Исследование физических свойств разряда генератора Тесла для обеспечения бесконтактного токосъема в устройствах электрической тяги

ОБЩЕТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ

УДК 537.523.2

К. К. Ким, И. А. Нестерцов, И. Р. Крон, М. А. Никитин, Д. С. Фомин, И. А. Панченко

ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗРЯДА ГЕНЕРАТОРА ТЕСЛА ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕСКОНТАКТНОГО ТОКОСЪЕМА В УСТРОЙСТВАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ТЯГИ

Дата поступления: 11.12.2018 Решение о публикации: 26.12.2018

Аннотация

Цель: Исследование и анализ физических свойств разряда, получаемого с помощью генератора Тесла. Методы: Свойства разряда изучались на экспериментальной установке с использованием измерительного оборудования. Передача электрической энергии электроподвижному составу от контактной сети производилась через плазменный канал дугового разряда. Предложенный метод токосъема позволит сократить расходы на протяжку контактной сети, так как в отличие от классической системы «зиг-заг» контактный провод протягивается прямолинейно над путевым полотном. В процессе изучения выяснились факторы, влияющие на траекторию, форму и длину разряда. Результаты: Было определено, что разряд должен как можно меньше разветвляться на множество мелких стримеров. Практическая значимость: Это позволит снизить потери мощности и длину разряда, направив его на контактный провод и получить максимально возможный для данной конструкции коэффициент полезного действия.

Ключевые слова: Генератор Тесла, искровой разряд, пантограф, электроподвижной состав, стример.

Konstantin K. Kim, D. Eng. Sci., professor, head of a chair, kimkk@inbox.ru; Ivan A. Nestertsov, postgraduate student, ivan.nestertsov.94@mail.ru; *Igor R. Kron, student, mechenu@yandex.ru; Mihail A. Nikitin, student, Neomac47@yandex.ru; Dmitriy S. Fomin, student, ddmitryfomin@ gmail.com; Ivan A. Panchenko, student, panchenko_1995@list.ru (Emperor Alexander I Petersburg State Transport University). THE STUDY OF PHYSICAL PROPERTIES OF TESLA GENERATOR DISCHARGE FOR THE PURPOSE OF NONCONTACT CURRENT COLLECTION IN ELECTRIC TRACTION DEVICES

Summary

Objective: To study physical properties of a discharge, obtained by means of Tesla generator. Methods: To determine the possibility and assess the efficiency of electric power transmission from

catenary to an electric stock via an arc-discharge plasma channel. The introduced method of current collection will make it possible to reduce the expenses on catenary conveyance. This is explained by the fact that, in contrast to classical "zig-zag" system, overhead wire is conveyed directly above the track. Results: On-site tests were carried out with the use of measuring equipment. Factors that influence the discharge path, shape and length were detected. It was determined that a discharge is to branch into tiny streamers as little as possible. Practical importance: The above-mentioned will minimize discharge power losses and to get maximum possible efficiency output for the given construction.

Keywords: Tesla generator, spark discharge, pantograph, electric stock, streamer.

Введение

В настоящее время очень остро стоит проблема токосъема на электрическом подвижном составе (ЭПС). Используемая система токосъема обладает существенными недостатками:

1) повышенное трение вследствие давления контактной вставки токоприемника на контактный провод и как результат износ контактной вставки токоприемника и контактного провода, малая долговечность контактируемых поверхностей;

2) повреждение электрооборудования электровоза (электропоезда) из-за коммутационных перенапряжений, связанных с периодическим отрывом контактной вставки токоприемника от провода;

3) необходимость обслуживания самого токоприемника (шарнирные узлы, пружины, лыжа), нуждающегося в периодической смазке и замене изношенных деталей;

4) повышенный расход меди контактного провода, обусловленный необходимостью использовать схему «зиг-заг» для обеспечения равномерного износа контактной вставки токоприемника.

Для устранения данных недостатков был разработан альтернативный метод токосъема, основанный на беспроводной передаче электроэнергии из контактного провода на ЭПС. Его особенность заключается в следующем: между контактной вставкой токоприемника и контактным проводом есть воздушный зазор, т. е. между ними нет механического контакта. На крышевой части ЭПС, вблизи контактной вставки (напротив контактного провода) установлен генератор высоковольтных разрядов высокой частоты на базе генератора Тесла. Он создает разряд в зазоре между контактным проводом и контактной вставкой токоприемника [1]. Канал этого разряда представляет собой проводящую перемычку, по которой протекает силовой ток тяги или рекуперации.

Как можно видеть, отсутствие механического контакта между контактной вставкой и контактным проводом позволяет устранить все вышеперечисленные недостатки, свойственные традиционному скользящему токосъему.

Следует также отметить, что при реализации предлагаемого метода предполагается расположить контактный провод по прямой, что значительно уменьшает его общую длину, а, следовательно, стоимость контактной сети.

Данный метод приводит к унификации консолей контактной сети и упрощению ее монтажа.

Основные задачи исследования

Основными задачами научного исследования по данной теме являются:

1) постановка эксперимента на опытной установке, позволяющей обеспечить беспроводную передачу электроэнергии;

2) обработка данных, полученных в результате измерений в ходе эксперимента;

3) сравнительный анализ энергоэффективности существующих методов токосъема и предлагаемого;

4) экономическое обоснование нового способа передачи электроэнергии;

5) определение проводимости канала разряда при помощи экспериментальной установки.

Техническое описание установки

В данном эксперименте искровой разряд создавался генератором Тесла, который представляет собой статический полупроводниковый электрический преобразователь энергии переменного тока промышленной частоты величиной 50 Гц в энергию переменного тока высокой частоты 250 кГц и потенциала [2, 3]. На выходном терминале генератора при максимальной выходной мощности создавалось напряжение 220 кВ из расчета, что пробивная напряженность воздуха в резко неоднородном поле составляет 10 кВ/см. Условия эксперимента: нормальные (температура окружающей среды 20 °С, давление 766 мм рт. ст.). На рис. 1 приведен общий вид генератора.

Генератор собран на базе полумостового преобразователя, схема которого представлена на рис. 2. Генератор состоит из ряда модулей:

- силовой модуль выпрямителя, собранный на диодном мосте и силовых электролитических конденсаторах, служит для питания силовой части преобразователя;

- силовой транзисторный модуль из двух IGBT транзисторов фирмы ON Semiconductor и двух пленочных конденсаторов, служит для питания первичной обмотки трансформатора Тесла. Число витков первичной обмотки - 5;

- модуль управления, предназначен для формирования импульсов отпирания и запирания затворов силовых транзисторов;

- модуль развязки сигналов в виде трехобмоточного трансформатора, служащего для передачи управляющего сигнала от модуля управления к силовому транзисторному модулю, также обеспечивающего гальваническую развязку между силовым модулем и модулем управления;

- модуль обратной связи - это трансформатор тока с коэффициентом трансформации 1/20 и диодами Шоттки, предназначен для осуществления положительной обратной связи и задания режима работы генератора;

- модуль питания платы управления, содержащий понижающий трансформатор с диодным мостом и сглаживающие конденсаторы в выходной цепи;

- модуль защиты от пониженного напряжения питания платы управления, служит для экстренного снятия питания с модуля управления при достижении порогового значения напряжения ниже установленного уровня;

- модуль управления выходной мощностью генератора в виде импульсного регулятора, использующего широтно-импульсное и частотно-импульсное регулирование выходной мощности.

Мощность искровых разрядов снимается с вторичной обмотки генератора, имеющей 1200 витков.

Работает генератор следующим образом. При подаче напряжения питания оба транзистора остаются закрытыми до тех пор, пока импульсы управления не начнут поступать с модуля управления на затворы транзисторов.

Рис. 1. Общий вид генератора

Рис. 2. Схема полумостового генератора Тесла

чо

При этом также обязательно наличие импульсов с модуля управления выходной мощностью. Как только появляется ток во вторичной обмотке, возникает сигнал обратной связи, подающийся в модуль управления, который выдает сигнал на развязывающий трансформатор, отправляющий импульс отпирания на затвор верхнего транзистора. Транзистор открывается, и ток протекает по пути «источник питания-силовой транзистор-первичная обмотка-конденсатор-источник питания». При этом во вторичной обмотке наводится напряжение, пропорциональное числу ее витков и напряжению на первичной обмотке, и протекает ток, имеющий уже другое направление. Трансформатор тока регистрирует смену направления тока и процесс повторяется, но теперь открывается уже нижний транзистор. Рабочая (несущая) частота генератора определяется параметрами вторичной обмотки - ее индуктивностью и емкостью. Индуктивность Ь обмотки находится по следующей формуле:

Ь =цц0 N V,

где ц - магнитная проницаемость среды, в условиях эксперимента равная 1;

_7

ц0 - магнитная постоянная 4п-10 Гн/м; N - число витков обмотки; V -объем обмотки.

Емкость С вторичной обмотки зависит от расстояния между витками, диэлектрической проницаемости среды [1]. Активное сопротивление Я зависит от удельного сопротивления провода, длины намотки и сечения проволоки и рассчитывается по формуле

я,

в которой р - удельное сопротивление проводника обмотки, Ом-м; I - длина намотки, м; 5 - площадь поперечного сечения проводника, которым намотана обмотка, м 2.

Параметры обмотки необходимо знать, чтобы вычислить ее добротность; чем выше добротность катушки, тем меньше в ней потерь и тем больше энергии уходит в разряд. Добротность в первом приближении вычислялась таким образом [2]:

°=т ё,

здесь Я - активное сопротивление обмотки, Ом; Ь - индуктивность обмотки, Гн; С - межвитковая емкость обмотки, Ф.

В результате расчета получаем, что

0 = - Ч ^ = 428,174 95 \6• 10_12

Схема замещения однослойной обмотки представлена на рис. 3 [4].

К к к

Рис. 3. Схема замещения однослойной обмотки

В условиях эксперимента на верхней точке обмотки закреплен тороид, служащий для понижения резонансной частоты катушки. Собственная резонансная частота вторичной обмотки может быть определена по классической формуле Томпсона

f = 1

^ рез

2кл[ЬС

Геометрия и размеры вторичной обмотки подобраны таким образом, чтобы резонансная частота ее была приблизительно равна 250 кГц, это соответствует оптимальному режиму работы силовой части преобразователя, без ее существенного нагрева длительное время. Немаловажным параметром эффективности работы преобразователя является коэффициент связи первичной и вторичной обмоток. В данной установке он равен Ксв = 0,3, что достаточно для образования устойчивого стримерного разряда.

Описание проведения эксперимента

Главной задачей исследования является определение проводимости при помощи экспериментальной установки, общий вид которой представлен на рис. 4.

Установка состоит из генератора Тесла, на выходном терминале которого размещена изолирующая пластиковая вставка, помещенная внутрь проводящего металлического цилиндра. При генерации разрядов устанавливается их приблизительная траектория, на которую главным образом влияет металлический цилиндр. В процессе экспериментов выяснилось, что цилиндр способствует слиянию стримеров в один жгут. Такой стример способен создать устойчивый разряд между контактным проводом и токовой вставкой пантографа. На рис. 5 представлена фотография стримера внутри изолирующей вставки, помещенной в металлический цилиндр (вид сверху).

Рис. 4. Общий вид экспериментальной установки

; * - .

'' / *1 Л V »

1- ч

00:03 М #  * =С- га

Рис. 5. Фотография стримерного разряда внутри изолирующей вставки

с металлическим цилиндром

Результаты эксперимента

Как показали исследования, генератор Тесла вырабатывает электрические разряды высокой частоты, форма, толщина и длина которых сильно зависят от многих факторов. На длину разряда кардинальным образом влияет выходное напряжение вторичной обмотки, оно, в свою очередь, обусловлено числом ее витков и мощностью преобразователя, питающего первичную обмотку. Толщина каналов разрядов связана с частотой тока в нем [5-8]. Чем частота выше, тем каналы разрядов больше «слипаются» в единый жгут, и тем длиннее он становится. Чем меньше разветвлений разряда и больше площадь поперечного сечения жгута разряда, тем эффективнее будет происходить передача энергии от контактного провода к контактной вставке токоприемника ЭПС. Вместе с тем, чем частота выше, тем больше динамических потерь при переключении силовых транзисторов и тем меньший ток они способны выдержать. А это влечет за собой снижение предельной мощности генератора. Существует несколько вариантов решения данной проблемы. Наиболее предпочтительным является установка параллельно каждому транзистору в полумосте еще одного такого же транзистора, что позволяет снизить токовую нагрузку на каждый из них.

В данном эксперименте геометрические размеры канала разряда были ориентировочно оценены методом сравнения и имеют следующие средние значения:

- длина разряда - около 220 мм;

- толщина разряда возле выходного терминала - около 4 мм.

Генератор Тесла создает стримерную форму разряда, которая при замыкании на контактный провод становится дуговой. При этом значение тока в разряде увеличивается примерно в 3 раза по отношению к току при стри-мерной форме разряда.

Измерение силы тока в разряде производилось с использованием трансформатора тока, установленного на нижний конец вторичной обмотки и осциллографа, по осциллограмме тока, полученной на экране осциллографа путем подключения измерительного щупа без внешнего делителя к нагрузочному резистору вторичной обмотки трансформатора тока. Амплитудное значение силы тока в разряде составило 100 • 10-3 А [9]. Зная примерный диаметр канала разряда, можно определить плотность тока по формуле

3 = I.

5

Она составит

3 = 100Ю1 = 25 А/м 2 0,004

Также учитываются токи смещения, возникающие на высокой частоте. Эти токи вызывают потери энергии вторичной обмотки.

Таким образом, зная значение тока в разряде, можно определить в первом приближении проводимость канала разряда по упрощенной формуле

Она равна

7 = 1

и

„ 100 -10"3 . , „_7

7 =-= 4 • 10 7 См

250 000

Рабочая температура канала разряда составляет около 900 К [3]. Значение напряженности электрического поля, при которой возникает разряд, Е = 4,7 кВ/см [3]. Это связано с тем, что выходной электрод имеет большую кривизну поверхности и для зажигания разряда требуется меньшая напряженность электрического поля, чем при однородном характере поля [10].

Заключение

Важным показателем условий эксплуатации генератора Тесла на ЭПС является влияние окружающей среды и внешних факторов. На ЭПС, движущегося с большой скоростью, действует набегающий поток воздуха, в результате чего возможно выдувание дуги из рабочей зоны и ее гашение. Для предотвращения гашения дуги рассматривается вариант применения ветрозащитных диэлектрических экранов в области горения разряда. Это повлечет за собой удорожание конструкции в целом, однако позволит повысить стабильность работы и надежность.

Статья опубликована при поддержке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» инициативных научных работ, выполняемых студенческими научными коллективами.

Библиографический список

1. Ерофеев А. В. Влияние магнитного поля на ионизующий разряд в воздухе / А. В. Ерофеев, Б. Г. Жуков // Курс теоретической физики. - 2009. - Т. 35, вып. 3. - С. 82-87.

2. Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. Электрические цепи / Л. А. Бессонов. - 9-е изд., перераб. и доп. - М. : Высшая школа, 1996. - 638 с.

3. Богатенков И. М. Техника высоких напряжений / И. М. Богатенков, В. Е. Иманов. -СПб. : ПЭИПК, 1998. - 700 с.

4. Ким К. К. Электрические ускорительные системы объектов / К. К. Ким, И. М. Карпова. - СПб. : ОМ-Пресс, 2017. - 111 с.

5. Ким К. К. Транспортная система с кондукционным подвесом при движении экипажа с малой скоростью / К. К. Ким // Электротехника. - 1998. - № 11. - С. 36-41.

6. Ким К. К. К вопросу применения твердых смазок в системах скользящего токосъема / К. К. Ким, В. А. Изотов, С. Л. Колесов // Электротехника. - 2001. - № 3. - С. 30-33.

7. Ким К. К. Новый тип пантографа с повышенным сроком службы / К. К. Ким, С. Л. Колесов // Железнодорожный транспорт. - 2002. - № 4. - С. 42-44.

8. Ким К. К. Аспекты МГД теории работы системы скользящего токосъема с контактными кольцами / К. К. Ким, С. Л. Колесов // Электричество. - 2002. - № 10. - С. 44-50.

9. Ким К. К. Исследование влияния дисульфида молибдена на трибохарактери-стики систем скользящего токосъема авиационных и космических электрических машин / К. К. Ким, С. Л. Колесов // Электромеханика. - 2003. - № 4. - С. 19-22.

10. Ким К. К. Модель взаимодействия токоприемника с контактным проводом / К. К. Ким, Ю. А. Антонов // Наука и техника транспорта. - 2008. - № 4. - С. 9-12.

References

1. Erofeyev A. V. & Zhukov B. G. Vliyaniye magnitnogo polya na ioniziruyushchiy raz-ryad v vozdukhe [Magnetic field influence on ionized discharge in the air]. Pisma v zhurnal teor. phyzike [Letters to the journal on theoretical physics], 2009, vol. 35, issue 3, pp. 82-87.

2. Bessonov L.A. Teoreticheskiye osnovy elektrotekhniky. Elektricheskiye tsepy [Theoretical framework of electrical engineering. Electric circuits]. 9-th ed., updated and revised. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1996, 638 p.

3. Bogatenkov I. M. & Imanov V. E. Tekhnika vysokykh napryazheniy [High-voltage engineering]. Saint Petersburg, PEIPK

4. Kim K. K. & Karpova I. M. Elektricheskiye uskoritelniye sistemy obyektov [Electric ac-celerative object systems]. Saint Petersburg, OOO "OM-Press" Publ., 2017, 111 p.

5. Kim K. K. Transportnaya sistema s konduktsionnym podvesom pry dvizhenii ekipazha s maloy skorostyu [Transportation system with conductive suspension for slow-speed vehicles]. Elektrotekhnika [Electrical engineering], 1998, no.11, pp. 36-41.

6. Kim K. K., Izotov V. A. & Kolesov S. L. K voprosu primeneniya tverdykh smazok v siste-makh skolzyashchego tokosyema [On the issue of using grease lubrication in sliding current collection systems]. Elektrotekhnika [Electrical engineering], 2001, no. 3, pp. 30-33.

7. Kim. K. K. & Kolesov S. L. Noviy tip pantografa s povyshennym srokom sluzhby [A new type of current collector with extended service life]. Zheleznodorozhniy transport [Railroadtransport]], 2002, no. 4, pp. 42-44.

8. Kim К. К. & Kolesov S. L. Aspekty MGD teorii raboty skolzyashchego tokosyema s kontaktnymy koltsamy [Aspects of MHD generator theory of sliding current collector system operation with contact rings]. Elektrichestvo [Electricity], 2002, no. 10, pp. 44-50.

9. Kim К. K. & Kolesov S. L. Issledovaniye vliyaniya disulfide molibdena na tribokharakte-ristiky system skolzyashchego tokosyema aviatsioonykh i kosmicheskykh elektricheskykh mashyn [The study of molybdenum disulfide influence on tribological characteristics of sliding current collection systems for aviation and space electrical machines]. Elektromekhanika [Electromechanics], 2003, no. 4, pp. 19-22.

10. Kim К. K. & Antonov Y.A. Model vzaimodeistviya tokopriyemnika s kontaktnym pro-vodom [A current collecting device and contact wire interaction model]. Nauka i tekhnika transporta [Science and technology of transport], 2008, no. 4, pp. 9-12.

КИМ Константин Константинович - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, kimkk@inbox.ru; НЕСТЕРЦОВ Иван Александрович - аспирант, ivan.nestertsov.94@mail.ru; *КРОН Игорь Романович - студент, mechenu@yandex.ru; НИКИТИН Михаил Александрович -студент, Neomac47@yandex.ru; ФОМИН Дмитрий Сергеевич - студент, ddmitryfomin@gmail. com; ПАНЧЕНКО Иван Александрович - студент, panchenko_1995@list.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).