Автономный электрический транспорт

Серия основана в 2001 году

УЧЕБНИКИ

НГТУ

 
 
 
 
 
РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ 
СЕРИИ «УЧЕБНИКИ НГТУ» 
 
 
д-р техн. наук, проф. (председатель)  А.А. Батаев 
д-р техн. наук, проф. (зам. председателя)  Г.И. Расторгуев 
 
д-р техн. наук, проф. С.В. Брованов 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Вострецов 
д-р техн. наук, проф. А.А. Воевода 
д-р техн. наук, проф. В.А. Гридчин 
д-р техн. наук, проф. В.И. Денисов 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.Г. Дубровский 
д-р филос. наук, проф. В.И. Игнатьев 
д-р техн. наук, проф. Н.В. Пустовой 
д-р техн. наук, проф. Х.М. Рахимянов 
д-р филос. наук, проф. М.В. Ромм 
д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Соловейчик 
д-р физ.-мат. наук, проф. В.А. Селезнев 
д-р техн. наук, проф. А.А. Спектор 
д-р техн. наук, проф. А.Г. Фишов 
д-р экон. наук, проф. М.В. Хайруллина 
д-р техн. наук, проф. А.Ф. Шевченко 
д-р техн. наук, проф. Н.И. Щуров 
 
 
 

НОВОСИБИРСК

2019

Â. Â. ÁÈÐÞÊÎÂ

ÀÂÒÎÍÎÌÍÛÉ

ÝËÅÊÒÐÈ×ÅÑÊÈÉ

ÒÐÀÍÑÏÎÐÒ

УДК 621.331(075.8) 
Б 649 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Н.И. Щуров 
д-р техн. наук, профессор Д.Л. Калужский 
канд. техн. наук, доцент Д.А. Котин 
 
 
 
 
Бирюков В.В. 
Б 649  
Автономный электрический транспорт: учебник / В.В. Бирюков. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2019. – 302 с.: ил. (Серия «Учебники НГТУ»). 

ISBN 978-5-7782-3934-0 

Рассматривается преобразование и регулирование электрической энергии источников постоянного тока, питающих транспортные средства, оснащённые тяговыми приводами, силовые электрические цепи которых выполнены на сильноточных полупроводниковых элементах. 
Книга предназначена для студентов магистерского цикла обучения по направлению «Энергетика и электротехника» в качестве 
учебника по дисциплине, предусмотренной Государственным образовательным стандартом.  
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621.331(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3934-0 
 © Бирюков В.В., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2019 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Предисловие ..................................................................................................................... 7 
Глава 1. Методы и средства регулирования электрической энергии  
на транспорте ............................................................................................... 21 
1.1. Назначение, область применения и классификация автономного 
транспорта ........................................................................................................... 21 
1.2. Особенности условий работы и требования, предъявляемые  
к различным видам автономного транспорта ................................................ 22 
1.3. Структурные схемы силовых цепей тяговых передач и энергоустановок .................................................................................................................... 23 
Глава 2. Первичные источники энергии автономного транспорта ................ 29 
2.1. Транспортные тепловые двигатели .................................................................. 29 
2.1.1. Топливо и его свойства .............................................................................. 29 
2.1.2. Термодинамические циклы поршневых тепловых двигателей ........... 32 
2.1.3. Рабочий процесс и характеристики дизелей .......................................... 37 
2.1.4. Рабочий процесс и характеристики газотурбинных установок ........... 45 
2.2. Принцип работы и характеристики гальванических и топливных 
элементов ............................................................................................................ 57 
2.2.1. Гальванические элементы ......................................................................... 57 
2.2.2. Топливные элементы ................................................................................. 63 
2.2.3. Суперконденсатор как источник электрической энергии .................... 72 
2.3. Комбинированные источники энергии ............................................................ 76 
2.3.1. Комбинированные источники энергии на ТАБ ..................................... 77 
2.3.2. Комбинированные источники энергии на ТАБ и ТЭ ............................ 78 
2.3.3. Комбинированные источники энергии на ТАБ и накопителе 
энергии ........................................................................................................ 80 
2.3.4. Комбинированные источники энергии на базе теплового двигателя, генератора и накопителя энергии .................................................. 81 
Глава 3. Вторичные источники энергии автономного транспорта ................ 83 
3.1. Генераторы постоянного тока ........................................................................... 83 
3.1.1. Системы возбуждения генератора ........................................................... 91 
3.1.2. Совместная работа теплового двигателя и генератора ....................... 110 
3.2. Генераторы переменного тока ......................................................................... 116 
Глава 4. Системы автоматического регулирования тепловых  
двигателей .................................................................................................. 123 
4.1. Условия и задачи применения систем автоматического регулирования ..... 123 

 

4.2. Регуляторы систем автоматического регулирования теплового двигателя ................................................................................................................. 130 
4.2.1. Центробежный регулятор прямого действия ....................................... 132 
4.2.2. Астатический гидромеханический центробежный регулятор ........... 145 
4.2.3. Гидромеханический регулятор с жесткой обратной связью .............. 152 
4.2.4. Гидромеханический регулятор с гибкой обратной связью (изодромный регулятор) ................................................................................ 155 
4.3. Способы управления тепловым двигателем ................................................. 160 
4.3.1. Многорежимный регулятор .................................................................... 161 
4.3.2. Двухрежимный регулятор ....................................................................... 163 
4.3.3. Особенности регулирования газотурбинной установки ..................... 166 
Глава 5. Системы автоматического регулирования тяговых  
электропередач .......................................................................................... 169 
5.1. Системы регулирования трансмиссий постоянного тока ............................ 169 
5.1.1. Принципы построения систем автоматического регулирования ...... 173 
5.1.2. Структурная схема силовой цепи трансмиссии постоянного тока ...... 174 
5.1.3. Автоматические системы регулирования тяговых двигателей 
постоянного тока ..................................................................................... 178 
5.1.4. Система автоматического регулирования генератора ........................ 193 
5.1.5. Объединённое регулирование элементов энергоустановки ............... 201 
5.2. Системы регулирования трансмиссий переменного тока ........................... 219 
5.2.1. Структурная схема силовой цепи .......................................................... 221 
5.2.2. Передачи переменно-переменного тока ................................................ 224 
5.2.3. Передачи переменно-постоянного тока ................................................ 232 
Глава 6. Цепи управления и защиты .................................................................... 237 
6.1. Требования к цепям управления и защиты ................................................... 237 
6.2. Электрический пуск теплового двигателя ..................................................... 238 
6.3. Управление регулятором теплового двигателя............................................. 246 
6.4. Управление тяговыми электродвигателями .................................................. 251 
6.5. Защита электрического оборудования ........................................................... 254 
Задачи ............................................................................................................................ 267 
Библиографический список ....................................................................................... 294 
Приложение .................................................................................................................. 295 
 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

7 

Ïîñâÿùàåòñÿ 50-ëåòèþ îáðàçîâàíèÿ êàôåäðû ýëåêòðè÷åñêîãî 
òðàíñïîðòà (ýëåêòðîòåõíè÷åñêèõ êîìïëåêñîâ) 
 
 
 
 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
втономным транспортом называется транспорт, несущий 
на своём борту автономную энергетическую установку 
(ЭУ), используемую как источник для его движения. Под энергоустановкой понимается совокупность устройств (агрегатов), обеспечивающих хранение и полный цикл преобразования энергии любой физической природы в механическую для приведения тягового 
привода в действие. 
Из определения следует, что на транспортном средстве в качестве первичного источника энергии может использоваться энергия 
любого вида: электрическая, механическая, атомная и т. д. Тяговый 
привод на таком виде транспорта может быть выполнен электрическим, механическим и т. д. В учебнике рассматриваются транспортные средства только с электрическим приводом. 
Назначение автономного транспорта, как и любого другого, – 
перемещение пассажиров или грузов внутри населённых пунктов и 
на трассах между ними. 
Первой попыткой замены мускульной энергии животных и человека для перемещения транспортного средства можно считать 
постройку членом иезуитской общины в Китае Фердинандом Вербистом первого автомобиля на паровом ходу около 1672 года как 
игрушку для китайского императора. Автомобиль был небольшого 
размера и не мог везти водителя или пассажира. 
История развития парового автомобиля неразрывно связана с 
возникновением и совершенствованием паровой машины. Когда в 
I веке н. э. Герон из Александрии предложил заставить пар вращать 
металлический шар, к его идее отнеслись как к забаве. Первым, кто 
поставил паровой котёл на колёса, был монах Фердинанд Вербист.  
К его «игрушке» тоже отнеслись как к забаве. 

А

 

Проект самодвижущегося экипажа Исаака Ньютона (1680), пожарный аппарат механика Томаса Севери (1698) и атмосферная 
установка Томаса Ньюкомена (1712) продемонстрировали огромный потенциал использования пара для совершения механической 
работы.  
Пeрвым, ктo смoг пoстрoить нaстoящee трaнспoртнoe срeдствo 
с двигaтeлeм, был фрaнцyз Никoлa Жoзeф Кюньo. В 1769 гoдy  
Кюньo прeдстaвил гoтoвый прoтoпип пoвoзки, которая двигалась 
под дeйствиeм пaрa. Мaшинa былa дoвoльнo мaссивнoй, вeсилa 
бoлee двух тoнн и рaзвивaлa скoрoсть всeгo 3…4 км/ч. Крoмe тoгo, 
зaпaсa пaрa хвaтaлo всeгo нa 12 минyт, пoслe чeгo пoд кoтлoм 
нyжнo былo внoвь рaзвoдить кoстёр. Следующая модель Кюньо 
(1770 год) имела вес около полутора тонн. Новая повозка могла 
транспортировать примерно две тонны груза со скоростью 7 км/ч.  
К концу XIX века в США братья Стэнли создали хорошо продаваемые паромобили. Наибольшую известность получил фанерный гоночный паровой автомобиль «Ракета», развивший в 1906 году скорость в 205,4 км/ч (рис. 1).  
 

 
Рис. 1 

К началу XX века индивидуальные автомобили на паровой тяге 
стали привычным символом своего времени.  

ПРЕДИСЛОВИЕ 

9 

Наиболее совершенными индивидуальными паромобилями 
первой четверти XX века стали машины братьев Абнера и Джона 
Добл. Они же предложили сотовый радиатор и кнопку зажигания. 
Их модели не были похожи на малые паровозы. Братья совершили 
революцию в паровом транспорте. Чтобы сдвинуться с места, машину не требовалось разогревать 10…20 минут. Кнопка зажигания 
нагнетала керосин из карбюратора в камеру сгорания. Он попадал 
туда после розжига запальной свечой. Вода нагревалась за считанные секунды, а через минуту-полторы пар создавал необходимое 
давление, и можно было ехать. 
Отработанный пар направлялся в радиатор для конденсации и 
подготовки к последующим циклам. Поэтому для пробега на 
2000 км автомобилям братьев Добл требовалось всего девяносто 
литров воды в системе и несколько литров керосина. Такой экономичности не мог предложить никто! Последняя модель Е могла достигать скорости до 160 км/ч. Всего 25 секунд отделяли момент зажигания от момента старта. Ещё 10 секунд требовалось, чтобы автомобиль массой в 1,2 т разогнался до 120 км/ч! 
Все эти скоростные качества были заложены в четырёхцилиндровом моторе. Два поршня выталкивались паром под высоким 
давлением в 140 атмосфер, а два других отправляли остывший пар 
низкого давления в сотовый конденсатор-радиатор.  
Параллельно с индивидуальными паромобилями развивались 
многоместные экипажи. 
Самым первым автобусом специалисты по истории транспорта 
считают чудо-машину, изобретённую в 1801 году шотландским 
инженером и механиком Ричардом Тревитиком. На современные 
она была похожа весьма отдалённо: в движение приводилась паровой тягой, скорость развивала немногим больше 10 км/ч, а перевозить могла только 8 пассажиров. 
У Трeвитикa нaшлoсь мнoжeствo пoслeдoвaтeлeй, и вскoрe 
рaзнooбрaзныe пaрoвыe мaшины появились в Aнглии. В 1813 году 
Уолтер Хэнкок изготовил четырёхместный паровой фаэтон, а в 
1815 году профессор Пражского политехникума Йозеф Божек создал паровую машину на жидком топливе. 
Изoбрeтaтeли нaхoдили спoсoбы приспoсoбить пaрoвoй двигaтeль для всё нoвых и нoвых цeлeй. Нaпримeр, в 1867 году Сильвeстр Рoyпeр пoстaвил eгo нa вeлoсипeд, сoздaв aнaлoг сoврeмeннoгo мoтoциклa (рис. 2).  

В 1830 гoдy Вaльтeр Хэнкoк скoнстрyирoвaл пaрoвoй oмнибyс 
«Eнтeрпрaйз». Его мaксимaльнaя скoрoсть сoстaвлялa 32 км/ч, зaпaс 
хoдa – дo 32 км. Для yпрaвлeния им были нeoбхoдимы три 
чeлoвeкa: oдин oтвeчaл зa yскoрeниe и рyлeниe, втoрoй – зa нaличиe 
вoды в бoйлeрe, a трeтий – зa пoддeржaниe в бoйлeрaх oптимaльнoй 
тeмпeрaтyры. 
 

 
Рис. 2 

Паровая тяга внедрялась не только на пассажирском транспорте, но и на грузовом и специальном – дорожных машинах и тракторах. Тaк, в 80-e гoды XIX века рyсский изoбрeтaтeль Ф. Блинoв 
пoстрoил пaрoвoй гyсeничный трaктoр (рис. 3). Этoт трaктoр 
yспeшнo прoшёл всe испытaния, пoлyчaл нaгрaды нa выстaвкaх, нo 
дeнeг нa сeрийнoe прoизвoдствo трaктoрoв изoбрeтaтeль тaк и нe 
нaшёл.  
В 1910 году Хорнсби был построен в единственном экземпляре 
паровой трактор для перевозки угля на Аляске (рис. 4).  
Однако наибольшее распространение и продолжительность использования паровая тяга нашла на рельсовом транспорте. В 1762 году предшественницей паровоза стала первая в мире сдвоенная паровая машина русского изобретателя И.И. Ползунова. 
Многие изобретатели в начале XIX века пытались построить 
локомотив, движущийся по рельсам. Особенно большое значение 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

11 

для создания железнодорожного транспорта имели работы Р. Тревитика, который в 1803 году впервые сконструировал паровоз для 
рельсового пути, а в феврале 1804 года провел его испытание. 
 

 
Рис. 3 

 
Рис. 4 

Вместе с тем над созданием новых паровозов работали и другие 
изобретатели. С 1803 по 1814 год появилось много разнообразных 
моделей рельсовых паровозов. В области паровозостроения в этот 
период в Англии работали изобретатели Бленкинсон, Меррей,  
братья Чемпей, Брентон, Хедли и другие. 
 

В 1814 году сконструировал и испытал свой первый паровоз 
Джордж Стефенсон, который в основном и решил проблему создания парового железнодорожного транспорта. До 1825 года он построил примерно 16 различных паровозов, упорно добиваясь 
наиболее приемлемой конструкции. Много внимания Стефенсон 
уделял также и совершенствованию рельсового пути. 
Почти столетие на зарубежных железных дорогах единственным типом локомотива был стефенсоновский паровоз. 
В 1834 году в Рoссии прoшли испытaния пeрвoгo пaрoвoзa, 
пoстрoeннoгo отцом и сыном Чeрeпaнoвыми. Однако началом русского паровозостроения можно считать 1845 год, когда между Петербургом и Москвой была построена железная дорога. Первые паровозы для этой дороги были построены Александровским заводом 
в 1845 году: товарные типа 0-3-0 (позже часть была переделана в 
тип 1-3-0 – впервые в мире) и пассажирские типа 2-2-0 (рис. 5). 
 

 
Рис. 5 

В середине 60-х годов XIX века в России началось бурное 
строительство железных дорог, что привело и к росту потребности 
в паровозах. В 1868 году правительство заключило контракты с рядом российских заводов. В 1869 году стали строить паровозы на 
Коломенском и Камско-Воткинском заводах; в 1870 – на Невском и 
Мальцевском; в 1892–1900 гг. – на Брянском, Путиловском, Сормовском, Харьковском и Луганском. 
Сформировалась российская школа паровозостроения. Выдающиеся русские инженеры и конструкторы А.П. Бородин, Е.Е. Нольтейн, В.И. Лопушинский и другие создали ряд новых типов паровозов и ввели на них много усовершенствований. 
Успехи, достигнутые в области электротехники в начале 
XIX века, привели к тому, что появился конкурент паросиловым