EA001441B1

EA001441B1 - Электрическая приводная система для транспортных средств

Info

Publication number: EA001441B1
Application number: EA199801053A
Authority: EA
Inventors: Матс Лейён; Андерс Бьёрклунд
Original assignee: Абб Аб
Priority date: 1996-05-29
Filing date: 1997-05-27
Publication date: 2001-04-23
Also published as: ZA974705B; AU731064B2; NZ333601A; DE69727669T2; WO1997045924A1; ZA974722B; CA2255770A1; BR9709399A; WO1997045919A3; DE69726139T2; US20020047438A1; US20010055217A1; CZ385798A3; BG102926A; TW516746U; ZA974708B; EE03361B1; US20020047413A1; IS1818B; EP0901701A1

Abstract

US-A 5036165DE-С 719009GB-A 702892DE-C 975999DE-C 134022GB-A 853021GB-A 937013В установке, предназначенной для приведения в действие тяговых двигателей, например железнодорожных локомотивов или моторных вагонов, которая может содержать одну или более электрических машин, снабженных изолированными проводниками, магнитная цепь в тяговом двигателе(двигателях) и/или, по меньшей мере, в одной из других электрических машин присоединена непосредственно к высокому питающему напряжению порядка 21-800 кВ, предпочтительно выше 36 кВ. Изоляция в каждом тяговом двигателе и других электрических машинах размещена в кабеле (6), образующем обмотку и содержащем один или более токонесущих проводников (31) с множеством жил (36), окруженных, по меньшей мере, двумя полупроводящими слоями (32, 34) и промежуточными изолирующими слоями (33). Тяговый двигатель(двигатели) может быть присоединен к распределительной сети, снабжающей энергией питающую линию железной дороги, без любой другой промежуточной электрической машины или через одну или более других электрических машин. Локомотив/моторный вагон может, таким образом, иметь только тяговый двигатель(двигатели) без любой другой электрической машины.

Description

Настоящее изобретение относится к электрическим машинам, предназначенным для подключения к распределительным или магистральным сетям, далее называемым электрическими сетями. Более конкретно, изобретение относится к установке для приведения в действие тяговых двигателей, например, железнодорожных локомотивов и моторных вагонов, в которых тяговый двигатель и/или другие электрические машины, включенные в установку, снабжены магнитной цепью, содержащей магнитный сердечник и, по меньшей мере, одну обмотку.

Вместе с этим изобретение относится, вопервых, к электрической приводной системе, описанной в п. 1 формулы изобретения, вовторых, к средству передачи электрической энергии, описанному в п.27 формулы изобретения, в-третьих, к способу передачи электрической энергии, описанному в п.32 формулы изобретения, в-четвертых, к электрической машине, описанной в п.33 формулы изобретения и впятых, к транспортному средству, описанному в п.39 формулы изобретения.

Известный уровень техники

Магнитная цепь в отдельном электрическом генераторе обычно содержит пластинчатый сердечник, например, из листовой стали, сварной конструкции. Чтобы обеспечить вентиляцию и охлаждение, сердечник часто разделяется на пакеты с радиальными и/или осевыми вентиляционными каналами. Для более больших машин пластины штампуются в виде сегментов, которые прикрепляются к станине машины, причем пластинчатый сердечник соединяется в одно целое с помощью сжимающих пальцев и уплотняющих колец. Обмотка магнитной цепи располагается в пазах сердечника, причем пазы обычно имеют поперечное сечение в виде прямоугольника или трапеции.

В многофазных электрических машинах обмотки выполняются как однослойные или двуслойные. При однослойных обмотках на паз приходится только одна боковая сторона катушки, в то время как при двуслойных обмотках на один паз приходятся две боковые стороны катушки. Под боковой стороной катушки понимается один или более проводников, объединенных вертикально или горизонтально и снабженных общей изоляцией катушки, т.е. изоляцией, способной выдержать расчетное напряжение генератора по отношению к земле.

Двуслойные обмотки обычно выполняют как равносекционные обмотки, в то время как однослойные обмотки в настоящем контексте могут быть равносекционными или плоскими обмотками. В равносекционных обмотках существует только одна ширина катушки (возможно, две), в то время как плоские обмотки выполняются как концентрические обмотки, т.е. с изменяющейся в широких пределах шириной катуш ки. Под шириной катушки понимается угловое расстояние между двумя боковыми сторонами одной и той же катушки.

Обычно все большие машины делаются с двуслойными обмотками и катушками одинакового размера. Каждая катушка помещается одной боковой стороной в один слой, а другой боковой стороной - в другой слой. Это означает, что все катушки пересекаются в торце катушки. Если число слоев больше двух, то эти пересечения усложняют обмоточные работы и торец катушки оказывается менее качественным.

По историческим причинам для работы на рельсовом транспорте был создан ряд систем энергоснабжения с различным напряжением и частотой. Когда определенная система установлена на какой-либо территории, переход на другую систему вызывает большие затраты и неудобство в работе. В принципе существует шесть стандартных решений для напряжений питания, три из которых относятся к системам постоянного напряжения и три - к системам переменного напряжения. Это означает, что многие электрические тяговые средства (локомотивы и моторные вагоны) и пассажирские вагоны должны быть рассчитаны более чем на одну систему питания. В настоящее время существуют локомотивы и вагоны для транспортного движения между различными странами, которые могут работать с четырьмя различными системами питания.

Электрическая энергия для рельсового транспорта может быть получена от обычной распределительной сети или генерироваться на электростанциях, расположенных вдоль железной дороги. Устройства будут различаться в зависимости от того, каким источником является источник питания - источником переменного тока или источником постоянного тока. В случае постоянного тока требуются выпрямительные станции для преобразования переменного напряжения, предоставляемого общественной распределительной сетью. Эти выпрямительные станции дают постоянное напряжение в определенных пунктах вдоль железной дороги. В случае переменного тока с промышленной частотой (50 или 60 Гц) необходимы только трансформаторы в определенных пунктах. Это простейшее и наименее дорогое решение и имеет самые низкие потери энергии. В случае электрификации на низкочастотном переменном токе (16 2/3 или 25 Гц), требуются конверторные станции, чтобы преобразовывать напряжение из промышленной частоты общественной распределительной сети, или специальные электростанции и специальные распределительные сети низкочастотного переменного тока.

Электрификация на постоянном токе была выбрана первоначально потому, что существовал подходящий и легко регулируемый двигатель, а именно двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением. Раньше трехфазное переменное напряжение преобразовывалось в напряжение постоянного тока с помощью вращающихся преобразователей или ртутных дуговых выпрямителей, но в настоящее время преобразование обычно выполняется с помощью 6- или 12-импульсных реле.

Система постоянного тока имеет то преимущество, что ток может быть непосредственно использован в двигателях постоянного тока. В транспортном средстве не требуется тяжелый трансформатор для понижения напряжения, как в случае переменного напряжения. Транспортные средства, питаемые постоянным напряжением, являются, следовательно, менее дорогими и более простыми в производстве. Низкое постоянное напряжение является преимуществом с точки зрения безопасности (например в подземных железных дорогах, где используются электрические шины, которые иногда могут быть открыты для доступа).

Недостаток при работе с напряжением постоянного тока состоит, главным образом, в низком напряжении, из-за чего ток и, следовательно, падение напряжения и потери, являются значительными. Это должно быть компенсировано большими площадями сечения проводников и близко расположенными выпрямительными станциями (обычно менее 10 км между станциями). В результате этого установки являются дорогими. Недостатки особенно ощутимы при больших мощностях, таких как на высокоскоростном транспорте. Выпрямительные станции большой мощности должны строиться близко друг к другу, а используются только в течение короткого времени, когда поезд проходит вблизи данной станции.

Прежде чем стало возможным использовать промышленную частоту (50 или 60 Гц) для тяговых двигателей, первые системы переменного напряжения использовали низкочастотное напряжение (16 2/3 или 25 Гц). Тяговый двигатель, использовавшийся в течение длительного времени в таких системах, был однофазным коллекторным двигателем с последовательным возбуждением, также известным как однофазный тяговый двигатель. Он работает почти как двигатель постоянного тока, за исключением того, что поле и ток ротора меняют направление каждую половину периода, т.к. он питается переменным током. Чтобы получить коммутацию, при которой работа происходит без повреждений от перенапряжений или электрической дуги, должна выбираться низкая частота и двигатели с низкой скоростью.

Главное преимущество систем переменного тока перед системами постоянного тока состоит в том, что переменное напряжение может быть трансформировано (несмотря на то, что постоянное напряжение в настоящее время тоже может быть трансформировано с помощью так называемых инверторов). Таким образом можно поддерживать относительно высокое напряже ние на проводнике воздушной линии по отношению к напряжению, при котором работает двигатель. Благодаря высокому напряжению в проводнике воздушной линии, ток становится меньше, тем самым улучшая возможности передачи энергии и снижая потери в сети. Энергоснабжающие станции могут быть расположены довольно далеко друг от друга (60 - 1 20 км). Недостаток, однако, состоит в том, что тяговые двигатели велики, а техника управления ими сложна.

Другим недостатком является необходимость в преобразователях частоты, где обычно используются двигатель-генераторы, т. е. обычно синхронный двигатель на 50 Гц, который вращает однофазный синхронный генератор на 1 6 2/3 Гц. Двигатель имеет в три раза больше полюсов, чем генератор. Вращающиеся преобразователи делаются на довольно низкое номинальное напряжение (6 кВ), чтобы избежать применения усиленной изоляции. Поэтому перед преобразователями требуются трансформаторы. Несколько преобразователей обычно работают параллельно в одной установке.

Вращающиеся преобразователи могут производить реактивную мощность, которая способна компенсировать потери реактивной мощности в сети воздушных линий и в транспортном средстве. Вращающийся преобразователь также обеспечивает электрическую развязку между общественной распределительной сетью и системой воздушных линий.

Основной недостаток вращающихся преобразователей состоит в том, что запуск больших синхронных машин требует затрат времени и вхождение в синхронизм усложнено. Требуется высокая мгновенная мощность. Машины должны, следовательно, работать в качестве резерва без нагрузки или с меньшей мощностью в течение длительных периодов. Другим недостатком являются потери энергии, которые частично вызваны вышеупомянутой работой без нагрузки.

В новых установках вращающиеся преобразователи заменены статическими преобразователями. Статические преобразователи недороги с точки зрения начальных затрат и расходов на эксплуатацию. Они также дают преимущества более быстрого запуска и меньших потерь энергии. Однако гармоники возрастают и на трехфазной, и на однофазной стороне. Далее, статические преобразователи неспособны генерировать реактивную мощность, чтобы компенсировать падение напряжения, вызываемое индуктивной нагрузкой.

Как ясно из вышесказанного, различные системы, используемые для электрифицированных железных дорог, относительно сложны и дороги.

Машины вышеупомянутого типа с обычной статорной обмоткой не могут быть подключены к высоковольтной сети, например, с на5 пряжением 145 кВ, без использования трансформатора для понижения напряжения. Использование двигателя, связанного с высоковольтной сетью через трансформатор, влечет за собой ряд недостатков, по сравнению с тем вариантом, когда двигатель присоединен непосредственно к высоковольтной сети. Следующие недостатки можно отметить среди прочих:

трансформатор дорог, возрастают транспортные расходы, а также требуется место;

трансформатор снижает коэффициент полезного действия системы;

трансформатор потребляет реактивную мощность;

обычный трансформатор содержит масло, и существует связанный с этим риск пожара;

работа может быть неустойчива, т. к. двигатель, подключенный через трансформатор, работает от менее мощной сети.

Сущность изобретения

Целью настоящего изобретения является создание приводной системы и компонентов для работы электрической железной дороги и подобных ей систем, которые решали бы некоторые из проблем, присущие известным системам в этой области.

Эта цель согласно изобретению достигается с помощью, во-первых, электрической приводной системы, описанной в п. 1 формулы изобретения, во-вторых, средства передачи электрической энергии, описанного в п.27 формулы изобретения, в-третьих, способа, описанного в п.32 формулы изобретения, в-четвертых, электрической машины, описанной в п.33 формулы изобретения, и в-пятых, транспортного средства, описанного в п.39 формулы изобретения.

Изобретение основывается на специальной технологии создания электрических машин, двигателей, генераторов, трансформаторов и т.д., при которой электрические обмотки изготавливаются специальным образом с сухой изоляцией. Это позволяет исключить трансформатор и/или создать трансформаторы без недостатков, присущих обычным трансформаторам, которые были упомянуты выше.

Приводная система может включать машины разных типов на нескольких этапах передачи мощности от распределительной сети к колесам транспортного средства. Она может также включать такие специальные машины только на некоторых этапах, в комбинации с обычными машинами.

Таким образом, машина такого типа, к которому относится изобретение, может быть предназначена либо для передачи энергии от распределительной сети к питающей линии, либо для передачи электрической энергии от питающей линии к осям колес. В первом случае машина может быть трансформатором или двигатель-генератором, работающим как преобразователь. В последнем случае машина может быть трансформатором или тяговым двигате лем, который не нуждается в трансформаторе. Альтернативой, очевидно, может быть комбинация машин.

Приводная система и компоненты, согласно изобретению, могут быть приспособлены к системе электрического питания различных железнодорожных систем и, при соответствующих модификациях, предназначены для железнодорожных систем с внешним источником питания или со своей собственной системой питания, для железных дорог с различными уровнями напряжения и различными частотами и для систем переменного и постоянного тока, так же как для синхронных и асинхронных двигателей.

Различные аспекты изобретения касаются системы в целом, распределительной системы и транспортного средства.

Ниже рассматривается ряд преимуществ, которые дает изобретение. Преимущества, относящиеся в основном к определенным предпочтительным вариантам осуществления изобретения, также подчеркиваются. Ряд дополнительных особенно предпочтительных вариантов осуществления изобретения также определен в зависимых пунктах формулы изобретения, причем пункты 2-16 относятся к предпочтительным вариантам выполнения фактически существующих машин.

В случаях, когда трансформатор оказывается необходимым, цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы трансформатор изготавливался с использованием кабеля того же типа и таким же образом, как и другие электрические машины, включенные в установку, например, в соответствии с заявкой на изобретение 8Е-А-9700335-4.

Преимущество, получаемое при достижении вышеуказанных целей, состоит в исключении промежуточного маслозаполненного трансформатора, реактанс которого, в противном случае, потреблял бы реактивную мощность. Также улучшается качество сети, т. к. существует вращающаяся компенсация. В установке, выполненной согласно изобретению, перегрузочная способность возрастает и может достигать +100%. Область управления больше, чем при существующей технологии.

Чтобы достигнуть этого, магнитная цепь и ее проводники, по меньшей мере, в одной из электрических машин, включенных в установку, выполняются многожильным кабелем с долговечной изоляцией и включенной в него землей. Термин установка здесь относится и к части электрической сети, обеспечивающей питающую линию железной дороги, и также к части локомотива или моторного вагона, которая получает напряжение от питающей линии.

Главное и существенное различие между известной технологией и вариантом выполнения установки согласно изобретению состоит в том, что магнитная цепь включена, по меньшей мере, в одну электрическую машину в электрической установке, которая может непосредственно соединяться через выключатели и разъединители с высоковольтным напряжением питания до 20800 кВ, предпочтительно, выше 36 кВ. Магнитная цепь содержит один или более пластинчатых сердечников с обмоткой, выполненной из многожильного кабеля с одним или более надежно изолированными проводниками с долговечной изоляцией, имеющими полупроводящий слой на проводнике и снаружи изоляции, причем внешний полупроводящий слой соединен с потенциалом земли.

Чтобы решить проблемы, возникающие при прямом соединении электрических машин, как вращающихся, так и статических, со всеми типами высоковольтных электрических сетей, по меньшей мере, одна машина в установке согласно изобретению обладает рядом признаков, как упомянуто выше, которые заметно отличаются от известной технологии. Дополнительные признаки и дальнейшие формы осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения и обсуждаются ниже.

Такие признаки, упомянутые выше, и другие существенные свойства установки и, по меньшей мере, одной из входящих в нее электрических машин, согласно изобретению, включают следующее:

- обмотка магнитной цепи выполнена из кабеля, имеющего один или более постоянно изолированных проводников с полупроводящим слоем на проводнике и на оболочке. Некоторыми типичными проводниками такого типа являются кабель с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями или кабель с изоляцией из этиленпропиленового каучука, которые для настоящего изобретения усовершенствованы в отношении жил в проводнике и свойств внешней оболочки;

- кабели с круглым поперечным сечением предпочтительны, но могут быть использованы кабели с каким-либо другим поперечным сечением, чтобы получить, например, лучшую плотность монтажа;

- такой кабель допускает, чтобы пластинчатый сердечник был сконструирован согласно изобретению новым и оптимальным образом, что касается пазов и зубцов;

- обмотка предпочтительно изготавливается со ступенчатой изоляцией для лучшего использования пластинчатого сердечника;

- обмотка предпочтительно изготавливается как многослойная концентрическая обмотка кабелем, что дает возможность уменьшить число пересечений торцов катушек;

- конструкция паза соответствует поперечному сечению обмоточного кабеля, так что пазы выполняются в форме ряда цилиндрических отверстий, проходящих в осевом и/или радиальном направлениях, одно отдельно от другого, и имеющих открытый узкий промежуток, проходящий между слоями статорной обмотки;

- конструкция пазов приспособлена к соответствующему поперечному сечению кабеля и к ступенчатой изоляции обмотки. Ступенчатая изоляция позволяет магнитному сердечнику иметь в основном постоянную ширину зубца, независимо от радиального положения;

- вышеупомянутое дальнейшее развитие в отношении жил кабеля заключается в том, что проводники обмотки состоят из ряда плотно сжатых слоев, т.е. изолированных жил, которые, с точки зрения электрической машины, не обязательно правильно чередовать (неизолированные и/или изолированные) друг с другом;

- вышеупомянутое дальнейшее развитие в отношении внешней оболочки заключается в том, что в подходящих точках вдоль длины проводника внешняя оболочка срезается, причем каждый частичный отрезок соединяется непосредственно с потенциалом земли.

Использование кабеля описанного выше типа позволяет всю длину внешней оболочки обмотки, а также другие части установки, поддерживать при потенциале земли. Важное преимущество состоит в том, что электрическое поле близко к нулю в области торца катушки снаружи от внешнего полупроводящего слоя. При потенциале земли на внешней оболочке электрическим полем не нужно управлять. Это значит, что никаких концентраций поля не произойдет ни в сердечнике, ни в областях торцов катушек, ни в области перехода между ними.

Перемешивание изолированных и/или неизолированных плотно сжатых жил кабеля, или транспонирование жилы, дает в результате низкие потери рассеяния.

Кабель для высокого напряжения, используемый в обмотке магнитной цепи, включает внутреннюю сердцевину/проводник с множеством жил, по меньшей мере, одним полупроводящим слоем, причем самый внутренний слой окружен изолирующим слоем, который, в свою очередь, окружен внешним полупроводящим слоем и имеет внешний диаметр порядка 10-250 мм и площадь проводника порядка 30-3000 мм².

Если, по меньшей мере, одна из машин в установке, согласно изобретению, выполнена указанным способом, пуск и управление двигателем (двигателями), используемым в локомотиве или моторном вагоне, могут осуществляться с помощью известных методов запуска, описанных в качестве примера в литературе, рассмотренной во вводной части.

Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения, по меньшей мере, два из указанных слоев, предпочтительно все три, имеют одинаковый коэффициент теплового расширения. Решающая выгода от этого состоит в том, что удается избежать дефектов, трещин и т.п. во время теплового движения в обмотке.

Другой аспект изобретения состоит в том, что система, описанная в ограничительной час ти п.27 формулы изобретения, обладает специальными признаками, определенными в отличительной части этого пункта.

Так как система изоляции, достаточно долговечная, выполнена таким образом, что с тепловой и электрической точки зрения она рассчитана на напряжения свыше 36 кВ, система может быть подключена к высоковольтным электрическим сетям без какого-либо промежуточного понижающего трансформатора, обеспечивая этим преимущества, указанные выше. Такая система предпочтительно, но не обязательно, выполняется таким образом, чтобы включать признаки, определенные для системы в любом из пунктов 1-27 формулы изобретения.

Вышеупомянутые и другие предпочтительные варианты осуществления изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

Изобретение будет описано более подробно в следующем подробном описании предпочтительного варианта конструкции магнитной цепи электрической машины в установке, со ссылкой на сопровождающие чертежи, где фиг. 1 схематически показывает осевой вид с торца на сектор статора электрической машины в установке согласно изобретению;

фиг. 2 показывает вид конца кабеля, используемого в обмотке статора согласно фиг. 1 , со ступенчатым разрезом;

фиг. 3 показывает базовую схему снабжения энергией тяговых двигателей, работающих на железной дороге, согласно известной технике;

фиг. 4 показывает базовую схему, соответствующую показанной на фиг. 3, при электроснабжении тяговых двигателей, работающих на железной дороге, согласно настоящему изобретению;

фиг. 5 показывает базовую схему альтернативного варианта снабжения электроэнергией тяговых двигателей, работающих на железной дороге, согласно настоящему изобретению.

Описание предпочтительного варианта выполнения изобретения

На схематическом осевом виде сектора статора 1 (фиг. 1), принадлежащего электрической машине вращающегося типа, включенной в установку согласно изобретению, показан также ротор 2 машины. Статор 1 образован обычным образом из пластинчатого сердечника. Фиг. 1 показывает сектор машины, соответствующий одному полюсному делению. От части 3 ярма сердечника, расположенной радиально снаружи, ряды зубцов 4 идут радиально по направлению к ротору 2 и разделены пазами 5, в которых расположена обмотка статора. Кабели 6, образующие эту статорную обмотку, являются высоковольтными кабелями, которые могут быть примерно того же типа, как те, которые используются для распределительных электри ческих сетей, т. е. кабели с изоляцией из полиэтилена с межмолекулярными связями. Одно отличие состоит в том, что внешняя, защищающая от механических повреждений оболочка и металлический экран, обычно окружающие такие кабели для распределительных электрических сетей, отсутствуют, так что кабель для данного применения содержит только проводник и, по меньшей мере, один полупроводящий слой с каждой стороны изолирующего слоя. Таким образом, полупроводящий слой, который чувствителен к механическим повреждениям, лежит на поверхности кабеля.

Кабели 6 на фиг. 1 показаны схематично, причем изображена только проводящая центральная часть каждой части кабеля или боковой стороны катушки. Как можно видеть, каждый паз 5 имеет переменное поперечное сечение с чередующимися широкими частями 7 и узкими частями 8. Широкие части 7 в основном круглые и окружают кабельную укладку, суженные части между ними образуют узкие части 8. Суженные части служат для фиксации радиального положения каждого кабеля. Поперечное сечение паза 5 также сужается по направлению радиально внутрь. Это происходит потому, что напряжение на частях кабеля тем ниже, чем ближе к внутренней в радиальном направлении части статора 1 они расположены. Следовательно, там могут быть использованы более тонкие кабели, в то время как более толстые кабели необходимы ближе к наружной стороне. В изображенном примере использованы кабели трех разных размеров, уложенные соответственно размерам в три секции 51, 52, 53 пазов 5.

Приведенное выше описание магнитной цепи вращающейся электрической машины, выполненной с использованием кабеля 6, также применимо к статическим электрическим машинам, таким как трансформаторы, обмотки электрических реакторов и т. п. Имеются следующие важные преимущества с точки зрения конструирования и производства:

- обмотки трансформатора могут конструироваться без учета распределения электрического поля, и проблематичная транспозиция частей, используемая в известной технике, не является необходимой;

- трансформаторный сердечник может конструироваться без учета распределения электрического поля;

- не требуется масла для электрической изоляции кабеля и обмотки, и вместо этого кабель и обмотка могут быть окружены воздухом (магнитная цепь может содержать воздух или другие изолирующие газы);

- не требуется специального высоковольтного ввода, как в случае маслозаполненных трансформаторов для электрической связи между внешними соединениями трансформатора и его катушками/обмотками и

- технология производства и испытания сухого трансформатора с магнитной цепью, описанной выше, значительно проще, чем для обычных трансформаторов/реакторов.

Фиг. 2 показывает вид конца высоковольтного кабеля со ступенчатым разрезом для использования в электрической машине, входящей в установку в соответствии с данным изобретением. Высоковольтный кабель 6 содержит один или более проводник 31, каждый из которых содержит множество жил 36, например, из меди, которые вместе образуют круглое поперечное сечение. Эти проводники 31 расположены в середине высоковольтного кабеля 6 и в показанном варианте осуществления изобретения окружены частичной изоляцией 35. Однако, возможно, чтобы на одном из проводников 31 частичная изоляция 35 отсутствовала. В настоящем варианте осуществления изобретения проводники 31 вместе окружены первым полупроводящим слоем 32. Вокруг этого первого полупроводящего слоя 32 находится изолирующий слой 33, например, изоляция из полиэтилена с межмолекулярными связями, который, в свою очередь, окружен вторым полупроводящим слоем 34. Таким образом, понятие высоковольтного кабеля в этом применении не требует включения металлического экрана или внешней оболочки, которые обычно окружают такой кабель для распределительных электрических сетей.

Использование электрических машин, снабженных магнитными цепями такого типа, как описанные выше, дает возможность значительно упростить электрическое питание тяговых двигателей, так же как сами тяговые двигатели, и сделать их более эффективными. В железнодорожных системах с переменным напряжением обычно используются напряжения питания 16 кВ с частотой 16 2/3 или 25 Гц, при частоте 50 Гц в питающей линии 104, из которой локомотив 110 через токоприемник 112 питает один или более тяговых двигателей 114, как показано на фиг. 3.

Для энергоснабжения питающей линии 1 04 эта известная питающая установка требует трансформатора 1 01 , чтобы понизить напряжение общей трехфазной распределительной сети 100, например, напряжение 130 или 220 кВ с частотой 50 или 60 Гц, до 16 или 25 кВ с частотой 50 или 60 Гц. Преобразователь 102 также требуется, чтобы преобразовать напряжение в однофазное и, в случае 1 6 кВ, с частотой 1 6 2/3 Гц, чтобы подать его на железнодорожную питающую линию 1 04.

Известные тяговые двигатели 114 переменного напряжения обычно приводятся в действие напряжением до 1 кВ, и локомотив 110 должен, следовательно, быть оборудован трансформатором и устройством для регулирования скорости, для чего в современных локомотивах используются тиристоры.

Трансформаторы 101 и 113, используемые в известной установке, являются маслозаполненными и имеют ряд механических и электрических недостатков, также с ними связаны экологические проблемы. Вращающиеся машины 1 02 и 114, используемые для преобразования и работы в известных установках, имеют различные недостатки, механические и электрические, с которыми можно справиться более или менее удовлетворительно до некоторых пределов.

Вышеупомянутых проблем можно избежать или во всяком случае минимизировать их, если выполнить магнитные цепи, по меньшей мере, в одной из таких машин, включенных в установку, в соответствии с настоящим изобретением.

Согласно одному варианту выполнения установки в соответствии с изобретением, напряжение для питающей линии 1 04 обеспечивается двигатель-генератором 105, приводимым в движение непосредственно от трехфазной распределительной сети 1 00 без промежуточного трансформатора. Двигатель-генератор 1 05 содержит трехфазный двигатель 1 06, подключенный непосредственно к распределительной сети 1 00, причем магнитная цепь двигателя выполнена, как описано выше со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 2. Вал 107 электрического трехфазного двигателя является общим с генератором 108, входящим в двигатель-генератор 1 05 и приводимым в движение трехфазным двигателем. Магнитная цепь генератора 108 выполнена таким же образом, как описано со ссылкой на фиг. 1 и фиг. 2 (но не обязательно должна иметь такую же конструкцию). Генератор 108 снабжает питающую линию 1 04 таким напряжением, которое используется на железной дороге.

Обычные локомотивы и моторные вагоны 110 могут получать питание от питающей линии 104, получающей энергию от генератора 108. Однако, значительные дополнительные преимущества получаются с использованием локомотивов или моторных вагонов, оборудованных одним или более тяговыми двигателями 115 (фиг. 4) с магнитными цепями, выполненными так, как описано со ссылками на фиг. 1 и 2. Такой тяговый двигатель 115 приводится в движение непосредственно от питающей линии 1 04 без какого-либо промежуточного трансформатора или тиристорного управления. Помимо уже упомянутых преимуществ, это также дает значительное преимущество в виде уменьшенного веса локомотива/моторного вагона и, следовательно, экономии для железнодорожной компании.

Другой вариант выполнения установки, показанный на фиг. 4, можно видеть на фиг. 5, где тот же самый двигатель-генератор 1 05 снабжает энергией железнодорожную питающую линию 104. Локомотив/моторный вагон

110, однако, здесь оборудован сухим трансформатором 116 такого типа, как описанный выше со ссылкой на фиг. 1, который питает обычный тяговый двигатель 114.

Хотя определенные значения напряжений приведены выше и на чертежах, их следует рассматривать только как примеры. Подобным же образом, различные комбинации электрических машин, спроектированных обычным образом, и электрических машин, снабженных магнитной цепью согласно изобретению, возможны в установке согласно настоящему изобретению. Изобретение не следует рассматривать как ограниченное описанными здесь установками, оно охватывает все возможные установки согласно формуле изобретения.

Claims

1. Электрическая приводная система для приведения в движение транспортных средств, например железнодорожных локомотивов и моторных вагонов, в которой электрическая энергия передается из распределительной сети через проводник воздушной линии и, по меньшей мере, один тяговый двигатель к механическим приводным валам транспортного средства, при этом система содержит, по меньшей мере, одну электрическую машину, расположенную между распределительной сетью и приводными валами, причем каждая электрическая машина имеет, по меньшей мере, одну обмотку и, по меньшей мере, одна из упомянутых машин имеет обмотку, содержащую систему изоляции, включающую, по меньшей мере, два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, и твердую изоляцию между ними.

2. Электрическая приводная система по п.1 , отличающаяся тем, что, по меньшей мере, один из упомянутых слоев имеет по существу такой же коэффициент теплового расширения, как и твердая изоляция.

3. Электрическая приводная система по п.1 , отличающаяся тем, что указанная, по меньшей мере, одна из машин содержит магнитную цепь с магнитным сердечником.

4. Электрическая приводная система по п.3, отличающаяся тем, что пути магнитного потока в сердечнике магнитной цепи упомянутой, по меньшей мере, одной машины (105, 116) в установке образованы листовыми пластинами, и/или начерно штампованным железом, и/или литым железом, и/или железом на основе порошка.

5. Электрическая приводная система по любому из пп. 1 -4, отличающаяся тем, что твердая изоляция размещена в кабеле (6), предназначенном для высокого напряжения и содержащем один или более токонесущих проводников (31), окруженных, по меньшей мере, двумя полупроводящими слоями (32, 34) с промежуточными изолирующими слоями (33) твердой изоляции.

6. Электрическая приводная система по п.5, отличающаяся тем, что самый внутренний полупроводящий слой (32) находится по существу под тем же самым потенциалом, что и проводник (проводники) (31).

7. Электрическая приводная система по п.5 или 6, отличающаяся тем, что один из внешних полупроводящих слоев (34) выполнен так, чтобы образовывать по существу эквипотенциальную поверхность, окружающую проводник (проводники) (31).

8. Электрическая приводная система по п.6, отличающаяся тем, что упомянутый внешний полупроводниковый слой (34) соединен с заданным потенциалом.

9. Электрическая приводная система по п.8, отличающаяся тем, что заданный потенциал является потенциалом земли.

1 0. Электрическая приводная система по любому из пп.5-7, отличающаяся тем, что токонесущий проводник содержит множество жил, только некоторые из которых не изолированы друг от друга.

11. Электрическая приводная система по любому из пп. 1 -1 0, отличающаяся тем, что обмотка выполнена из кабеля, содержащего один или более токонесущих проводников (2), каждый из которых содержит множество жил, при этом вокруг каждого проводника расположен внутренний полупроводящий слой (3), вокруг каждого внутреннего полупроводящего слоя (3) расположен изолирующий слой (4) из твердой изоляции и вокруг каждого изолирующего слоя расположен (4) внешний полупроводящий слой (5).

1 2. Электрическая приводная система по п.11, отличающаяся тем, что кабель также содержит металлический экран и оболочку.

1 3. Электрическая приводная система по любому из пп.3-12, отличающаяся тем, что магнитная цепь содержит воздух, окружающий обмотку, или другие изолирующие газы.

1 4. Электрическая приводная система по п.3, отличающаяся тем, что обмотка (обмотки) магнитной цепи, а также имеющие долговечную изоляцию соединительные проводники для тока высокого напряжения между блоками системы, выполнены с использованием кабеля (6) с твердой изоляцией, рассчитанного на высокое напряжение и содержащего, по меньшей мере, два полупроводящих слоя (32, 34), а также жилы (36), которые могут быть изолированными или неизолированными.

1 5. Электрическая приводная система по п.5 или 1 4, отличающаяся тем, что высоковольтные кабели (6) имеют площадь сечения проводников между 30 и 3000 мм² и внешний диаметр кабеля между 10 и 250 мм.

1 6. Электрическая приводная система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что внешний полупроводящий слой (34) соединен с потенциалом земли.

17. Электрическая приводная система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна из упомянутых машин расположена между распределительной сетью и питающей линией.

18. Электрическая приводная система по п.1 7, отличающаяся тем, что упомянутая машина является трансформатором для понижения напряжения от уровня напряжения распределительной сети до уровня напряжения проводника воздушной линии.

19. Электрическая приводная система по п.1 7, отличающаяся тем, что упомянутая машина является двигателем-генератором, в котором двигатель питается напряжением распределительной сети, а генератор выдает напряжение, соответствующее уровню напряжения питающей линии.

20. Электрическая приводная система по п.19, отличающаяся тем, что вал ротора двигателя соединен непосредственно с валом генератора.

21 . Электрическая приводная система по п.1 9 или 20, отличающаяся тем, что генератор является однофазным.

22. Электрическая приводная система по п.21 , отличающаяся тем, что ее частота является целой частью частоты сети, предпочтительно 16 2/3, 20 или 25 Гц.

23. Электрическая приводная система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна из упомянутых машин расположена на транспортном средстве.

24. Электрическая приводная система по п.23, отличающаяся тем, что указанная, по меньшей мере, одна машина, расположенная на транспортном средстве, является трансформатором для понижения напряжения проводника воздушной линии до напряжения тягового двигателя.

25. Электрическая приводная система по п.23, отличающаяся тем, что указанная, по меньшей мере, одна машина, расположенная на транспортном средстве, является, по меньшей мере, одним тяговым двигателем транспортного средства.

26. Электрическая приводная система по п.25, отличающаяся тем, что упомянутый, по меньшей мере, один тяговый двигатель питается непосредственно напряжением питающей линии без промежуточного включения другой электрической машины.

27. Средство передачи электрической энергии между распределительной сетью и проводником воздушной линии, предназначенным для работающих от электричества транспортных средств, содержащее электрическую машину, снабженную, по меньшей мере, одной обмоткой, причем обмотка содержит систему изоляции, содержащую, по меньшей мере, два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность, и твердую изоляцию между ними.

28. Средство по п.27, отличающееся тем, что указанная машина является трансформатором для понижения напряжения распределительной сети до напряжения проводника воздушной линии.

29. Средство по п.28, отличающееся тем, что машина является двигателем-генератором, в которой двигатель питается напряжением распределительной сети, а генератор выдает напряжение, соответствующее уровню напряжения проводника воздушной линии.

30. Средство по п.29, отличающееся тем, что двигатель-генератор имеет признаки, указанные для двигателя-генератора в любом из пп.21-23.

31. Средство по п.28 или 29, отличающееся тем, что машина имеет признаки, указанные для упомянутой, по меньшей мере, одной из машин в любом из пп.2-1 6.

32. Способ передачи электрической энергии от распределительной сети к проводнику воздушной линии, предназначенному для снабжаемых электрической энергией транспортных средств, согласно которому электрическая энергия передается средством, выполненным согласно любому из пп.28-32.

33. Электрическая машина в транспортном средстве, таком как железнодорожный локомотив или моторный вагон, в которую электрическая энергия поступает от проводника воздушной линии, причем упомянутая машина выполнена так, чтобы передавать электрическую энергию от проводника воздушной линии к приводным валам транспортного средства, и снабжена, по меньшей мере, одной обмоткой, причем обмотка содержит систему изоляции, включающую, по меньшей мере, два полупроводящих слоя, каждый из которых образует по существу эквипотенциальную поверхность и твердую изоляцию между ними.

34. Электрическая машина по п.33, отличающаяся тем, что она является трансформатором для понижения напряжения проводника воздушной линии до напряжения тягового двигателя транспортного средства.

35. Электрическая машина по п.34, отличающаяся тем, что трансформатор охлаждается при потенциале земли.

36. Электрическая машина по п.33 или 35, отличающаяся тем, что магнитная цепь трансформатора является магнитопроводом стержневого или броневого типа.

37. Электрическая машина по п.33, отличающаяся тем, что она является тяговым двигателем, подключенным к проводнику воздушной линии без промежуточного трансформатора.

38. Электрическая машина по любому из пп.33-37, отличающаяся тем, что она имеет признаки, указанные для упомянутой, по меньшей мере, одной машины в любом из пп.2-16.

39. Транспортное средство, снабжаемое электрической энергией, которое получает движущую энергию от проводника воздушной ли нии и снабжено, по меньшей мере, одной машиной по любому из пп.33-38.