Способ и устройство для передачи электрической энергии (варианты)
METHOD AND DEVICE FOR TRANSMISSION OF ELECTRIC POWER (VERSIONS)

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам и способам для передачи электрической энергии с применением резонансных технологий между стационарными объектами, а также между стационарными питающими устройствами и мобильными агрегатами, принимающими электроэнергию.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны способ и устройство для преобразования и передачи электрической энергии по однопроводной линии на большие расстояния, разработанные Н. Тесла в 1897 году. (Н.Тесла. US патент № 593138). Электрический трансформатор. Заявлен 20.03.1897 г. Выпущен 02.11.1897 г. Н. Тесла 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 для передачи электрической энергии. Низковольтная обмотка принимающего трансформатора подключена к нагрузке, потребляющий энергию.
В результате соединения одного из выводов однослойных высоковольтных спиральных обмоток с землёй, а других выводов этих обмоток с проводом, соединяющим высоковольтные выводы спиральных обмоток, создаются условия для возникновения стоячих волн электромагнитных колебаний вдоль высоковольтных обмоток с длиной полуволны, определяемой элементами системы передачи, включёнными между заземленными выводами передающего и принимающего трансформаторов.
Энергия, поступающая в систему передачи из источника, проходит вдоль системы до нагрузки, и в случае неполного поглощения или отсутствия поглощения в нагрузке, отражается от нагрузки обратно в систему передачи. Бегущие навстречу друг другу, сдвинутые на половину длины волны электромагнитные колебания, интерферируют между собой, образуют стоячую волну с пучностями тока в заземленных выводах и узлом тока на проводе, соединяющим высоковольтные выводы резонансных четвертьволновых трансформаторов. Полуволна напряжения сдвинута в пространстве и во времени по отношению к полуволне тока и поэтому пучность потенциала располагается на высоковольтных выводах трансформаторов и линии передачи, а, соответственно, узлы потенциала размещаются на заземленных выводах трансформаторов.
Недостатком известного способа и устройства передачи электрической энергии являются большие энергетические потери в заземлителях низкопотенциальных выводов резонансных спиральных обмоток резонансных трансформаторов. Кроме этого замыкание токов смещения с проводника линии передачи на землю приводит к возникновению потерь в земле под проводником линии. Недостатком также является наличие низковольтной обмотки из-за потерь в ней и необходимости организовывать последовательный резонансный контур между генератором и резонансной четвертьволновой обмоткой передающего трансформатора.
AB
AB
Известен способ и устройство для передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух, повышающего и понижающего, высокочастотных резонансных трансформаторов, повышения потенциалов обоих выводов высоковольтной, резонансной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему высокочастотному резонансному трансформатору, понижения потенциала и передаче электрической энергии нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки трансформатора к двум клеммам нагрузки, при этом резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны λ = L /2n , 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 резонансных трансформаторов, генератора от повышающего к понижающему по однопроводной линии электрическую энергию 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 в нагрузке (Способ и устройство для передачи электрической энергии (Варианты). Патент номер 2572360.RU C2. H02J3/00. Трубников В.З.(RU), Стребков Д.С. (RU), Некрасов А.И. (RU). Заявка 18.10.2013. Выдан 08.12.2015.).
Недостатком известного способа и устройства для передачи электрической энергии является наличие низковольтных обмоток и высокопотенциальной однопроводной линии передачи, нуждающиеся в несущих опорах с высокой электрической прочностью изоляции от земли.
Недостатком известного способа и устройства является также большие капитальные затраты при реализации способа передачи, которые окупаются лишь при применении известного метода в глобальном масштабе но делают применение метода проблематичным при передаче на небольшие расстояния например 5-30 км.
Наиболее близким к предлагаемому решению является известный резонансный способ и устройство для передачи электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты, передающего и принимающего трансформаторов Тесла и однопроводной линии, при этом однопроводная линия передачи включена между низкопотенциальными выводами передающего и принимающего трансформаторов Тесла. С помощью возбуждающей обмотки в резонансной обмотке передающего трансформатора Тесла возбуждают 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 понижающий обмотки передают энергию в нагрузку, при этом высокопотенциальные выводы трансформаторов Тесла оставляют не подключенными. Способ и устройство для передачи электрической энергии. Патент номер 2577522.RU.C2. Трубников В.З.(RU) Стребков Д.С. (RU) Некрасов А.И. (RU) Руцкой А.С. (RU) Моисеев М.В. (RU) Подана заявка 19.05.2014 г. Выдан 20.03.2016 г.
Недостатком известного способа и устройства является наличие низковольтных обмоток у передающего и принимающего трансформаторов Тесла, из-за чего вдоль канала передачи электрической энергии от источника энергии до нагрузки последовательно выстраиваются четыре резонансных устройства: последовательный резонансный контур передающей низковольтной обмотки, с помощью взаимной индуктивности связаной с четвертьволновой резонансной высокопотенциальной обмоткой передающего трансформатора Тесла, низкопотенциальной вывод которого с помощью линий передачи электрической энергии соединен с низкопотенциальным выводом четвертьволновой резонансной высокопотенциальной обмотки принимающего трансформатора Тесла, в области пучности тока которой расположена индуктивно связанная с высокопотенциальной обмоткой низкопотенциальная понижающая обмотка, питающая через электрическую ёмкость, образующую с понижающей обмоткой низковольтный последовательный резонансный контур, нагрузку.
Процесс настройки в резонанс черырех резонирующих устройств представляет определенную техническую трудность. При этом удовлетворительный коэффициент полезного действия может быть достигнут только при тщательной настройке в резонанс всех четырех резонирующих систем и обеспечении оптимальных взаимной индуктивной связи между низковольтными и высоковольтными обмотками передающего и принимающего трансформаторов Тесла.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности резонансной передачи электроэнергии, снижение расхода меди за счёт исключения понижающих обмоток в резонансных четвертьволновых трансформаторх Тесла, упрощение конструкции трансформаторов Тесла, повышение технологичности процесса настройки в резонанс передающего и принимающего трансформаторов Тесла.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность резонансной передачи электрической энергии и, в первую очередь, на небольшие и средние расстояния за счёт применения волнового механизма передачи энергии токами повышенных частот через низкопотенциальные выводы четвертьволновых обмоток. При этом высокопотенциальные выводы четвертьволновых обмоток остаются не подключенными. В результате исключения низковольтных обмоток у трансформаторов Тесла снижается расход меди и упрощается, а, следовательно, удешевляется сам процесс изготовления трансформаторов. При изготовлении системы передачи в результате исключения низкопотенциальных контуров отпадает необходимость в дорогостоящих, мощных, высокочастотных емкостях. В результате уменьшения числа резонирующих объектов в два раза существенно упрощается процесс настройки системы передачи в резонанс. Уменьшение числа резонирующих звеньев также повышает эффективность и надежность передачи.
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 передачи, которую включают между низкопотенциальными выводами передающего и принимающего трансформаторов Тесла, с помощью источника электрической энергии возбуждают в четвертьволновой 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 потенциала на высокопотенциальном выводе, при этом источник электрической энергии и приемник электрической энергии включают непосредственно в линию передачи последовательно друг за другом, источник в непосредственной близости от передающего трансформатора, приемник в непосредственной близости от принимающего трансформатора, при этом высокопотенциальные выводы трансформаторов Тесла оставляют неподключеными.
В другом варианте способа и устройства передачи электрической энергии высоковольтные выводы трансформатора Тесла подключают к уединенным электрическим емкостям, например изолированным электропроводящим сферам или торам В качестве уединенных электрических емкостей могут так-же выступать протяженные проводники.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется Фиг. 1 и Фиг. 2.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг. 1 представлена электрическая схема способа и устройства для передачи электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергией с помощью преобразователя частоты, передающего и принимающего трансформаторов Тесла и однопроводной линии, включённой между низкопотенциальными выводами резонансных однослойных спиральных обмоток трансформаторов Тесла, при этом источник и приемник электрической энергии включены непосредственно в передающую линию.
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, включённой между низкопотенциальными выводами резонансных однослойных спиральных трансформаторов Тесла, при этом источник и приемник электрической энергии включены непосредственно в передающую линию, а высоковольтные выводы подключены, посредством соединительных проводников, к сферическим или тороидальным емкостям поднятыми над землёй, а длина соединительных проводников по меньшей мере в 5 раз превосходит диаметр сфер или торов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг. 1 представлена схема электрических соединений элементов между собой. Источник 1 электрической энергии (в приведённой схеме в качестве источника 1 использована промышленная трехфазная сеть 380 В, 50-60 Гц) соединён со входом преобразователя 2 частоты. Преобразователь 2 частоты преобразует энергию из формата три фазы, 380 В, 50-60 Гц в энергию переменного тока повышенной частоты (0,5-200 кГц). Выход преобразователя частоты 2 включен в передающую однопроводную линию 4. Последовательно с преобразователем 2 частоты в передающую линию 4 включены инверторный модуль 16 и нагрузка 17. Передающая линия 4 своим началом соединена с низкопотенциальным выводом 6 спиральной обмотки 5 четвертьволнового трансформатора 3. Окончанием однопроводная линия 4 соединена с низковольтным выводом 15 однослойной спиральной обмотки 13 резонансного принимающего трансформатора Тесла 14. Высоковольтные выводы 7, 12 передающего и принимающего трансформаторов Тесла 3 и 14 оставлены не подключенными. Спиральные четвертьволновые резонансные обмотки 5 и 13 трансформаторов Тесла 3 и 14 представляют собой однослойные катушки индуктивности с распределенными электрическими параметрами.
На Фиг. 2 представлена схема электрических соединений элементов резонансной системы для передачи электрической энергии с применением резонансных трансформаторов Тесла, низкопотенциальные выводы которых соединены однопроводной линией передачи электрической энергии, а высоковольтные выводы через соединительные проводники подключены к уединенным электрическим емкостям. Источник электрической энергии 1 соединен со входом преобразователя частоты 2. Преобразователь частоты 2 преобразует электрическую энергию из формата источника 1 в формат переменного тока повышенной частоты (0,5-200 кГц). Выход преобразователя частоты 2 включён в однопроводную линию 4. Последовательно с преобразователем частоты 2 в передающую линию 4 включён инверторный модуль 16 и нагрузка 17. Передающая линия 4 своим началом соединена с низкопотенциальным выводом 6 спиральной обмотки 5 четвертьволнового трансформатора 3. Окончанием однопроводная линия 4 соединена с низковольтным выводом 15 однослойной спиральной обмотки 13 резонансного принимающего трансформатора Тесла 14. Высоковольтные выводы 7 и 12 передающего и принимающего трансформаторов Тесла 3 и 14 подключены к сферическим или тороидальным емкостям 9 и 10. Спиральные четвертьволновые резонансные обмотки 5 и 13 трансформатор Тесла 3 и 14 представляют собой однослойные катушки индуктивности с распределенными электрическими параметрами. К высоковольтным выводам 7, 12 передающего и принимающего трансформаторов Тесла 3 и 14 подключены с помощью соединительных проводников 8, 11 уединенные электрические емкости 9, 10.
Устройство для передачи электрической энергии работает следующим образом. Электрическая энергия источника 1 (Фиг. 1) подается в преобразователь частоты 2, выполняющий роль генератора тока повышенной частоты с возможностью управления частотой тока и с формой напряжения на выходе преобразователя в виде «меандр». Генерация напряжения с формой «меандр» позволяет преобразователю 2 работать с минимальным количеством коммутаций тока. Поскольку к выходным клеммам преобразователя 2 подключается резонансная система, ток на выходе преобразователя 2 имеет синусоидальную форму.
0
Частота преобразованного тока равна частоте собственного резонанса четвертьволновых резонансных трансформаторов 5, 13. В результате этого возбуждаемый в линии передачи электрической энергии 4 ток «раскачивает» электрические колебания в высоковольтных резонансных обмотках 5, 13 на их собственной частоте f. Поскольку обмотки 5, 13 выполнены в виде четвертьволновых отрезков однослойной соленоидальной намотки, резонансная частота обмоток 5, 13 оказывается равной:
01
02
Здесь: f, f - частоты собственных резонансов обмоток 5, 13, Гц;
0
L - погонная индуктивность однослойной намотки, Гн/м;
0
C - погонная емкость однослойной намотки, Ф/м;
b - длина обмоток 5, 13, м.
0
0
Физическая сущность выражения 1 состоит в следующем. Однослойная соленоидальная намотка, обладая распределенными (погонными) индуктивностью (L) и емкостью (C), обеспечивает возможность возникновения и перемещения вдоль неё волн электромагнитной энергии. Скорость распространения волны вдоль бесконечно длинный соленоидальной намотки равна:
V
0
Здесь:  - скороть волны, м/с.
Конкретная обмотка имеет определенную длину (b). Поэтому время пробега волной намотки длиной b составит:
Поскольку длина намотки высоковольтных четвертьволновых обмоток пробегается волной за четверть периода, то период полного колебания (четырехкратного пробега) составляет:
Частота, соответствующая полученному периоду будет равна:
0
Возбуждаемый в передающей линии 4 преобразователем 2 электрический ток возбуждает резонансные обмотки 5, 13 и протекает при этом по включённым в линию передачи 4 инвертирующему модулю 16 и нагрузке 17. Передающий 3 и принимающий 14 трансформаторы Тесла выполняют роль электрических отражателей с обеих сторон линии 4. Через инвертирующий модуль 16, таким образом, протекает синусоидальный переменный ток с частотой f, отфильтрованный из меандра резонансными четвертьволновыми обмотками 5, 13. В линии передачи 4 оказываются последовательно включенными в одну цепь преобразователь частоты, 2 играющий роль источника энергии 2 и, потребляющий энергию, инверторный модуль 16 передающий ее нагрузке 17. так, что преобразователь 2 поставляет электроэнергию в линию 4, нагрузка 16-17 потребляет, извлекая, энергию из линии 4.
Принцип работы системы для передачи энергии, изображенной на Фиг. 2, аналогичен принципу работы системы по Фиг. 1. Отличие состоит в том, что высоковольтные выводы 7, 12 четвертьволновых резонансных трансформаторов Тесла 5, 13 нагружены на изолированные от земли уединенные электрические ёмкости 9, 10 с помощью проводников в 8, 11. В качестве емкостей могут выступать сферы, торы, протяженные проводники и тому подобное.
Емкость в случае применения сфер определяются выражениями:
сф
Здесь: C, - естественная электрическая емкость уединенной проводящей сферы, Ф;
ɑ
- радиус проводящей сфры, м;
0
0
-12
ε - диэлектрическая постоянная, ε = 8.85⋅10, Ф/м.
C
C
Нагружение на ёмкости 9, 10 четвертьволновых резонаторов 5, 13 приводит к снижению резонансной частоты (1) и волнового сопротивления трансформаторов Z. Снижение волнового сопротивления Z может быть полезным при необходимости увеличения энергетической пропускной способности системы передачи.
Пример 1 реализации способа передачи электрической энергии. Четвертьволновая обмотка выполнена проводом ПЭВ-2 в виде однослойной спирали. Диаметр провода - 0,63 мм, диаметр каркаса для обмотки 145 мм, длина намотки 900 мм. Каркас изготовлен из стеклотекстолита , длина каркаса 1000 мм. Число витков - 1300. Резонансная частота - 175 кГц.
Оба трансформатора идентичны друг другу. Трансформаторы соединены одножильным кабелем, длина кабеля - 100 м. В качестве нагрузки применена лампа накаливания мощностью 96 Вт (220в). Частота выходного тока 175 кГц, с возможностью вариации ±50%. Форма напряжения меандр. Во время работы высоковольтные выводы обоих резонансных трансформаторов были изолированы и оставались неподключенными.
Потенциал передающей однопроводной линии составлял 0.1 кВ. Ток в линии передачи равнялся 0.4 А. Потенциалы высоковольтных выводов резонансных трансформаторов равнялись 3.5 кВ.
Пример 2 реализации способа передачи электрической энергии. В качестве передающего взят резонансный четвертьволновой трансформатор с высоковольтным выводом, соединённым со сферой. Сфера выполнена из алюминиевого листа холодным формованием. Диаметр сферы 0,4 м, расстояние от высоковольтного торца четвертьволнового трансформатора - 2.0 м. Четвертьволновая обмотка выполнена проводом ПЭВ-2, диаметр провода 0.63 мм, в виде однослойной спирали. Диаметр каркаса для обмотки 145 мм, длина обмотки 900 мм. Материал каркаса -стеклотекстолит. Длина каркаса - 1000 мм. Число витков 1300. Резонансная частота равнялась 95 кГц. В качестве принимающего использован аналогичный по конструкционным параметрам трансформатор. Трансформаторы соединены между собой однопроводной низкопотенциальной линией передачи электрической энергии, подсоединенной к низкопотенциальным выводам четвертьволновых обмоток резонансных трансформаторов Тесла. Однопроводная линия выполнена одножильным кабелем без экрана. Длина передающего кабеля составляет 100 м. В качестве нагрузки использована лампа накаливания мощностью 96 Вт (220В). Частота выходного тока генератора с возможностью девиации ±50%. Форма выходного напряжения - меандр. Потенциал передающей линии составил - 0.15 кВ. Ток в линии передачи был равен 0.45 А. Потенциал высоковольтных выводов резонансных трансформаторов составил 2.0 кВ.
Предлагаемое изобретение повышает эффективность резонансной передачи электрической энергии и, первую очередь, на небольшие и средние расстояния за счёт применения волнового механизма передачи энергии токами повышенной частоты через низкопотенциальной вывод четвертьволновых обмоток. При этом высокопотенциальные выводы четвертьволновых обмоток остаются неподключенными. В результате исключения низковольтных обмоток у трансформатора Тесла снижается расход меди, упрощается, а следовательно, удешевляется процесс изготовления трансформаторов. В результате исключения низкопотенциальных контуров отпадает необходимость в дорогостоящих, мощных высокочастотных емкостях. В результате уменьшения числа резонирующих объектов в 2 раза - существенно упрощается процесс настройки системы передачи в резонанс. Уменьшение числа резонирующих звеньев также повышает эффективность и надежность передачи. Снижаются требования к электрической прочности системы из-за отсутствия высокого потенциала на передающей линии. Ёмкость одножильного кабеля на землю оказывает слабое влияние на резонансные обмотки, в виду низкого потенциала на энергопроводящей жиле кабеля. Отсутствие заземлителей существенно снижает капитальные затраты при вводе системы в эксплуатацию.
Предлагаемый способ улучшает экологическую обстановку вдоль трассы передачи электрической энергии связи со снижением интенсивности электрических полей.