Способ и устройство для передачи электрической энергии Российский патент 2020 года по МПК H02J3/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

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 проводника, 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 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 электрического тока вдоль высоковольтных обмоток с длиной волны, примерно в 4 раза превосходящей длину каждой из резонансных высоковольтных спиральных обмоток.

Здесь: λ - длина стоячей волны в системе передачи электрической энергии;

l - длина спиральной высоковольтной обмотки трансформатора Н. Тесла.

Вдоль всей системы передачи, т.е. от заземленного низкопотенциального вывода высоковольтной спиральной обмотки передающего резонансного трансформатора вдоль резонансной обмотки, а также проводника однопроводной линии, соединяющего высокопотенциальные выводы высоковольтных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, вдоль высоковольтной резонансной обмотки принимающего трансформатора до заземляемого низкопотенциального вывода принимающего трансформатора укладывается половина стоячей волны резонансного колебания.

Здесь: L - расстояние между резонансными трансформаторами.

Режим стоячей волны характерен тем, что вдоль системы передачи электрической энергии амплитуды колебаний тока и напряжения изменяются по интенсивности. В системе формируются участки с увеличенными и уменьшенными токами и потенциалами. Области системы с максимальными размахами тока или потенциала называют пучностями тока или потенциала, области с минимальными или нулевыми амплитудами называют узлами тока или потенциала.

В системе передачи Н. Тесла пучность потенциала развивается на высокопотенциальных выводах передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов и однопроводной линии передачи электрической энергии. Здесь же размещается узел тока. Пучности тока локализуются на низкопотенциальных частях и выводах четвертьволновых трансформаторов и в заземлителях их низкопотенциальных выводов.

Размещение узла тока на передающей линии существенно снижает ток в линии передачи электрической энергии, что способствует резкому снижению потерь при передаче энергии и является достоинством метода. Недостатком известного способа передачи электрической энергии является высокая подверженность деградации волнового механизма передачи при увеличении дистанции передачи. При этом растет емкость проводника линии передачи на землю. Емкость проводника линии передачи на землю оказывается подключенной параллельно четвертьволновым обмоткам резонансных трансформаторов. При достижении емкости передающего проводника на землю величины емкости на землю резонансных обмоток, трансформатор теряет волновые свойства, в связи с чем пучности и узлы потенциала и тока исчезают. Ещё интенсивнее эффекты ёмкостного закорачивания проявляются в случае передачи энергии по линии в кабельном исполнении. Другим недостатком известного способа являются большие джоулевы потери в заземлителях, так как в них формируются пучности стоячих волн тока.

Ещё в одном известном способе и устройстве для передачи электрической энергии (Патент РФ №2572360. Дата подачи заявки 18.10.2013 г. Выдан 10.01.2016 г. Бюл. 1. Авторы Трубников В.З., Стребков Д.С., Некрасов А.И.) передача электрической энергии осуществляется путём соединения с помощью однопроводной линии высокопотенциальных выводов трансформаторов Н. Тесла, при этом оба трансформатора, передающий и принимающий, выполнены в виде полуволновых.

Низковольтная питающая обмотка передающего трансформатора, а также низковольтная обмотка принимающего трансформатора размещаются поверх резонансных высоковольтных обмоток, на их серединах, в областях пучностей токов. Таким образом, необходимость заземления низкопотенциального вывода исчезает, а роль отражателя энергии в середине пучности тока от одной половины высоковольтной обмотки выполняет другая половина полуволновой резонансной обмотки. При этом потери в резонансной обмотке в большей степени поддаются расчёту при проектировании, чем потери в заземлителе, в связи с чем могут быть в значительной степени минимизированы, а также возникает возможность передислокации местонахождения передающего трансформатора, в случае необходимости перемещать передающий трансформатор.

Недостатком известного способа и устройства является сложность обслуживания устройства в связи с использованием при передаче очень высоких потенциалов на передающей линии.

Наиболее близким к предлагаемому решению является известный резонансный способ и устройство для передачи электрической энергии путём создания резонансных колебаний повышенной частоты и двух, повышающего и понижающего, высокочастотных резонансных трансформаторов, резонансные высокочастотные обмотки которых подсоединены к уединённым электропроводящим сферам, поднятым над поверхностью земли и над спиральными обмотками на высоту, позволяющую сферам работать в качестве уединенных электрических емкостей, электрические поля которых слабо взаимодействуют с электрическими полями однослойных спиральных обмоток, а однопроводную линию передачи электрической энергии включают между низкопотенциальными выводами передающего и принимающего трансформаторов Тесла. С помощью возбуждающей низковольтной обмотки возбуждают в резонансной обмотке передающего трансформатора Тесла резонансные колебания с пучность тока у низкопотенциального вывода, пучностью тока питают однопроводную линию, передают вдоль однопроводной линии электромагнитную энергию в принимающий трансформатор Н. Тесла (Патент РФ №2577522. Дата подачи заявки 19.05.2014 г. Выдан 20.03.2016 г. Бюл. №8 Авторы Трубников В.З., Стребков Д.С., Некрасов А.И., Руцкой А.С., Моисеев М.В.)

Недостатком известных способа и устройства является наличие на линии передачи пучности тока и связанное с этим увеличение джоулевых потерь в линии передачи.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности резонансной передачи электрической энергии, в первую очередь на небольшие и средние расстояния, снижение влияния емкости проводника линии передачи на резонансные обмотки передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов Тесла, снижение электрических потерь в заземлителях, упрощение конструкции резонансных трансформаторов.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность резонансной передачи электрической энергии, в первую очередь, на небольшие и средние расстояния за счёт использования волнового механизма передачи энергии токами повышенных частот при использовании в линии передачи токов существенно меньших, чем при передаче энергии пучностями тока, а также за счёт использования волнового механизма передачи энергии при наличии на линии передачи потенциала, существенно меньше чем при передаче энергии пучностью потенциала, при этом высокопотенциальные выводы резонансных трансформаторов остаются неподключенными, низкопотенциальные выводы заземлены.

Отсутствие в предлагаемом способе на линии передачи пучности потенциала, а также пучности тока, упрощает эксплуатацию и удешевляет стоимость системы передачи, улучшает экологическую обстановку вдоль линии передачи в связи со снижением интенсивности электрического и магнитного полей, упрощает согласование кабельных линий с трансформаторами Тесла.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что способ передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты, передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла, причем низкопотенциальные выводы обмоток указанных трансформаторов заземлены, и линии передачи электрической энергии, при этом линия передачи включена между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых равно но модулю входному или выходному сопротивлению линии передачи, преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору через электрическую емкость с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой передающего трансформатора, приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору через электрическую емкость с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой принимающего трансформатора, а указанный способ также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линии передачи, осуществление передачи энергии по линии передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

В другом способе передачи электрической энергии передачу энергии приемнику электрической энергии дополнительно осуществляют через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

Еще в одном способе передачи электрической энергии высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями. В качестве уединенных емкостей могут использоваться шары, торы, протяженные отрезки проводников, металлические блины и тому подобное.

Еще один способ передачи электрической энергии предполагает работу линии передачи в режиме полуволновой однопроводной линии передачи.

Кроме этого может быть использован способ передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты, передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла и линии передачи электрической энергии, при этом линия передачи включена между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи, преобразователь частоты включен между низкопотенциальным выводом резонансной обмотки передающего трансформатора и заземлением, приёмник электрической энергии включен между низкопотенциальным выводом резонансной обмотки принимающего трансформатора и заземлением, а указанный способ также включает: возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линии передачи и осуществление передачи энергии по линии передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

Похожий на него способ передачи электрической энергии согласно которому приёмник электрической энергии подключен к низкопотенциальному выводу резонансной обмотки принимающего трансформатора через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

Кроме того предлагается также способ передачи электрической энергии, согласно которому высокопотенциальные выводы резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями. В качестве уединенных емкостей могут использоваться шары, торы, протяженные отрезки проводников, металлические блины и тому подобное.

Еще один способ передачи электрической энергии предполагает работу линии передачи в режиме полуволновой однопроводной линии передачи.

Так же предлагается способ передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты, передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла и двух линий передачи электрической энергии, при этом обе линии передачи включены между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору через электрические емкости с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой передающего трансформатора, приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору через электрические емкости с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с полуволновой обмоткой принимающего трансформатора, а указанный способ также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линиях передачи, осуществление передачи энергии по линиям передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

Как разновидность предыдущего способа передачи электрической энергии предлагается также способ, предполагающий работу линий передачи в режиме полуволновых однопроводных линий передачи.

В другом способе передачи электрической энергии однопроводные линии передачи выполнены отдельно друг от друга.

Еще в одном способе передачи электрической энергии однопроводные линии передачи выполнены вместе друг с другом в виде витой пары в изоляции с необходимым уровнем электрической прочности между линиями передачи и между линиями передачи и землёй.

Еще одна разновидность указанных способов предполагает наличие заземления в серединах обмоток передающего и принимающего трансформаторов Тесла.

Помимо этого, существует разновидность способа передачи согласно которой передачу энергии приемнику электрической энергии дополнительно осуществляют через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

Кроме этого существует разновидность способа передачи электрической энергии, согласно которой высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями. В качестве уединенных емкостей могут использоваться шары, торы, протяженные отрезки проводников, металлические блины и тому подобное.

Также предлагается еще один базовый способ передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты, передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла и двух линий передачи электрической энергии, при этом обе линии передачи включены между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи, преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору путем включения электрического выхода преобразователя частоты в разрыв проводника в резонансной обмотке передающего трансформатора,

приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору путем включения электрического входа приемника в разрыв проводника в резонансной обмотке принимающего трансформатора; а указанный способ также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линиях передачи, осуществление передачи энергии по линиям передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

В разновидности этого способа передачи электрической энергии используется инвертор тока. Соответственно передачу энергии приемнику электрической энергии дополнительно осуществляют через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

Согласно еще одной модификации базового способа передачи электрической энергии линии передачи представляют собой полуволновые однопроводные линии передачи.

Причем в следующем способе передачи электрической энергии однопроводные линии передачи выполнены отдельно друг от друга.

Кроме этого возможен способ передачи электрической энергии согласно которому однопроводные линии передачи выполнены вместе друг с другом в виде витой пары в изоляции с необходимым уровнем электрической прочности между линиями передачи и между линиями передачи и землёй.

Еще одной разновидностью способа передачи электрической энергии является способ, согласно которому высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями. В качестве уединенных емкостей могут использоваться шары, торы, протяженные отрезки проводников, металлические блины и тому подобное.

Устройство передачи электрической энергии, включающее:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты, передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла, причем низкопотенциальные выводы обмоток указанных трансформаторов заземлены, и линии передачи электрической энергии, при этом линия передачи включена между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых равно но модулю входному или выходному сопротивлению линии передачи, преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору через электрическую емкость с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой передающего трансформатора, приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору через электрическую емкость с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой принимающего трансформатора, а указанное устройство также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линии передачи, осуществление передачи энергии по линии передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

В другом устройстве передачи электрической энергии передачу энергии приемнику электрической энергии дополнительно осуществляют через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

Еще в одном устройстве передачи электрической энергии высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями. В качестве уединенных емкостей могут использоваться шары, торы, протяженные отрезки проводников, металлические блины и тому подобное.

Еще одно устройство передачи электрической энергии предполагает работу линии передачи в режиме полуволновой однопроводной линии передачи.

Кроме этого может быть использовано устройство передачи электрической энергии, включающее:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты, передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла и линии передачи электрической энергии, при этом линия передачи включена между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи, преобразователь частоты включен между низкопотенциальным выводом резонансной обмотки передающего трансформатора и заземлением, приёмник электрической энергии включен между низкопотенциальным выводом резонансной обмотки принимающего трансформатора и заземлением, а указанное устройство также включает: возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линии передачи и осуществление передачи энергии по линии передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

Похожее на него устройство передачи электрической энергии согласно которому приёмник электрической энергии подключен к низкопотенциальному выводу резонансной обмотки принимающего трансформатора через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

Кроме того предлагается также устройство передачи электрической энергии, согласно которому высокопотенциальные выводы резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями. В качестве уединенных емкостей могут использоваться шары, торы, протяженные отрезки проводников, металлические блины и тому подобное.

Еще одно устройство передачи электрической энергии предполагает работу линии передачи в режиме полуволновой однопроводной линии передачи.

Так же предлагается устройство передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты, передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла и двух линий передачи электрической энергии, при этом обе линии передачи включены между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору через электрические емкости с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой передающего трансформатора, приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору через электрические емкости с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с полуволновой обмоткой принимающего трансформатора, а указанное устройство также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линиях передачи, осуществление передачи энергии по линиям передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

Как разновидность предыдущего устройства передачи электрической энергии предлагается также устройство предполагающий работу линий передачи в режиме полуволновых однопроводных линий передачи.

В другом устройстве передачи электрической энергии однопроводные линии передачи выполнены отдельно друг от друга.

Еще в одном устройстве передачи электрической энергии однопроводные линии передачи выполнены вместе друг с другом в виде витой пары в изоляции с необходимым уровнем электрической прочности между линиями передачи и между линиями передачи и землёй.

Еще одна разновидность указанных устройств предполагает наличие заземления в серединах обмоток передающего и принимающего трансформаторов Тесла.

Помимо этого, существует разновидность устройства передачи, согласно которой передачу энергии приемнику электрической энергии дополнительно осуществляют через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

Кроме этого существует разновидность устройства передачи электрической энергии, согласно которой высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями. В качестве уединенных емкостей могут использоваться шары, торы, протяженные отрезки проводников, металлические блины и тому подобное.

Также предлагается еще одно базовое устройство передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты, передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла и двух линий передачи электрической энергии, при этом обе линии передачи включены между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи, преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору путем включения электрического выхода преобразователя частоты в разрыв проводника в резонансной обмотке передающего трансформатора,

приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору путем включения электрического входа приемника в разрыв проводника в резонансной обмотке принимающего трансформатора; а указанное устройство также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линиях передачи, осуществление передачи энергии по линиям передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

В разновидности этого устройства передачи электрической энергии используется инвертор тока. Соответственно передачу энергии приемнику электрической энергии дополнительно осуществляют через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

Согласно еще одной модификации базового устройства передачи электрической энергии линии передачи представляют собой полуволновые однопроводные линии передачи.

Причем в следующем устройстве передачи электрической энергии однопроводные линии передачи выполнены отдельно друг от друга.

Кроме этого предлагается устройство передачи электрической энергии согласно которому однопроводные линии передачи выполнены вместе друг с другом в виде витой пары в изоляции с необходимым уровнем электрической прочности между линиями передачи и между линиями передачи и землёй.

Еще одной разновидностью устройства передачи электрической энергии является устройство, согласно которому высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями. В качестве уединенных емкостей могут использоваться шары, торы, протяженные отрезки проводников, металлические блины и тому подобное.

Сущность предлагаемых изобретений поясняется Фиг. 1 - Фиг. 6.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 представлена принципиальная схема электрических соединений при реализации способа и устройства для передачи электрической энергии с помощью двух четвертьволновых резонансных трансформаторов Тесла. Низкопотенциальные выводы резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов заземлены, высокопотенциальные выводы четвертьволновых обмоток оставлены неподключенными. Передача электрической энергии от источника энергии в передающий трансформатор Тесла осуществляется через преобразователь частоты, через электрическую емкость и низковольтную обмотку накачки, обеспечивающую магнитоиндукционную передачу электрической энергии в область пучности тока четвертьволновой резонансной обмотки. Передача электрической энергии от передающего трансформатора к принимающему трансформатору производится с помощью однопроводной линии передачи между точками A и B резонансных обмоток трансформаторов. Выходное сопротивление обмоток в точках A и B равно по модулю волновому сопротивлению линии передачи на ее входе и выходе. Передача электрической энергии от принимающего трансформатора в нагрузку осуществляется через электрическую ёмкость с помощью магнитоиндукционной обмотки слива энергии, располагаемой в области пучности тока резонансной четвертьволновой обмотки принимающего трансформатора Тесла.

На Фиг. 2 представлена принципиальная схема электрических соединений при реализации способа и устройства для передачи электрической энергии с помощью двух четвертьволновых резонансных трансформаторов Тесла. Высокопотенциальные выводы резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов оставлены неподключенными. Преобразователь частоты своим электрическим выходом включён непосредственно между низкопотенциальным выводом и заземлением передающего трансформатора. Нагрузка включена непосредственно между низкопотенциальным выводом принимающего трансформатора и заземлением. Передача электрической энергии между резонансными четвертьволновыми трансформаторами Тесла осуществляется с помощью однопроводной линии передачи между точками A и B, расположенными на четвертьволновых обмотках в точках, где у обмоток выходное сопротивление по модулю равно сопротивлению линии передачи на ее входе.

На Фиг. 3 представлена принципиальная схема электрических соединений при реализации способа и устройства для передачи электрической энергии от передающего четвертьволнового к принимающему четвертьволновому трансформатору Тесла с помощью однопроводной линии передачи электрической энергии, длина линии передачи равна половине длины стоячей волны, возбуждаемой на линии при работе резонансных четвертьволновых обмоток в режиме резонанса. Передача энергии в передающий трансформатор и передача энергии из принимающего трансформатора в нагрузку осуществлена через электрические емкости с помощью магнитоиндукционной связи. Высокопотенциальные выводы резонансных обмоток подключены с помощью проводников к электропроводящим сферам.

На Фиг. 4 представлена принципиальная схема электрических соединений при реализации способа и устройства для передачи электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью передающего и принимающего полуволновых трансформаторов Тесла и двух однопроводных линий передачи. Передача электрической энергии от преобразователя частоты в передающий резонансный трансформатор, а также энергии от принимающего трансформатора к нагрузке либо инвертору осуществляется через электрические емкости с помощью магнитоиндукционных обмоток. Высокопотенциальные выводы полуволновых резонансных обмоток оставлены неподключенными. Начало и концы двух однопроводных линий передачи подключены к точкам A, B, C, D на полуволновых обмотках резонансных трансформаторов, выходное сопротивление в которых по модулю равно волновым сопротивлениям однопроводных линии передачи на их входах и выходах.

На Фиг. 5 представлена принципиальная схема электрических соединений при реализации способа и устройства для передачи электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику с помощью двух полуволновых трансформаторов Тесла и двух однопроводных линий передачи электрической энергии. Преобразователь частоты и нагрузка, либо инвертор, включены непосредственно в разрывы резонансных полуволновых обмоток. Однопроводные линии передачи своими началами и концами подключены к полуволновым резонансным обмоткам трансформаторов Тесла в точках A, B, C, D, выходное сопротивление в которых по модулю равным волновым сопротивлениям линии передачи на их входах и выходах. На каждой из однопроводной линии передачи укладывается половина стоячей волны тока на частоте резонанса полуволновых обмоток.

На Фиг. 6 представлена принципиальная схема электрических соединений при реализации способа и устройства для передачи электрической энергии с помощью двух однопроводных линий, смонтированных в виде витой пары и двух резонансных трансформаторов Тесла, середины полуволновых обмоток у которых заземлены. Начала и концы однопроводных линий передачи подключены к полуволновым обмоткам трансформаторов Тесла в точках A, B, C, D, в которых выходные сопротивления обмоток по модулю равны волновым сопротивлениям линий передачи на входах и выходах. Высокопотенциальные выводы полуволновых резонансных обмоток подключены с помощью проводников к электропроводящим сферам.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

На Фиг. 1 представлена электрическая схема способа и устройства для передачи электрической энергии, где 1 - источник электрической энергии, 2 - преобразователь электрической энергии из формата источника 1 в формат переменного тока повышенной и управляемой частоты, частота тока задаётся такой, чтобы выполнялось условие: f_Г=f₀₁. Здесь f_Г частота тока на выходе преобразователя, f₀₁ - резонансная частота четвертьволновой обмотки 5 резонансного передающего трансформатора Тесла. 3 - электрической конденсатор, образующий с низковольтной обмоткой 4 резонансный последовательный электрический контур питания передающего трансформатора Тесла. Резонансная частота контура f_Р1=f₀₁. Низковольтная обмотка 4 размещается поверх четвертьволновой обмотки 5 у низкопотенциального вывода 6, в области пучности тока. Высокопотенциальный вывод 7 обмотки 5 электрически соединён с выходной высокопотенциальной клеммой 9 четвертьволнового резонансного передающего трансформатора Тесла, клемма 9 изолируется и оставляется неподключенной.

Низкопотенциальный вывод 6 обмотки 5 соединяется с заземляющей клеммой 3 контура заземления на передающей стороне системы и с помощью проводника 10 соединён с заземляющей конструкцией. Вывод 8 обмотки 5 организуется в той части обмотки 5, где при работе под нагрузкой фазы тока и потенциала близки друг к другу. Точка 8 обмотки 5 обозначена буквой А. Это начало однопроводной линии передачи 11. Конец линии передачи - точка B. На четвертьволновой обмотке 15 точка B подключена к выводу 14. В области вывода 14 при работе под нагрузкой фазы тока и потенциала встречны по отношению друг к другу. Низкопотенциальный вывод 12 четвертьволновой обмотки 15 принимающего трансформатора Тесла соединяется с заземляющей клеммой 3 контура заземления на принимающей стороне, с помощью проводника 17 электрически соединённого с заземляющей конструкцией. Высокопотенциальный вывод 13 обмотки 15 электрически соединён с выходной высокопотенциальной клеммой 16 четвертьволнового резонансного трансформатора Тесла, клемма 16 изолируется и оставляется неподключенной. Резонансная частота обмотки 15 f₀₂=f₀₁. В области пучности тока поверх обмотки 15 размещается низковольтная обмотка 18. Обмотка 18 через взаимную индуктивность с обмоткой 15 "снимает" электрическую энергию и через электрический конденсатор 19 передаёт в инвертор 20. Обмотка 18 совместно с конденсатором 19 образует последовательный резонансный контур с собственной резонансной частотой f_Р2. При этом f_Р2=f₀₂. Инвертор 20 преобразует энергию электрического тока повышенной частоты в энергию переменного тока с форматом, необходимым для питания нагрузки 21. Если нагрузка 21 "безразлична" к формату питающего тока, то потребность в инверторе 20 отпадает. В этом случае обмотка 18 рассчитывается и исполняется такой, чтобы обеспечить нагрузку 21 напряжением необходимой величины. При выполнении условий f_Г=f_Р1=f₀₁=f₀₂=f_Р2 контур низковольтной питающей обмотки (3, 4), четвертьволновая обмотка 5 передающего трансформатора Тесла, четвертьволновая обмотка 15 принимающего трансформатора Тесла и низковольтный энергоснимающий контур (18, 19) работают в резонансном режиме. При этом контура (3, 4) и (18, 19) работают в режиме резонанса на реактивных элементах с сосредоточенными параметрами, а четвертьволновые обмотки 5 и 15 резонансных трансформаторов Тесла работают в режиме резонанса на отрезках длинных линий с распределенными реактивными параметрами. В соответствии с этим на четвертьволновых обмотках 5 и 15 развиваются стоячие волны в виде четвертьволновых реализаций с пучностями потенциала на выводах 7 и 13 (клеммы 9 и 16 трансформаторов Тесла) и узлами потенциалов на выводах 6 и 12, а также пучностями тока в области заземляемого вывода 6 передающего трансформатора 5 и заземляемого вывода 12 принимающего трансформатора 15, с узлами токов на выводах 7 передающего трансформатора 5 и 13 принимающего трансформатора 15. Таким образом, на четвертьволновых обмотках возбуждаются и сосуществуют два самостоятельных волновых объекта: четверть волны тока и четверть волны потенциала, представляющие собой две электрические характеристики единого энергетического образования с равной погонной плотностью электромагнитной энергии вдоль резонансный обмотки. При этом сдвиг между пучностями тока и потенциала вдоль обмоток составляет λ/4 стоячей волны тока или потенциала.

Теория и практика работы четвертьволновых трансформаторов показывает, что и во времени фазы тока и потенциала в узлах и пучностях сдвинуты на Т/4 (где Т - период колебания тока, Т=1/f). При этом при перемещении вдоль обмотки наблюдается поворот фаз тока и потенциала во встречных направлениях, так что в некоторых точках четвертьволновых обмоток, на холостом ходу, между выводами (6, 7) и (12, 13) фазы тока и потенциала совпадают (на обмотке передающего трансформатора - точка 8) или оказываются в противофазе (на обмотке принимающего трансформатора - точка 14). Если длина линии равна λ/2, линию передачи 11 электрической энергии включают между точками (8 и 14), при этом на линии передачи 11 создаётся наиболее благоприятный, с точки зрения разности фаз между током и напряжением, режим переноса электроэнергии.

При нагружении нагрузки 21 резонансная частота четвертьволнового трансформатора 15 уменьшается и входное сопротивление линии передачи 11 в точке А (вход линии) изменяется в связи с изменением входного сопротивления принимающего четвертьволнового трансформатора 15 в точке В на выходе линии 11. Таким образом, происходит рассогласование выходного сопротивления в точке 8 передающего трансформатора 5 и входного сопротивления линии передачи 11 в точке А. Для восстановления режима согласования необходимо перенести точку подключения 8 на резонансной обмотке 5. Для этого отвод в точке 8 не делается в виде единого, а выполняется в виде ряда отводов по всей длине трансформатора Тесла. В случае неизменной нагрузки отвод делают в виде одной точки подключения. В случае изменяемой нагрузки при настройке выбирают точку подключения, обеспечивающую оптимальный режим для приоритетного диапазона нагружения.

Аналогичная ситуация развивается и при изменении конструкционных параметров линии передачи: удлинение или укорочение дистанции передачи, изменение диаметра провода, изменение высоты подвеса или изменение способа, или глубины погружения линии в грунт. Изменение входного сопротивления в точке А происходит при подключении / отключении к линни передачи промежуточных потребителей. В отводах выходное сопротивление возрастает по модулю при переносе точки подключения из положения 8 в сторону высоковольтного вывода резонансной обмотки 5. При этом сопротивление имеет активно-емкостной характер. На высокопотенциальном выводе (точка 7) выходное сопротивление достигает значения:

Здесь: Z_ВЫХ - выходное сопротивление, модуль;

Z_В - волновое сопротивление обмотки 5;

Q - добротность обмотки 5;

Характер сопротивления в этой точке емкостный.

При переносе точки подключения из положения 8 в сторону низкопотенциального вывода 6 происходит снижение выходного сопротивления по модулю и характер сопротивления приобретает индуктивно-активный тип. Минимальное значение выходное сопротивление достигает в точке 6:

На Фиг. 2 представлена принципиальная схема электрических соединений способа и устройства для передачи электрической энергии, где 1 - источник электрической энергии, 2 - преобразователь частоты питающего тока в ток повышенной и управляемой частоты для питания резонансной системы передачи, содержащей передающий резонансный трансформатор 5 Тесла, принимающий резонансный трансформатор 15 Тесла. При этом преобразователь 2 частоты включён непосредственно между низкопотенциальным выводом 6 и заземляющим проводником 10 на передающей стороне, инвертор 20 (или нагрузка 21) включены непосредственно между низкопотенциальным выводом 12 и заземляющим проводником 17 на принимающей стороне. Линия передачи электроэнергии 11 включена между точками 8 и 14 на передающей и принимающей обмотках 5 и 15, т.е. между точками A и B передающего и принимающего трансформаторов Тесла. Принцип передачи электрической энергии между точками A и B и настройки системы аналогичен таковому по Фиг 1.

На Фиг. 3 представлена принципиальная схема электрических соединений способа и устройства для передачи электрической энергии, где 1 - источник электрической энергии, 2 - преобразователь частоты питающего тока в ток повышенной и управляемой частоты для питания резонансной системы передачи, содержащей передающий резонансный трансформатор 5 Тесла и принимающий резонансный трансформатор 15 Тесла. Передача энергии из преобразователя частоты 2 в передающей трансформатор 5 осуществляется через электрическую емкость 3 с помощью магнитоиндукционной связи низковольтной обмотки 4, образующей с конденсатором 3 последовательный резонансный контур на реактивных элементах с сосредоточенными параметрами. Передача энергии в нагрузку 21 или на вход инвертора 20 из принимающего трансформатора 15 осуществляется с помощью магнитоиндукционной взаимной связи низковольтной обмотки 18, образующей с конденсатором 19 последовательный резонансный контур на реактивных элементах с сосредоточенными параметрами. Низкопотенциальные выводы 6, 12 четвертьволновых обмоток 5 и 15 заземлены с помощью проводников 10 и 17 непосредственно около трансформаторов. Высокопотенциальные выводы 7 и 13 через высоковольтные клеммы 9 и 16 с помощью проводников 23 и 22 соединены с уединенными емкостями в виде сфер 25 и 24. Передача электрической энергии из передающего трансформатора 5 в принимающий трансформатор 15 осуществляется с помощью однопроводной линии 11, соединяющей точку передачи энергии А и точку приема энергии В через выводы 8 на трансформаторе 5 и точку 14 на трансформаторе 15.

На Фиг. 4 представлена принципиальная схема электрических соединений способа и устройства для передачи электрической энергии от источника 1 энергии через преобразователь 2 с помощью полуволновых передающего трансформатора 5 Тесла и принимающего трансформатора 15 Тесла и двух однопроводных линий 11 и 30 передачи. Энергия из преобразователя 2 в полуволновую резонансную обмотку 5 и из полуволновой резонансной обмотки 15 в инвертор 20 (или в нагрузку 21) передаётся с помощью магнитоиндукционный связи низковольтных обмоток 4 и 18 через электрические конденсаторы (3, 40) и (19, 35). Конденсаторы (3, 40) и (19, 35) совместно с низковольтными обмотками 4 и 18 образуют последовательные резонансные контуры. Высокопотенциальные выводы 7, 13, 27, 31 полуволновых обмоток 5 и 15 соединены с высоковольтными клеммами, соответственно 9, 16, 29, 34 резонансных полуволновых передающего трансформатора 5 Тесла и принимающего трансформатора 15 Тесла. Высоковольтные клеммы 9, 16, 29, 34 трансформаторов 5 и 15 оставлены не подключенными. Начала и концы однопроводных линий передачи электрической энергии 11 и 30 подключены в точках A, C и B, D к отводам 8, 14, 28, 32 на полуволновых обмотках 5 и 15.

На Фиг. 5 представлена принципиальная схема электрических соединений способа и устройства для передачи электрической энергии от источника электрической энергии 1 с помощью двух полуволновых трансформаторов 5 и 15 Тесла и двух однопроводных линий 11 и 30. Преобразователь частоты 2 и нагрузка 21, либо инвертор 20, включены непосредственно в разрывы 6 и 12 резонансных полуволновых обмоток 5 и 15. Линии 11 и 30 передачи включены между выводами (8, 14) и (28, 32) обмоток 5 и 15. Выводы (8, 14) соединены с клеммными точками (A, B), выводы (28, 32) соединены с точками (C, D) между которыми производится передача электроэнергии. На каждой из линий (11, 30) передачи укладывается по полуволне стоячей волны тока на частоте резонанса полуволновых обмоток 5 и 15.

На Фиг. 6 представлена принципиальная схема электрических соединений способа и устройства для передачи электрической энергии с помощью двух однопроводных линий 11 и 30, смонтированных в виде витой пары и двух резонансных трансформаторов 5 и 15 Тесла, середины полуволновых обмоток в точках 6 и 12 заземлены непосредственно около трансформаторов проводниками 10 и 17. Начала и концы линий передачи 11 и 30 подключены к точкам A, C, B, D полуволновых трансформаторов Тесла, в которых выходные сопротивления по модулю равны волновым сопротивлениям обмоток 5, 15. Высокопотенциальные выводы 9, 29, 16, 34 резонансных трансформаторов 5, 15 соединены проводниками 23, 36, 22, 38 с электропроводящими сферами 25, 37, 24, 39. Длины проводников 23, 36, 22, 38 по меньшей мере в 5 раз превосходят диаметры сфер 25, 37, 24, 39.

Электромагнитные явления, развивающиеся вокруг соленоидальных обмоток четвертьволновых трансформаторов Тесла, при реализации предлагаемых способов и устройств для передачи электрической энергии могут быть описаны с помощью "телеграфных уравнений":

Здесь: u - потенциал по отношению к земле в координате x, в момент времени t, [В];

i - ток в проводнике обмотки в координате x, в момент времени t, [А];

r ₀ - погонное сопротивление электрическому току проводника обмотки, [Ом/м];

g ₀ - погонная проводимость среды между проводником обмотки и землей, [Сим/м];

L ₀ - погонная индуктивность резонансной обмотки, [Гн/м];

C ₀ - погонная емкость резонансной обмотки на землю, [Ф/м].

Уравнения (1) справедливы при любых изменениях тока i и напряжения U во времени. При питании синусоидальным напряжением, в установившемся режиме, используя комплексные представления для токов и напряжений, из (1) получают:

Здесь: - комплексное погонное сопротивление обмотки, [Ом/м];

- комплексная погонная проводимость среды вокруг обмотки, [Сим/м].

В (2) величины являются функциями только от х.

После дифференцирования по x система (2) принимает следующий вид:

С помощью (1) система (3) преобразуется в систему дифференциальных уравнений второго порядка с постоянными коэффициентами, решение которой выглядит так:

Здесь γ - постоянная распространения, [м^-1];

α - коэффициент затухания, [децибел/м];

β - коэффициент фазы, [рад/м];

- комплексные постоянные интегрирования.

Здесь: - волновое сопротивление обмотки, [Ом];

После преобразования и перегруппировки (4) и (6) преобразуются к виду:

Здесь: - комплексы напряжений и токов с текущими координатами х вдоль обмотки;

- комплексы напряжений и токов в начале обмотки (низкопотенциальный вывод);

сh, sh - гиперболические функции косинуса и синуса.

Выражение (7) может быть преобразовано к виду с использованием напряжения и тока на конце обмотки (высокопотенциальный вывод). При этом независимыми становятся U₂ и I₂ конца обмотки. Координаты в этом случае отсчитываются от конца обмотки:

Входное сопротивление обмотки в координате х:

Таким образом, в начале обмотки:

В конце обмотки:

В случае малых потерь энергии в обмотке (r₀=0, g₀=0) постоянная распространения γ и Z_C будут равны:

Здесь: - скорость волны в обмотке, [м/с];

Соответственно, (8) при допущении r₀=0, g₀=0 упрощаются:

Гиперболические функции от мнимого аргумента преобразовываются в круговые:

Для случая холостого хода, когда соотношения (10) примут вид:

Переходя от комплексов к мгновенным величинам u, i, получают:

Выражение (12) есть уравнения стоячих волн, величины напряжений и токов которых меняются во времени с круговой частотой переменного тока ω и с изменяющейся амплитудой вдоль линии по закону .

При коротком замыкании на конце линии:

Или для мгновенных значений:

В соответствии с (12) и (14) входное сопротивление линий без потерь в случае холостого хода равно:

Входное сопротивление линии без потерь в случае короткого замыкания на конце линии составит:

Выражение (12) может быть представлено в виде суммы и разницы двух, бегущих навстречу друг другу, волн напряжения и тока:

Выражение (14), аналогично, представляет собой сумму и разницу встречных волн:

Поскольку фазовая постоянная волны β равна

где λ - длина волны в обмотке, то входное сопротивление обмотки длиной X=λ/2 и закороченной на конце составит по (16):

В случае холостого хода входное сопротивление полуволнового отрезка обмотки будет составлять по (15):

Таким образом, полуволновой отрезок обмотки "транслирует" на вход величину сопротивление на выходе.

Для обмотки длиной в четверть длины волны X=λ/4 входное сопротивление при обрыве на конце (холостой ход) по (15):

В случае короткого замыкания четвертьволновая обмотка на входе будет обладать входным сопротивлением по (16):

Вывод: четвертьволновой отрезок "инвертирует" на вход сопротивление выходной цепи. Поскольку сопротивление вдоль четвертьволнового отрезка для случая холостого хода изменяется от бесконечности до нуля, можно определить в какой координате X длины обмотки входное сопротивление будет по модулю равно волновому Z_С. По (15) имеют:

Откуда: Следовательно , или .

Таким образом, точка с координатой X от неподключенного высокопотенциального конца располагается на середине обмотки, так как вся длина обмотки четвертьволнового трансформатора равна . Напряжение и ток в точке .могут быть определены по (12):

Выходное сопротивление по модулю в точке в соответствии с (19) действительно равно Z_С:

Точки с координатами от высокопотенциальных концов 7, 13, 27, 31 обозначены номерами 8, 14, 28, 32. Поскольку точки 8, 14, 28, 32 являются серединами обмоток 5, 15, 26, 33, то расстояние между точками 8, 14, 28, 32 низкопотенциальными выводами 6, 6, 12, 12, обмоток 5, 15, 26, 33 также равняется . Средние точки 8, 14, 28, 32 обмоток 5, 15, 26, 33 выведены на клеммы A, B, C, D резонансных трансформаторов 5, 15, 26, 33 для подключения к ним начал и концов передающих линий 11 и 30.

Выражение (19) показывает, что в серединах 8, 14, 28, 32 обмоток 5, 15, 26, 33 выходные сопротивления по модулю равны Z_C, напряжения раз ниже чем потенциалы в точках 7, 13, 27, 31 т.е. на высокопотенциальных выводах 9, 16, 29, 34 где образуются пучности потенциала, а токи в меньше, чем в точках 6, 6, 12, 12, где формируются узлы токов резонансных четвертьволновых трансформаторов 5, 15, 26, 33 Тесла. Таким образом, снижается напряжение и ток в линии передачи по сравнению с высокопотенциальным и низкопотенциальными технологиями передачи, при которых на линии передачи оказывается либо пучность потенциала, либо пучность тока.

Примеры выполнения способа и устройства для передачи электрической энергии.

Пример 1

Передающий 5 и принимающий 15 трансформаторы Тесла выполнены медным одножильным проводом в изоляции. Диаметр провода по меди d_М=1,8 мм. Диаметр провода в изоляции d_И=2,27 мм. Плотность намотки n₀=440 витков на метр. Диаметр каркаса - 300 мм. Тангенс угла захода намотки tgθ=2,41⋅10^-3. Длина намотки 1,37 м. Погонная индуктивность намотки L₀=0,01724 (Гн/м). Расчётная индуктивность резонансной обмотки 23,6 мГн. Практический контроль индуктивности изготовленной обмотки показал L=24,2 мГн.

Расчётная собственная емкость обмотки на землю равнялась С=152⋅10^-12 Ф. Расчётное волновое сопротивление обмотки составляло:

Расчётная резонансная частота равнялась

Реальная резонансная частота f₀=83,40 кГц. Во время передачи энергии напряжение на силовом выводе 8 резонансной обмотки передающего трансформатора 5 равнялось 5 кВ. Потенциал изолированного высоковольтного вывода 9 передающего трансформатора 5 равнялся 7,1 кВ. Ток в линии передачи 11 составлял 0,38 А. Мощность, развиваемая на нагрузке, равнялась 1860 Вт. Мощность на выходе генератора 2 равнялась 1980 Вт. Напряжение генератора U_Г=380 вольт, ток генератора I_Г=4,9 А. КПД передачи составил 0,94.

Пример 2

Передающий 5 и принимающий 15 трансформаторы Тесла выполнены медным одножильным проводом в изоляции. Диаметр провода по меди d_М=2,6 мм. Диаметр провода в изоляции d_И=10 мм. Плотность намотки n₀=100 витков на метр. Полное число витков n=300 витков. Длина обмотки 3,0 м. Длина провода обмотки 1130 м. Диаметр каркаса 1,2 м. Материал каркаса - сосновый вакуумно сушеный брус с пропиткой. Намотка выполнена в один слой, виток к витку. Тангенс угла захода намотки tgθ=2,7 10^-3. Погонная индуктивность намотки L₀=0,0137 (Гн/м). Расчётная индуктивность резонансной обмотки L=L₀⋅b=0,0137⋅3,0=0,041 Гн. Расчётная собственная емкость обмотки на землю равнялась С=334⋅10^-12 Ф. Волновое сопротивление обмотки составляло Z_C=11,1 кОм.

Расчётная резонансная частота равнялась f₀=43,0 кГц.

Во время передачи энергии напряжение на силовом проводе 8 резонансной обмотки передающего трансформатора 5 достигало 25 кВ. Потенциал изолированного высоковольтного вывода 9 передающего трансформатора 5 равнялся 35 кВ. Ток в линии передачи 11 составлял 10,5 А. Ток в заземляемом выводе 15 A. Мощность в нагрузке составила 250 кВт. Мощность на выходе генератора 263 кВт. Коэффициент полезного действия η=0,952.

Таким образом, в результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность передачи. За счёт использования полного механизма передачи электрической энергии в линии передачи между выводами с натуральными параметрами выходных сопротивлений обмоток трансформаторов Тесла организуется передача энергии с максимально близкими по фазе напряжением и током. При этом напряжение на линии передачи 11 в раз ниже, чем потенциал на высоковольтном выводе 9, ток в линии 11 в раз меньше тока в заземляемом выводе 6 резонансной обмотки 5.

Отсутствие в предлагаемых способах и устройствах для передачи электрической энергии на линии передачи пучности потенциала и пучности тока удешевляет стоимость системы передачи, снижает интенсивность электрического и магнитного полей под линией передачи, удешевляет стоимость эксплуатации линий передачи. Пониженное напряжение на линии передачи снижает требования к уровню электрической прочности крепежной и несущей фурнитуры, что обеспечивает снижение капитальных затрат при строительстве линий передачи.

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 энергию. Технический результат состоит в исключении возникновения на линии передачи пучности потенциала стоячей волны потенциала, а также исключении возникновения в линии передачи пучности тока стоячей волны тока, что упрощает эксплуатацию и удешевляет стоимость системы передачи, улучшает экологическую обстановку вдоль линии передачи в связи со снижением интенсивности электрического и магнитного полей, снижает влияние емкости проводника линии передачи на резонансные обмотки трансформаторов Тесла. В результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность резонансной передачи электрической энергии и, в первую очередь, на небольшие и средние расстояния. 8 н. и 42 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью

преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты,

передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла, причем низкопотенциальные выводы обмоток указанных трансформаторов заземлены, и

линии передачи электрической энергии, при этом

линия передачи включена между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору через электрическую емкость с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой передающего трансформатора,

приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору через электрическую емкость с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой принимающего трансформатора,

а указанный способ также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линии передачи,

осуществление передачи энергии по линии передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

2. Способ передачи электрической энергии по п. 1, согласно которому передачу энергии приемнику электрической энергии дополнительно осуществляют через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

3. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 1, 2, согласно которому высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями.

4. Способ передачи электрической энергии по п. 3, согласно которому уединенные емкости выполнены в виде токопроводящих сфер или торов.

5. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 1-4, согласно которому линия передачи представляет собой однопроводную линию передачи.

6. Способ передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью

преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты,

передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла и

линии передачи электрической энергии, при этом

линия передачи включена между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты включен между низкопотенциальным выводом резонансной обмотки передающего трансформатора и заземлением,

приёмник электрической энергии включен между низкопотенциальным выводом резонансной обмотки принимающего трансформатора и заземлением, а указанный способ также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линии передачи и

осуществление передачи энергии по линии передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

7. Способ передачи электрической энергии по п. 6, согласно которому приёмник электрической энергии подключен к низкопотенциальному выводу резонансной обмотки принимающего трансформатора через инвертер тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

8. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 6-7, согласно которому высокопотенциальные выводы резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями.

9. Способ передачи электрической энергии по п. 8, согласно которому уединенные емкости выполнены в виде токопроводящих сферы или торов.

10. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 6-9, согласно которому линия передачи представляет собой однопроводную линию передачи.

11. Способ передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью

преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты,

передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла и

двух линий передачи электрической энергии, при этом

обе линии передачи включены между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору через электрические емкости с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой передающего трансформатора,

приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору через электрические емкости с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с полуволновой обмоткой принимающего трансформатора,

а указанный способ также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линиях передачи,

осуществление передачи энергии по линиям передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

12. Способ передачи электрической энергии по п. 11, согласно которому линии передачи представляют собой однопроводные линии передачи.

13. Способ передачи электрической энергии по п. 12, согласно которому однопроводные линии передачи выполнены отдельно друг от друга.

14. Способ передачи электрической энергии по п. 12, согласно которому однопроводные линии передачи выполнены вместе друг с другом в виде витой пары в изоляции с необходимым уровнем электрической прочности между линиями передачи и между линиями передачи и землёй.

15. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 11-14, согласно которому середины обмоток передающего и принимающего трансформаторов Тесла заземлены.

16. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 11-15, согласно которому передачу энергии приемнику электрической энергии дополнительно осуществляют через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

17. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 11-16, согласно которому высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями.

18. Способ передачи электрической энергии по п. 17, согласно которому уединенные емкости выполнены в виде токопроводящих сфер или торов.

19. Способ передачи электрической энергии, включающий:

передачу электрической энергии от источника электрической энергии к приемнику электрической энергии с помощью

преобразователя частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты,

передающего и принимающего резонансных трансформаторов Тесла и

двух линий передачи электрической энергии, при этом

обе линии передачи включены между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору путем включения электрического выхода преобразователя частоты в разрыв проводника в резонансной обмотке передающего трансформатора,

приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору путем включения электрического входа приемника в разрыв проводника в резонансной обмотке принимающего трансформатора;

а указанный способ также включает:

возбуждение, посредством электрической энергии из источника электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с обеспечением возбуждения электрического тока в линиях передачи,

осуществление передачи энергии по линиям передачи на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

20. Способ передачи электрической энергии по п. 19, согласно которому передачу энергии приемнику электрической энергии дополнительно осуществляют через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

21. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 19, 20, согласно которому линии передачи представляют собой однопроводные линии передачи.

22. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 19-21, согласно которому однопроводные линии передачи выполнены отдельно друг от друга.

23. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 19-21, согласно которому однопроводные линии передачи выполнены вместе друг с другом в виде витой пары в изоляции с необходимым уровнем электрической прочности между линиями передачи и между линиями передачи и землёй.

24. Способ передачи электрической энергии по любому из пп. 19-23, согласно которому высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями.

25. Способ передачи электрической энергии по п. 24, согласно которому уединенные емкости выполнены в виде токопроводящих сфер или торов.

26. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее:

источник и приемник электрической энергии,

преобразователь частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты,

передающий и принимающий резонансные трансформаторы Тесла, причем низкопотенциальные выводы обмоток указанных трансформаторов заземлены, и

линию передачи электрической энергии, при этом

линия передачи включена между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты подключён к передающему трансформатору через электрическую емкость с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой передающего трансформатора,

приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору через электрическую емкость с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с обмоткой принимающего трансформатора,

источник электрической энергии обеспечивает возможность возбуждения, посредством электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с возбуждением электрического тока в линии передачи, а линия передачи обеспечивает возможность передачи по ней энергии на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

27. Устройство для передачи электрической энергии по п. 26, дополнительно содержащее инвертор тока, через который дополнительно обеспечена передача энергии приемнику электрической энергии и который преобразует энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

28. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп. 26, 27, согласно которому высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями.

29. Устройство для передачи электрической энергии по п. 28, согласно которому уединенные емкости выполнены в виде токопроводящих сфер или торов.

30. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп. 26-29, согласно которому линия передачи представляет собой однопроводную линию передачи.

31. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее:

источник и приемник электрической энергии,

преобразователь частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты,

передающий и принимающий резонансные трансформаторы Тесла и

линию передачи электрической энергии, при этом

линия передачи включена между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты включен между низкопотенциальным выводом резонансной обмотки передающего трансформатора и заземлением,

приемник электрической энергии включен между низкопотенциальным выводом резонансной обмотки принимающего трансформатора и заземлением,

источник электрической энергии обеспечивает возможность возбуждения, посредством электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с возбуждением электрического тока в линии передачи, а линия передачи обеспечивает возможность передачи по ней энергии на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

32. Устройство для передачи электрической энергии по п. 31, согласно которому приёмник электрической энергии подключен к низкопотенциальному выводу резонансной обмотки принимающего трансформатора через инвертор тока, преобразующий энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

33. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп. 31, 32, согласно которому высокопотенциальные выводы резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями.

34. Устройство для передачи электрической энергии по п. 33, в котором уединенные емкости выполнены в виде токопроводящих сфер или торов, поднятых над землей.

35. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп. 31-34, согласно которому линия передачи представляет собой однопроводную линию передачи электрической энергии.

36. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее:

источник и приемник электрической энергии,

преобразователь частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты,

передающий и принимающий резонансные трансформаторы Тесла и

две линии передачи электрической энергии, при этом

обе линии передачи включены между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты подключен к передающему трансформатору через электрические ёмкости с помощью обмотки, магнитоиндукционно связанной с полуволновой обмоткой передающего трансформатора,

приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору через электрические емкости с помощью обмотки связи, магнитоиндукционно связанной с полуволновой обмоткой принимающего трансформатора,

источник электрической энергии обеспечивает возможность возбуждения, посредством электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с возбуждением электрического тока в линиях передачи, а линии передачи обеспечивают возможность передачи по ним энергии на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

37. Устройство для передачи электрической энергии по п. 36, согласно которому линии передачи представляют собой однопроводные линии передачи.

38. Устройство для передачи электрической энергии по п. 37, согласно которому однопроводные линии передачи выполнены отдельно друг от друга.

39. Устройство для передачи электрической энергии по п. 37, согласно которому однопроводные линии передачи выполнены вместе друг с другом в виде витой пары в изоляции с необходимым уровнем электрической прочности между линиями передачи и между линиями передачи и землёй.

40. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп. 36-39, согласно которому середины обмоток передающего и принимающего трансформаторов Тесла заземлены.

41. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп. 36-40, дополнительно содержащее инвертор тока, через который дополнительно обеспечена передача энергии приемнику электрической энергии и который преобразует энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

42. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп. 36-41, согласно которому высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями.

43. Устройство для передачи электрической энергии по п. 42, согласно которому уединенные емкости выполнены в виде токопроводящих сфер или торов.

44. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее:

источник и приемник электрической энергии,

преобразователь частоты для преобразования электрического тока от источника электрической энергии в электрический ток повышенной частоты,

передающий и принимающий резонансные трансформаторы Тесла и

две линии передачи электрической энергии, при этом

обе линии передачи включены между неподвижными либо перемещаемыми точками резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, выходное сопротивление в которых соответствует входному или выходному сопротивлению линии передачи,

преобразователь частоты подключён к передающему трансформатору путем включения электрического выхода преобразователя частоты в разрыв проводника в резонансной обмотке передающего трансформатора,

приемник электрической энергии подключен к принимающему трансформатору путем включения электрического входа приемника в разрыв проводника в резонансной обмотке принимающего трансформатора,

источник электрической энергии обеспечивает возможность возбуждения, посредством электрической энергии, в обмотке передающего трансформатора резонансных колебаний с возбуждением электрического тока в линиях передачи, а линии передачи обеспечивают возможность передачи по ним энергии на обмотку принимающего трансформатора с возбуждением в ней резонансных колебаний, что обеспечивает передачу энергии от принимающего трансформатора на приемник электрической энергии.

45. Устройство для передачи электрической энергии по п. 44, дополнительно содержащее инвертор тока, через который дополнительно обеспечена передача энергии приемнику электрической энергии и который преобразует энергию тока повышенной частоты в энергию электрического тока, подходящего для питания нагрузки.

46. Устройство для передачи электрической энергии по пп. 44, 45 согласно которому линии передачи представляют собой однопроводные линии передачи.

47. Устройство для передачи электрической энергии по п. 46, согласно которому однопроводные линии передачи выполнены отдельно друг от друга.

48. Устройство для передачи электрической энергии по п. 46, согласно которому однопроводные линии передачи выполнены вместе друг с другом в виде витой пары в изоляции с необходимым уровнем электрической прочности между линиями передачи и между линиями передачи и землёй.

49. Устройство для передачи электрической энергии по любому из пп. 44-48, согласно которому высокопотенциальные выводы обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены с уединенными емкостями.

50. Устройство для передачи электрической энергии по п. 49, согласно которому уединенные емкости выполнены в виде токопроводящих сфер или торов.