Устройство для подавления радиопомех при работе электротранспорта

Полезная модель относится к электротехнике, к электромагнитной аппаратуре, а именно к устройствам, используемым в качестве реакторов помехоподавления для электрического транспорта. Устройство для подавления радиопомех при работе электротранспорта содержит тороидальной формы обмотку токопровода и крепежную арматуру. Обмотка токопровода представляет собой концентрически и плотно уложенные провода с образованием отверстия в центре обмотки. Отличия устройства - поверх токопровода расположены и разнесены на расстояние друг от друга вдоль токопровода участки магнитопровода и последние образованы витками из магнитомягкого материала, намотанными в направлении, перпендикулярном сечению токопровода. Технический результат заключается в увеличении индуктивности устройства при снижении веса, габаритов и себестоимости устройства. 3 зав. п. ф-лы, 4 пр, 11 илл.

Полезная модель относится к электротехнике, к электромагнитной аппаратуре, а именно к устройствам, используемым в качестве реакторов помехоподавления для электрического транспорта. Данная аппаратура является важной составной частью оборудования электротранспорта - троллейбуса, трамвая, электропоездов метро и наземных электропоездов.

Реакторы помехоподавления предназначены для сглаживания пульсаций электрического тока, возникающих при работе электрического оборудования или вследствие вибраций контактов токоприемников электрических транспортных средств с силовыми проводами (контактной сетью).

При работе названных выше мощных электротранспортных средств создаются электромагнитные помехи. Именно электрооборудование при работе в транспортных средствах создает широкий спектр помех, ухудшающих электромагнитную обстановку внешней окружающей среды города и мешающих системам связи радио- и телевизионного вещания. С другой стороны, при контакте токопроводов движущихся электротранспортных средств с контактной сетью возникают броски тока, также дающие широкий спектр радиопомех, нарушающих работу электрооборудования троллейбуса, в частности.

Еще одной важной причиной, обуславливающей необходимость помехоподавления, является возможность появления в контактной сети коротких импульсов напряжения, многократно превышающих по амплитуде номинальное напряжение контактной сети, а главное - запасы по электрической прочности изоляции в электротранспорте, что может привести к попаданию высокого напряжения на доступные для пассажиров и водителя металлические поверхности внутри электротранспорта. Это опасно для жизни и здоровья пассажиров в салоне и водителей (машинистов) электротранспорта.

Известны реакторы помехоподавления, которые представляют собой плоские катушки индуктивности из медного или алюминиевого провода. Катушки монтируют на основании и закрывают сверху крышкой [Учебник авторов: Корягина Е.Е., Коськин О.А., «Электрооборудование для трамваев и троллейбусов» - М.: Транспорт, 1982. - 296 с, глава 29 «Защита радиоприема от помех, вызываемых электрическим оборудованием подвижного состава», рис. 63 «Реактор помехоподавления» - Приложение 1]. По две-три катушки монтируют на основании. Сверху их закрывают крышкой. Реакторы устанавливают на изоляторах на постаменте впереди токоприемников. Катушки реакторов соединяют последовательно с токоприемниками и параллельно каждой катушке подключают подстроечные конденсаторы.

Известны также реакторы помехоподавления в различных модификациях конструкций, в том числе и реактивные катушки, и представлены в ряде патентных документов:

[Авт.св. СССР 30179 «Реактивная катушка»];

[Авт. св-во СССР 928430 «Реактивная катушка»];

[Авт. св. СССР 603003 «Реактивная катушка»];

[Патент США 3247476];

[Патент РФ на ПМ 68177 «Реакторы (варианты)»].

Недостатками данных конструкций являются большие вес и габариты за счет большой длины токопровода, необходимой для получения требуемого значения индуктивности.

Так аналог - изделие завода ЗАО «Динамо-Плюс» (Москва) марки ИК-22А весит 71 кг.

Наиболее близкий аналог описан в учебном пособии по специальности: водитель троллейбуса «Устройство троллейбуса» под ред. Зайцевой М.Ю., Штамлера А.И., - г. Новосибирск, стр. 79, рис. 19 «Радиореактор [Приложение 2] и полностью соответствует наиболее близкому практическому аналогу - конструкции реактора помехоподавления моделей ИК-20 и ИК-22, выпускаемых на предприятии ЗАО «Тролза» ¹ (¹ Завод производит троллейбусы с 1951 года, общий выпуск составил более 60 тысяч троллейбусов. Средний выпуск в год порядка 200-300 штук. Одна из моделей троллейбусов, выпускаемых ЗАО «Тролза» » (Саратовская область, г. Энгельс)- ЗпУ-682Г-016, является самой выпускаемой в мире, Троллейбусы этой марки разошлись по всему миру, став не только визитной карточкой предприятия, но и символом России как троллейбусной державы. За 2012 год произведено 314 троллейбусов. Часть продукции экспортировалась и экспортируется в самые разные страны. 2013 год планируется завершить объемом выпуска порядка четырехсот штук.) (сокращение от «Троллейбусный завод» или как называлось предприятие ранее «ЗиУ» - сокращение от «Завод им. М.С. Урицкого») [http://www.trolza.ru/]. Реакторы помехоподавления данных моделей отличаются друг от друга только параметрами.

Устройство представляет собой обмотку токопровода с образованием полости в центре, сформированную в тороид с (см. фото - фиг. 4). Фотоснимок сделан с конкретного изделия наиболее близкого аналога завода «Тролза». Свернутый токопровод плотно обмотан изоляционной лентой, стягивающей его витки. Концы провода выведены наружу. В качестве токопровода использован кабель (медный провод) сечением 50 или 70 мм ² в количестве 20 или 35 витков. Масса устройства ИК-20 равна 19 кг, ИК-22 -34 кг.

Размещается данный реактор на крыше троллейбусов для его эксплуатации в специальный короб, не являющийся частью реактора. Если требуется высокий уровень значений помехоподавления в мощном транспортном средстве, например, салоне троллейбуса сдвоенной конструкции с максимальным числом мест, одним реактором можно не обеспечить требуемые характеристики. В таких необходимых случаях устанавливают пару реакторов помехоподавления, конструктивно располагая их на крыше троллейбуса рядом или непосредственно друг над другом. Последнее - наиболее близкий аналог для одной из модификаций заявляемого устройства в виде блока из двух реакторов (фиг. 6).

Недостатки наиболее близкого аналога заключаются в достаточно больших массогабаритных параметрах реактора помехоподавления, монтаже рабочими без высокой степени повторяемости крепежа каждого из элементов в нужном месте, отсутствие унифицированного комплекта крепежной аппаратуры именно для реактора помехоподавления.

Задачей заявляемого решения является разработка конструкции с повышением индуктивности подавляемых помех при снижении веса, габаритных размеров и стоимости изделия.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в оригинальности введения магнитопровода, причем в устройстве для подавления радиопомех при работе электротранспорта.

Полученный эффект - увеличение индуктивности устройства достигается без увеличения веса конструкции при введении магнитопровода. Более того общий вес конструкции уменьшен в 2,5-5 раз в зависимости от модификации. Это достигнуто за счет сокращения длины токопровода, поскольку теперь в данной конструкции не требуется такая большая суммарная площадь витков токопровода. Данное техническое решение позволяет снизить расход токопровода по длине в несколько раз. Так, на одной из модификаций реактора количество витков уменьшается с 20 до 12, а на другой - с 35 до 15. Себестоимость материальных затрат и трудоемкость изготовления реактора значительно снижаются.

Полученный технический результат представлен в приведенной ниже таблице и свидетельствует о повышении индуктивности при снижении габаритов и массы.

Сущность заявляемой полезной модели заключается в том, что устройство для подавления радиопомех при работе электротранспорта, содержащее тороидальной формы обмотку токопровода из концентрически и плотно уложенных проводов с образованием отверстия в центре обмотки и крепежную арматуру, имеет расположенные поверх токопровода и разнесенные на расстояние друг от друга вдоль токопровода участки с намотанными в направлении, перпендикулярном сечению токопровода, витками из магнитомягкого материала, образующие магнитопровод.

Кроме того дополнительно заявляется устройство для подавления радиопомех при работе электротранспорта, которое имеет дополнительно второй, расположенный параллельно и над первым с образованием общего центра и отверстием в нем токопровод, при этом вдоль каждого токопровода выполнены участки из намотанных перпендикулярно сечению токопровода витков из магнитомягкого материала, разнесенные вдоль токопроводов, образующие магнитопроводы на каждой из обмоток.

Кроме того заявляется также устройство для подавления радиопомех при работе электротранспорта, имеющее число витков на каждом участке магнитопровода, равное 10 и число участков магнитопровода из электротехнической стали, равное 8.

Полезная модель поясняется с помощью Фиг. 1 - Фиг. 10:

Фиг. 1 - Общий вид заявляемого устройства;

Фиг. 2 - Общий вид заявляемого устройства с габаритными размерами;

Фиг. 3 - Общий вид заявляемого устройства из двух блоков;

Фиг. 4 - Фото реактора помехоподавления производства ЗАО «Тролза» - наиболее близкого аналога;

Фиг. 5 - Фото реактора помехоподавления производства ЗАО «Тролза» - наиболее близкого аналога непосредственно в эксплуатации;

Фиг. 6 - Фото реактора помехоподавления из двух блоков производства ЗАО «Тролза» - наиболее близкого аналога непосредственно в эксплуатации;

Фиг. 7 - Фото сравнения реактора помехоподавления производства ЗАО «Тролза» - наиболее близкого аналога и экспериментальных образцов заявляемого устройства, изготовленных Заявителем - НПФ «Этна»;

Фиг. 8 - Фото к примеру 1 экспериментального образца;

Фиг. 9 - Фото к примеру 2 экспериментального образца;

Фиг. 10 - Фото к примеру 3 экспериментального образца;

Фиг. 11 - Фото к примеру 4 экспериментального образца в виде блока из двух реакторов.

На Фиг. 1, Фиг. 3 позициями обозначены:

1 - токопровод;

2 - концы провода с портами Ввод/Вывод;

3 - изоляция токопровода;

4 - опоры вертикальные;

5 - фиксаторы крепежные;

6 - прокладка в местах контакта;

7 - секция магнитопровода;

8 - плита опорная;

9 - обозначенные места для монтажа;

10 - плита верхняя с отверстием;

11 - плита промежуточная;

12 - крестовина;

13 - опора центральная;

14 - опоры со стороны отверстия вдоль центральной оси;

15 - опоры горизонтально ориентированные;

16 - наконечник;

17 - цилиндрообразная часть наконечника;

18 - уплощенная часть наконечника;

19 - переходная часть наконечника.

Заявляемое устройство для подавления радиопомех при работе электротранспорта состоит из токопровода 1, имеющего тело тороидальной формы в виде кольца, с образованием сквозного отверстия в центре. Токопровод 1 выполнен в виде обмотки, состоящей из плотно, концентрически и многорядно уложенных витков изолированного провода (число витков может быть разным в зависимости от модификации от 12 до 15). Выводы токопровода 1 защищены от перетираний и атмосферных воздействий термоусадочными трубками и оформлены портами Ввод/Вывод 2. Вдоль токопровода 1, поверх него и его изоляции 3, расположены в виде ряда фрагментов участки магнитопровода 7. Каждый участок магнитопровода 7 состоит из витков полосы из магнитомягкого материала с магнитной проницаемостью µ>>1, например электротехнической стали. Количество витков магнитопровода 7 подбирается эмпирически на основе измерения относительного изменения индуктивности L/L, полученного при добавлении каждого нового витка, т.е. до отсутствия насыщения при полном рабочем токе. Участки магнитопровода 7 разнесены на расстояние друг от друга вдоль токопровода 1, помещены поверх обмотки токопровода 1 и выполнены в виде плотно прилегающих к токопроводу 1 поясов, которые охватывают собой его ряды в направлении, перпендикулярном токопроводу 1.Наиболее удобное из технологических соображений число участков магнитопровода 7 равно 8. Изоляционным материалом 3 - гибкой изоляционной хлопчатобумажной тканью покрывают сначала токопровод 1 поверх витков, а затем еще раз - после монтажа участков магнитопровода 7, и пропитывают электроизоляционным и влагозащитным лаком. Токопровод 1 в виде обмотки вместе с установленными поверх него участками магнитопровода 7 стягивается посредством крепежной арматуры. Крепежные элементы арматуры могут быть выполнены в разных модификациях. Так токопровод 1 закрепляется опорами-шпильками и фиксаторами 5 посредством опорной плиты 8 и расположенной сверху, поверх обмотки токопровода 1, либо верхней плиты 10 с отверстием в центральной части (см. далее пример 1), либо крестовины 12 (см. далее примеры 2 и 3). При изготовлении модификации с верхней плитой 10 (пример 1) последняя стягивается с опорной плитой 8 с помощью вертикально ориентированных опор 4 в виде шпилек с наружной стороны реактора (в примере 1 в количестве 4-х штук) и с внутренней стороны кольца - отверстия вдоль центральной оси опорами 14 в виде шпилек (также в этом же примере 1 в количестве 4-х штук). При изготовлении модификации с крестовиной 12 (пример 2) вертикально ориентированные опоры 4 расположены с наружной стороны реактора. В одной из модификаций могут быть выполнены в виде полос и заедино с горизонтально ориентированными опорами 15 в виде полос (пример 3). В центре крестовины 12 расположена опора, в виде шпильки центральной 13. В местах контакта - в зонах изгиба и крепления расположены прокладки 6 из вибродемпфирующего материала, например, высокотемпературной резины.

Заявляемое устройство может быть представлено также в виде блока из двух реакторов, компактно собранного на единой основе (см. далее пример 4). Два токопровода 1 параллельно расположены друг над другом с возможностью обеспечения протекания тока в одном направлении. Токопроводы 1 также, как было описано ранее для главного случая, представляют собой тороидальной формы обмотки из концентрически и плотно уложенных проводов с образованием общего сквозного отверстия в центре обмоток. Токопроводы 1 также закрепляются опорами в виде шпилек 4 с наружной стороны реактора и с внутренней стороны кольца - отверстия вдоль центральной оси опорами в виде шпилек 14 посредством крепежных плит 8, 10, 11 и фиксаторов 5. На каждой из обмоток токопровода 1, поверх них, расположены магнитопроводы 7. Магнитопроводы 7 разделены на участки, образованные витками провода из магнитомягкого материала, намотанными перпендикулярно виткам каждой из обмоток токопровода и расположенными поверх них. Участки 7 каждого магнитопровода опоясывают каждый свой токопровод в направлении их поперечного сечения. В верхней плите 10, как правило, имеется вырез по центру, соответствующий отверстиям каждого из токопроводов 1. Промежуточная плита 11 расположена между первым и вторым токопроводами 1. В местах контакта плит с токопроводами 1 расположены прокладки 6. Вышеописанное для блока из двух реакторов иллюстрируется конкретным примером 4 (см. фиг. 3, фиг. 11 - фото).

В каждой из представленных выше модификаций порты Ввод/Вывод 2 выполнены в виде пар обращенных друг от друга наконечников 16. В разработанной авторами заявляемой полезной модели конструкция наконечников 16 сочетает цилиндрическую 17 форму для плотной насадки на провод и плавный переход 19 к плоской части 18, где фиксируется соединение с контактом на сеть. Наконечники 16 закрепляются на их плоских частях 18, которые укладываются друг на друга, образуя надежную площадку для двух, а не одного, фиксаторов 5. Это важно, поскольку при движении электротранспорта его детали и узлы испытывают вибрацию и разбалтываются, что недопустимо в данном случае.

При включении заявляемого устройства в схему электропитания транспортного средства, например троллейбуса, на клеммы реактора подается напряжение с номинальным значением 600 В. При наличии высокочастотных гармонических составляющих тока реактором осуществляется их подавление за счет создаваемого индуктивного сопротивления (сглаживание пульсаций тока, возникающих при коммутационных процессах в цепи питания транспортного средства). Причем, чем больше частота гармоники, тем создается большее индуктивное сопротивление. На постоянную составляющую гармоник создаваемое индуктивное сопротивление не оказывает влияния, т.к. устройство для подавления радиопомех при работе электротранспорта обладает малым активным сопротивлением.

С целью снижения потерь магнитного потока (возникновение магнитных полей рассеяния), уменьшающих индуктивность, а также для обеспечения оптимального режима работы реактора (его характеристики подавления) в конструкции используются секции магнитопровода, препятствующие сильному насыщению при больших нагрузках и соответствующему уменьшению индуктивности устройства.

Количество и форма магнитопроводов выбраны такими, чтобы обеспечить необходимое охлаждение реактора при допустимой величине индуктивности. В троллейбусах заявляемое устройство располагается на крыше вагона и работает в условиях естественного воздушного охлаждения.

Заявляемое устройство характеризуется высоким коэффициентом подавления в требуемом в соответствии с нормами по электромагнитной совместимости диапазоне частот, небольшими массогабаритными размерами, высокой надежностью, долговечностью, сроком службы.

При этом в предлагаемой конструкции:

- толщина магнитопроводов не лимитируется конструкцией самой обмотки токопровода - поверх токопровода можно намотать такое количество витков ленты из магнитомягкого материала, какое требуется для отсутствия насыщения при полном рабочем токе;

- количество магнитопроводов, установленных на обмотке токопровода также может быть достаточно большим - сколько уместится по азимуту обмотки, таким образом можно полностью замкнуть внутрь обмотки токопровода магнитное поле рассеяния и максимально увеличить индуктивность токопровода.

При проведении экспериментальных работ индуктивность токопровода по сравнению со случаем отсутствия магнитных экранов удавалось увеличить в 10 и более раз.

И наконец, такой подход к созданию магнитопроводов представляется наиболее простым и максимально технологичным.

В ряде случаев представляется более удобным выполнить токопровод не из алюминиевой или медной ленты (металлической ленты с малым удельным электрическим сопротивлением), а, например, из изолированного многожильного провода. Это позволяет существенно увеличить технологичность изготовления реакторов помехоподавления - устройств для сглаживания пульсаций при работе подвижного состава электротранспорта за счет следующих факторов:

не требуется принимать дополнительных мер для изоляции витков токопровода друг от друга;

не требуется осуществлять достаточно сложные (для сильноточных устройств) соединения токопровода с проводами для подсоединения к внешним устройствам, поскольку начало и конец изолированного многожильного провода выполняют эту функцию;

соответственно не требуется изолировать место соединения токопровода с вводом и выводом - в технологическом маршруте для катушек индуктивности, выполненных из высокотокопроводной неизолированный металлической ленты - это одна из наиболее сложных технологических операций.

При имеющей место в данном случае компактной концентрической многорядной и многослойной укладке провода отвод выделяющейся по закону Джоуля-Ленца тепловой энергии от внутренних слоев обмотки токопровода существенно усложнен, и допустимая плотность тока по проводнику изолированного провода должна быть существенно меньше.

Расчетно-экспериментальным путем удалось прийти к фактически эмпирическому соотношению площади сечения провода S [мм²] и максимальному значению силы электрического тока J [A], протекающего через обмотку токопровода в рабочем режиме: 3<J/S<5 (из расчета тепловых режимов).

Заявляемое устройство - вариант экономичный, технологично продуманный и повторяемый, с максимально сниженной массой входящих компонентов по металлу и другим материалам, из которых выполнена, в частности, обмотка токопровода. Значительное уменьшение массы и, следовательно, габаритов, в данном случае - неоспоримое преимущество изделия, особенно для городского общественного транспорта, который благодаря этому становится легче и тише при эксплуатации. Общая высота троллейбуса, вагонов в метро не будет повышаться из-за планируемого снижения высоты обмотки и уменьшения числа витков в ней.

Заявляемый в одной из модификаций блок из двух реакторов на одной основе, компактно собранный в единое целое, стал значительно меньше, ниже, легче, его можно монтировать компактнее - даже друг над другом с сохранением заранее строгой повторяемости монтажа, что, безусловно, положительно отразилось и на внешнем облике изделия.

Примеры 1-4.

Заявляемое устройство проходит испытания на одном из предприятий г. Саратова на выполнение требований надежности, срока службы, безотказности, в том числе на воздействие внешних механических факторов, включая вибрацию, стойкость к воздействию условий транспортирования и к воздействию климатических факторов. Испытания показали соответствие заданным параметрам. В устройстве для подавления радиопомех при работе электротранспорта используется тороидальной формы обмотка токопровода в виде кольца, поверх которого установлен магнитопровод, разбитый на участки, состоящие из витков магнитомягкого материала. В опорной плите имеются обозначенные места для монтажа изделия к транспортному средству, расположенные по периферии сторон опорной плиты.

Заявляемое устройство представлено в полном соответствии с описанием данной заявки на чертежах (фиг. 1-3) и фото (см. фиг. 8 - фиг. 11).

Примеры 1-3 отличаются друг от друга только составом крепежной арматуры.

В примере 1 (см. фиг. 8 - фото) крепежная арматура представляет собой крепежные плиты - опорную и верхнюю, стягивающиеся посредством соединительных вертикально ориентированных опор в виде шпилек с наружной стороны реактора в количестве 4-х штук, со стороны отверстия вдоль центральной оси также в количестве 4-х штук и фиксаторов. В местах контакта плит с токопроводом расположены прокладки из вибродемпфирующего материала.

В примере 2 (см. фиг. 9 - фото) крепежная арматура представляет собой крестовину в верхней части токопровода и опорную плиту в нижней его части, стягивающиеся посредством соединительных вертикально ориентированных опор в виде шпилек, центральной опоры в виде шпильки и фиксаторов. Крестовина представляет собой две пересекающиеся планки в верхней части токопровода. Вертикально ориентированные опоры в виде шпилек расположены с наружной стороны реактора. Центральная опора в виде шпильки находится в месте пересечения планок крестовины. В местах контакта планок крестовины и опорной плиты с токопроводом помещены прокладки из вибродемпфирующего материала.

В примере 3 (см. фиг. 10 - фото) крепежная арматура представляет собой крестовину в верхней части токопровода и опорную плиту в нижней его части, стягивающиеся посредством соединительных вертикально ориентированных опор, центральной опоры в виде шпильки, горизонтально ориентированных опор, находящихся непосредственно на опорной плите, и фиксаторов. Крестовина представляет собой две пересекающиеся планки в виде полос в верхней части токопровода. Центральная опора в виде шпильки находится в месте пересечения планок крестовины. Вертикально и горизонтально ориентированные опоры выполнены в виде полос. Последние отогнуты на опорную плиту. Вертикально и горизонтально ориентированные полосы опор и полосы крестовины выполнены заедино из цельного куска металла, плавно изогнутыми в месте соприкосновения с частями токопровода сверху и снизу: верхний обтекаемый изгиб полос - с верхней частью токопровода, нижний обтекаемый изгиб - с нижней частью токопровода и опорной плитой. На каждой из планок крестовины в местах их соприкосновения с верхней частью токопровода могут быть расположены протяженные изоляционные элементы из термоусадочной трубки соответствующих опорам размеров, надетые на них. Прокладки в местах контакта - в зонах изгиба и стяжки каждой из полос крестовины с опорной плитой расположены между последней и токопроводом.

Пример 4 (см. фиг. 4 и фиг. 11 - фото) относится к устройству в виде блока из двух токопроводов и полностью совпадает по конструкции с описанием в данной заявке в соответствующем данной модификации месте.

1. Устройство для подавления радиопомех при работе электротранспорта, содержащее тороидальной формы обмотку токопровода из концентрически и плотно уложенных проводов с образованием отверстия в центре обмотки и крепёжную арматуру, отличающееся тем, что оно имеет расположенные поверх токопровода и разнесённые на расстояние друг от друга вдоль токопровода участки с намотанными в направлении, перпендикулярном сечению токопровода, витками из магнитомягкого материала, образующие магнитопровод.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно имеет дополнительно второй расположенный параллельно и над первым с образованием общего центра и отверстием в нём токопровод, при этом вдоль каждого токопровода выполнены участки из намотанных перпендикулярно сечению токопровода витков из магнитомягкого материала, разнесённые вдоль токопроводов, образующие магнитопроводы на каждой из обмоток.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число участков магнитопровода из электротехнической стали равно 8.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число витков на каждом участке магнитопровода равно 10.