Ббт Георгий
Высокочстотный втомобиль
Г. И. Ббт,
доктор технических нук,
лурет Стлинской премии
Высокочстотный втомобиль
ЗАМАНЧИВАЯ МЕЧТА
Еще н зре рдиотехники, в те годы, когд Алексндр Степнович Попов передл без проводов первые телегрфные сигнлы, возникл мысль о беспроволочном способе питния энергией электрического трнспорт. Электрики мечтли о том, чтобы нсытить прострнство под землей электромгнитной энергией, создть мощный луч, из которого специльными нтеннми можно было бы черпть электрическую энергию, нходясь длеко от ее источник. Однко мечт инженеров долгое время не нходил прктического осуществления.
Летом 1943 год мне впервые удлось привести в движение электрический втомобиль, передв ему энергию без проводов (бесконтктным способом). Это было сделно с помощью высокочстотного ток, то есть электрического ток, меняющего свое нпрвление много рз в секунду. Н втомобиле был устновлен приемник - виток провод, в котором индуцировлся (возникл) электрический ток, питвший втомобильный электромотор. Явление электромгнитной индукции известно уже двно, но для питния энергией трнспорт без проводов это явление было использовно впeрвыe. Новый вид трнспорт мы тк и нзвли высокочстотным трнспортом или сокрщенно ВЧТ.
В конце того же 1943 год н Московском стнкостроительном зводе имени Серго Орджоникидзе нчлсь постройк опытного учстк ВЧТ с подземной бесконтктной сетью, весной 1944 год многочисленные посетители уже ктлись н двухтонной грузовой тележке ВЧТ. Тележк ездил по сфльтировнной дорожке, под которой были зложены тонкие медные трубки, проводившие высокочстотный ток. Чстот соствлял 50 тысяч герц, то есть ток менял свое нпрвление 50 тысяч рз в секунду.
Дорог н зводе имени Орджоникидзе позволял передвть энергию н рсстояние всего 2-3 метров в стороны от линии злегния проводник высокочстотного ток, но было ясно, что ширин энергетической зоны может быть доведен до ширины городской улицы, если число проводников увеличить.
Мы уже рисовли себе грндиозные кртины применения ВЧТ в городх.
Автотрнспорт, здымляющий улицы, будет изгнн из городов - мечтли мы.
Сжигние ценного топлив в моторх и выбрсывние вредных гзов в воздух будут считться ткой же дикостью, кк освещение жилья лучиной. По городм пройдут высокочстотные мгистрли, по которым помчтся вечемобили. Н мгистрлях мшины будут двигться высокочстотной энергией и одновременно зряжть свои ккумуляторы, зтем, пользуясь энергией, нкопленной в ккумуляторх, мшины будут переезжть с одной мгистрли н другую.
Мы были убеждены в првоте своих взглядов. Ведь схем и конструкция ВЧТ нстолько просты, что дже ученик 8-го клсс Игорь Кулков сумел построить мленький вечемобиль, который резво бегл по высокочстотной дороге, проложенной н столх центрльной детской технической стнции.
ВОДА В РЕШЕТЕ
Однко было обстоятельство, весьм омрчившее нше торжество. Н первой высокочстотной дороге потери мощности были очень велики. Н кждом квдртном метре ее поверхности терялось более киловтт. Это ознчло, что если бы, нпример, ткую дорогу проложить в Москве по Сдовому кольцу, то н потери ушел бы чуть не миллион киловтт - большя чсть мощности московских электростнций. Првд, н дороге никогд бы не было снег. Он тял бы дже в смые лютые морозы, тк кк величин потерь - один киловтт н квдртный метр - примерно рвн тому количеству энергии, которое в ясные дни квдртный метр Земли получет от Солнц. Но рзве об отоплении дороги мы мечтли?
Мощность мотор тележки н первой дороге ВЧТ был менее 2 киловтт; для того, чтобы питть дорогу длиною в 50 метров и шириной в 1 метр, требовлсь мощность в 50 киловтт. Ужсные цифры! Меньше 4 процентов энергии рсходовлось с пользой, 96 процентов соствляли потери. Подвляющя чсть энергии рсходовлсь безвозвртно. Это было рвносильно отоплению печи сторублевыми бумжкми. Ткой трнспорт не мог иметь прктического применения.
Неужели нужно было сдвться? Многие вторитетные специлисты утверждли, что ндо поступить именно тк. "Попробуйте, - говорили они, носить воду в решете. Тким же дырявым сосудом для электромгнитной энергии является и вш высокочстотный трнспорт".
ЦЕПОЧКА ПОТЕРЬ
Но мы решили не сдвться и вместо кпитуляции объявили решительную борьбу потерям. Мы звели специльную ппку с ндписью "потери" и знялись изыскнием всех возможных мест "утечки" электроэнергии. Процесс обрзовния и передчи высокочстотной энергии был взят н смый строгий учет.
Много преврщений испытывет электроэнергия, прежде чем попдет к мотору тележки ВЧТ.
Переменный ток из силовой сети подется через трнсформтор к выпрямителю, который преврщет его в ток постоянный. Зтем генерторные лмпы рубят этот ток н отдельные порции - импульсы, рздробляя его н несколько десятков тысяч импульсов в секунду. Эти импульсы в специльном устройстве, состоящем из ктушек и конденсторов, преврщются в плвные высокочстотные колебния. Высокочстотный ток поступет в бесконтктную тяговую сеть, провод которой нсыщют окружющее прострнство высокочстотной энергией.
Чсть этой энергии воспринимется приемным витком тележки и передется н выпрямитель. От выпрямителя постоянный ток или пульсирующий ток одного нпрвления поступет в тяговый мотор.
Все учстки пути, проходимого током, предствляют собой кк бы звенья одной энергетической цепи. В кждом звене этой длинной цепи неизбежны потери. И от звен к звену потери нрщивются. Для кждого звен можно подсчитть коэффициент полезного действия (КПД), если перемножить все эти коэффициенты, то получится общий коэффициент полезного действия цепи, величин которого в первой устновке был микроскопически мл... 4 процент. Плчевный результт!
От чего же звисит величин КПД энергетической цепи? От чего же звисит мощность, которую может получить приемное устройство тележки? Электротехник говорит, что величин мощности, воспринимемой тележкой, рвн произведению числ перемен ток в одну секунду н величину отдельной порции энергии, отдвемой проводникми бесконтктной сети.
Чстот ток в обычной осветительной сети соствляет всего лишь 50 герц, и количество энергии, получемой тележкой, было бы очень мло; поэтому, чтобы устновк могл рботть, пришлось повысить чстоту в тысячу рз. Однко и при ткой высокой чстоте КПД был очень низок.
Итк, был объявлен решительня борьб потерям. Мы выяснили, что большя чсть потерь происходит в ншей подземной высокочстотной сети. Когд по подземным проводм течет быстропеременный ток, то в земле, вблизи провод, приходят в вихреобрзное движение электроны веществ, из которых состоит земля. Вихрь электронов нпоминет вихрь пыли, поднятой ветром. Но чтобы привести электроны в движение, зтрчивется энергия - т смя энергия, которя могл бы пойти н полезную рботу двигтеля. Чем больше чстот ток, тем больше вихревые потери. Вихревые потери пропорционльны квдрту чстоты, то-есть если чстоту увеличить в дв рз, то вихревые потери возрстут в четыре рз, если чстот возрстет в три рз, то они увеличтся в девять рз.
Но вихревые потери - не единственный вид потерь. Сеть излучет энергию, кк нтенн рдиопередтчик. Потери н излучение пропорционльны четвертой степени чстоты ток. Увеличить чстоту в дв рз - знчит повысить эти потери в 16 рз.
Тщтельное изучение потерь привело нс к выводу, что и очень низкя и очень высокя чстоты в рвной степени, неудобны для рботы бесконтктного трнспорт.
При очень низких чстотх полезня мощность ктстрофически мл. Мл он и при очень больших чaстoтх, где большую чсть мощности съедют потери.
ВОЙНА ПОТЕРЯМ
Громоздкие формулы мтемтических рсчетов не умещлись в одну строчку. К стрницм отчет приходилось подклеивть специльные бумжки; когд отчет листли, эти нклейки рзвевлись, кк флжки.
Теоретические подсчеты покзывли возможность знчительного уменьшения потерь. Ндо было подтвердить это н прктике. Мы перестроили подземную бесконтктную сеть, и потери в ней действительно упли в несколько рз. Н это ушло полгод рботы.
В сети возникли пробои, короткие змыкния. Еще несколько месяцев было потрчено, чтобы их устрнить. С новой схемой сети нчлись неполдки в генерторе: срывлись колебния основной чстоты и возникли колебния иной чстоты - прзитные, которые лишь мешли ншей рботе. Еще месяцы ушли н укрощение генертор. В конце концов удлось довести полезную отдчу до 15 процентов. Дв год ушло н то, чтобы выжть эту цифру, но для промышленной устновки и он все еще не годилсь.
Ппки со все той же крткой ндписью "Потери" уже зполняли длинную полку.
Здесь были ппки 1943, 1944, 1945 годов.
Что же, неужели не удстся никогд донести энергию в этом, кк говорили скептики, решете?
Кк-то в музее мне довелось видеть дргоценную игрушку - вырезнный из слоновой кости шр. Он был рзмером с кулк. В журной оболочке один внутри другого нходились еще десять резных шров, и в смом последнем из них помещлся корблик с рспущенными прусми, ткими тонкими, что они, кзлось, трепетли. Три поколения мстеров трудились в Древнем Ките нд этой дргоценной игрушкой.
Это был великолепный обрзец бесполезного труд. И невольно, когд я вновь и вновь обдумывл схемы конструкции ВЧТ и листл стрницы ппок "Потери", возникл мысль: не являются ли все нши вычисления китйской резьбой по кости?
Может быть, ВЧТ ткя же бесполезня для трнспорт игрушк, кк корблик с костяными прусми?
Н Стнкозводе в конце 1944 год рботы по ВЧТ были прекрщены. Пришлось зняться другими вопросми.
НОВОЕ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ
Но н кждую новую рботу я невольно смотрел с точки зрения возможности ее использовния для ВЧТ.
По-иному я взглянул н генертор высокочстотного ток. При постройке рдиопередтчиков в лмпх, которые "рубят" постоянный ток, преврщя его в высокочстотные импульсы, допускют до 30 процентов потерь энергии. С ткой плохой отдчей рботл и генертор для ВЧТ н стнкозводе.
Теперь было решено включить генерторные лмпы инче, чем это делли н протяжении тридцти лет рдисты.
Этот и еще несколько подобных простых приемов позволили уменьшить потери обычных генерторных лмп. Полезня мощность возросл примерно н 10 процентов, но это длеко не предел. В дльнейшем, когд будут построены специльные лмпы, эти потери, вероятно, будут снижться и дльше. Полезня отдч высокочстотных генерторов дойдет до 95 процентов, быть может, дже и еще выше.
Хотя и говорится, что воду в решете носить невозможно, но это тоже не всегд верно. Смжьте решето жиром и нлейте воду не слишком высоким слоем, и тогд нд жирными крями кждого отверстия вод обрзует сводики и проливться не будет. Никкого тут фокус нет. Это физическя зкономерность. А ведь многие зкономерности, с которыми стлкивются впервые, кжутся стрнными и необычными. Когд-то считлось, что из желез нельзя строить корбли, тк кк оно слишком тяжело. Довольно долго господствовло убеждение, что летть можно только н ппртх легче воздух. Быть может, и мнение, что электрическую энергию целесообрзно передвть лишь по проводм, ткже предрссудок?
ШАГ ВПЕРЕДИ
В конце 1947 год рботы по ВЧТ нчлись снов. Оборудовние для новых исследовний монтировлось под Москвой, в Нучно-исследовтельском втомобильно-моторном институте (НАМИ). Испытния были очень своеобрзны.
Если смолетостроители свою продукцию, продувют в эродинмических трубх, чтобы узнть подъемную силу и вредное сопротивление смолет, то мы рзличными способми пронизывли проезжие дороги, электромгнитными потокми, мерили потери и количество мощности, полученной приемником экипж.
Результты кждого опыт двли нм возможность построить н грфике тoчкy.
Условия опыт менялись, и, точк з точкой появлялись н бумге, обрзуя кривую. Мы меняли конструкцию сети, и н бумге появлялсь новя кривя.
Ндо было обследовть множество кривых, н кждой нйти вершину мксимум - и из всех вершин отыскть нивысшую, нйти мксимум из мксимумов, кк говорят мтемтики - "мксимум мксиморум".
Измерения покзывли нм, ккя чсть электромгнитной энергии поглощется в сети, ккя колеблется нд дорогой, пок ее не воспримет приемный виток вечебус или вечемобиля.
Срвнивя зпс электромгнитной энергии нд дорогой с потерей энергии, мы определяли электрическое кчество дороги. Снчл кчество ншей дороги не превышло нескольких десятков, но скоро оно достигло ст, потом увеличилось до нескольких сотен.
Н кждый квдртный метр опытной дороги НАМИ потери энергии не превышли 10 втт. Энергии терялось в сто рз меньше, чем н первой дороге Стнкозвод.
Это было большим шгом вперед и ознчло, что можно построить дорогу с eщe меньшими потерями.
Однко в кждом деле есть рзумный предел. Нельзя жечь сотенную бумжку, чтобы при свете ее плмени отыскивть зтерявшийся гривенник. Для уменьшения потерь в бесконтктной сети приходится усложнять конструкцию, увеличивть рсход проводниковых мтерилов в сети. Но больше чем 1/2 килогрмм метлл н кждый квдртный метр поверхности дороги зтрчивть уже невыгодно.
Дльше игр уже не стоит свеч. Хотя высокочстотня энергия и ценн. Но нельзя зтрчивть н ее передчу больше метлл, чем н постройку обычных линий постоянного ток или ток низкой чстоты: инче контктный трнспорт с точки зрения экономики будет выгоднее бесконтктного.
В конце концов мы рзрботли несколько вринтов конструкций сетей ВЧТ, пригодных для смых рзнообрзных условий и требовний.
Нм было известно, что быстропеременный ток имеет свойство проходить только по тонкому поверхностному слою проводник. Нпример, в меди при чстоте ток 25 тысяч герц ток течет лишь в слое толщиной 0,4 миллиметр, поэтому можно строить сеть из тонкостенных люминиевых или медных трубок, рзмещенных в сбоцементных трубх или в изоляционных кнлх. Но можно ткже проклдывть высокочстотные сети из гибких кбелей. Иногд выгодно проложить только дв относительно толстых проводник, иногд несколько десятков тонких проводников. И для кждого вринт есть свои кривые, свои нилучшие точки н кривых.
ФРОНТ НАСТУПЛЕНИЯ ШИРИТСЯ
Но ведь потери в бесконтктной сети - это лишь одно из отверстий в "решете", которым приходится носить энергию для ВЧТ.
Много внимния потребовл и см вечемобиль. Если его выполнить кк втомобиль обычный, то железня рм и железные чсти кузов будут ктивно поглощть энергию. Колес мшины, ее подвеск, мехнизм рулевого упрвления - все это при неудчной конструкции может стть источником потерь. Ндо было оценить величину, кждой из возможных потерь энергии и свести общие потери в мшине к минимуму.
Рзнообрзные остовы втомобилей появились н высокочстотной дороге. Вокруг них мы прилживли приемные витки смой рзличной конструкции, нстривли их и определяли потери. Зтем мы снимли приемный виток с мшины и подвешивли его высоко нд дорогой, определяя потери в том же приемном витке, но удленном от всего токопроводящего. Рзность между этими двумя измерениями покзывл потери, приносимые мшиной.
Трудно перечислить все отдельные изыскния, которые пришлось провести при совершенствовнии ВЧТ.
ВЧТ, можно было создть, лишь oпирaясь н всю технику, всю нуку Советского Союз. Постепенно следом з нми исследовниями по ВЧТ знялись не только в Москве, но и в других местх - в Киeвe, в Днепропетровске.
В лборториях электропромышленности создется специльный кбель для сетей ВЧТ и специльные кермические конденсторы. В исследовтельском институте промышленности средств связи для вечемобилей рзрботн совершенно новый тип высокочстотного выпрямителя.
Все эти улучшения и усовершенствовния позволяют снизить стоимость рсходуемой ВЧТ электроэнергии до величины того же порядк, что и у "привязнного" к проводм контктного электротрнспорт. А полные эксплотционные рсходы при ВЧТ во многих случях могут быть меньше, нежели у втомобильного трнспорт или у электрического контктного и ккумуляторного.
ПОБЕДА СОВЕТСКОЙ ТЕХНИКИ
В стрые времен одиночк-изобреттель мог создть нечто новое. Провую мшину изобрел и построил Ползунов. Н длеком руднике Черепнов изобрел и построил провоз. Изобреттель кпитн Можйский создл эроплн.
И Можйский, и Ползунов, и Черепнов опирлись н достижения своих предшественников, использовли все передовое, что было в современной им нуке и технике. Но в прошлые времен изобреттели трудились кк одиночки, кк кустри.
Прошли времен робинзонов. В советской технике и нуке нет необитемых островов. Любое изобретение или усовершенствовние - продукт коллективного, соглсовнного труд.
Высокочстотный трнспорт - это техник новой высокой культуры, и он вжн для многих отрслей социлистического хозяйств.
В угольных шхтх ВЧТ позволит дешевле, совершеннее, чем это делется в нстоящее время, мехнизировть отктку угля. Бесконтктня сеть может ндежно рботть во взрывоопсных шхтх, где пок неприменимо центрлизовнное энергопитние и приходится пользовться тяжелыми и громоздкими ккумуляторными электровозми.
Н фбрикх и зводх ВЧТ во многих случях зменит жесткие конвейеры.
Бесконтктня передч энeргии будeт вжным звеном в технологических процессх будущего.
Вeчемобиль - смый простой и смый ндежный трнспорт. Круглый год н трссе
НАМИ стоят высочстотные мшины. В любую погоду - в пургу, в жестокий мороз - достточно нжть кнопку "пуск" в теплом помещении высокочстотной стнции, послть энергию в высокочстотную сеть и вечемобили готовы к действию. Водитель сдится з руль, плвно нжимет регулятор, и вот снежня пыль летит из-под колес и мшин мчится по дороге.
И неужели мне когд-то могло придти в голову, что это лишь дорогя игрушк, корблик из слоновой кости!
Первые демонстрции н Стнкозводе тележки с бесконтктным электропитнием не создли еще высокочстотного трнспорт. Нельзя ткже скзть, что ВЧТ создн исключительно усилиями того коллектив, который рботл в НАМИ. Весь уровень советской нуки, советской техники позволил осуществить ВЧТ.
Зрубежные журнлы немло писли о рботх по ВЧТ, проведенных в Советском Союзе. В журнле "Роде энд Родс констркмен" укзывлось, что "высокочстотный трнспорт мог бы полностью изменить весь трнспортный плн Лондон". Но кпитлистическим стрнм не под силу перевести н центрлизовнное питние и коммунльный и индивидульный трнспорт.
Эт здч по-плечу лишь великому советскому нроду, смело осуществляющему любые технические здчи.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ТРАНСПОРТА
Трехфзный ток с чстотой 50 герц из силовой сети (1) через выключтель (2)
поступет в трнсформтор (3). Выпрямитель (4) преобрзует переменный ток высокого нпряжения в постоянный. Отрицтельный полюс выпрямленного ток зземлен и соединен с ктодми генерторных лмп (5). Положительный полюс через стопорный дроссель (6) подется к средней точке высокочстотного трнсформтор (7).Н схеме цифрой (8) обознчен здющий генертор, который упрвляет сеткми мощных генерторных лмп (5). Эти лмпы рубят постоянный ток от выпрямителя и нпрвляют его в высокочстотный трнсформтор (7). Д уменьшения потерь прллельно обмотке трнсформтор подключены конденсторы (9). Вторичня обмотк высокочстотного трнсформтор питет бесконтктную тяговую сеть (10). (11) - приемный контур н вечемобиле. С ним соединены конденсторы (12), служщие для компенсции рективного сопротивления. (13)
- регулятор скорости, (14) - реверсор для переключения мотор н передний или здний ход. (15) - выпрямитель. (16) - тяговый мотор. (17 ) пункт втомтического включения и выключения бесконтктной сети.
Передч энергии от бесконтктной сети к вечемобилю происходит тк же, кк и в простом трнсформторе; бесконтктня сеть является первичной обмоткой, приемный виток н экипже - вторичной. Но соотношения в этой системе передчи резко отличны от тех, к которым обычно привыкли электрики - сильноточники. Во всех без исключения обычных силовых трнсформторх, которые питют энергией зводы, дом, сумм токов во всех виткх первичной обмотки трнсформтор (в обмотке, подводящей энергию) рвн сумме всех токов в виткх вторичной обмотки, или же эти вторичные мпервитки несколько меньше первичных. Тковы же соотношения токов и в измерительных трнсформторх в трнсформторх ток и нпряжения.
А при ВЧТ мпервитки приемной обмотки н вечемобиле блгодря подключению к ней конденсторов в несколько рз больше, нежели мпервитки первичной цепи, то-есть бесконтктной сети.
В обычных трнсформторх нпряжения обмоток относятся, кк числ из витков, в ВЧТ это не тк. Бесконтктня сеть одновитковя, в приемном контуре может быть несколько витков. С точки зрения обычного трнсформтор нпряжение в приемном контуре должно было бы быть выше, нежели в бесконтктной сети. А в действительности в сети нпряжение несколько тысяч вольт, в приемном контуре нпряжение только сотни вольт. Это потому, что приемный контур охвтывет не весь мгнитный поток учстк бескотктной сети. Чтобы получить отношение нпряжений в ВЧТ, ндо помножить отношение витков еще н отношение их площдей. Хотя в сети и энергоприемнике витки относятся, кк в повышющем трнсформторе, рботет он, кк понижющий из-з большой рзницы площдей.