RU2673427C1 - Test bench for studying of the electric power resonant transmission system - Google Patents

Test bench for studying of the electric power resonant transmission system Download PDF

Info

Publication number
RU2673427C1
RU2673427C1 RU2017136258A RU2017136258A RU2673427C1 RU 2673427 C1 RU2673427 C1 RU 2673427C1 RU 2017136258 A RU2017136258 A RU 2017136258A RU 2017136258 A RU2017136258 A RU 2017136258A RU 2673427 C1 RU2673427 C1 RU 2673427C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
resonant
quarter
wave
low
transformer
Prior art date
Application number
RU2017136258A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Захарович Трубников
Дмитрий Семенович Стребков
Леонид Юрьевич Юферев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное научное учреждение Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ)
Priority to RU2017136258A priority Critical patent/RU2673427C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2673427C1 publication Critical patent/RU2673427C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G09—EDUCATION; CRYPTOGRAPHY; DISPLAY; ADVERTISING; SEALS
    • G09B—EDUCATIONAL OR DEMONSTRATION APPLIANCES; APPLIANCES FOR TEACHING, OR COMMUNICATING WITH, THE BLIND, DEAF OR MUTE; MODELS; PLANETARIA; GLOBES; MAPS; DIAGRAMS
    • G09B23/00—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes
    • G09B23/06—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics
    • G09B23/18—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for electricity or magnetism
    • G09B23/181—Models for scientific, medical, or mathematical purposes, e.g. full-sized devices for demonstration purposes for physics for electricity or magnetism for electric and magnetic fields; for voltages; for currents

Abstract

FIELD: electrical equipment.SUBSTANCE: invention relates to the electrical equipment, namely, testing equipment and electrical equipment used in the electrical energy transmission to power electrical installations of consumers. Test bench for the study of the electric energy transmission resonant system is provided with the increased and tunable frequency current source, which, through the electrical capacitor and the current and voltage meter, supplies the quarter-wave resonant transmitting transformer low-voltage coil. In the resonant mode the low-voltage coil excites the resonant transmitting transformer quarter-wave coil. Transmitting quarter-wave transformer low-potential output is connected to the receiving quarter-wave resonant transformer low-potential output via the low-potential transmission line. In the receiving resonant transformer quarter-wave coil current antinode energy drain into the load low-voltage coil is placed. Transmitting and receiving quarter-wave transformers high potential outputs are left unconnected.EFFECT: possibility of studying the electrical energy conversion and transmission mechanism in the half-wave low-potential single-wire transmission system.3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно, испытательной технике и электрооборудованию, применяемому при передаче электрической энергии для питания электроустановок потребителей, а также может быть использовано как лабораторно-исследовательский стенд для изучения и исследования резонансной системы передачи электрической энергии к электроприемникам и электропотребителям при проведении занятий по учебным курсам "Теоретические основы электротехники", "Электроснабжение", "Электрические сети и системы".The invention relates to electrical engineering, namely, testing equipment and electrical equipment used in the transmission of electrical energy to power electrical installations of consumers, and can also be used as a laboratory research stand for studying and researching the resonant system for transmitting electrical energy to electrical receivers and electrical consumers during classes training courses "Theoretical Foundations of Electrical Engineering", "Power Supply", "Electric Networks and Systems".

Известны стенды для изучения цепей с R-L-С элементами на синусоидальных токах, включая цепи с магнитосвязанными катушками индуктивности, стенды для исследования резонансных явлений в последовательных, параллельных цепях и связанных колебательных контурах, стенды для изучения и исследования электрических процессов в длинных линиях (М.Г. Витков, Н.И. Смирнов. Основы теории цепей. Лабораторный практикум. Учебное пособие для ВУЗов. - М.: Радио и связь, 2001. - 224 с.).There are known stands for studying circuits with RL-C elements on sinusoidal currents, including circuits with magnetically coupled inductors, stands for studying resonance phenomena in sequential, parallel circuits and coupled oscillatory circuits, stands for studying and studying electrical processes in long lines (M.G. Vitkov, NI Smirnov, Fundamentals of Circuit Theory. Laboratory Workshop. Textbook for High Schools. - M.: Radio and Communications, 2001. - 224 p.).

Недостатком известных стендов является отсутствие возможности изучения волновых процессов и пространственной интерференции токов на участках цепи, невозможность изучения механизмов передачи энергии от источника электрической энергии по однопроводной линии к нагрузке в резонансном режиме.A disadvantage of the known stands is the lack of the ability to study wave processes and spatial interference of currents in sections of the circuit, the inability to study the mechanisms of energy transfer from an electric energy source through a single-wire line to a load in resonance mode.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является стенд для исследования резонансной системы передачи электрической энергии, содержащий источник переменного тока повышенной и перестраиваемой частоты, передающий резонансный трансформатор, связанный с принимающим энергию резонансным трансформатором и нагрузкой, датчики и измерительные приборы, в котором электрическая энергия переносится между передающей и принимающей сторонами системы передачи стенда электромагнитным полем вокруг проводника, соединяющего высоковольтные выводы резонансных трансформаторов (патент РФ №2535231, МПК G01R 31/00, опубл. 10.12.2014, Бюл. №34).The closest in technical essence to the present invention is a bench for researching a resonant system for transmitting electrical energy, containing an alternating current source of increased and tunable frequency, a transmitting resonant transformer associated with a receiving energy resonant transformer and load, sensors and measuring instruments in which electric energy is transferred between the transmitting and receiving sides of the transmission system of the stand with an electromagnetic field around the conductor, I connect its resonant transformers, high-voltage terminals (RF patent №2535231, IPC G01R 31/00, publ. 10.12.2014, Bul. №34).

Недостатком известного стенда является невозможность исследования резонансного волнового механизма передачи электрической энергии низкопотенциальным способом, при котором энергия переносится электромагнитным полем вокруг проводника, соединяющего низковольтные выводы резонансных трансформаторов (патент РФ №2577522, МПК H02J 17/00, опубл. 20.03.2016).A disadvantage of the known stand is the impossibility of studying the resonant wave mechanism of electric energy transmission in a low-potential way, in which the energy is transferred by an electromagnetic field around the conductor connecting the low-voltage leads of the resonant transformers (RF patent No. 2577522, IPC H02J 17/00, published on 03.20.2016).

Задачей изобретения является создание стенда, позволяющего исследовать низкопотенциальную резонансную систему однопроводной передачи электрической энергии, наблюдать и исследовать интерференцию встречных волн тока и напряжения в разомкнутых цепях при передаче электрической энергии проводником, соединяющим низкопотенциальные выводы четвертьволновых резонансных обмоток трансформаторов Н. Тесла.The objective of the invention is to create a stand that allows you to explore the low-potential resonant system of single-wire transmission of electrical energy, to observe and study the interference of counterpropagating waves of current and voltage in open circuits during the transmission of electrical energy by a conductor connecting the low-potential leads of the quarter-wave resonant windings of N. Tesla transformers.

В результате использования предлагаемого изобретения создается возможность изучать механизм преобразования и передачи электрической энергии в полуволновой низкопотенциальной однопроводной системе, наблюдать и исследовать интерференцию встречных волн тока и потенциала в разомкнутых цепях и вдоль обмоток трансформаторов при размещении на линии передачи узла потенциала путем соединения низкопотенциальных выводов четвертьволновых резонансных обмоток линии передачи.As a result of using the present invention, it is possible to study the mechanism of conversion and transmission of electric energy in a half-wave low-potential single-wire system, to observe and study the interference of counterpropagating current and potential waves in open circuits and along the transformer windings when placed on the transmission line of the potential node by connecting low-potential leads of quarter-wave resonant windings transmission lines.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что стенд для исследования резонансной системы передачи электрической энергии, содержащий источник переменного тока повышенной и перестраиваемой частоты, передающий резонансный трансформатор, связанный с принимающим энергию резонансным трансформатором и нагрузкой, датчики и измерительные приборы, согласно изобретению, передающий и принимающий резонансные трансформаторы выполнены в виде четвертьволновых трансформаторов Н. Тесла, низкопотенциальный вывод передающего четвертьволнового трансформатора соединен с низкопотенциальным выводом принимающего энергию четвертьволнового трансформатора с помощью линии передачи в виде проводника, источник переменного тока повышенной и перестраиваемой частоты подключен к передающему резонансному четвертьволновому трансформатору с помощью резонансного контура через магнитную связь, нагрузка подключена к принимающему резонансному четвертьволновому трансформатору с помощью резонансного контура через магнитную связь, при этом высоковольтные выводы резонансных четвертьволновых трансформаторов оставляются свободными и изолируются, а несущие платформы четвертьволновых трансформаторов выполнены автономными.The above technical result is achieved by the fact that the stand for the study of a resonant system for transmitting electrical energy, containing an alternating current source of increased and tunable frequency, a resonant transformer connected to a resonant transformer and load receiving energy, sensors and measuring devices according to the invention, transmitting and receiving resonant transformers are made in the form of quarter-wave transformers N. Tesla, low-potential output transmitting quarters the main transformer is connected to the low-potential output of the energy-receiving quarter-wave transformer using a transmission line in the form of a conductor, the alternating current source of increased and tunable frequency is connected to the transmitting resonant quarter-wave transformer using a resonant circuit through magnetic coupling, the load is connected to the receiving resonant quarter-wave transformer using a resonant circuit through magnetic coupling, while the high-voltage outputs of the resonant four the wave-wave transformers are left free and isolated, and the supporting platforms of the quarter-wave transformers are autonomous.

В варианте низкопотенциальный вывод передающего четвертьволнового трансформатора соединен с низкопотенциальным выводом принимающего энергию четвертьволнового трансформатора через землю путем заземления низкопотенциальных выводов передающего и принимающего энергию трансформаторов.In an embodiment, the low-potential terminal of the transmitting quarter-wave transformer is connected to the low-potential terminal of the energy-receiving quarter-wave transformer through the ground by grounding the low-potential terminals of the transmitting and receiving transformers.

В другом варианте высоковольтные выводы обоих резонансных чествоватьволновых трансформаторов подключены с помощью проводников к электропроводящим сферам или торам, поднятым над трансформаторами, при этом длина соединительных проводников, по крайней мере, в пять раз превосходит диаметры сфер или торов.In another embodiment, the high-voltage leads of both resonant honoring wave transformers are connected using conductors to electrically conductive spheres or tori raised above the transformers, while the length of the connecting conductors is at least five times the diameter of the spheres or tori.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая электрическая схема стенда для исследования резонансной низкопотенциальной системы передачи электрической энергии.The essence of the invention is illustrated by the drawing, which shows the General electrical circuit of the stand for the study of the resonant low-potential transmission system of electrical energy.

Стенд для исследования низкопотенциальной резонансной системы передачи электрической энергии содержит питающийся от сети 1 источник переменного тока повышенной и перестраиваемой частоты 2, соединенный с помощью низковольтного резонансного контура из электрической емкости 3 и индуктивности 5 через измеритель тока и напряжения 4 с помощью магнитной связи с высоковольтной резонансной четвертьволновой обмоткой 7 передающего резонансного высокочастотного трансформатора Н. Тесла 6. Четвертьволновая резонансная обмотка 7 выполнена в виде однослойной цилиндрической катушки на каркасе из электроизоляционного материала. Низковольтная обмотка 5 расположена поверх высоковольтной резонансной четвертьволновой обмотки 7, у ее нижнего вывода 21, который соединяется с началом низкопотенциальной линии 9 передачи электрической энергии. Резонансная четвертьволновая обмотка 7 расположена на несущей платформе вертикально по отношению к поверхности земли. Верхний, высокопотенциальный вывод 22 резонансной четвертьволновой обмотки 7 остается не подключенным и изолируется. Конец низкопотенциальной линии 9 передачи электрической энергии соединен с нижним выводом 23 высоковольтной четвертьволновой обмотки 12 принимающего резонансного высокочастотного трансформатора Н. Тесла 13. Четвертьволновая резонансная обмотка 12 выполнена в виде однослойной цилиндрической катушки на каркасе из электроизоляционного материала. Низковольтная обмотка 15 принимающего высокочастотного трансформатора 13 расположена поверх высоковольтной обмотки 12, у ее нижнего вывода 23, который через датчик тока 16 соединен с концом низкопотенциальной линии 9 передачи электрической энергии. Низковольтная обмотка 15 через измеритель тока и напряжения 17, контурный конденсатор 18 соединена с регулируемой по величине электрической нагрузкой 19.The test bench for studying a low-potential resonant electric energy transmission system contains a high-frequency and variable-frequency alternating current source 2 powered from the network 1 and connected using a low-voltage resonant circuit from an electric capacitance 3 and inductance 5 through a current and voltage meter 4 using magnetic coupling with a high-voltage resonant quarter-wave winding 7 of the transmitting resonant high-frequency transformer N. Tesla 6. The quarter-wave resonant winding 7 is made in the form of a double-layer cylindrical coil on a frame made of insulating material. The low-voltage winding 5 is located on top of the high-voltage resonant quarter-wave winding 7, at its lower terminal 21, which is connected to the beginning of the low-potential electric power transmission line 9. The resonant quarter-wave winding 7 is located on the supporting platform vertically with respect to the surface of the earth. The upper, high-potential output 22 of the resonant quarter-wave winding 7 remains unconnected and isolated. The end of the low-potential electric power transmission line 9 is connected to the lower terminal 23 of the high-voltage quarter-wave winding 12 of the receiving resonant high-frequency transformer N. Tesla 13. The quarter-wave resonant winding 12 is made in the form of a single-layer cylindrical coil on a frame made of insulating material. The low-voltage winding 15 of the receiving high-frequency transformer 13 is located on top of the high-voltage winding 12, at its lower terminal 23, which is connected through the current sensor 16 to the end of the low-potential electric power transmission line 9. The low-voltage winding 15 through a current and voltage meter 17, the loop capacitor 18 is connected to a regulated electrical load 19.

Высоковольтные выводы 22 и 24 резонансных четвертьволновых обмоток 7 и 12 резонансных трансформаторов 6 и 13 подключены к сферическим или тороидальным электрическим емкостям 11 и 14 с помощью проводников длиной, по крайней мере, в 5 раз превышающих диаметры сферических емкостей или торов.High-voltage leads 22 and 24 of the resonant quarter-wave windings 7 and 12 of the resonant transformers 6 and 13 are connected to spherical or toroidal electric capacitances 11 and 14 using conductors with a length of at least 5 times the diameters of spherical capacitors or tori.

Величина электрического тока на входе в низкопотенциальную линию 9 передачи электрической энергии измеряется датчиком тока 8, величина электрического тока на выходе низкопотенциальной линии 9 передачи электрической энергии измеряется датчиком тока 16.The magnitude of the electric current at the entrance to the low-potential electric power transmission line 9 is measured by the current sensor 8, the magnitude of the electric current at the output of the low-potential electric power transmission line 9 is measured by the current sensor 16.

Величины потенциалов UB1 и UB2 высоковольтных выводов 22 и 24 резонансных четвертьволновых обмоток 7 и 12 резонансных трансформаторов 6 и 13, а также потенциалы UH1 и UH2 низковольтных выводов 21 и 23 резонансных четвертьволновых обмоток 7 и 12 измеряются, а результаты измерений подаются на входы измерительных компьютерных комплексов 10 и 20 на питающей и принимающей сторонах стенда. Данные о величинах токов IЛ1 на входе в линию передачи 9 и IЛ2 на выходе из линии с датчиков 8 и 16 также подаются на измерительные комплексы 10 и 20. Данные о величинах токов и напряжений на входе в питающий модуль и на выходе принимающего модуля с измерителей 4 и 17 подаются на измерительные комплексы 10 и 20.The potentials U B 1 and U B 2 of the high-voltage leads 22 and 24 of the resonant quarter-wave windings 7 and 12 of the resonant transformers 6 and 13, as well as the potentials U H 1 and U H 2 of the low-voltage leads 21 and 23 of the resonant quarter-wave windings 7 and 12 are measured, and the measurement results are fed to the inputs of the measuring computer systems 10 and 20 on the supply and receiving sides of the stand. Data on the values of currents I L 1 at the entrance to the transmission line 9 and I L 2 at the exit from the line from sensors 8 and 16 are also supplied to the measuring complexes 10 and 20. Data on the values of currents and voltages at the input to the supply module and at the output of the receiving modules from meters 4 and 17 are fed to measuring complexes 10 and 20.

Стенд для исследования низкопотенциальной резонансной системы передачи электрической энергии работает следующим образом.The stand for the study of low-potential resonant transmission system of electrical energy works as follows.

При подключении стенда к электрической сети 1 энергия через источник переменного тока повышенной и перестраиваемой частоты 2 подается в низковольтную обмотку 5 электрической накачки резонансного трансформатора 6. В обмотку 5 энергия поступает через электрический конденсатор 3 и измеритель напряжения и тока 4 в цепи накачки. Электрический конденсатор 3 и низковольтная обмотка 5 образуют последовательный резонансный контур с резонансной частотой f01. Частота f01 равна:When the stand is connected to the electric network 1, energy is supplied through the alternating current source of increased and tunable frequency 2 to the low-voltage winding 5 of the electric pump of the resonant transformer 6. Energy is supplied to the winding 5 through an electric capacitor 3 and a voltage and current meter 4 in the pump circuit. The electric capacitor 3 and the low voltage winding 5 form a series resonant circuit with a resonant frequency f 01 . The frequency f 01 is equal to:

Figure 00000001
Figure 00000001

где: f01 - резонансная частота питающего низковольтного контура из конденсатора 3 и обмотки 5, Гц;where: f 01 is the resonant frequency of the supply low-voltage circuit from the capacitor 3 and the winding 5, Hz;

L - индуктивность низковольтной обмотки накачки 5 резонансного трансформатора 6, Гн;L is the inductance of the low voltage pump winding 5 of the resonant transformer 6, GN;

С - электрическая емкость конденсатора 3 низковольтного резонансного контура накачки из конденсатора 3 и обмотки 5, Ф;C is the electric capacitance of the capacitor 3 of the low-voltage resonant pump circuit from the capacitor 3 and the winding 5, F;

Обмотка 5 возбуждает четвертьволновую резонансную высоковольтную обмотку 7 трансформатора 6 на ее резонансной частоте f02,The winding 5 excites a quarter-wave resonant high-voltage winding 7 of the transformer 6 at its resonant frequency f 02 ,

Figure 00000002
Figure 00000002

где: f02 - резонансная частота четвертьволновой обмотки 7 трансформатора 6;where: f 02 is the resonant frequency of the quarter-wave winding 7 of the transformer 6;

L0 - погонная (распределенная) индуктивность четвертьволновой обмотки 7, Гн/м;L 0 - linear (distributed) inductance of the quarter-wave winding 7, GN / m;

С0 - погонная (распределенная) емкость четвертьволновой обмотки 7 на землю, Ф/м;With 0 - linear (distributed) capacity of the quarter-wave winding 7 to the ground, f / m;

b - длина резонансной четвертьволновой обмотки 7, м.b is the length of the resonant quarter-wave winding 7, m

Резонансная частота f02 равна f01.The resonant frequency f 02 is equal to f 01 .

Возбуждение обмотки 7 резонансного трансформатора 6 сопровождается возникновением на обмотке 7 стоячих волн потенциала и тока. При этом, в соответствии с граничными условиями на торцах обмотки, на обмотке 7 размещается одна четверть стоячей волны тока и одна четверть стоячей волны потенциала. Волны тока и потенциала сдвинуты во времени и пространстве на одну четверть периода и одну четверть длины волны. Пучность (максимум), потенциала развивается на высокопотенциальном выводе 22, узел потенциала (минимум) соответственно, размещается у низкопотенциального вывода 21. В свою очередь, пучность тока раскачивается на низкопотенциальном выводе 21, а узел тока оказывается на высокопотенциальном выводе 22. Таким образом, низкопотенциальный вывод 21 четвертьволновой резонансной обмотки 7, будучи подключенным к началу линии передачи 9 электрической энергии, питает линию 9 пучностью тока при низком потенциале на проводнике линии 9. В связи с этим такую передачу электрической энергии называют резонансной низкопотенциальной.The excitation of the winding 7 of the resonant transformer 6 is accompanied by the occurrence of standing waves of potential and current on the winding 7. Moreover, in accordance with the boundary conditions at the ends of the winding, one quarter of the standing current wave and one quarter of the standing potential wave are located on the winding 7. The current and potential waves are shifted in time and space by one quarter of the period and one quarter of the wavelength. Accuracy (maximum), potential develops at high potential terminal 22, potential node (minimum), respectively, is located at low potential terminal 21. In turn, the current antinode swings at low potential terminal 21, and the current node appears at high potential terminal 22. Thus, low potential the output 21 of the quarter-wave resonant winding 7, being connected to the beginning of the electric energy transmission line 9, feeds the line 9 with the antinode current at low potential on the conductor of line 9. In this regard, such a soap has electrical energy is called the resonant low-grade.

Пучность тока с выхода 21 обмотки 7 по линии передачи 9 возбуждает резонансный четвертьволновой трансформатор 13 на принимающем модуле стенда. Резонансная четвертьволновая обмотка 12 возбуждается пучностью тока трансформатора 6 через низкопотенциальный вывод 23. Обмотка 12 выполнена аналогично обмотке 7, поэтому размещение пучностей и узлов потенциалов и тока на обмотке 12 аналогично размещению таковых на обмотке 7. В связи с этим на высокопотенциальном выводе 24 развивается пучность потенциала UB2, а на низкопотенциальном выводе 23 размещается узел потенциала UH2. Пучность тока раскачивается в области узла потенциала. В этой области поверх резонансной четвертьволновой обмотки 7 размещается низковольтная обмотка 15 слива электрической энергией из принимающего резонансного четвертьволнового трансформатора 13.The accuracy of the current from the output 21 of the winding 7 along the transmission line 9 excites a resonant quarter-wave transformer 13 on the receiving module of the stand. The resonant quarter-wave winding 12 is excited by the antinode of the current of the transformer 6 through the low-potential output 23. The winding 12 is made similar to the winding 7, so the placement of the antinodes and potential nodes and current on the winding 12 is similar to the placement of those on the winding 7. In this regard, the potential antinode develops U B 2, and the potential node U H 2 is located on the low-potential terminal 23. Current bundle swings in the region of the potential node. In this area, on top of the resonant quarter-wave winding 7, a low-voltage winding 15 for draining electric energy from the receiving resonant quarter-wave transformer 13 is located.

Через измеритель тока и напряжения 17 и электрический конденсатор 18 катушка 15 соединена с электрической нагрузкой 19, в которую подается электрическая энергия. Низковольтная обмотка 15 совместно с электрической емкостью 18 образуют последовательный резонансный контур с резонансной частотой f04:Through a current and voltage meter 17 and an electric capacitor 18, the coil 15 is connected to an electric load 19, into which electric energy is supplied. The low-voltage winding 15 together with the electric capacitance 18 form a series resonant circuit with a resonant frequency f 04 :

Figure 00000003
Figure 00000003

где: f04 - резонансная частота контура из конденсатора 18 и обмотки 15, Гц;where: f 04 is the resonant frequency of the circuit from the capacitor 18 and the winding 15, Hz;

L - индуктивность обмотки 15 резонансного трансформатора 13, Гн;L is the inductance of the winding 15 of the resonant transformer 13, GN;

С - электрическая емкость конденсатора 18 резонансного контура из конденсатора 18 и обмотки 15, Ф;C is the electric capacitance of the capacitor 18 of the resonant circuit from the capacitor 18 and the winding 15, F;

Резонансная частота f04 должна быть равна f02.The resonant frequency f 04 should be equal to f 02 .

Резонансная частота четвертьволновой обмотки 12 равна f03.The resonant frequency of the quarter-wave winding 12 is equal to f 03 .

Figure 00000004
Figure 00000004

где: f03 - резонансная частота четвертьволновой обмотки 12 трансформатора 13 Гц;where: f 03 is the resonant frequency of the quarter-wave winding 12 of the transformer 13 Hz;

L0 - погонная (распределенная) индуктивность четвертьволновой обмотки 12, Гн/м;L 0 - linear (distributed) inductance of the quarter-wave winding 12, GN / m;

С0 - погонная (распределенная) емкость четвертьволновой обмотки 12 на землю, Ф/м;With 0 - linear (distributed) capacity of the quarter-wave winding 12 to the ground, f / m;

b - длина резонансной четвертьволновой обмотки 12, м.b - the length of the resonant quarter-wave winding 12, m

Таким образом, все резонансные частоты оказываются равными между собой f01=f02=f03=f04.Thus, all resonant frequencies are equal to each other f 01 = f 02 = f 03 = f 04 .

Питающий генератор повышенной и перестраиваемый частоты 2 настраивается на резонансную частоту системы передачи fГ,The feed generator of increased and tunable frequency 2 is tuned to the resonant frequency of the transmission system f G ,

fГ=f0,f G = f 0 ,

где: fГ - частота тока на выходе 2, Гц;where: f G - current frequency at the output 2, Hz;

f0 - резонансная частота низкопотенциальной системы передачи электрической энергии, Гц;f 0 is the resonant frequency of the low-potential electrical energy transmission system, Hz;

f0=f01=f02=f03=f04.f 0 = f 01 = f 02 = f 03 = f 04 .

Измерительный комплекс 10 на передающем модуле, а также измерительный комплекс 20 на принимающем модуле по результатам замеров UBX, IBX из 4, UB1, UH1 по замерам на обмотке 7, тока в начале линии передачи IЛ1 с помощью 8, UВЫХ, IВЫХ из 17, UB2, UH2 по замерам на обмотке 12, тока в конце линии передачи 1Л2 с помощью 16 позволяют наблюдать и исследовать резонансные процессы в элементах системы низкопотенциальной полуволновой передачи электрической энергии, явление распределенного пространственного резонанса в электрических цепях со стоячими волнами, исследовать механизм передачи электрической энергии низкопотенциальной линией, исследовать механизм отражения электрической энергии от принимающего четвертьволнового резонансного трансформатора, определять КПД передачи при различных режимах работы системы и другие процессы, сопровождающие возникновение и развитие пространственного электрического резонанса на элементах системы низкопотенциальной передачи.Measuring complex 10 on the transmitting module, as well as measuring complex 20 on the receiving module according to the results of measurements U BX , I BX of 4, U B 1, U H 1 according to measurements on the winding 7, current at the beginning of the transmission line I L 1 using 8 , U OUT , I OUT of 17, U B 2, U H 2 by measurements on the winding 12, the current at the end of the transmission line 1 L 2 using 16 allows you to observe and study the resonant processes in the elements of the system of low-potential half-wave transmission of electrical energy, the phenomenon of distributed spatial resonance in electric circuits with standing waves, using follow the mechanism of electric energy transmission by a low-potential line, investigate the mechanism of reflection of electric energy from the receiving quarter-wave resonant transformer, determine the transmission efficiency under various operating modes of the system and other processes accompanying the emergence and development of spatial electric resonance on the elements of the low-potential transmission system.

Вдоль системы передачи электрической энергии от высокопотенциального вывода 22 четвертьволновой резонансной обмотки 7 передающего резонансного трансформатора 6 через низкопотенциальный вывод 21 обмотки 7, по низкопотенциальной линии 9 передачи электрической энергии, через низкопотенциальной вывод 23 четвертьволновой резонансной обмотки 12 резонансного трансформатора 13, вдоль обмотки 12 до высоковольтного вывода 24 укладывается (размещается) по половине стоячей волны тока и потенциала. Пучности потенциалов в противофазах размещаются на выводах 22 и 24, пучность тока на выводах 21, 23 и на линии передачи 9 электрической энергии.Along the electric energy transmission system from the high-potential output 22 of the quarter-wave resonant winding 7 of the transmitting resonant transformer 6 through the low-potential output 21 of the winding 7, along the low-potential output line 9 of electric energy, through the low-potential output 23 of the quarter-wave resonant winding 12 of the resonant transformer 13, along the winding 12 to the heights 12 to the heights 12 to the high 24 is stacked (placed) in half a standing wave of current and potential. Aggregates of potentials in antiphase are located at the terminals 22 and 24, the antinode current at the terminals 21, 23 and the transmission line 9 of electrical energy.

Пример реализации. На двух, конструктивно не связанных, платформах из изоляционного материала с размерами 1,0×1,0 м2 вертикально размещаются два трансформатора Н. Тесла. Трансформаторы выполненны на цилиндрических каркасах из стеклопластика. Диаметры каркасов DK=140 мм. Высота каркасов hK=1000 мм. На каркасах размещаются, в виде однослойных обмоток, резонансные четвертьволновые катушки с распределенной индуктивностью L0. Обмотки выполнены медным ПЭВ-2 проводом диаметром по меди d=0,63 мм. Число витков однослойной обмотки 1350. Длины четвертьволновых резонансных обмоток b=900 мм. Длина провода обмоток 990 м. Поверх однослойных обмоток, в нижних частях резонансных катушек размещены низковольтные обмотки с сосредоточенной индуктивностью. Диаметры низковольтных обмоток DH=155 мм. Число витков 9. Диаметр провода низковольтных обмоток dH=5,0 мм.Implementation example. On two, structurally unconnected, platforms of insulating material with dimensions of 1.0 × 1.0 m 2 , two N. Tesla transformers are vertically placed. Transformers are made on fiberglass cylindrical frames. The diameters of the frames D K = 140 mm Frame height h K = 1000 mm. On the frames are placed, in the form of single-layer windings, resonant quarter-wave coils with distributed inductance L 0 . The windings are made of copper PEV-2 wire with a diameter of copper d = 0.63 mm. The number of turns of a single-layer winding is 1350. The lengths of quarter-wave resonant windings are b = 900 mm. The length of the winding wire is 990 m. On top of the single-layer windings, in the lower parts of the resonant coils low-voltage windings with a concentrated inductance are placed. The diameters of the low voltage windings are D H = 155 mm. The number of turns 9. The diameter of the wire of the low voltage windings d H = 5.0 mm.

Низковольтные обмотки выполняют роль накачивающей и сливной катушек на входном, передающем, и выходном, принимающем трансформаторах Н. Тесла. Нижние выводы однослойных резонансных обмоток передающего и принимающего трансформаторов соединены проводником линии передачи электрической энергии. Длина проводника линии передачи определяется дистанцией передачи. Диаметр провода линии передачи dЛ=1,0 мм. Изоляция проводника линии - полиэтилен.Low-voltage windings act as pumping and drain coils at the input, transmitting, and output, receiving N. Tesla transformers. The lower terminals of the single-layer resonant windings of the transmitting and receiving transformers are connected by a conductor of the electric energy transmission line. The length of the transmission line conductor is determined by the transmission distance. The diameter of the wire of the transmission line d L = 1.0 mm. The insulation of the line conductor is polyethylene.

Резонансные частоты однослойных обмоток трансформаторов Тесла:Resonant frequencies of single-layer windings of Tesla transformers:

f0=190 кГц.f 0 = 190 kHz.

Катушка накачки передающего трансформатора подключена к питающему генератору переменного тока повышенной частоты через конденсатор с емкостью, обеспечивающей равенство резонансной частоты контура накачки собственной резонансной частоте передающего трансформатора Н. Тесла fH=f0=190 кГц. Генератор переменного тока повышенной частоты обеспечивает питание на частоте fГ=190 кГц с возможностью подстройки частоты. Генератор питается от сети переменного тока 220 В, 50 Гц.The pumping coil of the transmitting transformer is connected to the supply alternating current generator of increased frequency through a capacitor with a capacitance that ensures the resonance frequency of the pump circuit is equal to the natural resonant frequency of the transmitting transformer N. Tesla f H = f 0 = 190 kHz. An alternating current generator of increased frequency provides power at a frequency f G = 190 kHz with the ability to adjust the frequency. The generator is powered by AC 220 V, 50 Hz.

Катушка слива на принимающем трансформаторе Н. Тесла подключается к регулируемой нагрузке через конденсатор с емкостью, позволяющей сливному контуру системы передачи работать в режиме резонанса с частотой fС=190 кГц.The drain coil on the N. Tesla receiving transformer is connected to an adjustable load through a capacitor with a capacitance that allows the drain circuit of the transmission system to operate in resonance mode with a frequency f C = 190 kHz.

Нагрузка активная, обеспечивающая работу с мощностью до 100 Ватт.The load is active, providing work with power up to 100 watts.

Расчетная индуктивность резонансной однослойной катушки:The calculated inductance of a resonant single-layer coil:

Figure 00000005
Figure 00000005

Для расчета индуктивности использована формула из источника (Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. - 3-е изд., перераб. И доп. Л.: Энергоатомиздат. 1986-488 с.: ил. с.с. 247-252). Поправочный коэффициент К(Ψ) на размагничивающий эффект торцов обмотки (при

Figure 00000006
) равен К=0,937. При этом с учетом К(Ψ) расчетная индуктивность резонансной катушки составит:To calculate the inductance, we used the formula from the source (Kalantarov P.L., Tseitlin L.A. Calculation of inductances: Reference book. - 3rd ed., Revised. And additional L .: Energoatomizdat. 1986-488 pp., Ill. S.S. 247-252). Correction factor K (Ψ) on the demagnetizing effect of the ends of the winding (at
Figure 00000006
) is equal to K = 0.937. Moreover, taking into account K (Ψ), the calculated inductance of the resonant coil will be:

Figure 00000007
Figure 00000007

Реальная индуктивность изготовленной катушки составила:The real inductance of the manufactured coil was:

Figure 00000008
Figure 00000008

Соответственно, погонная индуктивность резонансной катушки трансформатора Н. Тесла равнялась:Accordingly, the linear inductance of the resonance coil of the N. Tesla transformer was equal to:

Figure 00000009
Figure 00000009

Скорость перемещения электромагнитного возмущения вдоль резонансной катушки

Figure 00000010
The velocity of electromagnetic disturbance along a resonant coil
Figure 00000010

Здесь: V0 скорость фронта волны м/с,Here: V 0 velocity of the wave front m / s,

T0= период собственного резонансного колебания.

Figure 00000011
T 0 = period of natural resonance oscillation.
Figure 00000011

Таким образом:In this way:

Figure 00000012
Figure 00000012

С другой стороны, скорость V0 связана с параметрами обмотки следующим образом:On the other hand, the speed V 0 is related to the winding parameters as follows:

Figure 00000013
Figure 00000013

Где: С0 - распределенная емкость резонансной катушки на землю, Ф.Where: C 0 - distributed capacity of the resonant coil to the ground, F.

По V0 и L0 можно определить С0:From V 0 and L 0 you can determine With 0 :

Figure 00000014
Figure 00000014

Через L0 и Со вычисляется характеристическое сопротивление Zc:Through L 0 and Co, the characteristic resistance Z c is calculated:

Figure 00000015
Figure 00000015

Угловая скорость ω0 определяется по выражению:The angular velocity ω 0 is determined by the expression:

Figure 00000016
Figure 00000016

Значение ω0 представляет собой угловую скорость, полученную в результате прямого эксперимента, поскольку вычислена по результату измеренной резонансной частоты f0 на изготовленной резонансной катушке с конструкционными параметрами приведенными выше (D, b, n, d).The value of ω 0 is the angular velocity obtained as a result of a direct experiment, since it is calculated from the result of the measured resonant frequency f 0 on the manufactured resonant coil with the structural parameters given above (D, b, n, d).

С помощью стенда для резонансной низкопотенциальной полуволновой передачи электрической энергии на нагрузку RH=74 Ом на частоте 190 кГц передана электрическая энергия мощностью 96 Вт при коэффициенте полезного действия η=87,6%.Using a stand for resonant low-potential half-wave transmission of electric energy to a load R H = 74 Ohms at a frequency of 190 kHz, electric energy with a power of 96 W was transmitted with an efficiency of η = 87.6%.

Таким образом, стенд позволяет изучать механизмы преобразования и передачи электрической энергии в режиме полуволновой низкопотенциальной однопроводной передачи энергии, наблюдать и исследовать интерференцию встречных волн тока и потенциала в разомкнутых цепях при размещении на линии передачи узла потенциала, что дает возможность исследования условий увеличения передаваемой мощности, оптимального использования сечения провода, снижения расхода цветных металлов, снижения потерь энергии при передаче, ускорения решения проблемы надежного, адресного электроснабжения электропотребителей в условиях как средней полосы России, так и в условиях, тундры, гористой и болотистой местностей. Низкопотенциальный способ передачи электрической энергии позволяет на особо трудных для прохождения участках траектории организовывать вставки в линию передачи участков типа «земля-земля» то есть передавать энергию без проводов.Thus, the stand allows you to study the mechanisms of conversion and transmission of electric energy in the mode of half-wave low-potential single-wire energy transfer, to observe and study the interference of counterpropagating waves of current and potential in open circuits when placed on the transmission line of the potential node, which makes it possible to study the conditions for increasing the transmitted power, optimal the use of wire cross-section, reducing the consumption of non-ferrous metals, reducing energy losses during transmission, accelerating the solution of the problem over monthly, targeted power supply of electric consumers in the conditions of both the middle strip of Russia and in the conditions of the tundra, mountainous and swampy areas. The low-potential method of transmitting electric energy allows organizing inserts into the transmission line of land-to-ground sections on particularly difficult sections of the trajectory, that is, transmitting energy without wires.

Claims (3)

1. Стенд для исследования резонансной системы передачи электрической энергии, содержащий источник переменного тока повышенной и перестраиваемой частоты, передающий резонансный трансформатор, связанный с принимающим энергию резонансным трансформатором и нагрузкой, датчики и измерительные приборы, отличающийся тем, что передающий и принимающий резонансные трансформаторы выполнены в виде четвертьволновых, низкопотенциальный вывод передающего четвертьволнового трансформатора соединен с низкопотенциальным выводом принимающего энергию четвертьволнового трансформатора с помощью линии передачи в виде проводника, источник переменного тока повышенной и перестраиваемой частоты подключен к передающему резонансному четвертьволновому трансформатору с помощью резонансного контура через магнитную связь, нагрузка подключена к принимающему резонансному четвертьволновому трансформатору с помощью резонансного контура через магнитную связь, при этом высоковольтные выводы резонансных четвертьволновых трансформаторов оставляются свободными и изолируются, а несущие платформы четвертьволновых трансформаторов выполнены автономными.1. A bench for researching a resonant system for transmitting electric energy, comprising an alternating current source of increased and tunable frequency, a transmitting resonant transformer connected to an energy receiving resonant transformer and a load, sensors and measuring devices, characterized in that the transmitting and receiving resonant transformers are made in the form quarter-wave, low-potential output of the transmitting quarter-wave transformer is connected to the low-potential output of the receiving energy June of a quarter-wave transformer using a transmission line in the form of a conductor, an alternating current source of increased and tunable frequency is connected to a transmitting resonant quarter-wave transformer using a resonant circuit through magnetic coupling, the load is connected to a receiving resonant quarter-wave transformer using a resonant circuit through magnetic coupling, while high-voltage the outputs of the resonant quarter-wave transformers are left free and isolated, and the carrier boards the forms of quarter-wave transformers are autonomous. 2. Стенд по п. 1, отличающийся тем, что низкопотенциальный вывод передающего четвертьволнового трансформатора соединен с низкопотенциальным выводом принимающего энергию четвертьволнового трансформатора через землю путем заземления низкопотенциальных выводов передающего и принимающего энергию трансформаторов.2. The stand under item 1, characterized in that the low-potential output of the transmitting quarter-wave transformer is connected to the low-potential output of the energy-receiving quarter-wave transformer through the ground by grounding the low-potential terminals of the transmitting and receiving transformers. 3. Стенд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что высоковольтные выводы обоих резонансных четвертьволновых трансформаторов подключены с помощью проводников к электропроводящим сферам или торам, поднятым над трансформаторами, при этом длина соединительных проводников по крайней мере в пять раз превосходит диаметры сфер или торов.3. The stand according to claim 1 or 2, characterized in that the high-voltage leads of both resonant quarter-wave transformers are connected using conductors to electrically conductive spheres or tori raised above the transformers, while the length of the connecting conductors is at least five times the diameter of the spheres or tori .
RU2017136258A 2017-10-13 2017-10-13 Test bench for studying of the electric power resonant transmission system RU2673427C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017136258A RU2673427C1 (en) 2017-10-13 2017-10-13 Test bench for studying of the electric power resonant transmission system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017136258A RU2673427C1 (en) 2017-10-13 2017-10-13 Test bench for studying of the electric power resonant transmission system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2673427C1 true RU2673427C1 (en) 2018-11-26

Family

ID=64556447

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017136258A RU2673427C1 (en) 2017-10-13 2017-10-13 Test bench for studying of the electric power resonant transmission system

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2673427C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114649871A (en) * 2020-12-18 2022-06-21 弗洛格控股有限公司 Electric energy transmission system

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU133367U1 (en) * 2013-07-05 2013-10-10 Открытое акционерное общество "Газпром" RESONANCE ELECTRICITY TRANSMISSION SYSTEM
CN104052167A (en) * 2013-03-15 2014-09-17 弗莱克斯电子有限责任公司 Sweep frequency for multiple magnetic resonant power transmission using alternating frequencies
RU2535231C2 (en) * 2013-03-28 2014-12-10 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Bench for studying electric power transmission resonant system
RU2626815C2 (en) * 2015-10-14 2017-08-02 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Method and device for transmission of electric power

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104052167A (en) * 2013-03-15 2014-09-17 弗莱克斯电子有限责任公司 Sweep frequency for multiple magnetic resonant power transmission using alternating frequencies
RU2535231C2 (en) * 2013-03-28 2014-12-10 Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ВИЭСХ Россельхозакадемии) Bench for studying electric power transmission resonant system
RU133367U1 (en) * 2013-07-05 2013-10-10 Открытое акционерное общество "Газпром" RESONANCE ELECTRICITY TRANSMISSION SYSTEM
RU2626815C2 (en) * 2015-10-14 2017-08-02 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ" (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) Method and device for transmission of electric power

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114649871A (en) * 2020-12-18 2022-06-21 弗洛格控股有限公司 Electric energy transmission system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2255406C2 (en) Method and device for electrical energy transmission
RU2544380C2 (en) Method and device for transmission of electric power
CN109941128B (en) Electric field coupling type voltage optimization method for wireless charging technology of electric automobile
CN102593959A (en) Non-contact power transmission apparatus and power transmission method therefor
US20210083591A1 (en) Method and apparatus for transmission of electrical energy
RU2673427C1 (en) Test bench for studying of the electric power resonant transmission system
RU2577522C2 (en) Method and device for transmission of electric power
Abd Aziz et al. A Study on wireless power transfer using tesla coil technique
Sattarov et al. Integrated LC-components for electrical systems and devices
KR20160047429A (en) Transformer
RU2659409C1 (en) Communication system of super low frequency and extremely low frequency ranges with deeply submerged and remote objects
RU2535231C2 (en) Bench for studying electric power transmission resonant system
Kindl et al. Key construction aspects of low frequency wireless power transfer system using parallel resonance
Ren et al. Design and testing of a medium frequency transformer
Moffatt Wireless Transfer of electric power
Chen et al. Electric-field-coupled single-wire power transmission—analytical model and experimental demonstration
CN110398674A (en) A kind of extra-high voltage parallel reactance is pressure-resistant and local discharge test device
Khan et al. Long range wireless power transfer via magnetic resonance
de Freitas et al. Contactless power transfer using capacitive resonant single-conductor structure
CN112710879B (en) Multiple harmonic wave superposition current generation device and method for temperature rise test
Chen et al. A single-wire power transfer system using lumped-parameter LC resonant circuits
RU2572360C2 (en) Method and device for electrical energy transmission (versions)
JP7147299B2 (en) Magnetic measurement module, magnetic property measurement device and magnetic property measurement method
Buchhagen et al. Compensation of the first natural frequency of inductive medium voltage transformers
JP5723590B2 (en) Power supply

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191014