескольких киловатт мощности прожектора солнечная батарея принимает и пускает в дело лишь десятки ватт.

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.