СПОСОБ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК B60L9/00 

Изобретение относится к технике беспроводной передачи энергии и может быть использовано для электропитания троллейбусов, электромобилей, электропогрузчиков, трамваев, электротракторов, электровозов, переносных компьютеров, мобильных телефонов и других электронных устройств.

Известен способ беспроводной передачи электрической энергии с помощью электромагнитной индукции. В этом случае провода однофазной тяговой линии из двух изолированных кабелей, соединенных накоротко в конце линии и присоединенных к подстанции переменного тока, передают энергию через воздушный зазор к приемнику из нескольких витков провода, образующих вторичную обмотку трансформатора. Приемник устанавливают на электротранспортном средстве и перемещают относительно линии. Переменный магнитный поток, создаваемый током в линии, индуктирует в обмотке приемника через воздушный зазор электродвижущую силу (ЭДС), как в обычном трансформаторе. Для индукционной бесконтактной передачи используют ток высокой частоты 2-20 кГц. Для рельсового транспорта применяют верхнюю воздушную подвеску высокочастотных тяговых кабелей, а для безрельсового транспорта подземную прокладку тяговых кабелей (В.Е.Розенфельд, Н.А.Староскольский. Высокочастотный бесконтактный электрический транспорт. Москва, «Транспорт», 1975 г., стр.4-8).

Недостатком известного способа и устройства бесконтактной передачи электрической энергии на транспортное средство являются большие потери в тяговой линии из-за большого индуктивного сопротивления проводов при высокой частоте. Вследствие высокой частоты в витках обмотки приемника и в кабельной линии возникают значительные ЭДС самоиндукции, активная составляющая которой направлена встречно по отношению к напряжению подстанции, питающей тяговую сеть. Для компенсации индуктивного сопротивления и ЭДС самоиндукции в линии и в приемнике последовательно включают конденсаторы. Для снижения рассеивания энергии производят транспозицию - перекрещивание тяговых кабелей, при этом в местах транспозиции возникают затруднения с питанием транспортного средства, так как в токе перекрещивания тяговых кабелей в приемнике не наводится ЭДС. Из-за высокой стоимости и низкого КПД бесконтактного метода передачи электрической энергии с помощью электромагнитной индукции этот способ не нашел практического использования.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ питания электротранспортных средств и устройство для его осуществления путем подачи электрической энергии через высокочастотный преобразователь и однопроводниковую контактную сеть к индивидуальным токоприемникам транспортных средств методом электростатической индукции через воздушный промежуток между изолированной однопроводниковой линией и токоприемником от резонансной однопроводниковой системы электропитания на частоте 0,1-400 кГц и напряжении в линии 0,5-1000 кВ (патент РФ №2297928, МПК B60L 9/00, БИ №12, 2007).

Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник электрической энергии, к которому присоединен преобразователь частоты, и однопроводниковую линию для каждой полосы движения и токоприемники электротранспортных средств, устройство выполнено в виде резонансной электрической системы с резонансной частотой 0,1-400 кГц и напряжением однопроводниковой линии 0,5-1000 кВ с воздушным зазором 0,1-50 м между однопроводниковой линией и токоприемником, устройство содержит два, один передающий и один приемный, резонансных контура, настроенных на одинаковую частоту f₀=0,1-100 кГц, вход передающего контура присоединен к преобразователю частоты, а выход через резонансный повышающий трансформатор и однопроводниковую линию через воздушный зазор к токоприемнику; токоприемник выполнен в виде тонкого изолированного листа из проводящего материала и установлен на транспортном средстве параллельно однопроводниковой линии, вход второго приемного резонансного контура присоединен к токоприемнику через резонансный понижающий трансформатор, а выход через выпрямитель и блок управления к электродвигателю электротранспортного средства.

Использование известного способа и устройства питания электротранспортного средства обеспечивает повышение эффективности, надежности работы, увеличение срока службы, уменьшение потерь энергии и обеспечение многорядного движения электротранспортных средств. Недостатком известного способа является низкая передаваемая мощность через воздушный зазор между кабельной линией и токоприемником, ограничивающая возможности перемещения транспортного средства и его скорость.

Задачей предлагаемого изобретения является создание беспроводного способа питания электротранспортных средств, мобильных телефонов и других электронных приборов и устройство для его осуществления, обеспечивающего увеличение передаваемой мощности от источника энергии к приемнику.

В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность беспроводной передачи электрической энергии и питания электротранспортных средств, мобильных телефонов и других электронных приборов.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе беспроводной передачи электрической энергии для питания электротранспортных средств, мобильных телефонов и других электронных приборов, предусматривающем подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высоковольтный высокочастотный преобразователь на резонансной частоте f₀, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя, подачу энергии к токоприемникам потребителя осуществляют методом электростатической индукции на частоте 0,1-1000 кГц при напряжении в линии 0,1-1000 кВ через воздушный промежуток между двумя проводящими и экранированными с наружной стороны пластинами воздушного конденсатора, одна из которых является излучающей и присоединена к экранированной изолированной однопроводниковой линии, емкость изолированного экрана однопроводниковой линии компенсируют на резонансной частоте f₀ с помощью индуктивности путем соединения индуктивности к экрану и земле, приемная пластина принимает излучение и встроена в токоприемник потребителя и соединена через резонансный контур, выпрямитель и зарядное устройство с электрической нагрузкой.

Устройство беспроводной передачи электрической энергии для питания электротранспортных средств, мобильных телефонов и других электронных приборов, реализующее данный способ, содержит источник энергии, соединенный с преобразователем частоты и резонансным повышающим трансформатором, однопроводниковую линию и воздушный зазор между однопроводниковой линией и токоприемниками потребителя, однопроводниковая линия выполнена экранированной и соединена с излучающей пластиной воздушного конденсатора, через воздушный промежуток над излучающей пластиной расположена приемная пластина конденсатора, приемная и излучающая пластины с наружной стороны воздушного конденсатора экранированы, приемная пластина подключена к понижающему резонансному трансформатору, низковольтная обмотка которого соединена с выпрямителем и зарядным устройством, причем излучающая пластина установлена на стене, на полу, встроена в мебель или дорожное покрытие, а приемная пластина с понижающим резонансным трансформатором встроена в электронное устройство.

В варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии излучающая и приемная пластины воздушного конденсатора выполнены в виде изолированного металлизированного пластика.

В другом варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии излучающая и приемная пластины выполнены в виде изолированного металлического листа.

Еще в одном варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии излучающая и приемная пластины выполнены в виде изолированной сетки из проводящего материала.

В варианте устройства беспроводной передачи электрической энергии экран однопроводниковой линии изолирован от однопроводниковой линии и от земли и соединен с землей через индуктивность

где f₀ - резонансная частота однопроводниковой линии, а С_э - емкость экрана однопроводниковой линии.

Способ и устройство беспроводной передачи электрической энергии иллюстрируются на фиг.1, 2, где на фиг.1 представлена электрическая схема способа и устройства для беспроводной передачи электрической энергии на мобильное зарядное устройство, и на фиг.2 представлена схема подключения воздушного конденсатора к экранированной однопроводниковой линии.

На фиг.1 электрическую энергию от источника питания 1 преобразуют по частоте в преобразователе частоты 2 и подают на резонансный контур L₀C₀, состоящий из емкости С₀ 3 и индуктивности первичной обмотки L₀ 4, повышающего высокочастотного трансформатора 5. Высоковольтная обмотка 6 трансформатора 5 заземлена через емкость С₁ 7, которая вместе с индуктивностью L₁ обмотки 6 составляет последовательный резонансный контур. Электрическую энергию на резонансной частоте

повышают по напряжению и подают на однопроводниковую изолированную линию 8. Для снижения потерь на излучение изолированная линия 8 снабжена экраном 9, которая выполнена из металлической сетки и имеет дополнительную наружную изоляцию 10. Излучающая пластина 11 и приемная пластина 12 воздушного конденсатора 13 с наружных сторон снабжены слоем изоляции 14 и экраном 15, снижающим потери на излучение в окружающее пространство. Электрическую энергию от однопроводной линии 8 подают на излучающую пластину 11 воздушного конденсатора 13 и затем в виде электромагнитного излучения на частоте f₀ передают на приемную пластину 12, а затем на приемный понижающий трансформатор 16, высоковольтная обмотка 17 которого присоединена к естественной емкости 18. Низковольтная обмотка 19 через емкость С₂ 20 соединена через выпрямитель 21 с заряжаемым мобильным устройством 22. Индуктивность L₂ обмотки 20 и емкость С₂ конденсатора 20 образуют резонансный контур с частотой

На фиг.2 однопроводниковая линия 8 со слоем изоляции 9 и экраном 10 присоединена к излучающей пластине 11 воздушного конденсатора 13. Приемная пластина 12 соединена проводником 23 с высоковольтной обмоткой 17 высокочастотного трансформатора 16. Излучающая 11 и приемная 12 пластины с наружной стороны воздушного конденсатора 13 имеют слой изоляции 14 и экран 15. Экран 10 однопроводниковой линии 8 изолирован от земли 24 слоем изоляции 25 и соединен с землей 24 с помощью индуктивности 26. Индуктивность L_э 26 компенсирует емкость С_э экрана 15 на резонансной частоте f₀ и рассчитывается по формуле

Пример выполнения способа и устройства беспроводной передачи электрической энергии

Преобразователь частоты 2 мощностью 100 Вт питает повышающий высокочастотный резонансный трансформатор 3, имеющий выходное напряжение 3000 В и резонансную частоту 30 кГц. Высоковольтная обмотка 6 трансформатора 5 соединена однопроводниковой линией 8, выполненной из экранированного изолированного провода ПВВ-1 с сечением меди 1 мм², с излучающей пластиной 11 конденсатора 13, выполненной из металлизированного пластика, прикрепленного к нижней поверхности офисного стола, металлизированной поверхностью вверх. Приемная пластина 12 выполнена из пластика, внутри которого расположена металлическая фольга, и крепится к нижней поверхности ноутбука. Приемная пластина 12 соединена с высоковольтной обмоткой 17 приемного понижающего трансформатора 16. Низковольтная обмотка 19 трансформатора 16 с выходным напряжением 19 В соединена с выпрямителем 21, который подключен к стандартному входному разъему питания ноутбука. Высоковольтная обмотка 17 содержит 1400 витков проводом диаметром 0,25 мм, низковольтная обмотка содержит 18 витков, проводом с диаметром 1,1 мм. Размеры трансформатора 16 составляют 40×50×75 мм. Устройство позволяет питать ноутбук в любой точке офисного стола, где расположена излучающая пластина.

Наличие излучающей 11 и приемной 12 пластины в 2-5 раз увеличивает емкость воздушного конденсатора 13 и передаваемую электрическую мощность по сравнению с воздушным конденсатором прототипа, образованным кабельной однопроводной линией и приемной пластиной токоприемника.

Изобретение относится к средствам беспроводной передачи энергии и может быть использовано для электропитания троллейбусов, трамваев, электровозов и других видов электрического транспорта. Согласно предложенному способу подачу энергии к токоприемникам потребителя осуществляют методом электростатической индукции на частоте 0,1-1000 кГц при напряжении в линии 0,1-1000 кВ через воздушный промежуток между двумя проводящими и экранированными с наружной стороны пластинами воздушного конденсатора, одна из которых является излучающей и присоединена к экранированной изолированной однопроводниковой линии. Емкость изолированного экрана однопроводниковой линии компенсируют на резонансной частоте f₀ путем присоединения индуктивности к экрану и земле. Приемная пластина принимает излучение и встроена в токоприемник потребителя и соединена через резонансный контур, выпрямитель и зарядное устройство с электрической нагрузкой. Устройство беспроводной передачи электрической энергии, реализующее данный способ, содержит источник энергии, соединенный с преобразователем частоты и резонансным повышающим трансформатором, однопроводниковую линию, которая выполнена экранированной и соединена с излучающей пластиной воздушного конденсатора. Над излучающей пластиной расположена приемная пластина конденсатора. Приемная пластина подключена к понижающему резонансному трансформатору, низковольтная обмотка которого соединена с выпрямителем и зарядным устройством. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ беспроводной передачи электрической энергии для питания электротранспортных средств, мобильных телефонов и других электронных приборов, предусматривающий подачу электрической энергии от резонансной системы электропитания через высоковольтный, высокочастотный преобразователь на резонансной частоте f₀, однопроводниковую линию и воздушный зазор к индивидуальным токоприемникам потребителя, отличающийся тем, что подачу энергии к токоприемникам потребителя осуществляют методом электростатической индукции на частоте 0,1-1000 кГц при напряжении в линии 0,1-1000 кВ через воздушный промежуток между двумя проводящими и экранированными с наружной стороны пластинами воздушного конденсатора, одна из которых является излучающей и присоединена к экранированной изолированной однопроводниковой линии, емкость изолированного экрана однопроводниковой линии компенсируют на резонансной частоте f₀ с помощью индуктивности путем присоединения индуктивности к экрану и земле, приемная пластина принимает излучение и встроена в токоприемник потребителя и соединена через резонансный контур, выпрямитель и зарядное устройство с электрической нагрузкой.

2. Устройство беспроводной передачи электрической энергии для питания электротранспортных средств, мобильных телефонов и других электронных приборов, содержащее источник энергии, соединенный с преобразователем частоты и резонансным повышающим трансформатором, однопроводниковую линию и воздушный зазор между однопроводниковой линией и токоприемниками потребителя, отличающееся тем, что однопроводниковая линия выполнена экранированной и соединена с излучающей пластиной воздушного конденсатора, через воздушный промежуток над излучающей пластиной расположена приемная пластина конденсатора, приемная и излучающая пластины с наружной стороны воздушного конденсатора экранированы, приемная пластина подключена к понижающему резонансному трансформатору, низковольтная обмотка которого соединена с выпрямителем и зарядным устройством, причем излучающая пластина выполнена с возможностью установки на стене, на полу, встроенной в мебель или дорожное покрытие, а приемная пластина с понижающим резонансным трансформатором встроена в электронное устройство.

3. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.2, отличающееся тем, что излучающая и приемная пластины воздушного конденсатора выполнены в виде изолированного металлизированного пластика.

4. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.2, отличающееся тем, что излучающая и приемная пластины выполнены в виде изолированного металлического листа.

5. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.2, отличающееся тем, что излучающая и приемная пластины выполнены в виде изолированной сетки из проводящего материала.

6. Устройство беспроводной передачи электрической энергии по п.1, отличающееся тем, что экран однопроводниковой линии изолирован от однопроводниковой линии и от земли и соединен с землей через индуктивность , где f₀ - резонансная частота однопроводниковой линии, а С_э - емкость экрана однопроводниковой линии.