СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND DEVICE FOR ELECTRICAL ENERGY TRANSMISSION (VERSIONS)

Изобретение относится к области электротехники, в частности к 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 Н. Тесла в 1897 году (H. Тесла. US патент №593138). Электрический трансформатор. Заявлен 20.03.1897 г. Выпущен 02.11.1897 г. Н. Тесла. US патент №645576. Система передачи электрической энергии. Заявлен 09.1897 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 энергии источника электроэнергии в электрическую энергию переменного тока с частотой, равной резонансной частоте резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии. Низковольтная обмотка принимающего трансформатора подключена к нагрузке, потребляющей энергию.
В цепях низковольтных обмоток резонансных трансформаторов устанавливаются электрические конденсаторы, образующие совместно с низковольтными обмотками резонансные контуры. В зависимости от внутреннего сопротивления выходных цепей генератора переменного тока повышенной частоты и внутреннего сопротивления входных цепей нагрузки выбирается тип соединения конденсаторов по отношению к низковольтным обмоткам резонансных трансформаторов: последовательное или параллельное. В результате соединения одного из выводов однослойных высоковольтных спиральных обмоток с землей, а других выводов этих обмоток с проводом, соединяющим высоковольтные выводы спиральных обмоток, создаются условия для возникновения стоячих волн электромагнитных колебаний вдоль высоковольтных обмоток с размером примерно в одну четверть длины волны  на каждой из обмоток, где λ - длина стоячей волны на спиральной резонансной обмотке; l - длина спиральной обмотки. Вдоль всей системы передачи устанавливается половина длины стоячей волны , где L - расстояние между резонансными трансформаторами.
1
2
3
1
3
2
1
2
3
1
1
Длина волны резонансных электромагнитных колебаний внутри системы передачи электрической энергии соответствует физическому требованию равенства половине периода T/2 резонансного колебания времени прохождения электромагнитного возбуждения в системе передачи энергии от заземления на низкопотенциальном выводе высоковольтной обмотки передающего трансформатора вдоль высоковольтной обмотки, вдоль провода, соединяющего высоковольтные выводы резонансных трансформаторов, и далее, вдоль высоковольтной резонансной обмотки принимающего трансформатора от высоковольтного ввода до заземления: T/2=t+t+t. Здесь: Т - период резонансных колебаний в системе, t=t - время прохождения электромагнитного возбуждения вдоль высоковольтных резонансных обмоток l, t - время прохождения электромагнитного возбуждения вдоль провода, соединяющего высоковольтные выводы резонансных трансформаторов. Время прохождения определяется следующими соотношениями: ; ; здесь ν - скорость распространения электромагнитного возбуждения вдоль высоковольтных резонансных обмоток l; с - скорость света, так как ν<<с, то t+t+t≅2t. В связи с этим период свободного резонансного колебания электромагнитной энергии вдоль системы передачи составит: Т=4t.
1
Подставляя в выражение для периода Т величину t, можно получить:
.
Скорость распространения электромагнитного возбуждения вдоль однослойной спиральной высоковольтной обмотки определяется электрофизическими и конструкционными характеристиками обмотки
.
0
0
Здесь: L - погонная распределенная индуктивность спиральной обмотки; С - погонная распределенная емкость спиральной обмотки.
Таким образом, период собственных резонансных колебаний в высоковольтном контуре системы передачи электрической энергии будет равен . Частота, соответственно, равна
.
1
0
2
г
1
2
0
г.
1
1
1
При выполнении условия f=f=f=f в системе возбуждается резонансное состояние - все резонансные частоты f, f, f равны между собой и равны частоте тока питающего генератора повышенной частоты f Здесь: f - резонансная частота контура, образованного емкостью конденсатора С на выходе генератора повышенной частоты и индуктивностью L низковольтной обмотки питающего резонансного трансформатора
;
2
2
2
f - резонансная частота контура, образованного емкостью конденсатора С на входе контура, питающего нагрузку, и индуктивностью L низковольтной обмотки принимающего резонансного трансформатора
,
0
f - резонансная частота свободных колебаний электромагнитной энергии в высоковольтном контуре, образованном высоковольтными обмотками резонансных трансформаторов и проводом, соединяющим высоковольтные выводы резонансных трансформаторов
.
Энергия, поступая в систему передачи из источника, проходит вдоль системы до нагрузки, и в случае неполного поглощения или отсутствия поглощения в нагрузке энергия отражается от нагрузки обратно в систему передачи. При этом вдоль части системы передачи, включающей резонансные спиральные обмотки передающего и принимающего трансформаторов, а также провод, соединяющий высокопотенциальные выводы спиральных обмоток, возникают две встречно направленные бегущие волны напряжения и тока. Отражение волны напряжения происходит без смещения по фазе, волна тока при отражении поворачивается на 180°. Интерференционное сложение двух встречно бегущих волн приводит к появлению «горбов» (пучностей) и «впадин» (узлов) у амплитуд суммарных волн.
При длине пути волны, равной целому числу полуволн, суммарная волна предстает в виде стационарной картины с изменяющимися амплитудами колебания напряжения и тока вдоль линии. Минимальное количество полуволн равно единице. При этом у низкопотенциальных заземляемых выводов спиральных обмоток резонансных трансформаторов развиваются «горбы» тока и «впадины» потенциала, а на высоковольтных выводах резонансных трансформаторов и на проводнике, соединяющем высоковольтные выводы, образуется «горб» потенциала и «впадина» тока.
Таким образом, провод, соединяющий передающий и принимающий трансформаторы и представляющий собой линию передачи электрической энергии, оказывается нагруженным током с минимальным значением амплитуды. Результатом этого эффекта является резкое снижение токовых потерь в линии при передаче энергии. Пучности тока располагаются у заземляемых выводов резонансных обмоток, в связи с чем в этих областях резонансных высоковольтных обмоток размещаются низкопотенциальные обмотки, соединяющие резонансные высоковольтные обмотки с источником электрической энергии и с нагрузкой.
Недостатком известного способа устройства передачи электрической энергии являются большие энергетические потери в заземлителях низкопотенциальных выводов резонансных спиральных обмоток резонансных трансформаторов. С целью снижения потерь в заземлителях приходится выполнять их в виде конструкций с большой поверхностью, а также предпринимать соответствующие меры для обеспечения необходимой электропроводимости грунта вокруг заземлителя. Кроме этого замыкание токов смещения с проводника линии на землю приводит к возникновению потерь в земле под проводником, соединяющим высоковольтные выводы резонансных трансформаторов. Это также снижает эффективность передачи электрической энергии.
Наиболее близким к заявленному является известный способ и устройство для передачи электрической энергии с помощью резонансной технологии передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из генератора повышенной частоты и двух, повышающего и понижающего, высокочастотных многослойных трансформаторов, 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 между заземляемыми низковольтными выводами резонансных высоковольтных обмоток размещается целое число полуволн (минимальное число - одна полуволна). (Патент РФ №2255406 от 21.02.2003.)
Недостатком известного способа и устройства являются большие потери электрической энергии в заземлителях наружных выводов резонансных обмоток резонансных трансформаторов, а также электрические потери в земле под однопроводной линией.
В другом варианте известных способа и устройства наружные выводы резонансных, многослойных, высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов не заземляют, а оставляют неподключенными, защищая изоляцией торцы проводов от пробоя на рядом расположенные витки резонансной обмотки и на низковольтные обмотки. (Патент РФ №2255406 от 21.02.2003 г. ).
Недостатком известного способа и устройства передачи электрической энергии резонансным методом по одному проводу с применением резонансных трансформаторов с многослойными высоковольтными резонансными обмотками, внутренний вывод которых подключается к однопроводной линии, а наружный 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 резонансного состояния в случае неприсоединения внешнего вывода к заземлителю на внешнем выводе развивается пучность потенциала, так же как и на внутреннем выводе, присоединяемом к однопроводной линии. При этом между пучностями потенциала, т.е. внутри многослойной обмотки, развивается пучность тока, что сопровождается ростом тепловых потерь внутри катушки, откуда отвод тепла затруднен. Кроме этого исключается возможность размещения низковольтной обмотки вблизи пучности тока, а также возникает необходимость тщательной изоляции внешнего ввода высоковольтной обмотки от низкопотенциальной обмотки, подключенной к выходу генератора тока повышенной частоты на входе системы передачи, или ко входу нагрузки на приемной стороне системы.
Задачей изобретения является повышение эффективности резонансной технологии передачи электрической энергии, исключение электрических потерь в заземлителях, упрощение конструкции резонансных катушек.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность увеличить передаваемую мощность, уменьшить сечение провода, ток в линии и расход цветных металлов на провода, снизить потери электроэнергии при передаче.
AB
AB
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны λ=L/n, где n - целое число, L - длина электрической цепи между свободными выводами А и В высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток высокочастотных резонансных трансформаторов, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного резонансного трансформатора по однопроводной линии независимо от земли путем размещения низковольтных обмоток повышающего и понижающего высоковольтных резонансных трансформаторов посередине высоковольтных высокочастотных резонансных обмоток и преобразования тока в однопроводной линии в активный ток в нагрузке.
AB
В другом способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны , где n - целое число, L - длина электрической цепи между серединами высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток высокочастотных резонансных трансформаторов, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного резонансного трансформатора по двум противофазным однопроводным изолированным от земли линиям, преобразуют ток в изолированных от земли противофазных однопроводных линиях в переменный ток промышленной частоты, при этом низковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов размещают посредине высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток.
0
0
0
c
0
с
с
0
0
В третьем способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии с частотой , где L - индуктивность однослойных обмоток резонансных трансформаторов, L=Ll, здесь L - погонная индуктивность однослойных обмоток, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - емкость резонансной системы. С=Cl+2C, здесь С - погонная естественная емкость однослойных обмоток резонансных трансформаторов, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - естественная емкость проводящих сфер, подключенных к крайним выводам однослойных обмоток резонансных трансформаторов, возбуждают колебания электрической энергии в передающем резонансном трансформаторе, высоковольтная резонансная обмотка которого выполнена в виде однослойной спиральной обмотки с присоединенными к ее выводам электропроводящими сферами, выполняющими роль электрических емкостей, обладающих естественной емкостью С=εr, где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, r - радиус сфер сферических электрических конденсаторов, передают энергию от настроенного на частоту высокочастотного генератора, резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного резонансного трансформатора по однопроводной линии независимо от земли путем размещения низковольтных обмоток повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов посередине высоковольтных резонансных обмоток и преобразования тока в однопроводной линии в активный ток нагрузки.
В другом способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии с частотой
,
0
0
0
c
0
с
0
0
где L - индуктивность однослойных обмоток резонансных трансформаторов, L=Ll, где L - погонная индуктивность однослойных обмоток, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - емкость резонансной системы, C=Cl+2C, здесь С - погонная, естественная емкость однослойных обмоток резонансных трансформаторов, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, возбуждают колебания электрической энергии в передающем резонансном трансформаторе, высоковольтная резонансная обмотка которого выполнена в виде однослойной спиральной обмотки с присоединенными к ее выводам электропроводящими сферами, выполняющими роль электрических емкостей, обладающих естественной емкостью С=εr, где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, r - радиус сфер сферических электрических конденсаторов, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного резонансного трансформатора по двум противофазным однопроводным изолированным от земли линиям, преобразуют ток в изолированных от земли противофазных однопроводных линиях в переменный ток промышленной частоты, при этом низковольтные обмотки понижающего и повышающего высокочастотных резонансных трансформаторов размещают посередине высоковольтных резонансных обмоток, выполненных в виде однослойных спиралей.
1
1
2
2
1
1,
2
2
AB
AB
В устройстве для передачи электрической энергии низковольтная обмотка повышающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим питающим конденсатором образует передающий резонансный настроенный на частоту генератора высокой частоты резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим контурным конденсатором образует приемный резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением LC=LC, где L и C L и С - индуктивности и емкости указанных резонансных контуров, при этом высоковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов выполнены в виде однослойных спиралей, низковольтные обмотки размещены посередине высоковольтных обмоток с помощью однопроводной линии, одним из высоковольтных выводов повышающий резонансный трансформатор независимо от земли соединен с одним из высоковольтных выводов понижающего резонансного трансформатора, другие высоковольтные выводы А и В высоковольтных обмоток высокочастотных резонансных повышающего и понижающего трансформаторов остаются свободными, длина электрической цепи L между свободными выводами А и В высоковольтных обмоток повышающего и понижающего резонансных высокочастотных трансформаторов равна L=λn, где n - целое число, λ - длина волны собственных резонансных колебаний электромагнитной энергии, при этом резонансные частоты передающего и приемного низковольтных резонансных контуров повышающего и понижающего резонансных трансформаторов, а также собственные резонансные частоты высоковольтных высокочастотных однослойных спиральных обмоток равны между собой и равны частоте переменного тока источника тока высокой частоты.
1
1
2
2
1
1
2
2
AB
AB
n
В другом устройстве для передачи электрической энергии низковольтная обмотка повышающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим питающим конденсатором образует передающий резонансный контур, настроенный на частоту генератора высокой частоты, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим контурным конденсатором образует приемный резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением LC=LC, где L и С, L и C - индуктивности и емкости указанных резонансных контуров, при этом высоковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов выполнены в виде однослойных спиралей, низковольтные обмотки размещены посередине высоковольтных обмоток, с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии, высоковольтные противофазные выводы резонансных высоковольтных спиральных обмоток повышающего и понижающего резонансных трансформаторов соединены между собой независимо от земли, длина электрической цепи L между серединами высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток высокочастотных резонансных трансформаторов равна L=λ/, где n - целое число, λ - длина волны собственных резонансных колебаний, при этом резонансные частоты передающего и приемного низковольтных резонансных контуров повышающего и понижающего резонансных трансформаторов, а также собственные резонансные частоты высоковольтных высокочастотных однослойных спиральных обмоток равны между собой и равны частоте переменного тока источника тока высокой частоты.
1
1
2
2
1
1,
2
2
с
0
0
В третьем устройстве для передачи электрической энергии низковольтная обмотка повышающего высоковольтного резонансного трансформатора со своим питающим конденсатором образует передающий резонансный контур, настроенный на частоту генератора высокой частоты, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим контурным конденсатором образует приемный резонансный, также настроенный на частоту высокочастотного генератора контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением LC=LC, где L и C L и С - индуктивности и емкости указанных резонансных контуров, при этом высоковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов выполнены в виде однослойных спиралей, низковольтные обмотки размещены посередине высоковольтных обмоток, с помощью однопроводной линии одним из высоковольтных выводов повышающий резонансный трансформатор независимо от земли соединен с одним из высоковольтных выводов понижающего резонансного трансформатора, другие высоковольтные выводы А и В высоковольтных обмоток высокочастотных резонансных повышающего и понижающего трансформаторов остаются свободными, со свободными выводами электрически соединены установленные в непосредственной близости металлические электропроводящие сферы с радиусами r, собственные резонансные частоты f, образованные емкостями сферы С, распределенными вдоль спиральной высоковольтной обмотки длиной l, собственной емкостью С и индуктивностью L, равны
0
0
0
c
0
с
где L - индуктивность однослойных обмоток резонансных трансформаторов, L=Ll, здесь L - погонная распределенная вдоль спиральной обмотки индуктивность, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - емкость резонансной системы резонансных трансформаторов, где С=Cl+2C, здесь С - погонная собственная естественная емкость однослойной обмотки резонансного трансформатора, l - длина однослойной обмотки резонансного трансформатора; С - естественная емкость проводящих сфер. При этом резонансные частоты передающего и приемного низковольтных резонансных контуров повышающего и понижающего резонансных трансформаторов, а также собственные резонансные частоты высоковольтных высокочастотных однослойных спиральных обмоток со сферическими емкостями на выводах равны между собой и равны частоте генератора переменного тока высокой частоты.
1
1
2
2
1
1
2
2
Еще в одном устройстве для передачи электрической энергии низковольтная обмотка повышающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим питающим конденсатором образует передающий резонансный контур, настроенный на частоту генератора высокой частоты, низковольтная обмотка понижающего резонансного трансформатора со своим контурным конденсатором образует приемный резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением LC=LC, где L и C, L и С - индуктивности и емкости указанных резонансных контуров, при этом высоковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов выполнены в виде однослойных спиралей, низковольтные обмотки размещены посередине высоковольтных обмоток, с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии, высоковольтные противофазные выводы резонансных высоковольтных спиральных обмоток повышающего и понижающего резонансных трансформаторов соединены между собой независимо от земли, к высоковольтным выводам спиральных резонансных обмоток подключены электропроводящие сферы с радиусом г, при этом резонансная частота колебаний электромагнитной энергии спиральных высокочастотных обмоток совместно со сферами составляет
,
0
0
0
c
0
с
c
0
0
где: L - индуктивность однослойных обмоток резонансных трансформаторов, L=Ll, здесь L - погонная индуктивность однослойных обмоток, l - длины однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - емкость резонансной системы, С=Cl+2C, здесь С - погонная естественная емкость однослойных обмоток резонансных трансформаторов, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - естественная емкость электропроводящих сфер, подключенных к высоковольтным вводам резонансных трансформаторов, C=εr, где ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, r - радиус сфер сферических электрических конденсаторов, при этом резонансные частоты передающего и приемного низковольтных резонансных контуров повышающего и понижающего резонансных трансформаторов, а также собственные резонансные частоты высоковольтных высокочастотных однослойных спиральных обмоток с электропроводящими сферами равны частоте переменного тока высокой частоты.
Способы и устройства для передачи электрической энергии иллюстрируются на фиг. 1, 2, 3, 4.
AB
На фиг. 1 представлена электрическая схема способа и устройства с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, выполненными в виде однослойных спиральных обмоток, на средних частях которых размещаются низковольтные обмотки, по одному из высоковольтных вводов у обеих высоковольтных обмоток изолированы, другие высоковольтные выводы обеих высоковольтных обмоток соединены между собой однопроводной линией передачи электрической энергии так, что при возбуждении системы передачи на одной из резонансных частот длина стоячей волны, возбуждаемой вдоль системы передачи между свободными выводами, оказывается равной λ=L/2n,
AB
где λ - длина стоячей волны; L - длина электрической цепи между свободными выводами А и В высоковольтных резонансных обмоток повышающего и понижающего трансформаторов; n - число из ряда (1, 2…).
На фиг. 2 представлена электрическая схема способа и устройства с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, выполненными в виде однослойных спиральных обмоток, на средних частях которых размещаются низковольтные обмотки, высоковольтные выводы резонансных обмоток обоих трансформаторов соединены между собой с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии передачи электрической энергии, так, что при возбуждении системы передачи на одной из резонансных частот длина стоячей волны, возбуждаемой вдоль системы передачи, оказывается равной
,
AB
где λ - длина стоячей волны, L - длина электрической цепи между серединами высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей высокочастотных резонансных обмоток повышающего и понижающего трансформаторов, n - число из ряда (1, 2…)
0
На фиг. 3 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, высоковольтные обмотки которых выполнены в виде однослойных спиралей, соединены между собой с помощью проводника однопроводной линии передачи электрической энергии, другие выводы высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов остаются свободными, низковольтные обмотки располагаются посередине высоковольтных обмоток, а к концам высоковольтных обмоток электрически подключены электропроводящие сферы, обладающие естественной емкостью С. Питание системы передачи электрической энергии производится на резонансной частоте
,
0
где: f - резонансная частота высокочастотных трансформаторов со сферическими емкостями на концах высоковольтных обмоток; L - индуктивности однослойных спиральных высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов; С - электрическая емкость резонансной системы передачи электрической энергии.
0
На фиг. 4 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, высоковольтные выводы однослойных спиральных резонансных обмоток которых соединены с помощью двух проводников двухцепной линии передачи электрической энергии, содержащей две однопроводные линии, низковольтные обмотки обоих резонансных трансформаторов размещены посередине высоковольтных обмоток и к выводам высоковольтных резонансных обмоток электрически подключен электропроводящие сферы, обладающие естественными емкостями С. Питание системы передачи электрической энергии производится на резонансной частоте
,
0
где: f - резонансная частота высокочастотных резонансных трансформаторов со сферическими емкостями на концах высоковольтных обмоток; L - индуктивность однослойных спиральных высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов; С - электрическая емкость резонансной системы передачи электрической энергии.
На фиг. 1 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии, где: 1 - генератор повышенной частоты; 2 - электрический конденсатор, образующий с низковольтной обмоткой 3 резонансный контур питания повышающего трансформатора, содержащего низковольтную обмотку 3 и высоковольтную резонансную обмотку 4, 5 - однопроводная линия передачи электрической энергии, 6 - высоковольтная резонансная обмотка понижающего трансформатора, содержащего высоковольтную обмотку 6 и низковольтную обмотку 7, 8 - электрический конденсатор, образующий с низковольтной обмоткой 7 резонансный контур съема электрической энергии из понижающего трансформатора в электрическую нагрузку 9.
Последовательный резонансный контур из конденсатора 2 и низковольтной обмотки 3 повышающего резонансного трансформатора имеет резонансную частоту
,
01
г
01
г)
где L - индуктивность низковольтной обмотки 3; С - емкость конденсатора 2. Ток, развиваемый генератором 1 в низковольтной цепи последовательного резонансного контура при резонансе, т.е. при равенстве f частоте f, (f=f, равен
.
01
г
01
Здесь: I - ток в цепи низковольтной обмотки 3 повышающего резонансного трансформатора; U - напряжение на выходе генератора повышенной частоты 1; Z - входной импеданс цепи низковольтной обмотки 3, равный
,
1
1н
где r - омическое сопротивление обмотки 3; r - эквивалентное пересчитанное сопротивление нагрузки 9 в цепь низковольтной обмотки 3.
1
01
01
01
1
За счет взаимной индуктивности M между низковольтной обмоткой 3 и высоковольтной резонансной обмоткой 4 в высоковольтной резонансной обмотке 4 наводится э.д.с. Е=IωM,
01
г
где ω - угловая скорость (частота) тока повышенной частоты f на выходе генератора 1.
.
01
02
Э.д.с. Е вызывает в обмотке 4 волну тока I. .
c1
Здесь: Z - характеристическое, волновое сопротивление однослойной спиральной резонансной обмотки 4.
0
0
, где: L - погонная распределенная индуктивность однослойной спиральной обмотки 4; C - погонная распределенная емкость однослойной стиральной резонансной обмотки 4.
01
02
02
c1
02
01
0
0
-1/2
Скорость распространения ϑ волны тока I и сопровождающей ее волны напряжения U=Z·I равна ϑ=(L·C).
Рассмотрим предварительно вариант холостого хода резонансной высокочастотной обмотки 4, т.е. случай, когда проводник 5 отсутствует.
01
01
Поскольку скорость ϑ не зависит от направления вдоль обмотки 4 (вправо или влево), то фронты разбегающейся от середины обмотки 4 волн напряжения и тока достигнут концов однослойной спиральной обмотки 4 одновременно и отразятся из-за отсутствия поглощения электрической энергии на концах обмотки (холостой ход). Если длина l однослойной спиральной обмотки 4 такова, что время распространения T/2 волны тока или напряжения вдоль l составит , где T/2 - время прохождения волны всей длины l однослойной спиральной резонансной обмотки 4; l - длина обмотки 4, а также, если частота тока на выходе питающего генератора 1 такова, что , то волны тока и напряжения в обмотке 4, отражаемые от концов обмотки и порождаемые э.д.с. Е в результате интерференции, создадут стоячие вдоль l волны тока и напряжения.
Стоячая волна характеризуется тем, что вдоль обмотки 4 образуется стационарное состояние колебаний во времени величин тока и напряжения. Причем амплитуды колебаний тока и напряжения зависят от координаты на длине обмотки 4. По концам обмотки 4 установятся нулевые амплитуды колебаний тока (узел тока), а в средней части обмотки будет находиться максимум амплитуды тока (пучность тока). Напряжение предстанет также в виде напряжения с изменяющейся вдоль длины l значения U: на концах обмотки 4 будут иметь место максимумы напряжения (пучности напряжения), в середине, т.е. на расстоянии l/2 от концов обмотки 4, будет располагаться нуль напряжения (узел напряжения). Учитывая, что длина волны λ распространяющегося колебания вдоль обмотки 4 составляет , получается, что вдоль обмотки 4 укладывается
.
Состояние, при котором вдоль обмотки образуются в результате интерференции прямых и отраженных волн стоячие волны, называют резонансным, а резонатор, вдоль которого укладывается половина стоячей волны, - полуволновым резонатором, или полуволновым вибратором.
Необходимо обратить внимание на тот факт, что вдоль длины l в стоячей волне пучности напряжения находятся в точках, где размещаются узлы тока и, наоборот, узлы напряжения находятся в точках, где находятся пучности тока. Это происходит из-за разной природы механизма отражения волн тока и напряжения от торцов обмотки 4. Таким образом, если настроить генератор 1 в резонанс с однослойной спиральной резонансной обмоткой 4, то на обоих концах обмотки 4 образуются пучности напряжения и узлы тока.
02
02
02
02
01
01
01
01
02
AB
L
AB
Однослойная спиральная резонансная обмотки 6 конструктивно идентична обмотке 4, следовательно, электрофизические параметры ϑ, Z, L, С обмотки 6 равны ϑ, Z, L, С обмотки 4. При этих условиях обеспечение электрического контакта областями, где локализируются пучности напряжения, т.е. концами обмоток, сопровождается переходом энергии из обмотки 4 в обмотку 6, где в свою очередь развиваются стоячие волны напряжения и тока, идентичные волнам напряжения и тока на обмотке 4. При этом соединительная вставка однопроводной линии L оказывает малое влияние на процесс распространения волн и установление равновесного размещения волн вдоль резонансной системы L, так как время T прохождения волн вдоль однопроводной линии L составляет незначительную долю времени прохождения волн вдоль спиральных, однослойных обмоток 4 и 6.
,
где с - скорость света.
Полное время прохождения волн напряжения и волн тока вдоль всей однопроводной системы составит:
AB
AB
. Поскольку время прохождения волн вдоль одной обмотки составляет  и при этом на спиральной однослойной обмотке укладывается половина λ/2 длины стоячей волны, то можно считать, что вдоль L укладывается полная длина волны λ=L.
В середине спиральной однослойной обмотки 6 формируется пучность тока, а соответственно, и пучность магнитного поля. Размещение в пучности магнитного поля низковольтной обмотки 7 обеспечивает генерацию в обмотке 7 э.д.с., которая через электрический конденсатор 8 вызывает ток в нагрузке 9:
.
он
Здесь: I - ток нагрузки 9;
L7
JX - реактивное индуктивное сопротивление обмотки 7;
C8
-JX - реактивное емкостное сопротивление электрической емкости 8;
н
r - сопротивление нагрузки;
7
r - омическое сопротивление обмотки 7 с учетом сопротивления потерь энергии в обмотке 7, 6 и конденсаторе 8.
Мощность в нагрузке 9 составит .
Приемный низковольтный контур из обмотки 7 и конденсатора 8 настраивается в резонанс с частотой питающего генератора 1, так что
.
Таким образом, мощность, развиваемая в нагрузке, составит .
AB
При этом вдоль системы передачи электрической энергии L укладывается целая длина волны λ.
Резонансные частоты низковольтных, питающего из конденсатора 3 и обмотки 4 контура, а также энергоснимающего из обмотки 7 и конденсатора 8 контура равны частоте тока генератора 1.
При выполнении режимов резонанса все реактивные сопротивления компенсируются, а на однопроводной линии передачи электрической энергии, соединяющей передающий полуволновой вибратор, образующийся из однослойной спиральной обмотки 4 и принимающего энергию полуволнового вибратора, образующегося из однослойной спиральной обмотки 6, размещается узел тока, что и является причиной малости электрических потерь на линии передачи L и высокой эффективности передачи энергии по резонансной однопроводной системе передачи энергии, содержащей два полуволновых вибратора, не соединенных с землей.
На фиг. 2 представлена электрическая схема способа и устройства с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, выполненными в виде однослойных спиральных обмоток, на средних частях которых размещаются низковольтные обмотки, высоковольтные выводы резонансных обмоток обоих трансформаторов соединены между собой с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии передачи электрической энергии, так, что при возбуждении системы передачи на одной из резонансных частот длина стоячей волны, возбуждаемой вдоль системы передачи, оказывается равной
,
AB
где λ - длина стоячей волны; L - длина электрической цепи между серединами высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток высокочастотных резонансных, повышающего и понижающего, трансформаторов, L - расстояние между резонансными трансформаторами 4 и 6, n - целое число из ряда (1, 2…).
г
Питающим источником электрической энергии является генератор 1, генерирующий на выходе переменный ток повышенной и управляемой частоты f. Электрическая энергия подается через электрический конденсатор 2 на низковольтную обмотку 3 резонансного повышающего трансформатора. Высоковольтная обмотки 4 резонансного повышающего трансформатора выполнена в виде однослойной спиральной обмотки, имеющей длину намотки l. Низковольтная обмотка 3 повышающего резонансного трансформатора размещена поверх однослойной спиральной высоковольтной обмотки 4 в средней ее части. Высоковольтные выводы однослойной спиральной резонансной обмотки 4 электрически соединены с проводниками 5.1 и 5.2, имеющими длину L, которые своими другими концами электрически соединены с высоковольтными выводами однослойной спиральной резонансной обмотки 6 понижающего резонансного трансформатора.
Длина однослойной спиральной обмотки 6 равна l. В средней части высоковольтной резонансной обмотки 6 поверх нее размещена низковольтная обмотка 7. Последовательно к низковольтной обмотке 7 электрически подсоединен электрический конденсатор 8. Электрический конденсатор 8 и низковольтная обмотка 7 образуют последовательно резонансный контур. Последовательный контур из 7 и 8 подключен к электрической нагрузке 9. Резонансная частота последовательного контура из емкости 2 и низковольтной обмотки 3 равна , где L - индуктивность низковольтной обмотки 3; С - емкость конденсатора 2.
При равенстве времени прохождения электрической волной от одного вывода высокочастотной однослойной спиральной обмотки 4 до ее другого вывода половине длительности периода колебания питающего тока повышенной частоты
,
в высоковольтной однослойной спиральной обмотке 4 возбуждаются резонансные колебания с длиной волны λ=2l и на выводах обмотки 4 возбуждаются противофазные во времени высокие электрические потенциалы, т.е. на выводах развиваются пучности напряжения, а в середине обмотки 4 устанавливается узел напряжения, в то же время в середине обмотки 4 развивается пучность тока, а на выводах обмотки 4 оказываются узлы тока.
Колебания потенциалов на выводах обмотки 4 во времени противофазны и через проводники 5.1 и 5.2 возбуждают колебания электрического тока в высоковольтной резонансной обмотке 6, выполненной в виде однослойной спиральной обмотки длиной l. Конструкция высоковольтной резонансной спиральной обмотки 6 идентична конструкции обмотки 4, поэтому ее резонансные характеристики идентичны характеристикам обмотки 4:
02
, где ϑ - скорость распространения волн тока и напряжения вдоль обмотки 6. Таким образом, в обмотке 6 устанавливаются резонансные колебания с длиной волны λ=2l
На выводах обмотки 6 развиваются пучности напряжения и узлы тока, в средней части обмотки развивается пучность тока и узел напряжения. Вдоль контура, включающего в себя обмотку 4, проводник 5.1, обмотку 6 и проводник 5.2, укладывается полная длина волны λ резонансного колебания. При этом на проводниках 5.1 и 5.2 располагаются пучности напряжения и узлы тока, напряжения на проводниках 5.1 и 5.2 противофазны во времени, что способствует концентрации электрического поля между проводниками 5.1 и 5.2 и образованию узлов тока в проводниках 5.1 и 5.2. Токи в проводниках 5.1 и 5.2 не только являются узловыми, но и синфазными между собой, что позволяет считать их самостоятельными, а не продолжением один другого, что дает основание формально считать две ветви между точками А и В контура «обмотка 4 - проводник 5.1 - обмотка 6 - проводник 5.2» самостоятельными однопроводными ветвями, включенными параллельно.
AB
Одна однопроводная ветвь «точка А - верхняя половина обмотки 4 - проводник 5.1 - верхняя половина обмотки 6 - точка В»; другая однопроводная ветвь « точка А - нижняя половина обмотки 4 - проводник 5.2 - точка В». Обе однопроводные линии идентичны по своим электрофизическим параметрам и имеют одинаковую длину L=λ/2, каждая из них передает в нагрузку 9 из источника электрической энергии (генератора 1) половину общей мощности.
Низковольтная энергоснимающая обмотка 7 расположена на середине однослойной спиральной резонансной обмотки 6 понижающего резонансного трансформатора, т.е. в месте локализации пучности тока. Низковольтная обмотка 7 подключена к нагрузке через электрический конденсатор 8. Низковольтная обмотка 7 и конденсатор 8 образуют последовательный контур 7-8. Резонансная частота низковольтного контура 7-8 понижающего резонансного высокочастотного трансформатора
,
02
01
где L - индуктивность низковольтной обмотки 7, С - емкость конденсатора 8. Частота f=f.
На фиг. 3 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, высоковольтные обмотки 4 и 6 которых выполнены в виде однослойных спиралей и соединены между собой с помощью одного проводника однопроводной линии 5 передачи электрической энергии, другие выводы высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов остаются свободными, низковольтные обмотки 3 и 7 располагаются посередине высоковольтных обмоток 4 и 6, а к концам высоковольтных обмоток электрически подключены электропроводящие сферы 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, обладающие естественными емкостями.
г
Питание системы передачи электрической энергии производится от генератора 1 на резонансной частоте f, равной
01
02
, где: f, f - резонансные частоты высокочастотных трансформаторов со сферическими емкостями 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 на концах высоковольтных обмоток 4 и 6; L - индуктивность однослойных спиральных высоковольтных обмоток 4 и 6 резонансных трансформаторов; С - электрическая емкость резонансной системы, содержащей однослойную спиральную обмотку и две сферические естественные емкости на торцах однослойных обмоток.
Передача энергии от генератора повышенной частоты 1 в систему передачи электроэнергии осуществляется с помощью последовательного резонансного контура, образуемого низковольтной обмоткой 3 и конденсатором 2. Низковольтная обмотка 3 располагается в середине высоковольтной резонансной однослойной спиральной обмотки 4. В средней части высоковольтной резонансной обмотки 4 при резонансе развивается пучность тока. Таким образом, низковольтная обмотка 3 оказывается в пучности тока обмотки 4, это способствует повышению эффективности передачи энергии из источника электрической энергии 1 через последовательный контур 2-3 в высоковольтную обмотку 4.
02
01
г
На торцах высоковольтной обмотки 4 развиваются пучности потенциалов, под этими же потенциалами находятся и сферические электрические емкости 10.1; 10.2. Полярности потенциалов сферических емкостей 10.1; 10.2 противоположны (антифазны). По однопроводной линии L потенциал сферической емкости 10.2 сообщается сферической емкости 10.3, электрически соединенной с цилиндрической спиральной резонансной обмоткой 6. К другому торцу обмотки 6 подключена сферическая электрическая емкость 10.4. Однопроводная линия передачи электрической энергии возбуждает резонансную однослойную спиральную обмотку 6 со сферическими емкостями 10.3 и 10.4 на торцах на резонансной частоте f=f=f.
В результате резонансного возбуждения в середине обмотки 6 развивается пучность тока. В области пучности тока (середина обмотки 6) располагается обмотка 7 для съема электрической энергии с резонансной обмотки 6. Электрическая энергия из обмотки 7 через электрическую емкость 8 поступает в нагрузку 9. Ни одна точка энергопередающей системы не соединена с землей, что исключает потери электрической энергии в заземлителях, а размещение на предающей однопроводной линии 5 узла тока обеспечивает минимум потерь на линии L.
На фиг. 4 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, высоковольтные обмотки 4 и 6 которых выполнены в виде однослойных спиралей и соединены между собой с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии 5.1 и 5.2 передачи электрической энергии, так, что при резонансном возбуждении однослойной обмотки 4 повышающего резонансного трансформатора на концах обмотки 4 развиваются пучности напряжения, а на середине обмотки 4 развивается пучность тока. Возбуждение резонансной обмотки 4 производится низковольтной обмоткой 3 через электрическую емкость 2 от источника переменного тока повышенной частоты 1. На торцах резонансной однослойной спиральной обмотки 4 размещаются электропроводящие сферы 10.1 и 10.2, сферы электрически соединены с выводами обмотки 4.
При работе системы передачи электроэнергии антифазные потенциалы выводов обмотки 4 по двум однопроводным линиям 5.1 и 5.2, образующим двухцепную однопроводную систему, переносятся на выводы высоковольтной однослойной спиральной резонансной обмотки 6 понижающего резонансного трансформатора. Конструктивно спиральная обмотка 6 понижающего спирального трансформатора выполнена аналогично обмотке 4. К высоковольтным выводам обмотки 6 электрически присоединены сферические электрические емкости 10.3 и 10.4, конструктивно представляющие собой аналоги сферических электрических емкостей 10.1 и 10.2. Возбуждаемая с двух сторон антифазными потенциалами резонансная система из однослойной спиральной обмотки 6 и двух сферических электрических емкостей 10.3 и 10.4 генерирует в средней части обмотки 6 пучность тока и на торцах обмотки 6 пучности потенциала. В области пучности тока на обмотке 6 размещена низковольтная обмотка 7 для съема электрической энергии из понижающего трансформатора в нагрузку 9. Обмотка 7 подключается к нагрузке 9 через электрический конденсатор 8, служащий для снижения реактивного сопротивления в цепи нагрузки 9, в результате чего в контуре «низковольтная обмотка 6 - электрическая емкость 8» создается режим резонанса напряжений.
Пример выполнения способа и устройства для передачи электрической энергии
В качестве генератора высокой частоты использовался лабораторный генератор синусоидальных колебаний Г-33. Выходная мощность сигнала не более 3 Вт, диапазон изменяемой частоты выходного переменного тока (20-220000) Гц. Выходное напряжение не более 20 В.
2
Резонансные однослойные спиральные обмотки обоих, повышающего и понижающего, трансформаторов намотаны на стеклотекстолитовых каркасах диаметром D=120 мм. Длина намоток составляет l=1900 мм. Диаметр медного провода ПЭВ-0,63 составляет d=0,63 мм. Шаг намотки принимается равным τ=0,65 мм (с учетом толщины изоляции). Посередине резонансной обмотки расположена низковольтная обмотка, выполненная многожильным медным проводом, сечением 10 мм. Число витков низковольтной обмотки равно 10.
Числа витков резонансных спиральных обмоток равняются
.
Расчетная индуктивность составила
.
0
Здесь: µ - магнитная проницаемость вакуума; D - диаметр каркаса, м; l - длина намотки, м; К - коэффициент влияния торцов обмотки (поправочный).
При  коэффициент равен К = 0,975 (Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга = 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986. Стр. 251).
. Принимаем L = 61,3 мГн.
Реальная индуктивность составила L = 63,0 мГн, погонная индуктивность
.
При возбуждении резонансной однослойной спиральной обмотки резонансная частота в полуволновом режиме резонанса составила 195 кГц. Следовательно, скорость распространения волны вдоль спиральной полуволновой обмотки составила .
01
01
Здесь: T - период колебания, f - частота резонанса.
.
Учитывая, что скорость распространения волны вдоль спиральной обмотки соленоида при малых энергетических потерях в обмотке равняется , расчетное значение погонной емкости составит:
.
0
0
С = 55 пФ/м. Общая емкость обмотки С=Cl=С=55·1,9=105 пФ.
0
2
При соединении между собой повышающего и понижающего трансформаторов, резонансная частота полуволновой системы составила f=190 кГц. Напряжение на линии передачи L равнялось 1500 В. Низковольтная обмотка 7 намотана многожильным проводом, содержит 10 витков, сечение провода 10 мм. В качестве нагрузки использована лампа накаливания. При резонансе мощность, выделяемая на лампе, составила 2,3 Вт.
Емкости конденсаторов последовательных резонансных контуров между генератором тока повышенной частоты и однослойной спиральной резонансной обмоткой, а также между однослойной спиральной резонансной обмоткой принимающего трансформатора и электрической нагрузкой системы, определяются следующим соотношением:
,
где С - емкость конденсаторов в последовательных резонансных контурах, Ф;
н
L - индуктивность низковольтных обмоток повышающего и понижающего трансформаторов, Гн;
0
f - резонансная частота системы, Гц.
н
Индуктивности низковольтных обмоток составили L=0,03 мГн (с небольшим, менее 5%, разбросом).
Емкости последовательных контуров равны
.
Волновое сопротивление резонансных однослойных спиральных катушек равнялось
.
0
Емкость проводящих сфер, устанавливаемых на торцы резонансных спиральных однослойных обмоток, составляет С=4πεR,
0
где ε - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; R - радиус проводящей сферы, м.
В варианте практической реализации радиус сфер, устанавливаемых на торцы спиральных обмоток составлял R = 0,35 м. Электрическая емкость сфер равнялась:
.
Подключение к концу резонансной обмотки емкости эквивалентно удлинению обмотки. Удлинение составляет
,
c
где Z - волновое сопротивление спиральной обмотки, Ом;
0
ω - резонансная частота, рад/сек;
С - электрическая емкость подключаемого сферического конденсатора, Ф;
β - фазовая постоянная распространения электромагнитного колебания вдоль спиральной обмотки, рад/м.
Здесь: .
Таким образом, величина удлинения будет равна
.
Эффективная длина полуволнового вибратора со сферическими емкостями на концах составит:
.
При скорости волны вдоль вибратора  частота собственных резонансных колебаний зашунтированного сферическими емкостями вибратора составит:
.
В результате использования предлагаемого изобретения при передаче электроэнергии снижается потребление цветных металлов за счет размещения узла тока стоячей волны на линии передачи, улучшается эффективность передачи за счет исключения электрических потерь в заземлителях, а также возможна передача электрической энергии по одному проводнику между объектами независимо от земли, например, находящимися в атмосфере, стратосфере или космосе.