RU2572360C2 - Method and device for electrical energy transmission (versions) - Google Patents
Method and device for electrical energy transmission (versions) Download PDFInfo
- Publication number
- RU2572360C2 RU2572360C2 RU2013146412/07A RU2013146412A RU2572360C2 RU 2572360 C2 RU2572360 C2 RU 2572360C2 RU 2013146412/07 A RU2013146412/07 A RU 2013146412/07A RU 2013146412 A RU2013146412 A RU 2013146412A RU 2572360 C2 RU2572360 C2 RU 2572360C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- resonant
- frequency
- voltage
- windings
- winding
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам и способам передачи электрической энергии с применением резонансных технологий между стационарными объектами, а также между стационарными питающими устройствами и мобильными агрегатами, принимающими электроэнергию.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to devices and methods for transmitting electrical energy using resonant technologies between stationary objects, as well as between stationary power devices and mobile units that accept electricity.
Известны способ и устройство для преобразования и передачи электрической энергии по однопроводной линии на большие расстояния, разработанные Н. Тесла в 1897 году (H. Тесла. US патент №593138). Электрический трансформатор. Заявлен 20.03.1897 г. Выпущен 02.11.1897 г. Н. Тесла. US патент №645576. Система передачи электрической энергии. Заявлен 09.1897 г. Выпущен 20.03.1900 г.).A known method and device for converting and transmitting electric energy through a single-wire line over long distances, developed by N. Tesla in 1897 (H. Tesla. US patent No. 593138). Electric transformer. Declared March 20, 1897; Released November 2, 1897; N. Tesla. US patent No. 645576. Electric power transmission system. Announced on 09.1897; Released on 03.20.1900).
Согласно изобретениям Н. Тесла система состоит из двух, передающего и принимающего, резонансных трансформаторов с резонансными повышающими обмотками, представляющими собой однослойные спиральные четвертьволновые отрезки длинных линий на цилиндрических каркасах, и провода, соединяющего высокопотенциальные выводы резонансных повышающих обмоток. Низкопотенциальные выводы резонансных четвертьволновых обмоток обоих трансформаторов заземлены непосредственно около конструкций трансформаторов. Низковольтная обмотка передающего трансформатора подключена к выходу генератора повышенной частоты, являющегося преобразователем энергии источника электроэнергии в электрическую энергию переменного тока с частотой, равной резонансной частоте резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии. Низковольтная обмотка принимающего трансформатора подключена к нагрузке, потребляющей энергию.According to N. Tesla’s inventions, the system consists of two transmitting and receiving resonant transformers with resonant boost windings, which are single-layer spiral quarter-wave segments of long lines on cylindrical frames, and a wire connecting the high-potential leads of the resonant boost windings. The low-potential leads of the resonant quarter-wave windings of both transformers are grounded directly near the structures of the transformers. The low-voltage winding of the transmitting transformer is connected to the output of a high-frequency generator, which is a converter of the energy of an electric power source into alternating current electric energy with a frequency equal to the resonant frequency of a resonant single-wire electric energy transmission system. The low voltage winding of the receiving transformer is connected to a load consuming energy.
В цепях низковольтных обмоток резонансных трансформаторов устанавливаются электрические конденсаторы, образующие совместно с низковольтными обмотками резонансные контуры. В зависимости от внутреннего сопротивления выходных цепей генератора переменного тока повышенной частоты и внутреннего сопротивления входных цепей нагрузки выбирается тип соединения конденсаторов по отношению к низковольтным обмоткам резонансных трансформаторов: последовательное или параллельное. В результате соединения одного из выводов однослойных высоковольтных спиральных обмоток с землей, а других выводов этих обмоток с проводом, соединяющим высоковольтные выводы спиральных обмоток, создаются условия для возникновения стоячих волн электромагнитных колебаний вдоль высоковольтных обмоток с размером примерно в одну четверть длины волны на каждой из обмоток, где λ - длина стоячей волны на спиральной резонансной обмотке; l - длина спиральной обмотки. Вдоль всей системы передачи устанавливается половина длины стоячей волны , где L - расстояние между резонансными трансформаторами.In the circuits of low-voltage windings of resonant transformers, electric capacitors are installed, which form resonant circuits together with low-voltage windings. Depending on the internal resistance of the output circuits of the alternating current generator of increased frequency and the internal resistance of the input load circuits, the type of connection of the capacitors with respect to the low-voltage windings of the resonant transformers is selected: series or parallel. As a result of connecting one of the terminals of single-layer high-voltage spiral windings to the ground, and the other conclusions of these windings with a wire connecting the high-voltage terminals of spiral windings, conditions are created for the occurrence of standing waves of electromagnetic waves along high-voltage windings with a size of about one quarter wavelength on each of the windings, where λ is the standing wavelength on the spiral resonant winding; l is the length of the spiral winding. Half of the standing wavelength is set along the entire transmission system. where L is the distance between the resonant transformers.
Длина волны резонансных электромагнитных колебаний внутри системы передачи электрической энергии соответствует физическому требованию равенства половине периода T/2 резонансного колебания времени прохождения электромагнитного возбуждения в системе передачи энергии от заземления на низкопотенциальном выводе высоковольтной обмотки передающего трансформатора вдоль высоковольтной обмотки, вдоль провода, соединяющего высоковольтные выводы резонансных трансформаторов, и далее, вдоль высоковольтной резонансной обмотки принимающего трансформатора от высоковольтного ввода до заземления: T/2=t1+t2+t3. Здесь: Т - период резонансных колебаний в системе, t1=t3 - время прохождения электромагнитного возбуждения вдоль высоковольтных резонансных обмоток l, t2 - время прохождения электромагнитного возбуждения вдоль провода, соединяющего высоковольтные выводы резонансных трансформаторов. Время прохождения определяется следующими соотношениями: ; ; здесь ν - скорость распространения электромагнитного возбуждения вдоль высоковольтных резонансных обмоток l; с - скорость света, так как ν<<с, то t1+t2+t3≅2t1. В связи с этим период свободного резонансного колебания электромагнитной энергии вдоль системы передачи составит: Т=4t1.The wavelength of the resonant electromagnetic oscillations inside the electric energy transmission system corresponds to the physical requirement of equal half the T / 2 period of the resonance oscillation of the electromagnetic excitation time in the energy transfer system from the ground at the low-potential terminal of the high-voltage winding of the transmitting transformer along the high-voltage winding, along the wire connecting the high-voltage terminals of the resonant transformers , and further along the high-voltage resonant winding of the receiving transformer from high voltage input to ground: T / 2 = t 1 + t 2 + t 3 . Here: T is the period of resonant oscillations in the system, t 1 = t 3 is the transit time of electromagnetic excitation along the high-voltage resonant windings l, t 2 is the transit time of electromagnetic excitation along the wire connecting the high-voltage terminals of the resonant transformers. Travel time is determined by the following relationships: ; ; here ν is the propagation velocity of electromagnetic excitation along high-voltage resonant windings l; c is the speed of light, since ν << s, then t 1 + t 2 + t 3 ≅ 2t 1 . In this regard, the period of free resonant oscillation of electromagnetic energy along the transmission system will be: T = 4t 1 .
Подставляя в выражение для периода Т величину t1, можно получить:Substituting in the expression for the period T the value of t 1 you can get:
. .
Скорость распространения электромагнитного возбуждения вдоль однослойной спиральной высоковольтной обмотки определяется электрофизическими и конструкционными характеристиками обмоткиThe propagation velocity of electromagnetic excitation along a single-layer spiral high-voltage winding is determined by the electrophysical and structural characteristics of the winding
. .
Здесь: L0 - погонная распределенная индуктивность спиральной обмотки; С0 - погонная распределенная емкость спиральной обмотки.Here: L 0 - linear distributed inductance of the spiral winding; With 0 - linear distributed capacity of the spiral winding.
Таким образом, период собственных резонансных колебаний в высоковольтном контуре системы передачи электрической энергии будет равен . Частота, соответственно, равнаThus, the period of natural resonance oscillations in the high-voltage circuit of the electric energy transmission system will be equal to . The frequency, respectively, is
. .
При выполнении условия f1=f0=f2=fг в системе возбуждается резонансное состояние - все резонансные частоты f1, f2, f0 равны между собой и равны частоте тока питающего генератора повышенной частоты fг. Здесь: f1 - резонансная частота контура, образованного емкостью конденсатора С1 на выходе генератора повышенной частоты и индуктивностью L1 низковольтной обмотки питающего резонансного трансформатораWhen the condition f 1 = f 0 = f 2 = f g is fulfilled, the resonant state is excited in the system - all resonant frequencies f 1 , f 2 , f 0 are equal to each other and equal to the current frequency of the supply generator of increased frequency f g. Here: f 1 - the resonant frequency of the circuit formed by the capacitor C 1 at the output of the high-frequency generator and the inductance L 1 of the low-voltage winding of the supply resonant transformer
; ;
f2 - резонансная частота контура, образованного емкостью конденсатора С2 на входе контура, питающего нагрузку, и индуктивностью L2 низковольтной обмотки принимающего резонансного трансформатораf 2 is the resonant frequency of the circuit formed by the capacitance of the capacitor C 2 at the input of the circuit supplying the load and the inductance L 2 of the low voltage winding of the receiving resonant transformer
, ,
f0 - резонансная частота свободных колебаний электромагнитной энергии в высоковольтном контуре, образованном высоковольтными обмотками резонансных трансформаторов и проводом, соединяющим высоковольтные выводы резонансных трансформаторовf 0 is the resonant frequency of free oscillations of electromagnetic energy in the high-voltage circuit formed by the high-voltage windings of the resonant transformers and the wire connecting the high-voltage terminals of the resonant transformers
. .
Энергия, поступая в систему передачи из источника, проходит вдоль системы до нагрузки, и в случае неполного поглощения или отсутствия поглощения в нагрузке энергия отражается от нагрузки обратно в систему передачи. При этом вдоль части системы передачи, включающей резонансные спиральные обмотки передающего и принимающего трансформаторов, а также провод, соединяющий высокопотенциальные выводы спиральных обмоток, возникают две встречно направленные бегущие волны напряжения и тока. Отражение волны напряжения происходит без смещения по фазе, волна тока при отражении поворачивается на 180°. Интерференционное сложение двух встречно бегущих волн приводит к появлению «горбов» (пучностей) и «впадин» (узлов) у амплитуд суммарных волн.The energy entering the transmission system from the source passes along the system to the load, and in the case of incomplete absorption or absence of absorption in the load, the energy is reflected from the load back into the transmission system. At the same time, along the part of the transmission system, including the resonant spiral windings of the transmitting and receiving transformers, as well as the wire connecting the high-potential leads of the spiral windings, two opposing traveling voltage and current waves arise. The reflection of the voltage wave occurs without phase displacement, the current wave rotates 180 ° during reflection. The interference addition of two oncoming traveling waves leads to the appearance of “humps” (antinodes) and “troughs” (nodes) at the amplitudes of the total waves.
При длине пути волны, равной целому числу полуволн, суммарная волна предстает в виде стационарной картины с изменяющимися амплитудами колебания напряжения и тока вдоль линии. Минимальное количество полуволн равно единице. При этом у низкопотенциальных заземляемых выводов спиральных обмоток резонансных трансформаторов развиваются «горбы» тока и «впадины» потенциала, а на высоковольтных выводах резонансных трансформаторов и на проводнике, соединяющем высоковольтные выводы, образуется «горб» потенциала и «впадина» тока.With a wavelength equal to an integer number of half-waves, the total wave appears in the form of a stationary picture with varying amplitudes of the voltage and current oscillations along the line. The minimum number of half-waves is equal to one. At the same time, the “humps” of the current and the “troughs” of the potential develop at the low-potential grounded terminals of the spiral windings of the resonant transformers, and the “humps” of the potential and the “troughs” of the current form on the high-voltage terminals of the resonant transformers and on the conductor connecting the high-voltage terminals.
Таким образом, провод, соединяющий передающий и принимающий трансформаторы и представляющий собой линию передачи электрической энергии, оказывается нагруженным током с минимальным значением амплитуды. Результатом этого эффекта является резкое снижение токовых потерь в линии при передаче энергии. Пучности тока располагаются у заземляемых выводов резонансных обмоток, в связи с чем в этих областях резонансных высоковольтных обмоток размещаются низкопотенциальные обмотки, соединяющие резонансные высоковольтные обмотки с источником электрической энергии и с нагрузкой.Thus, the wire connecting the transmitting and receiving transformers and representing a transmission line of electrical energy, turns out to be current-loaded with a minimum amplitude value. The result of this effect is a sharp decrease in current losses in the line during energy transfer. Current bundles are located at the grounded terminals of the resonant windings, and therefore low-potential windings are located in these areas of the resonant high-voltage windings, connecting the resonant high-voltage windings with a source of electrical energy and with a load.
Недостатком известного способа устройства передачи электрической энергии являются большие энергетические потери в заземлителях низкопотенциальных выводов резонансных спиральных обмоток резонансных трансформаторов. С целью снижения потерь в заземлителях приходится выполнять их в виде конструкций с большой поверхностью, а также предпринимать соответствующие меры для обеспечения необходимой электропроводимости грунта вокруг заземлителя. Кроме этого замыкание токов смещения с проводника линии на землю приводит к возникновению потерь в земле под проводником, соединяющим высоковольтные выводы резонансных трансформаторов. Это также снижает эффективность передачи электрической энергии.The disadvantage of this method of a device for transmitting electrical energy is the large energy loss in the grounding conductors of low-potential leads of the resonant spiral windings of the resonant transformers. In order to reduce losses in grounding conductors, it is necessary to perform them in the form of structures with a large surface, as well as take appropriate measures to ensure the necessary electrical conductivity of the soil around the ground electrode system. In addition, the closure of bias currents from the line conductor to ground leads to losses in the ground under the conductor connecting the high-voltage terminals of the resonant transformers. It also reduces the transmission efficiency of electrical energy.
Наиболее близким к заявленному является известный способ и устройство для передачи электрической энергии с помощью резонансной технологии передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из генератора повышенной частоты и двух, повышающего и понижающего, высокочастотных многослойных трансформаторов, повышения потенциала внутреннего вывода высоковольтной обмотки повышающего трансформатора, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору, понижения потенциала высоковольтного вывода понижающего трансформатора, передачи в нагрузку активной электрической энергии. При этом между заземляемыми низковольтными выводами резонансных высоковольтных обмоток размещается целое число полуволн (минимальное число - одна полуволна). (Патент РФ №2255406 от 21.02.2003.)Closest to the claimed is a known method and device for transmitting electrical energy using resonant technology for transmitting electrical energy by creating resonant oscillations of high frequency in a circuit consisting of a high frequency generator and two up and down high-frequency multilayer transformers, increasing the internal output potential of a high voltage windings of a step-up transformer, transmission of high-voltage potential and electric energy through a single-wire line step-down transformer, the high voltage output reduction potential step-down transformer, the load transfer active energy. In this case, an integer number of half-waves (the minimum number is one half-wave) is placed between the grounded low-voltage terminals of the resonant high-voltage windings. (RF patent №2255406 dated 02.21.2003.)
Недостатком известного способа и устройства являются большие потери электрической энергии в заземлителях наружных выводов резонансных обмоток резонансных трансформаторов, а также электрические потери в земле под однопроводной линией.A disadvantage of the known method and device is the large loss of electrical energy in the ground electrodes of the external terminals of the resonant windings of the resonant transformers, as well as electrical losses in the ground under a single-wire line.
В другом варианте известных способа и устройства наружные выводы резонансных, многослойных, высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов не заземляют, а оставляют неподключенными, защищая изоляцией торцы проводов от пробоя на рядом расположенные витки резонансной обмотки и на низковольтные обмотки. (Патент РФ №2255406 от 21.02.2003 г. ).In another embodiment of the known method and device, the external terminals of the resonant, multilayer, high-voltage windings of the resonant transformers are not earthed, but left unconnected, insulating the ends of the wires from breakdown to adjacent windings of the resonant winding and to low-voltage windings. (RF patent №2255406 dated 02.21.2003).
Недостатком известного способа и устройства передачи электрической энергии резонансным методом по одному проводу с применением резонансных трансформаторов с многослойными высоковольтными резонансными обмотками, внутренний вывод которых подключается к однопроводной линии, а наружный вывод остается неподключенным, является сложность отвода тепла от внутренних витков высоковольтной резонансной обмотки. Проблема отвода тепла от внутренних витков многослойной высоковольтной резонансной обмотки возникает в связи с тем, что при возбуждении резонансного состояния в случае неприсоединения внешнего вывода к заземлителю на внешнем выводе развивается пучность потенциала, так же как и на внутреннем выводе, присоединяемом к однопроводной линии. При этом между пучностями потенциала, т.е. внутри многослойной обмотки, развивается пучность тока, что сопровождается ростом тепловых потерь внутри катушки, откуда отвод тепла затруднен. Кроме этого исключается возможность размещения низковольтной обмотки вблизи пучности тока, а также возникает необходимость тщательной изоляции внешнего ввода высоковольтной обмотки от низкопотенциальной обмотки, подключенной к выходу генератора тока повышенной частоты на входе системы передачи, или ко входу нагрузки на приемной стороне системы.A disadvantage of the known method and device for transmitting electric energy by the resonant method through a single wire using resonant transformers with multilayer high-voltage resonant windings, the internal terminal of which is connected to a single-wire line, and the external terminal remains unconnected, is the difficulty of heat removal from the internal turns of the high-voltage resonant winding. The problem of heat removal from the internal turns of a multilayer high-voltage resonant winding arises due to the fact that upon excitation of the resonant state in the case of non-connection of the external output to the ground electrode, an antinode potential develops on the external output, as well as on the internal output connected to a single-wire line. Moreover, between the antinodes of the potential, i.e. inside a multilayer winding, a current antinode develops, which is accompanied by an increase in heat loss inside the coil, from where heat removal is difficult. In addition, the possibility of placing a low-voltage winding near the current antinode is excluded, and the need arises to carefully isolate the external input of the high-voltage winding from the low-potential winding connected to the output of the high-frequency current generator at the input of the transmission system, or to the load input on the receiving side of the system.
Задачей изобретения является повышение эффективности резонансной технологии передачи электрической энергии, исключение электрических потерь в заземлителях, упрощение конструкции резонансных катушек.The objective of the invention is to increase the efficiency of resonant technology for the transmission of electrical energy, the exclusion of electrical losses in grounding, simplifying the design of resonant coils.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность увеличить передаваемую мощность, уменьшить сечение провода, ток в линии и расход цветных металлов на провода, снизить потери электроэнергии при передаче.As a result of using the present invention, it becomes possible to increase the transmitted power, reduce the wire cross-section, the current in the line and the consumption of non-ferrous metals on the wires, and reduce energy losses during transmission.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны λ=LAB/n, где n - целое число, LAB - длина электрической цепи между свободными выводами А и В высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток высокочастотных резонансных трансформаторов, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного резонансного трансформатора по однопроводной линии независимо от земли путем размещения низковольтных обмоток повышающего и понижающего высоковольтных резонансных трансформаторов посередине высоковольтных высокочастотных резонансных обмоток и преобразования тока в однопроводной линии в активный ток в нагрузке.The above technical result is achieved by the fact that in the method of transmitting electrical energy, resonant vibrations of electromagnetic energy with a wavelength of λ = L AB / n, where n is an integer, L AB is the length of the electrical circuit between the free terminals A and B of high-voltage made in the form of single-layer spirals windings of high-frequency resonant transformers, transmit from the high-frequency generator tuned to the frequency of the resonant circuit of the low-voltage winding of the boosting high-frequency resonant transformer to the resonant the circuit of the low-voltage winding of a step-down high-frequency resonant transformer on a single-wire line, regardless of earth, by placing the low-voltage windings of a step-up and step-down high-voltage resonant transformers in the middle of the high-voltage high-frequency resonant windings and converting the current in a single-wire line into active current in the load.
В другом способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны , где n - целое число, LAB - длина электрической цепи между серединами высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток высокочастотных резонансных трансформаторов, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного резонансного трансформатора по двум противофазным однопроводным изолированным от земли линиям, преобразуют ток в изолированных от земли противофазных однопроводных линиях в переменный ток промышленной частоты, при этом низковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов размещают посредине высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток.In another method for transmitting electrical energy, resonant oscillations of electromagnetic energy with a wavelength where n is an integer, L AB is the length of the electric circuit between the middle of the high-voltage windings of high-frequency resonant transformers made in the form of single-layer spirals, transfer from the high-frequency generator of the resonant circuit of the low-voltage winding of the boosting high-frequency resonant transformer to the resonance circuit of the low-voltage winding of the lowering high-frequency resonant transformer on two antiphase single-wire lines isolated from the earth, convert the current into from th e land antiphase single-wire lines to AC power frequency, while the low-voltage winding of the step-up and step-down high frequency transformer resonant placed in the middle of high configured as single-layer winding coils.
В третьем способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии с частотой , где L - индуктивность однослойных обмоток резонансных трансформаторов, L=L0l, здесь L0 - погонная индуктивность однослойных обмоток, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - емкость резонансной системы. С=C0l+2Cc, здесь С0 - погонная естественная емкость однослойных обмоток резонансных трансформаторов, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, Сс - естественная емкость проводящих сфер, подключенных к крайним выводам однослойных обмоток резонансных трансформаторов, возбуждают колебания электрической энергии в передающем резонансном трансформаторе, высоковольтная резонансная обмотка которого выполнена в виде однослойной спиральной обмотки с присоединенными к ее выводам электропроводящими сферами, выполняющими роль электрических емкостей, обладающих естественной емкостью Сс=ε0r, где ε0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, r - радиус сфер сферических электрических конденсаторов, передают энергию от настроенного на частоту высокочастотного генератора, резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного резонансного трансформатора по однопроводной линии независимо от земли путем размещения низковольтных обмоток повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов посередине высоковольтных резонансных обмоток и преобразования тока в однопроводной линии в активный ток нагрузки.In the third method for transmitting electrical energy, resonant oscillations of electromagnetic energy with a frequency where L is the inductance of single-layer windings of resonant transformers, L = L 0 l, here L 0 is the linear inductance of single-layer windings, l is the length of single-layer windings of resonant transformers, and C is the capacitance of the resonant system. C = C 0 l + 2C c , here C 0 is the linear natural capacitance of single-layer windings of resonant transformers, l is the length of single-layer windings of resonant transformers, C c is the natural capacity of conductive spheres connected to the extreme terminals of single-layer windings of resonant transformers, they excite fluctuations in electrical energy in a transmitting resonant transformer, the high-voltage resonant winding of which is made in the form of a single-layer spiral winding with electrically conductive spheres connected to its terminals, playing the role of The electrical receptacles having natural capacitance C = ε 0 r, where ε 0 - absolute dielectric constant of vacuum, r - the radius of the spheres of the spherical electrical capacitors, transmitted energy from tuned to the high frequency generator, the resonant circuit of low voltage winding enhancing high frequency resonant transformer to the resonant circuit low-voltage winding of a step-down high-frequency resonant transformer through a single-wire line regardless of the ground by placing low-voltage transformers winding of raising and lowering high-frequency resonant transformers in the middle of high-voltage resonant windings and converting current in a single-wire line into an active load current.
В другом способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии с частотойIn another method for transmitting electrical energy, resonant oscillations of electromagnetic energy with a frequency
, ,
где L - индуктивность однослойных обмоток резонансных трансформаторов, L=L0l, где L0 - погонная индуктивность однослойных обмоток, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - емкость резонансной системы, C=C0l+2Cc, здесь С0 - погонная, естественная емкость однослойных обмоток резонансных трансформаторов, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, возбуждают колебания электрической энергии в передающем резонансном трансформаторе, высоковольтная резонансная обмотка которого выполнена в виде однослойной спиральной обмотки с присоединенными к ее выводам электропроводящими сферами, выполняющими роль электрических емкостей, обладающих естественной емкостью Сс=ε0r, где ε0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, r - радиус сфер сферических электрических конденсаторов, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного резонансного трансформатора к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного резонансного трансформатора по двум противофазным однопроводным изолированным от земли линиям, преобразуют ток в изолированных от земли противофазных однопроводных линиях в переменный ток промышленной частоты, при этом низковольтные обмотки понижающего и повышающего высокочастотных резонансных трансформаторов размещают посередине высоковольтных резонансных обмоток, выполненных в виде однослойных спиралей.where L is the inductance of single-layer windings of resonant transformers, L = L 0 l, where L 0 is the linear inductance of single-layer windings, l is the length of single-layer windings of resonant transformers, C is the capacitance of the resonance system, C = C 0 l + 2C c , here C 0 - linear, natural capacity of single-layer windings of resonant transformers, l - length of single-layer windings of resonant transformers, excite oscillations of electric energy in a transmitting resonant transformer, the high-voltage resonant winding of which is made in the form of a single-layer spir of the winding with electrically conductive spheres attached to its terminals, acting as electric capacitors with a natural capacitance C c = ε 0 r, where ε 0 is the absolute dielectric constant of vacuum, r is the radius of the spheres of spherical electric capacitors, transmitted from the resonant resonator tuned to the frequency the circuit of the low-voltage winding of a step-up high-frequency resonant transformer to the resonant circuit of the low-voltage winding of a step-down high-frequency resonant transformer rmatora two antiphase single-wire insulated from ground lines is converted from current to isolated ground lines in antiphase single-wire alternating current of industrial frequency, wherein the low voltage winding of the step-up and step-down high frequency transformer resonant placed in the middle of high voltage resonant winding embodied in the form of single-layer coils.
В устройстве для передачи электрической энергии низковольтная обмотка повышающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим питающим конденсатором образует передающий резонансный настроенный на частоту генератора высокой частоты резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим контурным конденсатором образует приемный резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L1C1=L2C2, где L1 и C1, L2 и С2 - индуктивности и емкости указанных резонансных контуров, при этом высоковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов выполнены в виде однослойных спиралей, низковольтные обмотки размещены посередине высоковольтных обмоток с помощью однопроводной линии, одним из высоковольтных выводов повышающий резонансный трансформатор независимо от земли соединен с одним из высоковольтных выводов понижающего резонансного трансформатора, другие высоковольтные выводы А и В высоковольтных обмоток высокочастотных резонансных повышающего и понижающего трансформаторов остаются свободными, длина электрической цепи LAB между свободными выводами А и В высоковольтных обмоток повышающего и понижающего резонансных высокочастотных трансформаторов равна LAB=λn, где n - целое число, λ - длина волны собственных резонансных колебаний электромагнитной энергии, при этом резонансные частоты передающего и приемного низковольтных резонансных контуров повышающего и понижающего резонансных трансформаторов, а также собственные резонансные частоты высоковольтных высокочастотных однослойных спиральных обмоток равны между собой и равны частоте переменного тока источника тока высокой частоты.In the device for transmitting electrical energy, the low-voltage winding of the step-up high-frequency resonant transformer with its supply capacitor forms a resonant resonant circuit tuned to the frequency of the high-frequency generator, the low-voltage winding of the step-down high-frequency resonant transformer forms a receiving resonant circuit with its own capacitor, the parameters of these resonant circuits are related by the relation L 1 C 1 = L 2 C 2 , where L 1 and C 1, L 2 and C 2 - inductance and capacitance resonant circuits, while the high-voltage windings of the raising and lowering high-frequency resonant transformers are made in the form of single-layer spirals, the low-voltage windings are placed in the middle of the high-voltage windings using a single-wire line, and one of the high-voltage outputs, the increasing resonant transformer, is connected to one of the high-voltage resonant leads, independently of the ground, , other high-voltage terminals A and B of high-voltage windings of high-frequency resonant boosts ayuschego and down transformers remain free, electrical path length L AB between the free terminals A and B high-voltage windings of the step-up and step-down the resonant high-frequency transformers is L AB = λn, where n - an integer, λ - wavelength of the natural resonant oscillations of electromagnetic energy, wherein resonant frequencies of the transmitting and receiving low-voltage resonant circuits of the raising and lowering resonant transformers, as well as the natural resonant frequencies of the high-voltage high-frequency single-layer spiral windings are equal to each other and equal to the frequency of the alternating current of a high-frequency current source.
В другом устройстве для передачи электрической энергии низковольтная обмотка повышающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим питающим конденсатором образует передающий резонансный контур, настроенный на частоту генератора высокой частоты, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим контурным конденсатором образует приемный резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L1C1=L2C2, где L1 и С1, L2 и C2 - индуктивности и емкости указанных резонансных контуров, при этом высоковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов выполнены в виде однослойных спиралей, низковольтные обмотки размещены посередине высоковольтных обмоток, с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии, высоковольтные противофазные выводы резонансных высоковольтных спиральных обмоток повышающего и понижающего резонансных трансформаторов соединены между собой независимо от земли, длина электрической цепи LAB между серединами высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток высокочастотных резонансных трансформаторов равна LAB=λ/n, где n - целое число, λ - длина волны собственных резонансных колебаний, при этом резонансные частоты передающего и приемного низковольтных резонансных контуров повышающего и понижающего резонансных трансформаторов, а также собственные резонансные частоты высоковольтных высокочастотных однослойных спиральных обмоток равны между собой и равны частоте переменного тока источника тока высокой частоты.In another device for transmitting electric energy, the low-voltage winding of the step-up high-frequency resonant transformer with its supply capacitor forms a transmitting resonant circuit tuned to the frequency of the high-frequency generator, the low-voltage winding of the step-down high-frequency resonant transformer forms a receiving resonant circuit with its own capacitor, the parameters of these resonant circuits are related by the relation L 1 C 1 = L 2 C 2 , where L 1 and C 1 , L 2 and C 2 are the inductances and capacitances indicated resonant circuits, while the high-voltage windings of the raising and lowering high-frequency resonant transformers are made in the form of single-layer spirals, the low-voltage windings are placed in the middle of the high-voltage windings, using a double-circuit line containing two single-wire lines, the high-voltage antiphase leads of the resonant high-voltage spiral resonating windings and the lower-voltage resonant lower-voltage resonant connecting windings between each other, regardless of the earth, the length of the electrical circuit L AB between the middle high-voltage the total windings of high-frequency resonant transformers made in the form of single-layer spirals is L AB = λ / n , where n is an integer, λ is the wavelength of natural resonant vibrations, while the resonant frequencies of the transmitting and receiving low-voltage resonant circuits of the raising and lowering resonant transformers, as well as the natural resonant frequencies of high-voltage high-frequency single-layer spiral windings are equal to each other and equal to the frequency of the alternating current of a high-frequency current source.
В третьем устройстве для передачи электрической энергии низковольтная обмотка повышающего высоковольтного резонансного трансформатора со своим питающим конденсатором образует передающий резонансный контур, настроенный на частоту генератора высокой частоты, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим контурным конденсатором образует приемный резонансный, также настроенный на частоту высокочастотного генератора контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L1C1=L2C2, где L1 и C1, L2 и С2 - индуктивности и емкости указанных резонансных контуров, при этом высоковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов выполнены в виде однослойных спиралей, низковольтные обмотки размещены посередине высоковольтных обмоток, с помощью однопроводной линии одним из высоковольтных выводов повышающий резонансный трансформатор независимо от земли соединен с одним из высоковольтных выводов понижающего резонансного трансформатора, другие высоковольтные выводы А и В высоковольтных обмоток высокочастотных резонансных повышающего и понижающего трансформаторов остаются свободными, со свободными выводами электрически соединены установленные в непосредственной близости металлические электропроводящие сферы с радиусами r, собственные резонансные частоты f, образованные емкостями сферы Сс, распределенными вдоль спиральной высоковольтной обмотки длиной l, собственной емкостью С0 и индуктивностью L0, равныIn the third device for transmitting electric energy, the low-voltage winding of the step-up high-voltage resonant transformer with its supply capacitor forms a transmitting resonant circuit tuned to the frequency of the high-frequency generator, the low-voltage winding of the step-down high-frequency resonant transformer with its own circuit capacitor forms a receiving resonant circuit also tuned to the frequency of the high-frequency generator , the parameters of these resonant circuits are related by the relation L 1 C 1 = L 2 C 2 , where L 1 and C 1, L 2 and C 2 are the inductances and capacitances of these resonant circuits, while the high-voltage windings of the raising and lowering high-frequency resonant transformers are made in the form of single-layer spirals, the low-voltage windings are located in the middle of the high-voltage windings , using a single-wire line with one of the high-voltage terminals, the boost resonance transformer, regardless of the ground, is connected to one of the high-voltage terminals of the step-down resonant transformer, other high-voltage terminals A and B are high -voltage windings of the high-frequency resonant step-up and step-down transformers remain free, with the free terminals are electrically coupled installed in the vicinity of metal conductive sphere with a radius r, its own resonance frequencies f, formed capacitances spheres C, distributed along the helical high-voltage coil length l, own capacitance C 0 and inductance L 0 are equal
где L - индуктивность однослойных обмоток резонансных трансформаторов, L=L0l, здесь L0 - погонная распределенная вдоль спиральной обмотки индуктивность, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - емкость резонансной системы резонансных трансформаторов, где С=C0l+2Cc, здесь С0 - погонная собственная естественная емкость однослойной обмотки резонансного трансформатора, l - длина однослойной обмотки резонансного трансформатора; Сс - естественная емкость проводящих сфер. При этом резонансные частоты передающего и приемного низковольтных резонансных контуров повышающего и понижающего резонансных трансформаторов, а также собственные резонансные частоты высоковольтных высокочастотных однослойных спиральных обмоток со сферическими емкостями на выводах равны между собой и равны частоте генератора переменного тока высокой частоты.where L is the inductance of single-layer windings of resonant transformers, L = L 0 l, here L 0 is the linear inductance distributed along the spiral winding, l is the length of single-layer windings of resonant transformers, C is the capacitance of the resonant system of resonant transformers, where C = C 0 l + 2C c , here C 0 is the linear natural capacitance of a single-layer winding of a resonant transformer, l is the length of a single-layer winding of a resonant transformer; C with - the natural capacity of the conductive spheres. In this case, the resonant frequencies of the transmitting and receiving low-voltage resonant circuits of the raising and lowering resonant transformers, as well as the natural resonant frequencies of the high-voltage high-frequency single-layer spiral windings with spherical capacitors at the terminals, are equal to each other and equal to the frequency of the high-frequency alternator.
Еще в одном устройстве для передачи электрической энергии низковольтная обмотка повышающего высокочастотного резонансного трансформатора со своим питающим конденсатором образует передающий резонансный контур, настроенный на частоту генератора высокой частоты, низковольтная обмотка понижающего резонансного трансформатора со своим контурным конденсатором образует приемный резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L1C1=L2C2, где L1 и C1, L2 и С2 - индуктивности и емкости указанных резонансных контуров, при этом высоковольтные обмотки повышающего и понижающего высокочастотных резонансных трансформаторов выполнены в виде однослойных спиралей, низковольтные обмотки размещены посередине высоковольтных обмоток, с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии, высоковольтные противофазные выводы резонансных высоковольтных спиральных обмоток повышающего и понижающего резонансных трансформаторов соединены между собой независимо от земли, к высоковольтным выводам спиральных резонансных обмоток подключены электропроводящие сферы с радиусом г, при этом резонансная частота колебаний электромагнитной энергии спиральных высокочастотных обмоток совместно со сферами составляетIn yet another device for transmitting electrical energy, the low-voltage winding of the step-up high-frequency resonant transformer with its supply capacitor forms a transmitting resonant circuit tuned to the frequency of the high-frequency generator, the low-voltage winding of the step-down resonant transformer with its own circuit capacitor forms a receiving resonant circuit, the parameters of these resonant circuits are related by the relation L 1 C 1 = L 2 C 2 , where L 1 and C 1 , L 2 and C 2 are the inductances and capacitances of these resonant circuits, while the high-voltage windings of the raising and lowering high-frequency resonant transformers are made in the form of single-layer spirals, the low-voltage windings are located in the middle of the high-voltage windings, using a double-circuit line containing two single-wire lines, the high-voltage antiphase leads of the resonant high-voltage spiral windings of the increasing and resonant connecting transformers between the raising and resonating irrespective of the earth, the high-voltage terminals of the spiral resonant windings are connected ktroprovodyaschie sphere with radius r, the resonance frequency of the electromagnetic energy of high frequency spiral winding together with the spheres is
, ,
где: L - индуктивность однослойных обмоток резонансных трансформаторов, L=L0l, здесь L0 - погонная индуктивность однослойных обмоток, l - длины однослойных обмоток резонансных трансформаторов, С - емкость резонансной системы, С=C0l+2Cc, здесь С0 - погонная естественная емкость однослойных обмоток резонансных трансформаторов, l - длина однослойных обмоток резонансных трансформаторов, Сс - естественная емкость электропроводящих сфер, подключенных к высоковольтным вводам резонансных трансформаторов, Cc=ε0r, где ε0 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, r - радиус сфер сферических электрических конденсаторов, при этом резонансные частоты передающего и приемного низковольтных резонансных контуров повышающего и понижающего резонансных трансформаторов, а также собственные резонансные частоты высоковольтных высокочастотных однослойных спиральных обмоток с электропроводящими сферами равны частоте переменного тока высокой частоты.where: L is the inductance of single-layer windings of resonant transformers, L = L 0 l, here L 0 is the linear inductance of single-layer windings, l are the lengths of single-layer windings of resonant transformers, C is the capacitance of the resonance system, C = C 0 l + 2C c , here C 0 - capacitance per unit length of single-layer windings natural resonant transformers, l - length of single-layer windings resonant transformers, C - a natural capacitance of conductive areas connected to the high voltage bushing resonant transformers, C c = ε 0 r, where ε 0 - absolute dielectric n onitsaemost vacuum, r - the radius of the spheres of the spherical electrical capacitors, the resonant frequencies of transmitting and receiving low-voltage resonant circuits and step-down transformers of resonance, and resonant frequencies of own high voltage high frequency single-layer spiral conductive windings are spheres frequency alternating current of high frequency.
Способы и устройства для передачи электрической энергии иллюстрируются на фиг. 1, 2, 3, 4.Methods and devices for transmitting electrical energy are illustrated in FIG. 1, 2, 3, 4.
На фиг. 1 представлена электрическая схема способа и устройства с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, выполненными в виде однослойных спиральных обмоток, на средних частях которых размещаются низковольтные обмотки, по одному из высоковольтных вводов у обеих высоковольтных обмоток изолированы, другие высоковольтные выводы обеих высоковольтных обмоток соединены между собой однопроводной линией передачи электрической энергии так, что при возбуждении системы передачи на одной из резонансных частот длина стоячей волны, возбуждаемой вдоль системы передачи между свободными выводами, оказывается равной λ=LAB/2n,In FIG. 1 is an electrical diagram of a method and device with two step-up and step-down resonant high-frequency transformers made in the form of single-layer spiral windings, on the middle parts of which are low-voltage windings, insulated on one of the high-voltage bushings on both high-voltage windings, other high-voltage leads on both high-voltage windings interconnected by a single-wire transmission line of electrical energy so that when the transmission system is excited at one of the resonant frequencies ling standing wave is excited along the transmission system between the free pin, is equal to λ = L AB / 2n,
где λ - длина стоячей волны; LAB - длина электрической цепи между свободными выводами А и В высоковольтных резонансных обмоток повышающего и понижающего трансформаторов; n - число из ряда (1, 2…).where λ is the standing wavelength; L AB is the length of the electrical circuit between the free terminals A and B of the high-voltage resonant windings of step-up and step-down transformers; n is a number from the series (1, 2 ...).
На фиг. 2 представлена электрическая схема способа и устройства с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, выполненными в виде однослойных спиральных обмоток, на средних частях которых размещаются низковольтные обмотки, высоковольтные выводы резонансных обмоток обоих трансформаторов соединены между собой с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии передачи электрической энергии, так, что при возбуждении системы передачи на одной из резонансных частот длина стоячей волны, возбуждаемой вдоль системы передачи, оказывается равнойIn FIG. 2 is an electrical diagram of a method and device with two step-up and step-down resonant high-frequency transformers made in the form of single-layer spiral windings, on the middle parts of which low-voltage windings are located, the high-voltage terminals of the resonant windings of both transformers are interconnected using a double-circuit line containing two single-wire transmission lines of electrical energy, so that when the transmission system is excited at one of the resonant frequencies, the standing wavelength is excited oh along the transmission system turns out to be equal
, ,
где λ - длина стоячей волны, LAB - длина электрической цепи между серединами высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей высокочастотных резонансных обмоток повышающего и понижающего трансформаторов, n - число из ряда (1, 2…)where λ is the standing wavelength, L AB is the length of the electric circuit between the middle of the high voltage made in the form of single-layer spirals of high-frequency resonant windings of step-up and step-down transformers, n is a number from the series (1, 2 ...)
На фиг. 3 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, высоковольтные обмотки которых выполнены в виде однослойных спиралей, соединены между собой с помощью проводника однопроводной линии передачи электрической энергии, другие выводы высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов остаются свободными, низковольтные обмотки располагаются посередине высоковольтных обмоток, а к концам высоковольтных обмоток электрически подключены электропроводящие сферы, обладающие естественной емкостью С0. Питание системы передачи электрической энергии производится на резонансной частотеIn FIG. 3 is an electrical diagram of a method and apparatus for transmitting electrical energy with two step-up and step-down resonant high-frequency transformers, the high-voltage windings of which are made in the form of single-layer spirals, interconnected by a conductor of a single-wire transmission line of electric energy, other terminals of the high-voltage windings of resonant transformers remain free low-voltage windings are located in the middle of the high-voltage windings, and to the ends of the high-voltage windings are electric Electrically conductive spheres with a natural capacitance C 0 are connected. The power transmission system of electric energy is produced at a resonant frequency
, ,
где: f0 - резонансная частота высокочастотных трансформаторов со сферическими емкостями на концах высоковольтных обмоток; L - индуктивности однослойных спиральных высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов; С - электрическая емкость резонансной системы передачи электрической энергии.where: f 0 is the resonant frequency of high-frequency transformers with spherical capacitors at the ends of high-voltage windings; L - inductances of single-layer spiral high-voltage windings of resonant transformers; C is the electrical capacitance of a resonant system for transmitting electrical energy.
На фиг. 4 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, высоковольтные выводы однослойных спиральных резонансных обмоток которых соединены с помощью двух проводников двухцепной линии передачи электрической энергии, содержащей две однопроводные линии, низковольтные обмотки обоих резонансных трансформаторов размещены посередине высоковольтных обмоток и к выводам высоковольтных резонансных обмоток электрически подключен электропроводящие сферы, обладающие естественными емкостями С0. Питание системы передачи электрической энергии производится на резонансной частотеIn FIG. 4 is an electrical diagram of a method and apparatus for transmitting electrical energy with two step-up and step-down resonant high-frequency transformers, the high-voltage leads of single-layer spiral resonant windings of which are connected using two conductors of a double-circuit electric energy transmission line containing two single-wire lines, low-voltage windings of both resonant transformers are placed in the middle of the high-voltage windings and to the terminals of the high-voltage resonant windings, electrically connect en conductive areas having natural capacitance C 0. The power transmission system of electric energy is produced at a resonant frequency
, ,
где: f0 - резонансная частота высокочастотных резонансных трансформаторов со сферическими емкостями на концах высоковольтных обмоток; L - индуктивность однослойных спиральных высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов; С - электрическая емкость резонансной системы передачи электрической энергии.where: f 0 - resonant frequency of the resonant high-frequency transformers with spherical tanks at the ends of high-voltage windings; L is the inductance of single-layer spiral high-voltage windings of resonant transformers; C is the electrical capacitance of a resonant system for transmitting electrical energy.
На фиг. 1 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии, где: 1 - генератор повышенной частоты; 2 - электрический конденсатор, образующий с низковольтной обмоткой 3 резонансный контур питания повышающего трансформатора, содержащего низковольтную обмотку 3 и высоковольтную резонансную обмотку 4, 5 - однопроводная линия передачи электрической энергии, 6 - высоковольтная резонансная обмотка понижающего трансформатора, содержащего высоковольтную обмотку 6 и низковольтную обмотку 7, 8 - электрический конденсатор, образующий с низковольтной обмоткой 7 резонансный контур съема электрической энергии из понижающего трансформатора в электрическую нагрузку 9.In FIG. 1 is an electrical diagram of a method and apparatus for transmitting electrical energy, where: 1 is an increased frequency generator; 2 - an electric capacitor, forming with a low voltage winding 3 a resonant power supply circuit of a step-up transformer containing a low-voltage winding 3 and a high-voltage resonant winding 4, 5 - a single-wire transmission line of electric energy, 6 - a high-voltage resonant winding of a step-down transformer containing a high-voltage winding 6 and a low-voltage winding 7 , 8 - an electric capacitor, forming with a low-voltage winding 7 a resonant circuit for removing electric energy from a step-down transformer into an
Последовательный резонансный контур из конденсатора 2 и низковольтной обмотки 3 повышающего резонансного трансформатора имеет резонансную частотуThe series resonant circuit of the
, ,
где L - индуктивность низковольтной обмотки 3; С - емкость конденсатора 2. Ток, развиваемый генератором 1 в низковольтной цепи последовательного резонансного контура при резонансе, т.е. при равенстве f01 частоте fг, (f01=fг), равенwhere L is the inductance of the low voltage winding 3; C is the capacitance of the
. .
Здесь: I01 - ток в цепи низковольтной обмотки 3 повышающего резонансного трансформатора; Uг - напряжение на выходе генератора повышенной частоты 1; Z01 - входной импеданс цепи низковольтной обмотки 3, равныйHere: I 01 - current in the low-
, ,
где r1 - омическое сопротивление обмотки 3; r1н - эквивалентное пересчитанное сопротивление нагрузки 9 в цепь низковольтной обмотки 3.where r 1 is the ohmic resistance of the winding 3; r 1n is the equivalent recalculated
За счет взаимной индуктивности M1 между низковольтной обмоткой 3 и высоковольтной резонансной обмоткой 4 в высоковольтной резонансной обмотке 4 наводится э.д.с. Е01=I01ω01M1,Due to the mutual inductance M 1 between the low-voltage winding 3 and the high-voltage resonant winding 4 in the high-voltage resonant winding 4, the emf is induced E 01 = I 01 ω 01 M 1 ,
где ω01 - угловая скорость (частота) тока повышенной частоты fг на выходе генератора 1.where ω 01 is the angular velocity (frequency) of the current of increased frequency f g at the output of the
. .
Э.д.с. Е01 вызывает в обмотке 4 волну тока I02. .E.s. E 01 causes a current wave I 02 in the winding 4. .
Здесь: Zc1 - характеристическое, волновое сопротивление однослойной спиральной резонансной обмотки 4.Here: Z c1 - characteristic wave impedance of a single-layer spiral resonant winding 4.
, где: L0 - погонная распределенная индуктивность однослойной спиральной обмотки 4; C0 - погонная распределенная емкость однослойной стиральной резонансной обмотки 4. where: L 0 - linear distributed inductance of a single-layer spiral winding 4; C 0 - linear distributed capacity of a single-layer washing resonant winding 4.
Скорость распространения ϑ01 волны тока I02 и сопровождающей ее волны напряжения U02=Zc1·I02 равна ϑ01=(L0·C0)-1/2.The propagation velocity ϑ 01 of the current wave I 02 and the accompanying voltage wave U 02 = Z c1 · I 02 is equal to ϑ 01 = (L 0 · C 0 ) -1/2 .
Рассмотрим предварительно вариант холостого хода резонансной высокочастотной обмотки 4, т.е. случай, когда проводник 5 отсутствует.Let us first consider the idle version of the resonant high-frequency winding 4, i.e. case when the
Поскольку скорость ϑ01 не зависит от направления вдоль обмотки 4 (вправо или влево), то фронты разбегающейся от середины обмотки 4 волн напряжения и тока достигнут концов однослойной спиральной обмотки 4 одновременно и отразятся из-за отсутствия поглощения электрической энергии на концах обмотки (холостой ход). Если длина l однослойной спиральной обмотки 4 такова, что время распространения T/2 волны тока или напряжения вдоль l составит , где T/2 - время прохождения волны всей длины l однослойной спиральной резонансной обмотки 4; l - длина обмотки 4, а также, если частота тока на выходе питающего генератора 1 такова, что , то волны тока и напряжения в обмотке 4, отражаемые от концов обмотки и порождаемые э.д.с. Е01 в результате интерференции, создадут стоячие вдоль l волны тока и напряжения.Since the speed ϑ 01 does not depend on the direction along the winding 4 (right or left), the fronts of the voltage and current waves running away from the middle of the winding 4 reach the ends of the single-layer spiral winding 4 at the same time and are reflected due to the absence of absorption of electric energy at the ends of the winding (idle ) If the length l of the single-layer spiral winding 4 is such that the propagation time T / 2 of the current or voltage wave along l is where T / 2 is the propagation time of the wave of the entire length l of a single-layer spiral resonant winding 4; l is the length of the winding 4, and also, if the frequency of the current at the output of the
Стоячая волна характеризуется тем, что вдоль обмотки 4 образуется стационарное состояние колебаний во времени величин тока и напряжения. Причем амплитуды колебаний тока и напряжения зависят от координаты на длине обмотки 4. По концам обмотки 4 установятся нулевые амплитуды колебаний тока (узел тока), а в средней части обмотки будет находиться максимум амплитуды тока (пучность тока). Напряжение предстанет также в виде напряжения с изменяющейся вдоль длины l значения U: на концах обмотки 4 будут иметь место максимумы напряжения (пучности напряжения), в середине, т.е. на расстоянии l/2 от концов обмотки 4, будет располагаться нуль напряжения (узел напряжения). Учитывая, что длина волны λ распространяющегося колебания вдоль обмотки 4 составляет , получается, что вдоль обмотки 4 укладываетсяA standing wave is characterized in that a stationary state of oscillations in time of the current and voltage values is formed along the winding 4. Moreover, the amplitudes of the current and voltage fluctuations depend on the coordinate along the length of the winding 4. At the ends of the winding 4, the zero amplitudes of the current oscillations (current node) are set, and in the middle part of the winding there will be a maximum of the current amplitude (current antinode). The voltage will also appear in the form of a voltage with a value U varying along the length l: at the ends of the winding 4 there will be voltage maxima (voltage antinodes), in the middle, i.e. at a distance l / 2 from the ends of the winding 4, zero voltage (voltage node) will be located. Given that the wavelength λ of the propagating oscillation along the winding 4 is , it turns out that along the winding 4 fits
. .
Состояние, при котором вдоль обмотки образуются в результате интерференции прямых и отраженных волн стоячие волны, называют резонансным, а резонатор, вдоль которого укладывается половина стоячей волны, - полуволновым резонатором, или полуволновым вибратором.The state in which standing waves are formed along the winding as a result of interference of direct and reflected waves is called the resonant state, and the resonator along which half the standing wave is laid is called the half-wave resonator, or half-wave vibrator.
Необходимо обратить внимание на тот факт, что вдоль длины l в стоячей волне пучности напряжения находятся в точках, где размещаются узлы тока и, наоборот, узлы напряжения находятся в точках, где находятся пучности тока. Это происходит из-за разной природы механизма отражения волн тока и напряжения от торцов обмотки 4. Таким образом, если настроить генератор 1 в резонанс с однослойной спиральной резонансной обмоткой 4, то на обоих концах обмотки 4 образуются пучности напряжения и узлы тока.It is necessary to pay attention to the fact that along the length l in the standing wave the antinodes are at the points where the current nodes are located and, conversely, the voltage nodes are at the points where the current antinodes are located. This is due to the different nature of the mechanism of reflection of current and voltage waves from the ends of the winding 4. Thus, if the
Однослойная спиральная резонансная обмотки 6 конструктивно идентична обмотке 4, следовательно, электрофизические параметры ϑ02, Z02, L02, С02 обмотки 6 равны ϑ01, Z01, L01, С01 обмотки 4. При этих условиях обеспечение электрического контакта областями, где локализируются пучности напряжения, т.е. концами обмоток, сопровождается переходом энергии из обмотки 4 в обмотку 6, где в свою очередь развиваются стоячие волны напряжения и тока, идентичные волнам напряжения и тока на обмотке 4. При этом соединительная вставка однопроводной линии L02 оказывает малое влияние на процесс распространения волн и установление равновесного размещения волн вдоль резонансной системы LAB, так как время TL прохождения волн вдоль однопроводной линии LAB составляет незначительную долю времени прохождения волн вдоль спиральных, однослойных обмоток 4 и 6.A single-layer spiral resonant winding 6 is structurally identical to winding 4, therefore, the electrophysical parameters ϑ 02 , Z 02 , L 02 , C 02 of winding 6 are equal to ϑ 01 , Z 01 , L 01 , C 01 of winding 4. Under these conditions, ensuring electrical contact with the regions where voltage antinodes are localized, i.e. ends of the windings, is accompanied by a transition of energy from winding 4 to winding 6, where in turn standing waves of voltage and current identical to the voltage and current waves on winding 4 develop. Moreover, the connecting insert of the single-wire line L 02 has little effect on the process of wave propagation and equilibrium distribution of waves along the resonant system L AB , since the time T L of the passage of waves along the single-wire line L AB is an insignificant fraction of the time of passage of the waves along the spiral, single-
, ,
где с - скорость света.where c is the speed of light.
Полное время прохождения волн напряжения и волн тока вдоль всей однопроводной системы составит:The total transit time of voltage waves and current waves along the entire single-wire system will be:
. Поскольку время прохождения волн вдоль одной обмотки составляет и при этом на спиральной однослойной обмотке укладывается половина λ/2 длины стоячей волны, то можно считать, что вдоль LAB укладывается полная длина волны λ=LAB. . Since the travel time of waves along one winding is and wherein the single layer helical winding to fit into half of λ / 2 wavelength standing, then we can assume that L AB is laid along the full wavelength λ = L AB.
В середине спиральной однослойной обмотки 6 формируется пучность тока, а соответственно, и пучность магнитного поля. Размещение в пучности магнитного поля низковольтной обмотки 7 обеспечивает генерацию в обмотке 7 э.д.с., которая через электрический конденсатор 8 вызывает ток в нагрузке 9:In the middle of a spiral single-layer winding 6, a current antinode is formed, and, accordingly, an antinode of the magnetic field. The placement in the antinode of the magnetic field of the low-voltage winding 7 provides generation in the winding 7 of the emf, which through the
. .
Здесь: Iон - ток нагрузки 9;Here: I it is the load current 9;
JXL7 - реактивное индуктивное сопротивление обмотки 7;JX L7 - reactive inductive reactance of the winding 7;
-JXC8 - реактивное емкостное сопротивление электрической емкости 8;-JX C8 - reactive capacitance of an
rн - сопротивление нагрузки;r n - load resistance;
r7 - омическое сопротивление обмотки 7 с учетом сопротивления потерь энергии в обмотке 7, 6 и конденсаторе 8.r 7 - ohmic resistance of the
Мощность в нагрузке 9 составит .Power in the
Приемный низковольтный контур из обмотки 7 и конденсатора 8 настраивается в резонанс с частотой питающего генератора 1, так чтоThe receiving low-voltage circuit from the winding 7 and the
. .
Таким образом, мощность, развиваемая в нагрузке, составит .Thus, the power developed in the load will be .
При этом вдоль системы передачи электрической энергии LAB укладывается целая длина волны λ.In this case, a whole wavelength λ is laid along the electric energy transmission system L AB .
Резонансные частоты низковольтных, питающего из конденсатора 3 и обмотки 4 контура, а также энергоснимающего из обмотки 7 и конденсатора 8 контура равны частоте тока генератора 1.The resonant frequencies of the low voltage supplying from the
При выполнении режимов резонанса все реактивные сопротивления компенсируются, а на однопроводной линии передачи электрической энергии, соединяющей передающий полуволновой вибратор, образующийся из однослойной спиральной обмотки 4 и принимающего энергию полуволнового вибратора, образующегося из однослойной спиральной обмотки 6, размещается узел тока, что и является причиной малости электрических потерь на линии передачи L и высокой эффективности передачи энергии по резонансной однопроводной системе передачи энергии, содержащей два полуволновых вибратора, не соединенных с землей.When performing resonance modes, all reactances are compensated, and a current node is located on a single-wire transmission line of electrical energy connecting the transmitting half-wave vibrator formed from a single-layer spiral winding 4 and the energy-receiving half-wave vibrator formed from a single-layer spiral winding 6, which is the reason for the smallness electrical losses on the transmission line L and high efficiency energy transfer through a resonant single-wire energy transmission system containing two oluvolnovyh vibrator is not connected to the ground.
На фиг. 2 представлена электрическая схема способа и устройства с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, выполненными в виде однослойных спиральных обмоток, на средних частях которых размещаются низковольтные обмотки, высоковольтные выводы резонансных обмоток обоих трансформаторов соединены между собой с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии передачи электрической энергии, так, что при возбуждении системы передачи на одной из резонансных частот длина стоячей волны, возбуждаемой вдоль системы передачи, оказывается равнойIn FIG. 2 is an electrical diagram of a method and device with two step-up and step-down resonant high-frequency transformers made in the form of single-layer spiral windings, on the middle parts of which low-voltage windings are located, the high-voltage terminals of the resonant windings of both transformers are interconnected using a double-circuit line containing two single-wire transmission lines of electrical energy, so that when the transmission system is excited at one of the resonant frequencies, the standing wavelength is excited oh along the transmission system turns out to be equal
, ,
где λ - длина стоячей волны; LAB - длина электрической цепи между серединами высоковольтных выполненных в виде однослойных спиралей обмоток высокочастотных резонансных, повышающего и понижающего, трансформаторов, L - расстояние между резонансными трансформаторами 4 и 6, n - целое число из ряда (1, 2…).where λ is the standing wavelength; L AB is the length of the electrical circuit between the middle of the high-voltage windings made in the form of single-layer spirals of high-frequency resonant, step-up and step-down windings, L, the distance between the
Питающим источником электрической энергии является генератор 1, генерирующий на выходе переменный ток повышенной и управляемой частоты fг. Электрическая энергия подается через электрический конденсатор 2 на низковольтную обмотку 3 резонансного повышающего трансформатора. Высоковольтная обмотки 4 резонансного повышающего трансформатора выполнена в виде однослойной спиральной обмотки, имеющей длину намотки l. Низковольтная обмотка 3 повышающего резонансного трансформатора размещена поверх однослойной спиральной высоковольтной обмотки 4 в средней ее части. Высоковольтные выводы однослойной спиральной резонансной обмотки 4 электрически соединены с проводниками 5.1 и 5.2, имеющими длину L, которые своими другими концами электрически соединены с высоковольтными выводами однослойной спиральной резонансной обмотки 6 понижающего резонансного трансформатора.The supplying source of electrical energy is a
Длина однослойной спиральной обмотки 6 равна l. В средней части высоковольтной резонансной обмотки 6 поверх нее размещена низковольтная обмотка 7. Последовательно к низковольтной обмотке 7 электрически подсоединен электрический конденсатор 8. Электрический конденсатор 8 и низковольтная обмотка 7 образуют последовательно резонансный контур. Последовательный контур из 7 и 8 подключен к электрической нагрузке 9. Резонансная частота последовательного контура из емкости 2 и низковольтной обмотки 3 равна , где L - индуктивность низковольтной обмотки 3; С - емкость конденсатора 2.The length of a single-layer spiral winding 6 is equal to l. In the middle part of the high-voltage resonant winding 6, a low-voltage winding 7 is placed on top of it. A
При равенстве времени прохождения электрической волной от одного вывода высокочастотной однослойной спиральной обмотки 4 до ее другого вывода половине длительности периода колебания питающего тока повышенной частотыIf the time it takes for the electric wave to travel from one terminal of the high-frequency single-layer spiral winding 4 to its other terminal is half the duration of the oscillation period of the supply current of increased frequency
, ,
в высоковольтной однослойной спиральной обмотке 4 возбуждаются резонансные колебания с длиной волны λ=2l и на выводах обмотки 4 возбуждаются противофазные во времени высокие электрические потенциалы, т.е. на выводах развиваются пучности напряжения, а в середине обмотки 4 устанавливается узел напряжения, в то же время в середине обмотки 4 развивается пучность тока, а на выводах обмотки 4 оказываются узлы тока.resonance oscillations with a wavelength of λ = 2l are excited in a high-voltage single-layer spiral winding 4 and high electrical potentials antiphase in time are excited at the terminals of winding 4, i.e. voltage antinodes develop at the terminals, and a voltage node is installed in the middle of winding 4, at the same time a current antinode develops in the middle of winding 4, and current nodes appear at the terminals of winding 4.
Колебания потенциалов на выводах обмотки 4 во времени противофазны и через проводники 5.1 и 5.2 возбуждают колебания электрического тока в высоковольтной резонансной обмотке 6, выполненной в виде однослойной спиральной обмотки длиной l. Конструкция высоковольтной резонансной спиральной обмотки 6 идентична конструкции обмотки 4, поэтому ее резонансные характеристики идентичны характеристикам обмотки 4:Oscillations of potentials at the terminals of winding 4 in time are out of phase and through conductors 5.1 and 5.2 excite oscillations of electric current in high-voltage resonant winding 6, made in the form of a single-layer spiral winding of length l. The design of the high-voltage resonant spiral winding 6 is identical to the design of the winding 4, therefore, its resonant characteristics are identical to the characteristics of the winding 4:
, где ϑ02 - скорость распространения волн тока и напряжения вдоль обмотки 6. Таким образом, в обмотке 6 устанавливаются резонансные колебания с длиной волны λ=2l , where ϑ 02 is the propagation velocity of current and voltage waves along the winding 6. Thus, resonant oscillations with a wavelength of λ = 2l are set in the winding 6
На выводах обмотки 6 развиваются пучности напряжения и узлы тока, в средней части обмотки развивается пучность тока и узел напряжения. Вдоль контура, включающего в себя обмотку 4, проводник 5.1, обмотку 6 и проводник 5.2, укладывается полная длина волны λ резонансного колебания. При этом на проводниках 5.1 и 5.2 располагаются пучности напряжения и узлы тока, напряжения на проводниках 5.1 и 5.2 противофазны во времени, что способствует концентрации электрического поля между проводниками 5.1 и 5.2 и образованию узлов тока в проводниках 5.1 и 5.2. Токи в проводниках 5.1 и 5.2 не только являются узловыми, но и синфазными между собой, что позволяет считать их самостоятельными, а не продолжением один другого, что дает основание формально считать две ветви между точками А и В контура «обмотка 4 - проводник 5.1 - обмотка 6 - проводник 5.2» самостоятельными однопроводными ветвями, включенными параллельно.At the terminals of winding 6, voltage antinodes and current nodes develop; in the middle part of the winding, current antinodes and voltage nodes develop. Along the circuit, which includes winding 4, conductor 5.1, winding 6 and conductor 5.2, the full wavelength λ of the resonant oscillation is laid. At the same time, voltage antinodes and current nodes are located on conductors 5.1 and 5.2, the voltages on conductors 5.1 and 5.2 are antiphase in time, which contributes to the concentration of the electric field between conductors 5.1 and 5.2 and the formation of current nodes in conductors 5.1 and 5.2. The currents in conductors 5.1 and 5.2 are not only nodal, but also in-phase with each other, which allows them to be considered independent, and not a continuation of each other, which gives reason to formally consider two branches between points A and B of the circuit "winding 4 - conductor 5.1 - winding 6 - conductor 5.2 "independent single-wire branches connected in parallel.
Одна однопроводная ветвь «точка А - верхняя половина обмотки 4 - проводник 5.1 - верхняя половина обмотки 6 - точка В»; другая однопроводная ветвь « точка А - нижняя половина обмотки 4 - проводник 5.2 - точка В». Обе однопроводные линии идентичны по своим электрофизическим параметрам и имеют одинаковую длину LAB=λ/2, каждая из них передает в нагрузку 9 из источника электрической энергии (генератора 1) половину общей мощности.One single-wire branch "point A - the upper half of the winding 4 - conductor 5.1 - the upper half of the winding 6 - point B"; another single-wire branch "point A - the lower half of the winding 4 - conductor 5.2 - point B". Both single-wire lines are identical in their electrophysical parameters and have the same length L AB = λ / 2, each of them transfers half of the total power to load 9 from an electric energy source (generator 1).
Низковольтная энергоснимающая обмотка 7 расположена на середине однослойной спиральной резонансной обмотки 6 понижающего резонансного трансформатора, т.е. в месте локализации пучности тока. Низковольтная обмотка 7 подключена к нагрузке через электрический конденсатор 8. Низковольтная обмотка 7 и конденсатор 8 образуют последовательный контур 7-8. Резонансная частота низковольтного контура 7-8 понижающего резонансного высокочастотного трансформатораThe low voltage energy pickup winding 7 is located in the middle of a single layer helical resonant winding 6 of a step-down resonant transformer, i.e. in the place of localization of the antinode current. The low voltage winding 7 is connected to the load through an
, ,
где L - индуктивность низковольтной обмотки 7, С - емкость конденсатора 8. Частота f02=f01.where L is the inductance of the low voltage winding 7, C is the capacitance of the
На фиг. 3 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, высоковольтные обмотки 4 и 6 которых выполнены в виде однослойных спиралей и соединены между собой с помощью одного проводника однопроводной линии 5 передачи электрической энергии, другие выводы высоковольтных обмоток резонансных трансформаторов остаются свободными, низковольтные обмотки 3 и 7 располагаются посередине высоковольтных обмоток 4 и 6, а к концам высоковольтных обмоток электрически подключены электропроводящие сферы 10.1, 10.2, 10.3, 10.4, обладающие естественными емкостями.In FIG. 3 is an electrical diagram of a method and apparatus for transmitting electrical energy with two step-up and step-down resonant high-frequency transformers, the high-
Питание системы передачи электрической энергии производится от генератора 1 на резонансной частоте fг, равнойThe power transmission system of electric energy is produced from the
, где: f01, f02 - резонансные частоты высокочастотных трансформаторов со сферическими емкостями 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 на концах высоковольтных обмоток 4 и 6; L - индуктивность однослойных спиральных высоковольтных обмоток 4 и 6 резонансных трансформаторов; С - электрическая емкость резонансной системы, содержащей однослойную спиральную обмотку и две сферические естественные емкости на торцах однослойных обмоток. where: f 01 , f 02 - resonant frequencies of high-frequency transformers with spherical capacitances 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 at the ends of high-
Передача энергии от генератора повышенной частоты 1 в систему передачи электроэнергии осуществляется с помощью последовательного резонансного контура, образуемого низковольтной обмоткой 3 и конденсатором 2. Низковольтная обмотка 3 располагается в середине высоковольтной резонансной однослойной спиральной обмотки 4. В средней части высоковольтной резонансной обмотки 4 при резонансе развивается пучность тока. Таким образом, низковольтная обмотка 3 оказывается в пучности тока обмотки 4, это способствует повышению эффективности передачи энергии из источника электрической энергии 1 через последовательный контур 2-3 в высоковольтную обмотку 4.Energy is transferred from the high-
На торцах высоковольтной обмотки 4 развиваются пучности потенциалов, под этими же потенциалами находятся и сферические электрические емкости 10.1; 10.2. Полярности потенциалов сферических емкостей 10.1; 10.2 противоположны (антифазны). По однопроводной линии L потенциал сферической емкости 10.2 сообщается сферической емкости 10.3, электрически соединенной с цилиндрической спиральной резонансной обмоткой 6. К другому торцу обмотки 6 подключена сферическая электрическая емкость 10.4. Однопроводная линия передачи электрической энергии возбуждает резонансную однослойную спиральную обмотку 6 со сферическими емкостями 10.3 и 10.4 на торцах на резонансной частоте f02=f01=fг.At the ends of the high-voltage winding 4, antinodes of potentials develop; under the same potentials are spherical electric capacitances 10.1; 10.2. Polarity of potentials of spherical capacities 10.1; 10.2 are opposite (antiphase). On a single-wire line L, the potential of the spherical capacitance 10.2 is communicated to a spherical capacitance 10.3, electrically connected to a cylindrical spiral resonant winding 6. A spherical electric capacitance 10.4 is connected to the other end of the winding 6. A single-wire electric energy transmission line excites a resonant single-layer spiral winding 6 with spherical capacities 10.3 and 10.4 at the ends at the resonant frequency f 02 = f 01 = f g .
В результате резонансного возбуждения в середине обмотки 6 развивается пучность тока. В области пучности тока (середина обмотки 6) располагается обмотка 7 для съема электрической энергии с резонансной обмотки 6. Электрическая энергия из обмотки 7 через электрическую емкость 8 поступает в нагрузку 9. Ни одна точка энергопередающей системы не соединена с землей, что исключает потери электрической энергии в заземлителях, а размещение на предающей однопроводной линии 5 узла тока обеспечивает минимум потерь на линии L.As a result of resonant excitation, a current antinode develops in the middle of the winding 6. In the area of the antinode current (middle of winding 6) there is a winding 7 for removing electric energy from the resonant winding 6. The electric energy from the winding 7 through the
На фиг. 4 представлена электрическая схема способа и устройства передачи электрической энергии с двумя, повышающим и понижающим, резонансными высокочастотными трансформаторами, высоковольтные обмотки 4 и 6 которых выполнены в виде однослойных спиралей и соединены между собой с помощью двухцепной линии, содержащей две однопроводные линии 5.1 и 5.2 передачи электрической энергии, так, что при резонансном возбуждении однослойной обмотки 4 повышающего резонансного трансформатора на концах обмотки 4 развиваются пучности напряжения, а на середине обмотки 4 развивается пучность тока. Возбуждение резонансной обмотки 4 производится низковольтной обмоткой 3 через электрическую емкость 2 от источника переменного тока повышенной частоты 1. На торцах резонансной однослойной спиральной обмотки 4 размещаются электропроводящие сферы 10.1 и 10.2, сферы электрически соединены с выводами обмотки 4.In FIG. 4 is an electrical diagram of a method and apparatus for transmitting electrical energy with two step-up and step-down resonant high-frequency transformers, the high-
При работе системы передачи электроэнергии антифазные потенциалы выводов обмотки 4 по двум однопроводным линиям 5.1 и 5.2, образующим двухцепную однопроводную систему, переносятся на выводы высоковольтной однослойной спиральной резонансной обмотки 6 понижающего резонансного трансформатора. Конструктивно спиральная обмотка 6 понижающего спирального трансформатора выполнена аналогично обмотке 4. К высоковольтным выводам обмотки 6 электрически присоединены сферические электрические емкости 10.3 и 10.4, конструктивно представляющие собой аналоги сферических электрических емкостей 10.1 и 10.2. Возбуждаемая с двух сторон антифазными потенциалами резонансная система из однослойной спиральной обмотки 6 и двух сферических электрических емкостей 10.3 и 10.4 генерирует в средней части обмотки 6 пучность тока и на торцах обмотки 6 пучности потенциала. В области пучности тока на обмотке 6 размещена низковольтная обмотка 7 для съема электрической энергии из понижающего трансформатора в нагрузку 9. Обмотка 7 подключается к нагрузке 9 через электрический конденсатор 8, служащий для снижения реактивного сопротивления в цепи нагрузки 9, в результате чего в контуре «низковольтная обмотка 6 - электрическая емкость 8» создается режим резонанса напряжений.During the operation of the electric power transmission system, the antiphase potentials of the conclusions of the winding 4 along two single-wire lines 5.1 and 5.2, forming a double-circuit single-wire system, are transferred to the terminals of the high-voltage single-layer spiral resonant winding 6 of the step-down resonant transformer. Structurally, the spiral winding 6 of the step-down spiral transformer is made similarly to winding 4. Spherical electric capacitances 10.3 and 10.4, structurally analogous to spherical electric capacitances 10.1 and 10.2, are electrically connected to the high-voltage terminals of winding 6. The resonant system excited from two sides by antiphase potentials from a single-layer spiral winding 6 and two spherical electric capacitances 10.3 and 10.4 generates a current antinode in the middle part of winding 6 and a potential antinode at the ends of winding 6. In the area of the antinode current, a low-voltage winding 7 is placed on the winding 6 for removing electric energy from the step-down transformer to the
Пример выполнения способа и устройства для передачи электрической энергииAn example implementation of the method and device for transmitting electrical energy
В качестве генератора высокой частоты использовался лабораторный генератор синусоидальных колебаний Г-33. Выходная мощность сигнала не более 3 Вт, диапазон изменяемой частоты выходного переменного тока (20-220000) Гц. Выходное напряжение не более 20 В.As a high-frequency generator, the laboratory generator of sinusoidal oscillations G-33 was used. The output power of the signal is not more than 3 W, the range of the variable frequency of the output alternating current (20-220000) Hz. Output voltage no more than 20 V.
Резонансные однослойные спиральные обмотки обоих, повышающего и понижающего, трансформаторов намотаны на стеклотекстолитовых каркасах диаметром D=120 мм. Длина намоток составляет l=1900 мм. Диаметр медного провода ПЭВ-0,63 составляет d=0,63 мм. Шаг намотки принимается равным τ=0,65 мм (с учетом толщины изоляции). Посередине резонансной обмотки расположена низковольтная обмотка, выполненная многожильным медным проводом, сечением 10 мм2. Число витков низковольтной обмотки равно 10.Resonant single-layer spiral windings of both step-up and step-down transformers are wound on fiberglass frames with a diameter of D = 120 mm. The length of the windings is l = 1900 mm. The diameter of the PEV-0.63 copper wire is d = 0.63 mm. The winding pitch is taken equal to τ = 0.65 mm (taking into account the thickness of the insulation). In the middle of the resonant winding there is a low-voltage winding made by a stranded copper wire with a cross section of 10 mm 2 . The number of turns of the low voltage winding is 10.
Числа витков резонансных спиральных обмоток равняютсяThe numbers of turns of the resonant spiral windings are equal
. .
Расчетная индуктивность составилаThe calculated inductance was
. .
Здесь: µ0 - магнитная проницаемость вакуума; D - диаметр каркаса, м; l - длина намотки, м; К - коэффициент влияния торцов обмотки (поправочный).Here: µ 0 is the magnetic permeability of the vacuum; D is the diameter of the frame, m; l is the length of the winding, m; K is the coefficient of influence of the ends of the winding (correction).
При коэффициент равен К = 0,975 (Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга = 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отделение, 1986. Стр. 251).At the coefficient is K = 0.975 (Kalantarov P.L., Tseitlin L.A. Calculation of inductances: Reference book = 3rd ed., revised and additional - L .: Energoatomizdat. Leningrad branch, 1986. p. 251).
. Принимаем L = 61,3 мГн. . We accept L = 61.3 mH.
Реальная индуктивность составила L = 63,0 мГн, погонная индуктивностьThe real inductance was L = 63.0 mH, the linear inductance
. .
При возбуждении резонансной однослойной спиральной обмотки резонансная частота в полуволновом режиме резонанса составила 195 кГц. Следовательно, скорость распространения волны вдоль спиральной полуволновой обмотки составила .When a resonant single-layer spiral winding was excited, the resonant frequency in the half-wave resonance mode was 195 kHz. Consequently, the wave propagation velocity along the spiral half-wave winding was .
Здесь: T01 - период колебания, f01 - частота резонанса.Here: T 01 is the oscillation period, f 01 is the resonance frequency.
. .
Учитывая, что скорость распространения волны вдоль спиральной обмотки соленоида при малых энергетических потерях в обмотке равняется , расчетное значение погонной емкости составит:Given that the wave propagation velocity along the spiral winding of the solenoid at low energy losses in the winding is , the estimated value of the linear capacity will be:
. .
С0 = 55 пФ/м. Общая емкость обмотки С=C0l=С=55·1,9=105 пФ.C 0 = 55 pF / m. The total winding capacity C = C 0 l = C = 55 · 1.9 = 105 pF.
При соединении между собой повышающего и понижающего трансформаторов, резонансная частота полуволновой системы составила f0=190 кГц. Напряжение на линии передачи L равнялось 1500 В. Низковольтная обмотка 7 намотана многожильным проводом, содержит 10 витков, сечение провода 10 мм2. В качестве нагрузки использована лампа накаливания. При резонансе мощность, выделяемая на лампе, составила 2,3 Вт.When connecting up and down transformers, the resonant frequency of the half-wave system was f 0 = 190 kHz. The voltage on the transmission line L was equal to 1500 V. The low-voltage winding 7 is wound with a stranded wire, contains 10 turns, the cross section of the wire is 10 mm 2 . An incandescent lamp was used as a load. At resonance, the power released on the lamp was 2.3 watts.
Емкости конденсаторов последовательных резонансных контуров между генератором тока повышенной частоты и однослойной спиральной резонансной обмоткой, а также между однослойной спиральной резонансной обмоткой принимающего трансформатора и электрической нагрузкой системы, определяются следующим соотношением:The capacitors of the series resonant circuits between the high-frequency current generator and the single-layer spiral resonant winding, as well as between the single-layer spiral resonant winding of the receiving transformer and the electrical load of the system, are determined by the following relation:
, ,
где С - емкость конденсаторов в последовательных резонансных контурах, Ф;where C is the capacitance of capacitors in series resonant circuits, f;
Lн - индуктивность низковольтных обмоток повышающего и понижающего трансформаторов, Гн;L n - inductance of low-voltage windings of step-up and step-down transformers, GN;
f0 - резонансная частота системы, Гц.f 0 is the resonant frequency of the system, Hz.
Индуктивности низковольтных обмоток составили Lн=0,03 мГн (с небольшим, менее 5%, разбросом).The inductances of low-voltage windings were L n = 0.03 mH (with a small spread of less than 5%).
Емкости последовательных контуров равныCapacities of successive circuits equal
. .
Волновое сопротивление резонансных однослойных спиральных катушек равнялосьThe wave impedance of resonant single-layer spiral coils was
. .
Емкость проводящих сфер, устанавливаемых на торцы резонансных спиральных однослойных обмоток, составляет С=4πε0R,The capacity of the conductive spheres mounted on the ends of the resonant spiral single-layer windings is C = 4πε 0 R,
где ε0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; R - радиус проводящей сферы, м.where ε 0 is the dielectric constant of the vacuum, f / m; R is the radius of the conducting sphere, m
В варианте практической реализации радиус сфер, устанавливаемых на торцы спиральных обмоток составлял R = 0,35 м. Электрическая емкость сфер равнялась:In a variant of practical implementation, the radius of the spheres mounted on the ends of the spiral windings was R = 0.35 m. The electric capacitance of the spheres was equal to:
. .
Подключение к концу резонансной обмотки емкости эквивалентно удлинению обмотки. Удлинение составляетConnecting to the end of the resonant winding of the capacitance is equivalent to lengthening the winding. Elongation is
, ,
где Zc - волновое сопротивление спиральной обмотки, Ом;where Z c - wave impedance of the spiral winding, Ohm;
ω0 - резонансная частота, рад/сек;ω 0 is the resonant frequency, rad / sec;
С - электрическая емкость подключаемого сферического конденсатора, Ф;C is the electrical capacitance of the connected spherical capacitor, f;
β - фазовая постоянная распространения электромагнитного колебания вдоль спиральной обмотки, рад/м.β is the phase propagation constant of electromagnetic waves along the spiral winding, rad / m.
Здесь: .Here: .
Таким образом, величина удлинения будет равнаThus, the elongation will be equal to
. .
Эффективная длина полуволнового вибратора со сферическими емкостями на концах составит:The effective length of the half-wave vibrator with spherical containers at the ends will be:
. .
При скорости волны вдоль вибратора частота собственных резонансных колебаний зашунтированного сферическими емкостями вибратора составит:At the speed of the wave along the vibrator the frequency of natural resonant oscillations of a shunted vibrator with a spherical capacitance will be:
. .
В результате использования предлагаемого изобретения при передаче электроэнергии снижается потребление цветных металлов за счет размещения узла тока стоячей волны на линии передачи, улучшается эффективность передачи за счет исключения электрических потерь в заземлителях, а также возможна передача электрической энергии по одному проводнику между объектами независимо от земли, например, находящимися в атмосфере, стратосфере или космосе.As a result of the use of the present invention, when transmitting electricity, the consumption of non-ferrous metals is reduced by placing a standing wave current node on the transmission line, transmission efficiency is improved by eliminating electrical losses in grounding conductors, and it is also possible to transfer electric energy through one conductor between objects regardless of the earth, for example located in the atmosphere, stratosphere or space.
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013146412/07A RU2572360C2 (en) | 2013-10-18 | 2013-10-18 | Method and device for electrical energy transmission (versions) |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2013146412/07A RU2572360C2 (en) | 2013-10-18 | 2013-10-18 | Method and device for electrical energy transmission (versions) |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2013146412A RU2013146412A (en) | 2015-04-27 |
RU2572360C2 true RU2572360C2 (en) | 2016-01-10 |
Family
ID=53282912
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2013146412/07A RU2572360C2 (en) | 2013-10-18 | 2013-10-18 | Method and device for electrical energy transmission (versions) |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2572360C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021053504A1 (en) | 2019-09-17 | 2021-03-25 | Folquer Holdings Limited | Method and apparatus for transmission of electrical energy |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008136716A1 (en) * | 2007-05-04 | 2008-11-13 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | Power station for power transmission to remotely located load |
RU2474031C2 (en) * | 2010-09-22 | 2013-01-27 | Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) | Method and device for electrical energy transmission (versions) |
-
2013
- 2013-10-18 RU RU2013146412/07A patent/RU2572360C2/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008136716A1 (en) * | 2007-05-04 | 2008-11-13 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) | Power station for power transmission to remotely located load |
RU2474031C2 (en) * | 2010-09-22 | 2013-01-27 | Российская академия сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) | Method and device for electrical energy transmission (versions) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021053504A1 (en) | 2019-09-17 | 2021-03-25 | Folquer Holdings Limited | Method and apparatus for transmission of electrical energy |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2013146412A (en) | 2015-04-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2544380C2 (en) | Method and device for transmission of electric power | |
CN107294224B (en) | Multi-coil excitation magnetic field coupling type wireless charging platform | |
JP6144195B2 (en) | Inductive power transfer system primary track topology | |
RU2255406C2 (en) | Method and device for electrical energy transmission | |
RU2273939C1 (en) | Method and device for transferring electric energy (variants) | |
US10270292B2 (en) | System for wireless distribution of power | |
RU2003105178A (en) | METHOD AND DEVICE FOR TRANSMISSION OF ELECTRIC ENERGY | |
US10622839B2 (en) | Electrical energy transfer | |
US20150009727A1 (en) | Power converter with low common mode noise | |
US20210083591A1 (en) | Method and apparatus for transmission of electrical energy | |
RU2577522C2 (en) | Method and device for transmission of electric power | |
JP5727561B2 (en) | Transformer | |
Gao et al. | Capacitive power transfer through virtual self‐capacitance route | |
RU2172546C1 (en) | Method and device for electrical energy transmission | |
RU2572360C2 (en) | Method and device for electrical energy transmission (versions) | |
Chen et al. | Electric-field-coupled single-wire power transmission—analytical model and experimental demonstration | |
RU2245598C1 (en) | Method and device for electrical energy transmission | |
RU2673427C1 (en) | Test bench for studying of the electric power resonant transmission system | |
RU2718779C1 (en) | Method and device for transmission of electric power (versions) | |
RU2423746C2 (en) | Electric high-frequency resonant transformer (versions) | |
RU2013113861A (en) | STAND FOR RESEARCH OF RESONANCE ELECTRIC POWER TRANSMISSION SYSTEM | |
RU2662796C1 (en) | Electrical lighting system | |
JP5723590B2 (en) | Power supply | |
RU2645222C2 (en) | Device and method of electric signals amplification | |
RU2751094C1 (en) | Electric energy transmission system |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
HZ9A | Changing address for correspondence with an applicant | ||
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20151201 |