Автономный электрический транспорт

 
 
 
 
В. В. БИРЮКОВ 
 
 
 
 
 
АВТОНОМНЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ 
ТРАНСПОРТ 
 
Учебник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 

УДК 621.331:629.434 
ББК 31.2+39.2 
 
Б64 
 
 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Н. И. Щуров; 
д-р техн. наук, профессор Н. И. Калужский 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Бирюков, В. В. 
Б64   
Автономный электрический транспорт : учебник / В. В. Бирюков. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 252 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1800-3 
 
Рассматриваются вопросы преобразования и регулирования электрической энергии 
источников постоянного тока, питающих транспортные средства, оснащённые тяговыми 
приводами, силовые электрические цепи которых выполнены на сильноточных полупроводниковых элементах. 
Для студентов магистерского цикла обучения по направлению «Энергетика и электротехника» в качестве учебника по дисциплине, предусмотренной Государственным 
образовательным стандартом. Может представлять интерес аспирантам и научным работникам в плане систематизации знаний в области преобразования энергии на электротранспорте.  
 
УДК 621.331:629.434 
ББК 31.2+39.2 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1800-3 
” Бирюков В. В., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
Предисловие 
................................................................................................................. 5 
Глава 1. Методы и средства регулирования электрической энергии  
на транспорте ............................................................................................................. 18 
1.1. Назначение, область применения и классификация автономного 
транспорта .................................................................................................................. 18 
1.2. Особенности условий работы и требования, предъявляемые  
к различным видам автономного транспорта 
......................................................... 19 
1.3. Структурные схемы силовых цепей тяговых передач 
и энергоустановок ..................................................................................................... 20 
Глава 2. Первичные источники энергии автономного транспорта ...................... 24 
2.1. Транспортные тепловые двигатели .................................................................. 24 
2.1.1. Топливо и его свойства 
................................................................................... 24 
2.1.2. Термодинамические циклы поршневых тепловых двигателей 
.................. 26 
2.1.3. Рабочий процесс и характеристики дизелей ................................................ 30 
2.1.4. Рабочий процесс и характеристики газотурбинных установок ................. 36 
2.2. Принцип работы и характеристики гальванических и топливных  
элементов 
.................................................................................................................... 46 
2.2.1. Гальванические элементы .............................................................................. 46 
2.2.2. Топливные элементы ...................................................................................... 51 
2.2.3. Суперконденсатор как источник электрической энергии 
........................... 59 
2.3. Комбинированные источники энергии ............................................................ 61 
2.3.1. Комбинированные источники энергии на ТАБ 
............................................ 62 
2.3.2. Комбинированные источники энергии на ТАБ и ТЭ .................................. 63 
2.3.3. Комбинированные источники энергии на ТАБ и накопителе  
энергии 
........................................................................................................................ 65 
2.3.4. Комбинированные источники энергии на базе теплового двигателя,  
генератора и накопителя энергии ............................................................................ 66 
Глава 3. Вторичные источники энергии автономного транспорта ...................... 68 
3.1. Генераторы постоянного тока 
........................................................................... 68 
3.1.1. Системы возбуждения генератора 
................................................................. 74 
3.1.2. Совместная работа теплового двигателя и генератора ............................... 89 
3.2. Генераторы переменного тока .......................................................................... 94 
Глава 4. Системы автоматического регулирования тепловых  
двигателей ................................................................................................................ 100 
4.1. Условия и задачи применения систем автоматического  
регулирования 
.......................................................................................................... 100 
4.2. Регуляторы систем автоматического регулирования тепловым  
двигателем 
................................................................................................................ 105 
4.2.1. Центробежный регулятор прямого действия ............................................. 107 
4.2.2. Астатический гидромеханический центробежный регулятор ................. 117 
4.2.3. Гидромеханический регулятор с жесткой обратной связью .................... 123 
3 

4.2.4. Гидромеханический регулятор с гибкой обратной связью  
(изодромный регулятор)  ........................................................................................ 126 
4.3. Способы управления тепловым двигателем 
.................................................. 130 
4.3.1. Многорежимный регулятор ......................................................................... 130 
4.3.2. Двухрежимный регулятор ............................................................................ 133 
4.3.3. Особенности регулирования газотурбинной установки ........................... 135 
Глава 5. Системы автоматического регулирования тяговых  
электропередач ........................................................................................................ 138 
5.1. Системы регулирования трансмиссий постоянного тока ............................ 138 
5.1.1. Принципы построения систем автоматического регулирования 
............. 141 
5.1.2. Структурная схема силовой цепи трансмиссии постоянного тока 
.......... 142 
5.1.3. Автоматические системы регулирования тяговых двигателей  
постоянного тока ..................................................................................................... 145 
5.1.4. Система автоматического регулирования генератора 
............................... 158 
5.1.5. Объединённое регулирование элементов энергоустановки ..................... 164 
Глава 6. Цепи управления и защиты ..................................................................... 194 
6.1. Требования к цепям управления и защиты.................................................... 194 
6.2. Электрический пуск теплового двигателя 
..................................................... 195 
6.3. Управление регулятором теплового двигателя 
............................................. 202 
6.4. Управление тяговыми электродвигателями .................................................. 205 
6.5. Защита электрического оборудования ........................................................... 208 
Задачи ....................................................................................................................... 219 
Библиографический список 
.................................................................................... 242 
Приложения ............................................................................................................. 243 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
«Автономным 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 источник энергии любого вида: 
электрической, механической, атомной и т. д. В качестве тягового привода на 
таком виде транспорта может использоваться электрический, механический  
и т. д. Далее рассматриваются транспортные средства только с электрическим 
приводом. 
Назначение автономного транспорта, как и любого другого – перемещение 
пассажиров или грузов внутри населённых пунктов и на трасах 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 игрушки для китайского императора. Автомобиль был 
небольшого размера и не мог везти водителя или пассажира, но, возможно, он 
был первым работающим паровым транспортом. 
История развития парового автомобиля неразрывно связана с историей 
возникновения и совершенствования паровой машины. Когда в I веке н. э. Герон из Александрии предложил свою идею заставить пар вращать металлический шар, к его идее отнеслись не более, чем к забаве. То ли другие идеи в 
большей степени волновали изобретателей, но первым, кто поставил паровой 
котёл на колёса был монах Фердинанд Вербст. К его «игрушке» тоже отнеслись 
как к забаве. Но следующие сорок лет не прошли даром для истории парового 
двигателя. 
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.  
XVIII век дал мощный толчок к развитию парового транспорта. Пeрвым, 
ктo смoг пoстрoить нaстoящee трaнспoртнoe срeдствo с двигaтeлeм, был 
фрaнцyз Никoлa Жoзeф Кюньo. В 1769 гoдy Кюньo прeдстaвил гoтoвый 
прoтoпип пoвoзки, движимoй дeйствиeм пaрa. Мaшинa былa дoвoльнo мaссивнoй, вeсилa бoлee 2 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 образца 1770 года имела вес 
около полутора тонн. Новая телега могла транспортировать порядка двух тонн 
груза со скоростью 7 км/ч.  
5 

Многочисленные и разнообразные конструкции самоходных паровых повозок стали всё чаще разбавлять гужевой транспорт на дорогах Европы и Америки. 
К концу XIX века в США производством паровых авто занялись многие 
автопроизводители, среди которых заметно выделялись братья Стэнли, создававшие хорошо продаваемые паромобили. Но наибольшей известности они добились, создав фанерный гоночный авто «Ракету», развивший в 1906 году скорость в 205,4 км/ч. Паровой автомобиль «Ракета» братьев Стэнли приведён на 
рис. 1.  
К началу XX века индивидуальные автомобили на паровой тяге существенно распространились и стали привычным символом своего времени.  
Наиболее совершенными индивидуальными паромобилями первой четверти XX века стали братьев Абнера и Джона Добл, которым удавалось оказывать 
достойное сопротивление бензиновым моторам вплоть до начала 30-х годов  
XX века. Они не собирали машины для рекордов. Братья поистине любили свои 
паромобили. Иначе, чем ещё объяснить изобретённые ими сотовый радиатор и 
кнопку зажигания? Их модели не были похожи на малые паровозы. Братья сделали 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. 
 
 
 
Рис. 1 
 
 
 
 
6 

Отработанный пар направлялся в радиатор для конденсации и подготовки 
к последующим циклам. Поэтому для пробега на 2000 км автомобилям Доблов 
требовалось всего девяносто литров воды в системе и несколько литров керосина. Такой экономичности не мог предложить никто! 
Модель Е стала самым роскошным автомобилем второй половины 20-х  
и самой последней версией паромобиля Доблов. Кожаный салон, полированные 
элементы из дерева и кости слона радовали состоятельных владельцев внутри 
автомобиля. В таком салоне можно было наслаждаться пробегом на скорости 
до 160 км/ч. Всего 25 секунд отделяли момент зажигание 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. Но в первой половине 30-х годов и эти красавцы братьев Добл 
перестали выпускаться. 
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 нынешние она была похожа разве что весьма отдалённо: в движение приводилась паровой тягой, скорость развивала немногим 
больше 10 км/ч, а перевозить могла только 8 пассажиров. 
Нo y Трeвитикa нaшлoсь мнoжeствo пoслeдoвaтeлeй и вскoрe рaзнooбрaзныe пaрoвыe мaшины стaли кoлeсить пo дoрoгaм Aнглии. В 1813 году Уолтером Хэнкоком был изготовлен четырёхместный паровой фаэтон, а в 1815 году 
профессором Пражского политехникума Йозефом Божеком была изготовлена 
паровая машина на жидком топливе. 
В 1830 гoдy Вaльтeрoм Хэнкoкoм был скoнстрyирoвaн пaрoвoй oмнибyс 
«Eнтeрпрaйз». Мaксимaльнaя скoрoсть oмнибyсa 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. 
В Eврoпe жe изoбрeтaтeли нaхoдили спoсoбы приспoсoбить пaрoвoй 
двигaтeль для всё нoвых и нoвых цeлeй. Нaпримeр, в 1867 г. Сильвeстр Рoyпeр 
пoстaвил eгo нa вeлoсипeд, сoздaв aнaлoг сoврeмeннoгo мoтoциклa (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 Фёдoр 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 г. Хорнсби был построен в единственном экземпляре паровой трактор для перевозки угля на Аляске, приведённый на рис. 4.  
7 

Рис. 2 
Рис. 3 
8 

Рис. 4 
Но, пожалуй, наибольшие распространение и продолжительность использования паровая тяга нашла на рельсовом транспорте.  
В 1762 г. предшественницей паровоза стала первая в мире сдвоенная паровая машина русского изобретателя И. И. Ползунова. 
Многие изобретатели в начале XIX века пытались построить локомотив, 
двигающийся по рельсам. Особенно большое значение для создания железнодорожного транспорта имели работы Ричарда Тревитика, который первым 
пришел к идее применения паровых локомотивов на специально устроенных 
рельсовых путях. В 1803 г. Тревитик сконструировал паровоз для рельсового 
пути, а в феврале 1804 г. провел первое его испытание. 
Вместе с тем, над созданием новых паровозов работали и другие изобретатели. За период с 1803 по 1814 годы появилось много весьма разнообразных 
моделей рельсовых паровозов. В области паровозостроения в этот период в Англии работали изобретатели Бленкинсон, Меррей, братья Чемпей, Брентон, 
Хедли и другие. 
В 1814 г. сконструировал и испытал свой первый паровоз Джордж Стефенсон, который в основном и решил проблему создания парового железнодорожного транспорта. До 1825 г. он построил около 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 г. в Рoссии прoшли испытaния пeрвoгo пaрoвoзa, пoстрoeннoгo отцом и сыном Чeрeпaнoвыми. Однако началом русского паровозостроения можно 
считать 1845 год, когда была введена Петербурго-Московская железная дорога. 
Первые паровозы для этой дороги были построены Александровским заводом в 
1845 г. – 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). 
9 

 
 
Рис. 5 
 
Уже в середине 60-х годов XIX века в России начинается бурное строительство железных дорог, что, соответственно, приводит и к росту потребностей в паровозах. В 1868 г. правительство заключает контракты с рядом российских заводов. В 1869 г. началась постройка паровозов на Коломенском  
и Камско-Воткинском заводах; в 1870 г. – на Невском и Мальцевском заводах; 
в 1892–1900 г. – на Брянском, Путиловском, Сормовском, Харьковском и Луганском. 
Отечественное паровозостроение имело свой собственный путь развития. 
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 установкам, в качестве которого выступила электрическая машина. 
Так, в 1828 году венгр Йедлик Аньош, который изобрёл ранний тип электрического мотора, создал миниатюрную модель автомобиля, приводимого в 
движение при помощи его нового двигателя (рис. 6). Конечно, настоящую машину такой мотор передвигать бы не мог, но это был первый шаг. 
 
 
 
Рис. 6 
 
10