СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ОТ ЗЕМЛИ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
POWER SUPPLY SYSTEM FOR ELECTRICALLY DRIVEN VEHICLES

Настоящее изобретение относится к системе электропитания от земли для электрических транспортных средств, предпочтительно ведомых управляющим агрегатом, катящимся по направляющему рельсу.
Более конкретно, изобретение относится к системе электропитания от земли низким напряжением постоянного тока.
Под электрическими транспортными средствами подразумеваются наземные транспортные средства, например, для грунтовых дорог, но также железнодорожные. Изобретение, в частности, предназначено для электропитания городского транспорта с автономным управлением на электрической тяге, причем данный транспорт может быть рельсового или шинного типа. Изобретение, однако, не ограничено данным предпочтительным применением.
Данный тип транспортного средства с электрической тягой или приводом в классическом варианте получает питание электроэнергией от воздушных кабелей или от контактной сети, расположенной над ходовыми путями.
Современная тенденция, однако, по причинам эстетическим или иным, состоит в том, чтобы убрать данные воздушные линии электропередачи и заменить их системами питания, расположенными на уровне земли или под землей.
В предшествующих разработках для данных транспортных средств были предложены различные системы питания от земли. Однако все данные системы обладают определенными недостатками, в частности в отношении безопасности. Действительно, в данных предшествующих системах предусматривается электропитание высоким напряжением, в частности, постоянного тока, что может оказаться крайне опасным для человека в случае контакта с проводящими элементами. Кроме того, при использовании высокого напряжения появляется дополнительный риск, связанный с наличием блуждающих токов.
Цель изобретения состоит в том, чтобы создать абсолютно безопасную систему питания от земли для электрических транспортных средств.
Другая цель изобретения состоит в создании системы электропитания от земли, расположение и монтаж которой является простым и быстрым.
Еще одной целью изобретения является создание системы электропитания от земли с легким обслуживанием.
Для решения данной технической проблемы в изобретении предлагается система электропитания от земли для наземного транспортного средства, движущегося по определенной трассе, посредством скользящего контакта, по крайней мере, с одной проводящей деталью. Данная система содержит устройство подачи электрического тока, расположенное на земле, и устройство токосъема, находящееся на транспортном средстве и перемещающееся вместе с ним.
Устройство подачи электрического тока согласно изобретению, находится поверх открытого желоба. Оно содержит, по крайней мере, один линейный проводник питания, связанный с сетью электрического напряжения, причем данный проводник - по крайней мере один - расположен в желобе сбоку рельса, несущего, по крайней мере, одну проводящую дорожку возврата к нулевому напряжению. Оно содержит также, по крайней мере, один защитный профиль, имеющий в целом форму опрокинутой буквы L, окружающий и маскирующий линейный проводник, находящийся внизу.
Устройство токосъема на самом транспортном средстве содержит, по крайней мере, один подвижный блок токосъема, находящийся на узле-носителе, который движется в желобе сбоку рельса. Данный блок токосъема содержит накладку токосъема, предназначенную для электрического контакта скольжения с питающим проводником, и накладку нулевого напряжения, предназначенную для электрического контакта скольжения с проводящей дорожкой возврата к нулевому напряжению, причем данные накладки электрически связаны с потребляющими контурами транспортного средства.
Преимуществом является то, что контакт между контактной накладкой и питающим проводником осуществляется под защитным профилем и окружен изгибом данного защитного профиля.
Данный, по крайней мере, один линейный питающий проводник предпочтительно может быть соединен с сетью электрического напряжения постоянного тока.
Система питания от земли согласно изобретению обеспечивает, таким образом, полную безопасность для пешеходов и других пользователей дороги.
Кроме того, установка и обслуживание данной системы питания очень удобны.
Преимуществом является и то, что система, соответствующая изобретению, может включать в себя дополнительное предохранительное устройство в случае проблемы, подвергающей риску безопасность людей, в виде средства отсоединения по крайней мере одного токосъемного блока, перемещающегося в желобе, что позволяет извлекать на всей линии узел-носитель, который в данном случае уже не находится под напряжением.
Согласно предпочтительному способу реализации изобретения устройство подачи электрического тока может содержать два линейных питающих проводника, каждый из которых соединен с питающей электросетью, причем данные два проводника расположены в желобе с обеих сторон центрального рельса, который несет две проводящих дорожки возврата к нулевому напряжению. При этом оно содержит также два защитных профиля, имеющих в целом форму опрокинутой буквы L, причем каждый из данных защитных профилей окружает и маскирует один из линейных проводников, находящийся внизу.
В данном варианте устройство токосъема имеет два подвижных блока в узле-носителе, которые перемещаются в желобе с обеих сторон центрального рельса, причем каждый из данных блоков содержит накладку токосъема, предназначенную для электрического контакта скольжения с соответствующим питающим проводником, и накладку нулевого напряжения, предназначенную для электрического контакта скольжения с соответствующей проводящей дорожкой возврата к нулевому напряжению, причем данные накладки токосъема и возврата к нулевому напряжению электрически связаны с потребляющими контурами транспортного средства.
Преимуществом является то, что контакт между каждой накладкой токосъема и соответствующим питающим проводником может в данном случае осуществляться под соответствующим защитным профилем и окружен изгибом данного защитного профиля.
Предпочтительно каждый из двух линейных питающих проводников может быть соединен с сетью низкого напряжения постоянного тока, один положительный, а другой отрицательный, например, одинаковой величины.
Другие характеристики и преимущества изобретения станут очевидными после ознакомления с нижеследующим детальным описанием со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
- фиг.1 представляет собой вид в поперечном разрезе приводимого в качестве примера комплекса системы электропитания согласно изобретению, содержащего устройство подачи тока от земли и устройство токосъема;
- фиг.2 - вид в поперечном разрезе устройства подачи электрического тока, установленного на земле, соответствующего примеру реализации изобретения, показанному на фиг.1;
- фиг.3-8 - виды в поперечном разрезе, иллюстрирующие способы реализации основных составляющих элементов устройства подачи электрического тока, установленного на земле, согласно изобретению, причем данные элементы представлены отдельно или в некотором сочетании между собой:
- на фиг.3 представлен центральный рельс;
- на фиг.4 представлен центральный рельс, смонтированный в желобе и взаимодействующий с направляющим узлом щеткодержателя (токосъемного рычага) или транспортного средства;
- на фиг.5 представлена подрельсовая поперечина, на которой установлен центральный рельс, а также один из боковых профилей, укомплектованный своим защитным профилем;
- на фиг.6 представлена скоба-подвеска - держатель проводника;
- на фиг.7 представлен участок бокового профиля, на котором смонтирована скоба, несущая проводник, и защитный профиль;
- фиг.8 подобен фигуре 7, но иллюстрирует другой вариант линейного проводника;
- фиг.9 - вид в перспективе устройства токосъема согласно изобретению вместе с направляющим устройством;
- фиг.10 - вид в перспективе узла-носителя согласно варианту фиг.9, причем одна из его соединительных частей показана отдельно от стыкуемой детали;
- фиг.11 и 12 - виды в перспективе двух колодок токосъема, предназначенных для монтажа на узле-носителе фиг.10 и расположенных с обеих сторон центрального рельса.
Система электропитания, соответствующая настоящему изобретению, далее описывается детально со ссылкой на фиг.1-12. Эквивалентные элементы, представленные на различных фигурах, имеют одинаковые цифровые обозначения.
Различные фигуры и соответствующее детальное описание относятся к конкретному способу реализации изобретения с двумя линейными проводниками питания, двумя проводящими дорожками возврата к нулевому напряжению и двумя блоками токосъема. Следует, однако, иметь в виду, что речь идет только о предпочтительном варианте изобретения, ни в коем случае не единственном.
Как уже упоминалось, хотя здесь не представлено, система питания согласно изобретению может содержать лишь один линейный проводник питания, одну проводящую дорожку возврата к нулевому напряжению и один блок токосъема.
Подобным же образом электрическое напряжение питания линейных проводников (или проводника) может иметь любую форму и значение.
Речь может идти, хотя и не обязательно, о постоянном электрическом напряжении, высоком напряжении тяги, безопасном низком напряжении и иных вариантах.
Обычно применяемое высокое напряжение тяги составляет порядка 750 вольт.
Под безопасным низким электрическим напряжением подразумевается напряжение ниже или равное 60 вольтам для каждой полярности. Данное напряжение является безопасным, т.е. не смертельным и физиологически не опасным для человека.
Система электропитания 1 согласно изобретению состоит из двух дополнительных устройств, взаимодействующих для реализации питания со стороны земли электрических контуров потребления, имеющихся на транспортном средстве, движущемся по определенной трассе.
Она состоит из устройства подачи электрического тока 2, расположенного на земле, и устройства токосъема 3, размещенного на транспортном средстве и перемещающегося вместе с ним, как описывается ниже для представленного предпочтительного варианта.
Устройство подачи тока 2 показано отдельно на фиг.2.
Данное устройство размещено в желобе 4, предпочтительно бетонном, имеющем прямоугольное сечение и открытом на уровне своей верхней грани.
Желоб 4 предназначен для размещения в траншее и закрепляется в ней со специального насыпного грунта. Высота траншеи предпочтительно выбирается так, чтобы верх желоба находился вровень с поверхностью земли. Тем не менее, бетонный желоб 4 может выступать вверх от поверхности земли. В некоторых случаях он может даже не быть зарытым в землю, а просто устанавливается сверху и закрепляется на готовом грунте, например на шоссейной дороге.
Для удаления воды, которая может проникать в желоб 4, его нижний объем дренируется, предпочтительно с помощью центрального линейного водосборника 5 и двух не показанных отводных каналов, идущих вдоль желоба по его краям. В данном случае трубопроводы или каналы отводят собранную воду до люка сточного коллектора.
Устройство подачи тока от земли для представленного варианта состоит, главным образом, из рельса 6, предпочтительно центрального, и двух линейных питающих проводников 7, каждый из которых соединен с сетью предпочтительно постоянного тока, один положительный, другой отрицательный, в виде двух симметричных блоков питания.
Электроэнергия поступает от сети после преобразования и выпрямления на распределительных станциях и подстанциях и подводится в виде напряжения питания, определенного в описанном предпочтительном примере на уровне +60 вольт и -60 вольт.
Возврат к электрическому нулю осуществляется вдоль рельса 6, предпочтительно центрального, который имеет для этой цели две проводящих дорожки 8 возврата к нулевому напряжению, предпочтительно симметричных.
Рельс 6 может служить только опорой для одной или двух проводящих дорожек 8 возврата к нулевому напряжению. Тем не менее и предпочтительно, чтобы он мог также функционировать в качестве направляющего рельса;
изобретение остается, во всяком случае, действительным и при отсутствии данной направляющей функции.
Преимущество дается тем фактом, что рельс 6 может быть изготовлен предпочтительно путем экструзии из материала, электрически изолирующего и механически прочного. Современные технологии позволяют получать детали с максимальной прочностью в направлении экструзии, при необходимости - с упрочняющими волокнами.
Рассматривается также вариант металлического рельса 6, так как последний находится при нулевом электрическом потенциале и, следовательно, не представляет опасности для людей.
На представленном предпочтительном способе реализации рельс 6 представляет собой некий элемент 9, имеющий общую форму сечения треугольного типа.
С целью экономии материала при сохранении достаточной прочности по отношению к боковым усилиям корпус 9 рельса 6 изготовляется в виде полой кессонной структуры и состоит, например, из двух кессонов 10, имеющих в целом трапецеидальное сечение, которые разделены перегородкой 11 и над которыми находится цилиндрическая полость 12.
Согласно существенной характеристике изобретения рельс 6 несет, по крайней мере, на одной из своих боковых стенок 13, но предпочтительно на каждой из них, проводящую дорожку 8, обеспечивающую возврат к нулевому напряжению и изготовленную предпочтительно из стали. Дорожки 8 предпочтительно являются симметричными и вертикальными, как показано на различных фигурах.
Корпус 9 рельса продолжается вверх сплошной головкой 14 рельса грибовидной формы. В представленном примере она имеет сечение в целом трапецеидальной формы, с двумя наклонными нижними гранями 15, расходящимися вверх, с двумя наклонными дорожками качения 16, соединенными в верхней части плоскостью 17, например, несколько выпуклой.
Таким образом, рельс может служить направляющим рельсом для ходовой части транспортного средства или рычагом токосъема (щеткодержателем), который, как показано на фиг.4 и 9, может нести два направляющих ролика, наклоненных в виде буквы V, которые катятся соответственно по двум наклонным дорожкам 16 головки 14 рельса 6.
Внизу корпуса 9 рельса 6 оканчивается предпочтительно расширяющимся основанием 19, образующим с каждой стороны продольный опорный бордюр 20, обеспечивающим его крепление на дне желоба 4.
Рельс 6 крепится на дне желоба 4, на траверсах 21, расположенных через регулярные интервалы, например, через каждые 0,80 м, посредством крепежных деталей 22, завинчивающихся в траверсы.
На уровне каждой из боковых граней 23 данных траверс 21 крепится клипсообразным зацеплением нижний край 24 бокового профиля 25.
Два боковых профиля 25 ограничивают сбоку устройство подачи электрического тока. Их наружные грани заключены в бетон. Данные боковые профили 25 могут быть изготовлены из пластмассы, например, из очень мало напряженного волокнистого пластика.
Как уже упоминалось, устройство подачи тока 2 согласно изобретению содержит, по крайней мере, один, но предпочтительно два линейных проводника 7, расположенных в желобе 4 по обе стороны рельса 6 и на определенном расстоянии от него.
Данные проводники 7 имеют предпочтительно симметричное трапецеидальное сечение и могут быть изготовлены из любого проводящего материала, например, нержавеющей стали, алюминия или меди.
В случае, когда они подключены к очень низкому напряжению (+60 вольт или -60 вольт), проводники 7 передают большую силу тока. Поэтому они должны иметь относительно большую площадь сечения. По соображениям веса и цены предпочтительным для изготовления данных проводников является использование алюминия.
Для создания хороших условий трения между накладками (щетками) устройства токосъема 3 и линейными проводниками 7 соответствующая поверхность проводников предпочтительно покрывается пластинкой трения 26, изготовленной из нержавеющей стали и имеющей небольшую толщину, например, порядка миллиметра. В представленном предпочтительном примере данная пластинка трения 26 наложена на нижнюю плоскую поверхность 27 каждого из проводников 7.
Как показано на фиг.8, линейный проводник 7 не обязательно является моноблочным. В случае, когда достаточно небольшой площади сечения, линейный проводник 7 может быть выполнен в виде линейного проводящего стержня 55, заключенного в изолирующую обойму 56, например трапецеидального сечения.
Изолирующая обойма 56 имеет в нижней части выемку 57, в которой устанавливается с натягом и удерживается линейный проводящий стержень 55. Нижняя плоская поверхность 58 линейного проводящего стержня 55 остается свободной и предпочтительно несколько заглублена внутрь изолирующей обоймы 56.
Линейные питающие проводники 7 удерживаются набором скоб-подвесок 28. Каждая из данных подвесок 28 предпочтительно имеет верхнюю стенку 29, продолжающуюся вниз по боковым сторонам двумя боковыми стенками 30, которые повторяют форму верхней части проводника 7 или соответствующей изолирующей обоймы 56.
По крайней мере, одна, а предпочтительно каждая из данных подвесок 28 может быть образована двумя клиновидными деталями 31, которые устанавливаются с обеих сторон проводника 7 и затем соединяются на уровне их верхней стенки 29 и смыкаются сдавливанием, так чтобы удерживать проводник 7 или его изолирующую обойму 56 за счет сжатия.
На подвеске 28 предпочтительно имеется также верхний выступ 32, направленный вверх; функция выступа будет описана ниже.
Подвески 28 устанавливаются через определенные интервалы. Они отстоят друг от друга, например, приблизительно через 800 м, но могут располагаться и через более короткие регулярные интервалы, в частности, на поворотах.
Как можно видеть на фиг.7 и 8, подвески 28 располагаются на опорном выступе 33 бокового профиля 25 и крепятся на нем, например, с помощью болтов 34, гайки которых заделаны в бетон.
Защитный профиль 35 крепится, по крайней мере, на одном, а предпочтительно на каждом боковом профиле 25. Такая сборка может быть выполнена на уровне верхнего края каждого бокового профиля 25, куда вставляется край защитного профиля 35, который предпочтительно крепится также с помощью болтов 34, гайки которых заделаны в бетон.
Данный защитный профиль 35 предпочтительно имеет общую форму опрокинутой буквы L и охватывает линейный проводник 7, расположенный ниже.
Его наличие предотвращает возможный доступ пользователей к линейному проводнику 7, находящемуся под напряжением, обеспечивая тем самым полную безопасность. Кроме того, он препятствует всякому нежелательному, случайному или по злому умыслу, попаданию предметов, инструментов, отходов и прочего в систему подачи тока, соответствующую изобретению. Он обеспечивает также защиту всего комплекса от непогоды.
Архитектура описанного комплекса реализуется таким образом, что каждый проводник 7 полностью закрыт защитным L-образным профилем 35, который делает его недоступным. Данная характеристика, которая может сочетаться также с использованием низкого напряжения, делает систему электропитания, соответствующую изобретению, полностью безопасной.
Верхняя плоскость 36 защитного профиля 35 предпочтительно имеет некоторый уклон наружу для стекания дождевой воды к соответствующему борту, образующему сточную канавку. Не показанный промежуточный разъем, установленный с каждой стороны в продольном желобке края 37 бокового профиля 25, обеспечивает разделение герметичности.
Преимуществом является то, что имеется некоторое пространство между рельсом 6 и защитным профилем 35, что позволяет отправлять на дно желоба 4 воду и посторонние предметы, например, отходы и прочие мелочи.
Во избежание всякого заклинивания пространство, которое в отсутствие траверсы 21 имеется между основанием 19 рельса 6 и нижним краем 24 бокового профиля 25, больше, чем пространство между рельсом 6 и защитным профилем 35.
Защитные профили 35 должны быть достаточно прочными, чтобы выдержать вес другого электрического транспортного средства на пересечениях и прохождение обычных автомобилей, пешеходов, вело- и мотоциклистов на уровне пересечений, а также на уровне смыкания с обычными дорожными путями.
Поскольку данные профили обладают определенной гибкостью, верхний выступ 32 на некоторых или на каждой подвеске 28, несущей проводник, образует упор для профиля, как это можно видеть на фиг.7; это обеспечивает восстановление усилий в случае существенных деформаций.
Описанная конструкция является сплошной. Что касается подвесок 28, они могут быть «точечными», т.е. в виде деталей, которые повторяются через определенные интервалы. Боковой профиль 25 также является сплошным, но крепится к вставкам, заделанным в бетон через определенные интервалы.
Далее детально описывается устройство токосъема, устанавливаемое на транспортном средстве и иллюстрируемое на фиг.9-11.
Отбор электроэнергии, необходимой для функционирования потребляющих контуров транспортного средства, осуществляется посредством, по крайней мере, одного, а предпочтительно двух подвижных блоков токосъема 38, например, симметричных, которые перемещаются в желобе 4 с обеих сторон рельса 6.
Основной частью каждого блока токосъема 38 является токосъемная колодка 39, показанная в перспективе на фиг.11 и 12. Две колодки 39 предпочтительно являются идентичными, только с обратным расположением.
В представленном предпочтительном варианте каждая колодка 39 имеет продолговатый корпус 40 и несет в центре горизонтальную накладку 41, предназначенную для скользящего контакта с нижней гранью 27 или 58 предпочтительно покрытой пластинкой трения 26, соответствующего питающего проводника 7.
Разумеется, данная контактная накладка 41 может быть установлена с упругим возвратом контакта с проводником 7, так чтобы обеспечить надежный электрический контакт при любых обстоятельствах.
Преимущество в работе дает тот факт, что контакт между накладкой 41 и питающим проводником 7 осуществляется под защитным профилем 35 в виде опрокинутой буквы L и окружен изгибом данного защитного профиля.
Каждая из токосъемных колодок 39 несет также на своей боковой стороне, направленной к рельсу 6, накладку нулевого напряжения 42, расположенную так, чтобы оставаться в электрическом контакте скольжения на соответствующей проводящей дорожке возврата к нулевому напряжению 8, которая имеется на рельсе 6. Данные накладки 42 могут быть также установлены с упругим возвратом контакта с соответствующей дорожкой 8.
Контактные накладки 41 и накладки нулевого напряжения 42 изготовлены из электропроводящего материала. Корпус 40 каждой токосъемной колодки 39, изготовленный из электроизолирующего материала, позволяет обеспечить электрическую изоляцию между двумя накладками.
Преимущество дает и то, что корпус 40 токосъемной колодки 39 может также содержать амортизаторы 43, например, образованные коробкой, окружающей каждую накладку и его пружину.
Каждая из накладок - токосъемная 41 и возврата к нулевому напряжению 42 - электрически связана с проводящей полосой питания, обеспечивающей электрическую связь с транспортным средством.
Защитный кожух 44, содержащий устройство быстрой связи с электрическими контактами, может удерживать каждую накладку в ее положении. Предпочтительно и с целью облегчить обслуживание накладки и их электрические соединения могут быть высвобождены, - в частности, с целью замены, - путем развинчивания единственного болта 45, который остается на кожухе 44.
Две токосъемные колодки 39 закреплены и механически объединены несущим блоком 46, предпочтительно установленным на направляющем рычаге транспортного средства с целью его динамической устойчивости.
Несущий блок 46, показанный на фиг.9, включает в себя два опорных рычага 47 в виде перевернутой буквы U, свободные концы которых 48, находящиеся внизу и предпочтительно изогнутые наружу, образуют пластины крепления 49, обеспечивающие фиксацию токосъемных колодок 39.
Два опорных U-образных рычага 47 образуют переднюю и заднюю части несущего блока 46. Они объединены двумя боковыми перемычками 50, предпочтительно горизонтальными, связывающими на каждой стороне соответствующие боковые ветви двух опорных U-образных рычагов.
Несущий блок 46 выполняет две функции. С одной стороны, он удерживает токосъемные блоки 38 внутри желоба, а с другой стороны, обеспечивает электрическую связь между данными токосъемными блоками 38 и потребляющими контурами транспортного средства.
Данная последняя функция предпочтительно реализуется посредством медных шин 51, вставленных в арматуру из композитного материала, образующего опорные рычаги 47 и обеспечивающего электрическую изоляцию шин.
Каждая из токосъемных колодок 39 крепится спереди и сзади на несущем блоке 46 посредством двух пластин крепления 49, каждая из которых связана со своим рычагом 47.
Одна из данных пластин крепления 49 электрически связана с токосъемной накладкой 41 и позволяет передавать ток потребляющим контурам транспортного средства, например, через боковую сторону соответствующего опорного рычага. Другая пластина 49 электрически связана с накладкой нулевого напряжения 42 и позволяет осуществить возврат к нулевому напряжению, например, через боковую ветвь соответствующего опорного рычага 47.
В рамках нормального функционирования транспортного средства в системе электропитания от земли согласно изобретению предусматривается, что токосъемные блоки 38 вставляются в желоб 4 в позицию токосъема в начале линии и извлекаются только в конце линии.
Однако по соображениям безопасности и скорости вмешательства и отключения предусмотрено, что система, соответствующая изобретению, позволяет отсоединять токосъемные блоки 38 и извлекать блок-носитель 46 на всей линии, например, в случае аварии, инцидента и иных проблем.
Преимуществом является то, что данное разделение на линии может осуществляться в случае серьезной аварии, угрожающей безопасности людей, без повреждения других элементов, имеющихся в желобе. Кроме того, оно обеспечивает отсутствие напряжения на элементах, внешних по отношению к желобу.
Для этого, как показано на фиг.9, несущий блок 46 является разъединяемым вдоль на уровне своих боковых перемычек 50. Он может быть также разделен на уровне верхней промежуточной детали 52 и, по крайней мере, одной, а предпочтительно двух нижних связующих деталей 53. Верхние промежуточные детали 52 предпочтительно продолжаются на каждой из своих боковых сторон нижними связующими деталями 53, оканчивающимися двумя пластинами крепления 49.
Предпочтительно две связующие детали 53 являются идентичными и образуют в целом U-образную форму. Они могут быть выполнены как одно целое с верхней промежуточной деталью 52 посредством шплинта или срезного болта 54, который оседает под верхней тяжестью до определенного предела.
Очевидным образом, изобретение не ограничивается предпочтительным способом реализации, описанным выше и проиллюстрированным на различных фигурах, и специалисты могут внести в него многочисленные модификации и представить другие варианты, не выходя за рамки изобретения.