Недавно тут была представлена статья, рассказывающая об электромобилях, разрабатываемых и производимых в СССР. Тема, безусловно, интересная, поскольку свидетельствует о высоком уровне понимания транспортных проблем в стране и о происходившем поиске лучшего их решения: даже при ничтожном, по сравнению с современностью, числе автотранспорта в то время, порождаемые им проблемы, в первую очередь экологические, заботили многих. (Хотя представить миллионы работающих в пробках ДВС и всю массу выбрасываемой ими в городскую атмосферу гадости тогда было сложно).
Но, помимо электромобилей, в СССР разрабатывалось и нечто более экзотическое. Просматривая (в который раз) старые журналы «Радио», в февральском выпуске за 1949 год (!!!) обнаружил статью об «высокочастотном транспорте» («ВЧ-мобилях»). Самое интересное, что что-то подобное читалось в детстве (1980 годах) то ли в «Юном Технике», то ли в какой-то научно-популярной книжке, в общем, не помню. Но то, что данная идея восходит к сороковым годам, я просто предположить не мог.
Не менее удивительной была и упомянутая в данной статье дата начала разработки этого самого высокочастотного транспорта: 1942 год. Вот это действительно что-то! В самом деле, разгар величайшей войны, враг рвется к Волге, и в это время в стране начинаются работы по созданию нового типа транспорта. Какие-никакие, но выделяются средства, оборудовапние, люди.
Возможно, это было связано с опасностью потери бакинских нефтепромыслов и стремлением создания «альтернативной» бензиновой модели транспорта. Сейчас подобная идея кажется очень странной, так как для «ВЧ-мобилей» требовалось сознание довольно дорогой инфраструктуры в виде сети станций и индукционных сетей. Но можно предположить, что в то время «ВЧ-мобили» могли оказаться дешевле, нежели иные пути, например создание искусственного бензина. Впрочем, может статься, что тогда считали допустимым рассматривать все вероятные пути, за исключением самых нелепых.
Но чем бы это ни было вызвано, а в 1940 годах высокочастотный транспорт не казался абсурдом, а напротив, рассматривался, как перспективное направление. И в любом случае, приведенная статья свидетельствует о высоком техническом развитии страны, которая находилась на уровне самых передовых разработок того времени. Отдельно радуют технические решения в данной статье, показывающие, что в условиях довольно высокой стоимости электроники возможно создание довольно сложных электронных систем. Впрочем, это особенность инжиниринга того времени, и не только советского, а скорее интернациональная особенность стремительно развивающегося мира.
В общем, статья позволяет в полной мере оценить дух времени, пресловутый Zeitgeist периода высшего взлета с нашей страны и человечества в целом. Поэтому я решил перепечатать ее целиком для лучшего понимания этой великой эпохи, для понимания мышления людей в этот период, когда в разрушенной войной стране не только шло успешное ее восстановление, но и развивались самые современные направления науки и техники. Причем не исчерпывающиеся пресловутой «оборонкой», а идущие по широкому фронту развития.
Высокочастотный транспорт.
Г.И.Бабат.
О чем мечтали.
История электрического транспорта начинается с 1837 года, когда русский академик Борис Семенович Якоби построил шлюпку с электромотором. В 1891 году в Киеве был пущен первый в России трамвай. А в марте 1899 года была открыта первая в Москве трамвайная линия; она соединяла Бутырскую заставу с Петровским парком. Электрический мотор имеет много ценных свойств.
Но он «привязан» к контактным проводам, по которым к ному подводится электроэнергия от центральной электростанции. Давней мечтой электриков было избавиться от этой стеснительной связи.
Свыше 50 лет тому назад великий русский ученый А. С. Попов впервые при помощи быстрых электромагнитных колебаний передал телеграфные сигналы на расстояние без проводов. И. в те же годы возникла идея использовать беспроволочную связь для передачи не только слабых сигналов, но и больших количеств электроэнергии, достаточных для питания осветительных ламп, моторов и других •потребителей. Среди специалистов все это время господствовало мнение, что беспроволочная передача электроэнергии неизбежно сопряжена с огромными потерями и что такую передачу можно применять лишь для связи, но никак не для получения движущей силы.
Только авторы фантастических романов описывали транспорт, получающий энергию «по радио». Время от времени проекты «радиобусов», «радиоавтомобилей» появлялись на страницах популярных журналов, но всерьез никто эти проекты не разрабатывал.
В поисках высокого КПД.
В 1942 году я впервые попытался технически оценить возможность «беспроволочной» передачи электроэнергии наземному транспорту. Такая передача должна работать с малыми потерями и, следовательно, передатчик должен «чувствовать» своего потребителя. Мощность, излучаемая радиовещательным передатчиком, совершенно не зависит от числа включенных и слушающих этот передатчик приемников. В данном же случае генератор передатчика должен нагружаться лишь тогда, когда машины на трассе потребляют энергию. Энергию следует направлять определенному «адресату» или «адресатам», а не распылять по всему пространству, как при радиовещании.
Мыслимы три способа бесконтактной передачи электроэнергии: электромагнитным лучом, электрической индукцией и магнитной индукцией.
Передача электромагнитным лучом имеет мало перспектив для наземного транспорта. В размытом луче велики потери энергии. Трудно заставить электромагнитный луч следовать за изгибами улиц и проездов. Велики трудности отбора энергии движущимся экипажем от луча. Необходимо нечто вроде приспособления для постоянной наводки приемной антенны на фокус (как должен наводиться объектив фотоаппарата на движущийся объект для получения четкого изображения на матовом стекле). При передаче энергии электромагнитным лучом могут возникать всякие вредные интерференции и отражения воли.
Так же малоперспективна передача энергии транспорту при помощи электрической составляющей переменного электромагнитного поля. Подземную бесконтактную сеть при этом способе передачи невозможно осуществить из-за огромных потерь.
Единственный практически приемлемый путь — это передача энергии магнитной индукцией. У потребителя имеется приемный виток — вторичная обмотка высокочастотного трансформатора, а под дорогой помещается бесконтактная тяговая сеть — первичная обмотка этого высокочастотного трансформатора.
При помощи конденсаторов первичная и вторичная обмотки настраиваются в резонанс, что уменьшает потери, улучшает КПД передачи энергии.
Известно, что и для радиоприемника применяются рамочные антенны. Но приемный контур на «вечемобиле» («высокочастотном» автомобиле) никак нельзя назвать рамочной антенной. При бесконтактном транспорте необходимо иметь сильную электромагнитную связь между бесконтактной сетью и приемным витком. Коэффициент связи должен быть достаточно велик, связь должна быть больше критической.
Были произведены вычисления для самых различных частот, и выяснилось, что в диапазоне 20—60 кгц можно получить КПД передачи до 90 процентов, если только приемный контур не будет удаляться больше, чем на два-три метра от проводников бесконтактной сети. Но и этот двухметровый отрыв от проводов открывает перед высокочастотным транспортом огромные перспективы по сравнению со всеми другими видами транспорта.
Значительная часть транспорта движется всегда по определенным дорогам. Нетрудно обеспечить электроэнергией всю ширину проезжей части дороги, так как проводники бесконтактной сети могут отстоять один от другого на 2—4 м. Четырех — шести проводников достаточно для относительно широкой улицы. По такой дороге машины могут свободно двигаться во все стороны, вдоль проводов, поперек, под любым углом, легко разъезжаться, обгонять одна другую. Въезд на высокочастотную дорогу и сход с нее не сопровождается такими, можно сказать, мучительными операциями, как въезд контактного транспорта (троллейбуса).
Волчок вместо копилки.
Если снабдить «вечемобиль» небольшим аккумулятором энергии, обеспечивающим движение машины на расстояние 4—5 км, то достаточно будет проложить в городе небольшое количество высокочастотных магистралей, и «вечемобили» смогут свободно разъезжать по всем улицам. На магистралях они будут заряжать свои аккумуляторы, а по не снабжаемым энергией улицам будут переезжать, пользуясь накопленными запасами.
На «вечемобиле» с двигателем постоянного тока можно запасать энергию в аккумуляторах (свинцовых, щелочных). Но аккумуляторы имеют отрицательные свойства. Их КПД хорош, когда разряд производится сравнительно медленно (в течение нескольких часов), когда же требуется исчерпать весь запас меньше чем в час, как при переезде с одной высокочастотной магистрали на другую, то отдача аккумуляторов плоха. Кроме того, аккумуляторы не выдерживают большого количества циклов заряд-разряд.
Можно наметить новую интересную возможность запасания электроэнергии. На «вечемобиль» помещается маховик, соединенный со специальной электрической машиной. Когда «вечемобиль» едет по магистрали, оборудованной бесконтактной сетью, машина, соединенная с маховиком, работает как мотор и раскручивает маховик до высокой скорости. Запас энергии может быть до одного киловатт-часа- на каждые 50 кг веса маховика.
Маховик помещается па хороших шарикоподшипниках в защитном корпусе, из которого выкачан воздух. Потери на трение малы, и после отключения мотора от источника питания маховик может крутиться вхолостую много часов.
Если же замкнуть проводники от машины маховика па тяговый двигатель, то эта машина маховика будет работать как генератор электроэнергии, питая тяговый двигатель. Маховик будет замедлять свою скорость, отдавая энергию на движение «вечемобиля».При выезде на оборудованную трассу, маховик вновь раскрутится до максимальных оборотов.
Такой аккумулятор электроэнергии выдерживает огромное количество зарядов и «разрядов». Кроме того, быстро вращающийся маховик можно так закрепить в «вечемобиле», что он, в значительной мере ликвидирует всякие толчки и тряску.
Преимущества и перспективы.
Как показали расчеты и опыты, расход электроэнергии при ВЧТ (высокочастотный транспорт) на одну тонну-километр полезного перевезенного груза может быть такой же, а возможно и меньше, чем у современного троллейбуса, а именно, около 100 ватт-часов на тонну-километр. Надо, впрочем, указать, что в общем балансе расходы на электро-энергию составляют небольшой процент. У троллейбуса, например, стоимость электроэнергии составляет всего 8 процентов всех эксплуатационных расходов.
При ВЧТ общие эксплуатационные расходы могут быть еще меньше, нежели у троллейбуса. По сравнению же с бензиновым транспортом ВЧТ выгоднее в несколько раз.Но нельзя ограничиваться только узко экономическими преимуществами ВЧТ. При переходе на ВЧТ из городов исчезнет бензиновый запах и копоть, снимется паутина проводов, обезображивающая улицы.
Для внутризаводского транспорта во многих случаях может быть выгоден ВЧТ. Он представляет собой те преимущества перед конвейерами и транспортерами, что отдельные тележки легко можно извлекать или вновь вводить в общий поток, легко изменять направление транспортных потоков, разветвлять их, вновь сливать н т. д.
В поисках оптимума.
В 1943 году было начато строительство опытных установок ВЧТ в Москве. Были испытаны разные конструкции подземных и воздушных бесконтактных сетей, различные типы приемных контуров, схемы генераторов, регуляторов и т. д.
Очень большое значение имеет выбор наиболее выгодных величии силы тока в бесконтактной сети, его напряжения и частоты. Полные потеря в сети можно разбить на две части: потери в самих проводниках сети и потери в окружении сети. В эквивалентной схеме бесконтактной передачи можно представить эти два типа потерь в виде двух активных сопротивлений. Сопротивление правильно сконструированных проводников бесконтактной сети or частоты тока не зависит, а определяется лишь весом металла, затраченного на проводники. Сопротивление же потерь окружения растет с частотой.
Полезная мощность, передаваемая при заданном токе сети в приемный контур, зависит от сопротивления связи между сетью и приемным контуром. Это сопротивление связи линейно растет с частотой тока.
Оптимальная частота — это такая частота, при которой отношение суммарного сопротивления потерь к сопротивлению связи является наименьшим. Опыты подтвердили теоретические предположения, что для ВЧТ наиболее выгодны частоты в несколько десятков килогерц, т. е. электромагнитные волны длиной в несколько километров.
Такой же оптимум существует и для напряжения в сети. При слишком низком напряжении велики потери в проводниках. При слишком высоком напряжении появляются большие потери из-за емкостных токов между ‘проводниками сети и окружающими проводниками.
Генерирование и распределение энергии для ВЧТ.
Проследим путь электроэнергии в ВЧТ. В настоящее время электроэнергия получается и распределяется в виде трёхфазного тока с частотой 50 Гц. Превращение трёхфазного тока 50 Гц в ток высокой частоты производится в два этапа.
Сначала трёхфазный низкочастотный ток выпрямляется. Для этого применяются вентили с разрядом в парах ртути с жидким (ртутным) или накаленным оксидным катодом. Современное состояние техники выпрямления трёхфазного тока обеспечивает развитие ВЧТ на многие десятилетия. Ионные вентили легко могут быть построены на мощности в десятки тысяч киловатт, потеря в них составляют доли ‘процента от преобразуемой энергии.
Для следующего этапа — превращения постоянного тока высокого напряжения в высокочастотный ток возможно применение как приборов с чисто электронным разрядом, так и ионных приборов. Последний путь еще мало изведан. Хотя применение водородного наполнения в ионных лампах и обещает получение КПД до 99 процентов при генерировании токов с частотой до 100 кгц, но еще не созданы ни достаточно, мощные приборы, ни схемы их применения.
Ближайшие годы установки ВЧТ можно ориентировать исключительно на трехэлектродные генераторные лампы. Наш опыт показал, что с электронными генераторными лампам» современных типов возможно получение промышленного КПД преобразования постоянного тока в высокочастотный до 90 процентов. В дальнейшем возможна разработка специальных генераторных электродных ламп, обеспечивающих КПД выше 95 процентов. Не исключено создание для нужд ВЧТ магнетронов как ионных, так и вакуумных, в частности, управляемых полем катода.
Современные генераторы вырабатывают ток высокой частоты с напряжением до 20 кв. В дальнейшем возможно применение еще более высоковольтных генераторов. Напряжение же подземной бесконтактной сети, по видимому, невыгодно иметь выше 5000 в, а в отдельных случаях для коротких внутризаводских сетей возможно применение напряжения всего I000 в. Поэтому после высокочастотного генератора ставится понижающий высокочастотный трансформатор, ко вторичной обмотке которого уже подключаются фидерные линии и бесконтактная сеть.
Распределение высокочастотной энергии происходит во многом аналогично распределению трехфазного тока низкой частоты. От высокочастотных генераторов идут фидерные линии, к которым подключаются отдельные участки бесконтактной тяговой сети. Можно прокладывать кольцевые фидерные линии или применять меры, обычные в сетях низкой частоты и постоянного тока, для обеспечения бесперебойности энергоснабжения при авариях на отдельных участках.
Дремлющие и спящие фидерные сети.
Чтобы получить высокий КПД передачи энергия от бесконтактной сети к «вечемобилям», необходимо иметь не слишком малое отношение площади приемного витка «вечемобиля» к площади участка тяговой сети. Для этого длина отдельного участка бесконтактной сети берется не более нескольких десятков метров. Тогда потери в каждом таком участке будут меньше полезной передаваемой мощности. Отдельные участки включаются па полное высокочастотное напряжение только в те отрезки времени, когда над ними находится потребитель. Это обеспечивает хороший КПД даже при редком движении, когда коэффициент покрытия всей высокочастотной дороги приемными витками весьма мал.
Автоматическое включение и отключение отдельных участков сети можно обеспечить разными методами. Для управления тяговой сетью можно применить либо ток той же частоты, что и .рабочий ток, которым передается энергия, либо применить ток особой сигнальной частоты. В принципе эта сигнальная частота может быть как выше, так и ниже рабочей.
При отсутствии нагрузки можно полностью отключать участок сети от фидерной линии и сигнал включения посылать с «вечемобиля» от специального маленького вспомогательного генератора. Это будут системы с активными экипажами и пассивной тяговой сетью. Для краткости мы называем такие системы «спящими» сетями.
Можно, наоборот, оставлять в ненагруженной сети небольшой сигнальный ток, а на экипаже никаких вспомогательных источников энергии не иметь. Это будут системы с активной сетыо и с пассивными экипажами — «дремлющие» сети. Они не «засыпают» полностью, а как бы поглядывают все -время «недремлющим оком», едет ли «вечемобиль» или нет.
Скорость «вечемобиля» регулируется различными способами. Можно менять настройку приемного контура подобно тому, как меняется настройка радиоприемника. Мы применяли вариометры, которые регулировали напряжения на тяговом моторе от нуля до максимального значения. Такой индуктивный регулятор для машины до 30 кВт весит меньше одного килограмма. Он работает очень плавно. Водитель нажимает ходовую педаль, и машина без малейшего толчка трогается с места.
Таким образом «вечемобиль» обладает многими ценными качествами, выгодно отличающими его от других видов городского наземного транспорта.
