Способ и устройство для передачи электрической энергии

Изобретение относится к области электротехники, в частности устройствам и способам передачи электрической энергии с применением резонансных технологий между стационарными объектами, а также между стационарными питающими устройствами и мобильными агрегатами, принимающими электроэнергию. Технический результат состоит в повышении эффективности резонансной передачи электрической энергии, в первую очередь на небольшие и средние расстояния, снижении влияния емкости провода линии передачи на землю на резонансную обмотку передающего энергию четвертьволнового трансформатора, исключении электрических потерь в заземлителях. Результат достигается тем, что передача электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии осуществляется с помощью преобразователя частоты, передающего и принимающего трансформаторов Тесла и однопроводной линии, однопроводную линию передачи электрической энергии включают между низкопотенциальными выводами передающего и принимающего трансформаторов Тесла, с помощью возбуждающей обмотки возбуждают в резонансной обмотке передающего трансформатора Тесла резонансные колебания с пучностью тока у низкопотенциального вывода, пучностью тока питают однопроводную линию, передают вдоль однопроводной линии электромагнитную энергию в принимающий трансформатор Тесла, возбуждают в принимающем трансформаторе резонансные колебания с пучностью тока у низкопотенциального вывода, с помощью принимающей обмотки передают энергию в нагрузку, при этом высокопотенциальные выводы трансформаторов Тесла оставляют неподключенными. В другом варианте способа передачи электрической энергии высоковольтные выводы трансформаторов Тесла подключают к изолированным электропроводящим сферам или торам с помощью проводника, превосходящего по длине, по крайней мере, в 5 раз диаметр сфер или торов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, в частности устройствам и способам передачи электрической энергии с применением резонансных технологий между стационарными объектами, а также между стационарными питающими устройствами и мобильными агрегатами, принимающими электроэнергию.

Известны способ и устройство для преобразования и передачи электрической энергии по однопроводной линии на большие расстояния, разработанные Николой Тесла в 1897 году (Н. Тесла U.S. Patent №593138. Электрический трансформатор. Заявлен 20.03.1897 г. Выпущен 02.11.1897 г. Н. Тесла. U.S. Patent №645576. Система передачи // электрической энергии. Заявлен 09.1987 г. Выпущен 20.03.1900 г.).

Согласно изобретениям Н. Тесла система состоит из двух, передающего и принимающего, резонансных трансформаторов с резонансными повышающими обмотками, представляющими собой однослойные спиральные четвертьволновые отрезки длинных линий на цилиндрических каркасах и провода, соединяющего высокопотенциальные выводы резонансных повышающих обмоток. Низкопотенциальные выводы резонансных, четвертьволновых обмоток обоих трансформаторов заземлены непосредственно около конструкций трансформаторов. Низковольтная обмотка передающего трансформатора подключена к выходу генератора повышенной частоты, являющегося преобразователем электроэнергии источника в электрическую энергию переменного тока с частотой, равной резонансной частоте резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии. Низковольтная обмотка принимающего трансформатора подключена к нагрузке, поглощающей электрическую энергию.

В результате соединения одного из выводов однослойных высоковольтных спиральных обмоток с землей, а другого вывода с проводником, соединяющим высоковольтные выводы спиральных обмоток, в системе передачи создаются условия для возбуждения стоячих волн электромагнитных колебаний вдоль обмоток с длиной волны, примерно в четыре раза превосходящей длину каждой из резонансных высоковольтных спиральных обмоток

Здесь λ - длина стоячей волны в системе передачи электрической энергии,

ℓ - длина спиральной высоковольтной обмотки.

Вдоль всей системы передачи, т.е. от заземленного низкопотенциального вывода высоковольтной спиральной обмотки передающего резонансного трансформатора через резонансную спиральную обмотку, а также проводник, соединяющий высоковольтный вывод резонансной обмотки передающего трансформатора с высоковольтным выводом резонансной обмотки принимающего резонансного трансформатора, через высоковольтную обмотку принимающего резонансного трансформатора и до заземленного низкопотенциального вывода резонансной спиральной обмотки принимающего трансформатора, укладывается половина стоячей волны резонансного колебания

Здесь: Ј - расстояние между резонансными трансформаторами.

Режим стоячей волны характерен тем, что вдоль системы передачи амплитуды колебаний напряжения и тока меняются по величине. Вдоль системы развиваются пучности и узлы потенциалов, а также пучности и узлы токов. Пучности токов размещаются в низкопотенциальных областях резонансных спиральных обмоток и в заземлителях соответственно, узел тока размещается на проводнике, соединяющем высокопотенциальные выводы резонансных трансформаторов, т.е. на линии передачи электрической энергии из передающего трансформатора в принимающий. Узлы потенциалов размещаются на заземлителях. Пространственное размещение узла тока на передающей линии существенно снижает ток в линии, что способствует резкому снижению потерь при передаче и является достоинством метода.

Недостатком известного способа передачи электрической энергии является высокая подверженность деградации волнового механизма передачи при увеличении дистанции. С увеличением дистанции передачи растет емкость провода линии на землю. Эта емкость оказывается электрически подключенной параллельно высокопотенциальной обмотке резонансного трансформатора. При достижении емкости передающего провода на землю величины собственной емкости на землю высокопотенциальной обмотки высокопотенциальная обмотка перестает быть катушкой с распределенными параметрами, а резонансный трансформатор теряет волновые свойства, в связи с чем пучности и узлы потенциалов и токов в системе исчезают, а система передачи энергии начинает работать как система связанных резонансных контуров с сосредоточенными параметрами. Еще интенсивнее эффекты емкостного закорочения проявляются в случае передачи энергии по линии в кабельном исполнении. Другим недостатком известного способа являются большие джоулевы потери в заземлителях, т.к. на них (заземлителях) локализуются пучности стоячих волн тока.

Еще одним известным способом резонансной технологии передачи электрической энергии является устройство для передачи электрической энергии с помощью создания резонансных колебаний повышенной частоты в двух, повышающем и понижающем, высокочастотных многослойных трансформаторах, повышения потенциала внутреннего вывода высоковольтной обмотки повышающего трансформатора, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору, понижения потенциала высоковольтного вывода понижающего трансформатора, передачи в нагрузку активной электрической энергии. При этом вдоль цепи между заземляемым низковольтными выводами резонансных высоковольтных обмоток размещается целое число полуволн (минимальное число - одна полуволна). (патент РФ №2255406 от 21.02.2003 г. п. 1). Недостатком известного способа является наличие большие потерь в заземлителях наружных выводов резонансных обмоток трансформаторов. В другом варианте известного способа (патент РФ №2255406 от 21.02.2003 г. п. 2) наружные выводы резонансных многослойных высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов не заземляют, а оставляют неподключенными, защищая изоляцией торцы проводов от пробоя на низковольтную питающую обмотку. Недостатком известного способа и устройства передачи электрической энергии резонансным способом по одному проводу с применением резонансных трансформаторов с многослойными высоковольтными резонансными обмотками, внутренний вывод которых подключается к однопроводной линии, а внешний вывод остается неподключенным, является сложность отвода тепла от внутренних витков высоковольтной резонансной обмотки. Проблема отвода тепла от внутренних витков многослойной высоковольтной резонансной обмотки возникает в связи с тем, что при возбуждении многослойной обмотки с изолированным внешним отводом пучность тока локализуется внутри обмоток, а пучности потенциала на обоих, внутреннем и внешнем, выводах. По этой причине максимум тепла выделяется внутри резонансной обмотки, что требует принятия особых мер по отводу тепла либо предпринимать ограничение тока в обмотке, а следовательно, и ограничение мощности трансформатора. Кроме этого, локализация пучности тока внутри многослойной обмотки уменьшает магнитную связь с низковольтной обмоткой и приводит к необходимости усиливать электрическую изоляцию между резонансной и низковольтной обмотками.

Наиболее близким к предлагаемому решению является известный резонансный способ передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из источника электрической энергии повышенной частоты и двух, повышающего и понижающего, высокочастотных резонансных трансформаторов, резонансные высокочастотные обмотки которых выполнены в виде однослойных спиралей с заземленными низкопотенциальными выводами, высокопотенциальные выводы которых подсоединены к уединенным сферическим емкостям, поднятым над поверхностью земли и над спиральной обмоткой на высоту, позволяющую сферическим емкостям работать в качестве уединенных естественных емкостей, электрические поля которых слабо взаимодействуют с электрическими полями однослойных спиральных резонансных обмоток (Н. Тесла U.S. Patent №787412. Искусство передачи электрической энергии через естественную среду. Заявлен 16.05.1990 г. Выпущен 17.06.1902 г.), (Н. Тесла. U.S. Patent №1119732. Аппарат для передачи электрической энергии. Заявлен 18.01.1902. Выпущен 01.12.1914 г.). Согласно описанию резонирующая система из последовательно соединенных спиральной однослойной катушки и сферы образуют последовательный резонансный контур вдоль цепи: заземленный низкопотенциальный вывод четвертьволнового резонатора - четвертьволновой резонатор (спиральная однослойная обмотка) - емкость, одной обкладкой которой является сфера, другой ионосфера. Последовательный резонансный контур при возбуждении создает в толще земли и между ионосферой и землей электрические колебания. В результате чего на частотах, удовлетворяющих условиям возникновения стоячих волн, на поверхности земли возникают зоны узлов и пучностей потенциала. Приемный резонансный контур из спиральной катушки и поднятой над ней уединенной сферы - емкости, аналогичной по конструкции передающей, будучи размещенным на поверхности земли в пучности потенциала, возбуждается и может быть использован для получения электрической энергии с помощью низковольтной принимающей обмотки, размещенной у заземляемого (низкопотенциального) вывода.

Недостатком известного метода являются большие капитальные затраты при реализации способа передачи электроэнергии, которые окупаются при применении известного метода для передачи электрической энергии в глобальном масштабе и делают применение метода проблематичным при передаче на небольшие расстояния, например 5-30 км. Кроме этого остаются проблемы с заземлителями.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности резонансной передачи электрической энергии и, в первую очередь на небольшие и средние расстояния, снижение влияния емкости провода линии передачи на землю на резонансную обмотку передающего энергию четвертьволнового трансформатора, исключение электрических потерь в заземлителях, упрощение конструкции резонансного трансформатора.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность резонансной передачи электрической энергии и, в первую очередь, на небольшие и средние расстояния за счет применения волнового механизма передачи энергии токами повышенных частот через низкопотенциальный вывод четвертьволновых обмоток. При этом высокопотенциальные выводы четвертьволновых обмоток остаются неподключенными. Это обеспечивает возможность передачи электроэнергии по одножильному кабелю без экранирующей оболочки с невысокими требованиями к электрической прочности изоляции кабеля, исключение коротких замыканий на землю высокопотенциальных проводов из-за их отсутствия, исключение электрических потерь в заземлителях, а также капитальных расходов на изготовление и монтаж заземлителей также ввиду их отсутствия. Исключается закорачивающее емкостное влияние на четвертьволновые обмотки трансформаторов емкости высоковольтного провода передающей линии ввиду его отсутствия. Емкость одножильного кабеля на землю оказывает слабое влияние на четвертьволновую обмотку ввиду низкого потенциала на проводящей жиле кабеля. Отсутствие в предлагаемом способе передачи высокопотенциального провода и сильноточных заземлителей существенно упрощает и удешевляет конструкцию четвертьволновых трансформаторов и всей системы передачи электрической энергии. Предлагаемый способ улучшает экологическую обстановку вдоль трассы передачи электрической энергии в связи со снижением интенсивности электрических полей.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что передача электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии осуществляется с помощью преобразователя частоты, передающего и принимающего трансформаторов Тесла и однопроводной линии, однопроводную линию передачи электрической энергии включают между низкопотенциальными выводами передающего и принимающего трансформаторов Тесла, с помощью возбуждающей обмотки возбуждают в резонансной обмотке передающего трансформатора Тесла резонансные колебания с пучностью тока у низкопотенциального вывода, пучностью тока питают однопроводную линию, передают вдоль однопроводной линии электромагнитную энергию в принимающий трансформатор Тесла, возбуждают в принимающем трансформаторе резонансные колебания с пучностью тока у низкопотенциального вывода, с помощью принимающей обмотки передают энергию в нагрузку, при этом высокопотенциальные выводы трансформаторов Тесла оставляют неподключенными. В другом варианте способа передачи электрической энергии высоковольтные выводы трансформаторов Тесла подключают к изолированным электропроводящим сферам или торам с помощью проводника превосходящего по длине, по крайней мере, в 5 раз диаметр сфер или торов.

Предлагаемый способ передачи реализуется с помощью устройства для передачи электрической энергии, содержащего источник и приемник электрической энергии, преобразователь частоты, передающий и принимающий трансформаторы Тесла и однопроводную линию, низкопотенциальный вывод передающего трансформатора Тесла соединен с началом однопроводной линии, конец однопроводной линии соединен с низкопотенциальным выводом принимающего трансформатора Тесла, при этом высоковольтные выводы обоих трансформаторов Тесла остаются неподключенными.

В другом варианте устройства высоковольтные выводы обоих трансформаторов Тесла соединены соединительными проводниками со сферами или торами, поднятыми над землей, при этом длина соединительных проводников, по крайней мере, в 5 раз превосходит диаметр сфер или торов.

Сущность предполагаемого изобретения поясняется Фиг. 1, Фиг. 2.

На Фиг. 1 представлена электрическая схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты, передающего и принимающего трансформаторов Тесла и однопроводной линии, включенной между низкопотенциальными выводами резонансных однослойных спиральных обмоток трансформаторов Тесла.

На Фиг. 2 представлена электрическая схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты, передающего и принимающего трансформаторов Тесла и однопроводной линии, включенной между низкопотенциальными выводами резонансных однослойных спиральных трансформаторов Тесла, при этом высоковольтные выводы обоих трансформаторов Тесла соединены соединительными проводниками со сферами или торами, поднятыми над землей, а длина соединительных проводников по крайней мере в 5 раз превосходит диаметр сфер и торов.

На Фиг. 1 представлена схема электрических соединений элементов между собой. Источник электрической энергии 1 (в приведенной схеме в качестве источника 1 используется промышленная трехфазная сеть 380 В, 50 Гц) соединен со входом преобразователя частоты 2. Преобразователь частоты 2 преобразует электрическую энергию из формата (3 фазы, 380 В, 50 Гц) в энергию переменного тока повышенной частоты (0,5-20) кГц. Выход преобразователя частоты 2 через электрический конденсатор 3 соединен с низковольтной обмоткой 4 передающего резонансного трансформатора Тесла 5. Обмотка 4 выполнена в виде сосредоточенной катушки индуктивности, размещенной поверх обмотки 6 в области низкопотенциального вывода 7. Спиральная обмотка 6 представляет собой катушку индуктивности с распределенными параметрами. Высоковольтный вывод 8 спиральной обмотки 6 остается неподключенным. Низкопотенциальный вывод 7 соединен с началом однопроводной низкопотенциальной линии передачи электрической энергии 9. Однопроводная линия передачи 9 прокладывается над или под поверхностью земли. Конец однопроводной линии 9 соединен с низкопотенциальным выводом 10 однослойной спиральной обмотки 12 резонансного принимающего трансформатора Тесла 13. Высоковольтный вывод 11 резонансной однослойной спиральной обмотки 12 остается неподключенным. Конструкция принимающего резонансного трансформатора Тесла 13 аналогична конструкции передающего резонансного трансформатора Тесла 5. Низковольтная обмотка 14 выполнена в виде катушки с сосредоточенными параметрами и располагается у заземляемого вывода 10 спиральной обмотки 12. Низковольтная обмотка 14 через электрический конденсатор 5 подключена к входным клеммам электрической нагрузки 16.

На Фиг. 2 представлена схема электрических соединений элементов резонансной системы передачи электрической энергии с применением резонансных трансформаторов Тесла, низкопотенциальные выводы которых соединены однопроводной линией передачи электрической энергии, а высокопотенциальные выводы через соединительные проводники подключены к сферическим или тороидальным емкостям. Источник электрической энергии 1 соединен с входом преобразователя частоты 2. Преобразователь частоты 2 преобразует электрическую энергию из формата источника 1 в формат переменного тока повышенной (0,5-20) кГц частоты. Выход преобразователя частоты 2 через электрический конденсатор 3 соединен с низковольтной обмоткой 4 передающего резонансного трансформатора Тесла 5. Обмотка 4 размещена у низкопотенциального вывода 7 резонансной спиральной однослойной обмотки 6, поверх нее. Низкопотенциальный вывод 7 соединен с началом однопроводной низкопотенциальной линии передачи электрической энергии 9. Однопроводная линия передачи 9 прокладывается над или под поверхностью земли. Конец однопроводной линии 9 соединен с низкопотенциальным выводом 10 однослойной спиральной обмотки 12 резонансного принимающего трансформатора Тесла 13. Высоковольтные выводы 8 и 11 однослойных спиральных обмоток 6 и 12 резонансных трансформаторов Тесла 5 и 13 через соединительные проводники 17 и 19 подключены к электропроводящим сферам или торам 18 и 20, выполняющим роль естественных электрических емкостей. Длины соединительных проводников 17 и 19 составляют не менее 5 диаметров сфер и торов 18 и 20. Поверх спиральной однослойной резонансной обмотки 12, у ее низкопотенциального вывода 10, размещена низковольтная обмотка 14 для съема переданной электрической энергии. Выводы низкопотенциальной обмотки 14 через электрический конденсатор 15 подключены к электрической нагрузке 16.

Устройство передачи электрической энергии работает следующим образом. Электрическая энергия из источника 1 (Фиг. 1) подается в преобразователь частоты 2, выполняющий роль генератора электрического тока повышенной частоты с возможностью управления частотой тока и с формой тока на выходе преобразователя в виде «меандр». Генерация тока с формой «меандр» позволяет преобразователю 2 работать с минимальным количеством коммутаций тока. Снижение количества коммутаций обеспечивает унижение энергетических потерь при преобразовании. Принцип преобразования состоит в следующем. В входных цепях преобразователя 2 производится выпрямление тока, поступающего из источника 1. Если на выходе источника электрической энергии 1 постоянный ток, то преобразователь 2 выполняется без входных выпрямителей. Далее постоянный ток подается на инвертирующий мост. Мост с помощью управляемых силовых твердотельных ключей с частотой fг переключает полярность напряжения на выходе преобразователя 2. Таким образом, на выходе преобразователя 2 получают знакопеременное напряжение по амплитуде равное напряжению постоянного тока после выпрямителя. Поскольку к выходным клеммам преобразователя 2 подключают резонансный контур (3, 4) цепи накачки резонансного трансформатора 5, ток на выходе преобразователя 2 имеет чисто синусоидальную форму. При этом нуль тока в цепи ключей инвертирующего моста совпадает с моментом переключения на ключах напряжения, что значительно упрощает ражим коммутации и снижает потери при преобразовании. Частота собственных резонансных колебаний контура (3, 4) составляет f01

Где: f01 - резонансная частота, Гц;

L - индуктивность обмотки 4 трансформатора 5, Гн;

С - емкость 3 контура накачки, Ф.

Развиваемый в контуре накачки ток возбуждает вторичную резонансную обмотку 6 резонансного трансформатора 5. Обмотка 6 выполнена в виде катушки с распределенными параметрами и представляет собой однослойную обмотку, скорость распространения электромагнитных колебаний вдоль которой составляет υ, при этом:

Где: υ0 - скорость распространения электромагнитных колебаний вдоль резонансной обмотки 6, м/с;

L0 - погонная индуктивность обмотки 6, Гн/м;

С0 - погонная емкость обмотки 6, Ф/м;

Таким образом, время перемещения фронта электромагнитного возмущения вдоль обмотки длиной l составит (Δt)=l/ν, с.

Поскольку заземленная одним концом соленоидальная обмотка работает как четвертьволновой вибратор, время одного периода собственного колебания будет равно

Нижняя резонансная частота собственных колебаний резонансной обмотки будет равна

Возможно возбуждение и более высоких резонансных частот, соответствующих размещению на длине l резонансной обмотки 6 нечетного целого числа четвертей (три четверти, пять четвертей и т.д.) волн электромагнитного колебания:

При этом наблюдается следующее явление

Это происходит по причине дисперсии скоростей распространения фронта волн с частотами. По мере роста частоты собственного колебания скорость распространения волны снижается (нормальная дисперсия).

Стоячая волна на соленоидальной резонансной обмотке 6 возникает в результате интерференции возбуждаемой в обмотке 6 обмоткой 4 прямой волны и отраженной от торца обмотки встречной волны. Поскольку вывод 8 обмотки 6 изолирован, то в этой области обмотки 6 развивается пучность потенциала и узел тока. Соответственно, на выводе 7 развивается пучность тока и узел потенциала. Пучность тока из вывода 7 по линии передачи энергии 9 возбуждает пучность тока у вывода 10 обмотки 12 резонансного трансформатора 13. Обмотка 12 конструктивно выполнена аналогично резонансной обмотке 6 резонансного трансформатора 5. Волна тока из пучности тока в области вывода 10 достигает изолированного вывода 11, от которого происходит отражение и образование встречной волны тока. В результате интерференции встречных волн тока и сопровождающих их сдвинутых по фазе на 90° волн напряжений вдоль обмотки 12 возбуждается по одной четверти стоячих волн тока и потенциала. У вывода 10 создаются пучность тока и узел потенциала, у вывода 11 пучность потенциала и узел тока. Частота собственных резонансных колебаний соленоидальной обмотки 12 равна

Где: f04 - частота собственных резонансных колебаний обмотки 12, Гц;

L0 - погонная индуктивность обмотки 12, выполненной в виде спирали, Гн/м;

ℓ - длина обмотки 12, м;

С0 - погонная емкость обмотки 12, Ф.

В области пучности тока у вывода 10 располагается обмотка 14 для слива электрической энергии из трансформатора 13 через конденсатор 14 в нагрузку 16. Конденсатор 15 совместно с обмоткой 14 образуют последовательный резонансный контур, собственная резонансная частота которого равна f02

Где: f04 - резонансная частота контура, Гц;

L - индуктивность обмотки 14, Гн;

С - емкость конденсатора 15, Ф.

При настройке выполняется условие:

При этом образуется резонансная система из связанных резонансных контуров и четвертьволновых резонаторов с идентичными собственными резонансными частотами. В амплитудно-частотной характеристике такой системы образуется «окно прозрачности» для эффективного прохождения энергии на токе с частотой f0=fг.

Таким образом, электрическая энергия из источника энергии 1 поступает в преобразователь 2, через конденсатор 3 в обмотку накачки 4 трансформатора 5, в обмотке 6 которого возбуждается четвертьволновая стоячая волна. Обмотка выполнена в виде соленоидальной катушки. На выводе 7 обмотки 6 образуется пучность тока, на выводе 8 пучность потенциала, вывод 8 изолирован. Вывод 7 пучностью тока передает электрическую энергию в однопроводную линию 9. Электрическая энергия из линии 9, поступая через вывод 10 в обмотку 12, выполненную в виде соленоидальной катушки, возбуждает ее в режиме четвертьволнового резонанса с пучностью тока у вывода 10 и пучностью потенциала у вывода 11. Вывод 11 изолирован. Из пучности тока электрическая энергия передается в обмотку 14 и через конденсатор 15 в резонансном у режиме нагрузке 16. При этом между резонансными трансформаторами 5 и 13 энергия передается по одному проводу, находящемуся под потенциалом узла четвертьволновой стоячей волны. Между выводами 8 и 11 укладывается половина стоячей волны т.е. потенциалы выводов 8 и 11 всегда в противофазе. Еще одной особенностью полуволновой системы передачи электрической энергии по Фиг. 1 является то, что четвертьволновые обмотки 6 и 12 передающего 5 и принимающего 13 трансформаторов, как и линия передачи 9, гальванически не соединены с землей.

Принцип работы системы по передаче электрической энергии, изображенной на Фиг. 2, аналогичен принципу работы системы на Фиг. 1 с той разницей, что четвертьволновые резонансные обмотки 6 и 12 резонансных трансформаторов 5 и 13 нагружены на изолированные от земли электрические емкости сфер 18 и 20, соединенные с высокопотенциальными выводами 8 и 11 с помощью проводников 17 и 19. Емкости сфер 18 и 20 определяются выражением:

Ссф=4πε0α,

Где: Cсф - естественная электрическая емкость уединенной проводящей сферы, Ф;

α - радиус проводящей сферы, м;

ε0 - диэлектрическая постоянная вакуума, ε0=8,85·10-12, Ф/м.

Наличие вблизи сфер 18, 20 четвертьволновых обмоток 6, 12 и земли искажает результат вычисления емкости по приведенной формуле идеально уединенной сферы, однако при длинах соединяющих проводников 17, 19 более чем 5α, отклонение результата вычислений от реальной емкости не меняет принципиальной сути работы системы передачи электрической энергии и сводится к некоторому фантомному удлинению на (Δl) обмоток 6 и 12, что сопровождается снижением на Δf собственных резонансных частот колебаний соленоидальных обмоток 6 и 12:

Пример 1 реализации способа передачи электрической энергии. В качестве передающего устройства взят резонансный четвертьволновый трансформатор. Четвертьволновая обмотка выполнена проводом ПЭВ-2 в виде однослойной спирали. Диаметр провода - 0,63 мм, диаметр каркаса для обмотки - 145 мм, длина обмотки - 1800 мм, каркас - стеклотекстолит, длина каркаса - 2000 мм, число витков - 2600. Резонансная частота при четвертьволновом режиме возбуждения составила 160 кГц. В качестве принимающего взят аналогичный трансформатор. Обмотка возбуждения представляет собой 50 витков медного провода в виниловой изоляции, сечением по меди 10 мм2. Обмотка возбуждения размещена у одного из торцов четвертьволновой обмотки. Вывод четвертьволновой обмотки, ближний к обмотке возбуждения, оказывается в пучности тока и узле потенциала. Трансформаторы соединены одножильным кабелем без экрана. Длина соединяющего трансформаторы одножильного кабеля составляла 100 м. Кабель проложен в земле на глубине 10 см. В качестве нагрузки использовалась лампа накаливания мощностью 500 Вт (220 В). Выходные каскады питающего генератора выполнены на полевых транзисторах. Частота выходного тока генератора 160 кГц, форма выходного напряжения - меандр. Вывод четвертьволновой обмотки, противоположный низкопотенциальному выводу, оказывается в пучности потенциала и узле тока. Во время передачи электроэнергии высоковольтные выводы обоих трансформаторов системы передачи оставались неподключенными.

Потенциал передающей линии составил 0,1 кВ. Ток в линии передачи равнялся 0,8 А. Потенциалы высоковольтных выводов резонансных трансформаторов составляли примерно 8 кВ.

Пример 2 реализации способа передачи электрической энергии. В качестве передающего взят резонансный четвертьволновый трансформатор с высоковольтным выводом соединенным со сферой. Сфера выполнена из алюминиевого листа холодным формованием. Диаметр сферы 0,4 м, расстояние от высоковольтного торца четвертьволнового резонансного трансформатора 2,0 м. Четвертьволновая обмотка выполнена проводом ПЭВ-2, диаметром 0,63 мм в виде однослойной спирали. Диаметр каркаса для обмотки 145 мм, длина обмотки 1800 мм, каркас - стеклотекстолит, длина каркаса 2000 мм, число витков 2600. Резонансная частота составила 95 кГц. В качестве принимающего взят аналогичный трансформатор. Обмотка возбуждения представляет собой 50 витков медного провода в виниловой изоляции, сечением по меди 10 мм2. Обмотка возбуждения размещена у противоположного торца обмотки по отношению к высоковольтному выводу, соединенному со сферой. Трансформаторы соединены между собой однопроводной низкопотенциальной линией передачи электрической энергии, подсоединенной к низкопотенциальным выводам четвертьволновых обмоток резонансных трансформаторов. Однопроводная низкопотенциальная линия передачи выполнена одножильным кабелем без экрана. Длина передающего кабеля составляла 100 м. Кабель проложен в земле на глубине 10 см. В качестве нагрузки использована лампа накаливания мощностью 500 Вт (220 В). Выходные каскады (силовые ключи) питающего генератора выполнены на полевых транзисторах. Частота выходного тока генератора 95 кГц, форма выходного напряжения - меандр.

Потенциал передающей линии составил 0,15 кВ. Ток в линии передачи равнялся 1,1 А. Потенциалы высоковольтных выводов резонансных трансформаторов составляли примерно 7 кВ. ч

Предлагаемое изобретение повышает эффективность резонансной передачи электрической энергии и, в первую очередь, на небольшие и средние расстояния за счет применения волнового механизма передачи энергии токами повышенных частот через низкопотенциальный вывод четвертьволновых обмоток. При этом высокопотенциальные выводы четвертьволновых обмоток остаются неподключенными. Это обеспечивает возможность передачи электроэнергии по одножильному кабелю без экранирующей оболочки с невысокими требованиями к электрической прочности изоляции кабеля, исключение коротких замыканий на землю высокопотенциальных проводов из-за их отсутствия, исключение электрических потерь в заземлителях, а также капитальных расходов на изготовление и монтаж заземлителей также ввиду их отсутствия. Исключается закорачивающее емкостное влияние на четвертьволновые обмотки трансформаторов емкости высоковольтного провода передающей линии ввиду его отсутствия. Емкость одножильного кабеля на землю оказывает слабое влияние на четвертьволновую обмотку ввиду низкого потенциала на проводящей жиле кабеля. Отсутствие в предлагаемом способе передачи высокопотенциального провода и сильноточных заземлителей существенно упрощает и удешевляет конструкцию четвертьволновых трансформаторов и всей системы передачи электрической энергии. Предлагаемый способ улучшает экологическую обстановку вдоль трассы передачи электрической энергии в связи со снижением интенсивности электрических полей.

1. Способ передачи электрической энергии, включающий передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты, передающего и принимающего трансформаторов Тесла и однопроводной линии, отличающийся тем, что однопроводную линию передачи электрической энергии включают между низкопотенциальными выводами передающего и принимающего трансформаторов Тесла, с помощью возбуждающей обмотки возбуждают в резонансной обмотке передающего трансформатора Тесла резонансные колебания с пучностью тока у низкопотенциального вывода, пучностью тока питают однопроводную линию, передают вдоль однопроводной линии электромагнитную энергию в принимающий трансформатор Тесла, возбуждают в принимающем трансформаторе резонансные колебания с пучностью тока у низкопотенциального вывода, с помощью принимающей обмотки передают энергию в нагрузку, при этом высокопотенциальные выводы трансформаторов Тесла оставляют неподключенными.

2. Способ передачи электрической энергии по п. 1, отличающийся тем, что высоковольтные выводы трансформаторов Тесла подключают к изолированным электропроводящим сферам или торам с помощью проводника, превосходящего по длине, по крайней мере, в 5 раз диаметр сфер или торов.

3. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник и приемник электрической энергии, преобразователь частоты, передающий и принимающий трансформаторы Тесла и однопроводную линию, отличающееся тем, что низкопотенциальный вывод передающего трансформатора Тесла соединен с началом однопроводной линии, конец однопроводной линии соединен с низкопотенциальным выводом принимающего трансформатора Тесла, при этом высоковольтные выводы обоих трансформаторов Тесла остаются неподключенными.

4. Устройство для передачи электрической энергии по п. 3, отличающееся тем, что высоковольтные выводы обоих трансформаторов Тесла соединены соединительными проводниками со сферами или торами, поднятыми над землей, при этом длина соединительных проводников по крайней мере в 5 раз превосходит диаметр сфер или торов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к приему и передаче электрической мощности на транспортное средство. Устройство приема электрической мощности для транспортного средства содержит модуль приема электрической мощности, принимающий электрическую мощность из устройства передачи электрической мощности бесконтактным способом; узел связи, который передает информацию относительно позиции или размеров модуля приема электрической мощности в устройство передачи электрической мощности.

Изобретение относится к аккумуляторным батареям для электроинструмента. Технический результат - обеспечение возможности контроля параметров батареи в режиме ожидания. Батарея для электроинструмента включает в себя, по меньшей мере, один элемент батареи, периферийное устройство, выполненное с возможностью детектировать состояние батареи, по меньшей мере, одного элемента батареи, и микрокомпьютер, поддерживающий связь с периферийным устройством.

Изобретение относится к устройствам бесконтактной передачи мощности транспортного средства. Технический результат - исключение помех передаче данных при бесконтактной передачи мощности.

Изобретение относится к электрическим транспортным средствам. Транспортное средство содержит устройство приема и передачи электрической мощности бесконтактным образом; главный и вспомогательный аккумулятор.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах беспроводной передачи мощности. Техническим результатом является повышение эффективности передачи мощности в условиях переменной нагрузки, и/или изменяющегося входного напряжения, и/или изменяющейся связи между Tx- и Rx-частями.

Изобретение относится к бесконтактной подаче электрической мощности к транспортному средству. Система бесконтактной подачи электричества посредством магнитной связи между катушкой в транспортном средстве и катушкой в устройстве подачи электричества содержит средство беспроводной связи между транспортным средством и устройством подачи электричества на первой частоте; средство беспроводной связи между транспортным средством и устройством подачи электричества на второй частоте, которая отличается от первой частоты.

Изобретение относится к системам низкочастотных антенн, имеющих улучшенную направленность излучения. Техническим результатом является создание низкочастотной антенны, имеющей улучшенные рабочие характеристики, а именно обеспечение коэффициента сжатия волны больше единицы без изменения полного волнового сопротивления оболочки при переходе от ее внутренней части к внешней, которые реализуются посредством того, что структура или материал внешней части оболочки антенны выбраны так, что отношение магнитной проницаемости внешней части оболочки к диэлектрической проницаемости внешней части оболочки остается постоянным в пределах внешней части оболочки и равным отношению магнитной проницаемости внешней среды к диэлектрической проницаемости внешней среды.

Изобретение относится к устройствам индукционной передачи энергии и информации. Технический результат - повышение эффективности передачи при работе через барьер.

Изобретение относится к управлению крутящим моментом и системе бесконтактной зарядки. Устройство управления крутящим моментом содержит средство обнаружения угла открытия акселератора; средство задания крутящего момента, приводящего в движение транспортное средство; и средство управления крутящим моментом для коррекции крутящего момента.

Изобретение относится к устройствам бесконтактной подачи энергии и предназначено для зарядки аккумулятора транспортного средства. Технический результат - повышение эффективности заряда.

Изобретение относится к беспроводной передаче энергии. Технический результат - повышение эффективности беспроводной зарядки. Предоставлены устройство беспроводной передачи энергии и система беспроводной передачи энергии. Устройство беспроводной передачи энергии включает в себя основной корпус; и подставку, которая расположена на боковой поверхности основного корпуса, причем основной корпус включает в себя блок передающего резонатора, который создает первое магнитное поле горизонтального направления по отношению к поверхности земли и второе магнитное поле вертикального направления по отношению к поверхности земли. 2 н. и 13 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области электротехники, в частности устройствам и способам передачи электрической энергии с применением резонансных технологий между стационарными объектами, а также между стационарными питающими устройствами и мобильными агрегатами, принимающими электроэнергию. Технический результат состоит в повышении эффективности резонансной передачи электрической энергии, в первую очередь на небольшие и средние расстояния, снижении влияния емкости провода линии передачи на землю на резонансную обмотку передающего энергию четвертьволнового трансформатора, исключении электрических потерь в заземлителях. Результат достигается тем, что передача электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии осуществляется с помощью преобразователя частоты, передающего и принимающего трансформаторов Тесла и однопроводной линии, однопроводную линию передачи электрической энергии включают между низкопотенциальными выводами передающего и принимающего трансформаторов Тесла, с помощью возбуждающей обмотки возбуждают в резонансной обмотке передающего трансформатора Тесла резонансные колебания с пучностью тока у низкопотенциального вывода, пучностью тока питают однопроводную линию, передают вдоль однопроводной линии электромагнитную энергию в принимающий трансформатор Тесла, возбуждают в принимающем трансформаторе резонансные колебания с пучностью тока у низкопотенциального вывода, с помощью принимающей обмотки передают энергию в нагрузку, при этом высокопотенциальные выводы трансформаторов Тесла оставляют неподключенными. В другом варианте способа передачи электрической энергии высоковольтные выводы трансформаторов Тесла подключают к изолированным электропроводящим сферам или торам с помощью проводника, превосходящего по длине, по крайней мере, в 5 раз диаметр сфер или торов. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Наверх