Система для передачи электроэнергии
Использование: в области электротехники. Технический результат - сохранение волнового эффекта при передаче электрической энергии на различные расстояния. Система для передачи электроэнергии содержит передающий и принимающий четвертьволновые резонансные трансформаторы, четвертьволновая обмотка каждого из которых снабжена контактными выводами; источник электрической энергии, соединенный с катушкой связи, выполненной с возможностью установления магнитоиндукционной связи с четвертьволновой обмоткой передающего трансформатора, с обеспечением возможности возбуждения резонансных колебаний в четвертьволновой обмотке передающего трансформатора; приемник электрической энергии, соединенный с катушкой связи, выполненной с возможностью установления магнитоиндукционной связи с четвертьволновой обмоткой принимающего трансформатора, с обеспечением возможности приема электрической энергии от четвертьволновой обмотки принимающего трансформатора; линию передачи электрической энергии, соединяющую между собой низкопотенциальные части четвертьволновых обмоток указанных принимающего и передающего трансформаторов для передачи между ними электрической энергии с обеспечением возможности возбуждения резонансных колебаний в четвертьволновой обмотке принимающего трансформатора, при этом к высокопотенциальному выводу каждого из указанных четвертьволновых трансформаторов присоединен скользящий контакт, выполненный с возможностью перемещения по четвертьволновой обмотке четвертьволнового трансформатора с обеспечением возможности подключения к одному из ее контактных выводов. 10 з.п. ф-лы, 24 ил., 3 табл.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее техническое решение относится к области электротехники, в частности к системам для передачи электрической энергии с применением резонансных технологий между стационарными объектами, а также между стационарными питающими устройствами и мобильными агрегатами, принимающими электроэнергию.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известны способ и система для передачи электрической энергии по однопроводной линии передачи электрической энергии на большие расстояния, разработанные Николой Тесла и раскрытые в патенте США № 593138 (опубл. 02 ноября 1897 года) и патенте США № 645576 (опубл. 20 марта 1900 года).
В частности, согласно изобретениям Н. Тесла, система состоит из двух, передающего и принимающего, резонансных трансформаторов с резонансными повышающими обмотками, представляющими собой однослойные спиральные четвертьволновые отрезки длинных линий на цилиндрических каркасах и проводника, соединяющего высокопотенциальные выводы резонансных повышающих обмоток. Низкопотенциальные выводы резонансных четвертьволновых обмоток обоих трансформаторов заземлены непосредственно около конструкций трансформаторов. Низковольтная обмотка передающего трансформатора подключена к выходу генератора повышенной частоты, являющегося преобразователем энергии источника электроэнергии в электрическую энергию переменного тока с частотой, равной резонансной частоте резонансной однопроводной системы передачи электрической энергии. Низковольтная обмотка принимающего трансформатора подключена к нагрузке, потребляющей энергию.
В результате соединения одного из выводов однослойных высоковольтных спиральных обмоток с землёй, а других выводов этих обмоток с проводом, соединяющим высоковольтные выводы спиральных обмоток, создаются условия для возникновения стоячих волн электромагнитных колебаний электрического тока вдоль высоковольтных обмоток с длиной волны, примерно в 4 раза превосходящей длину каждой из резонансных высоковольтных спиральных обмоток.
Здесь: λ - длина стоячей волны в системе передачи электрической энергии;
l - длина спиральной высоковольтной обмотки трансформатора Н. Тесла.
Вдоль всей системы передачи, т.е. от заземленного низкопотенциального вывода высоковольтной спиральной обмотки передающего резонансного трансформатора вдоль резонансной обмотки, а также проводника однопроводной линии, соединяющего высокопотенциальные выводы высоковольтных обмоток передающего и принимающего трансформаторов, вдоль высоковольтной резонансной обмотки принимающего трансформатора до заземляемого низкопотенциального вывода принимающего трансформатора укладывается половина стоячей волны резонансного колебания.
Здесь: L - расстояние между резонансными трансформаторами.
Режим стоячей волны характерен тем, что вдоль системы передачи электрической энергии амплитуды колебаний тока и напряжения изменяются по интенсивности. В системе формируются участки с увеличенными и уменьшенными токами и потенциалами. Области системы с максимальными размахами тока или потенциала называют пучностями тока или потенциала, области с минимальными или нулевыми амплитудами называют узлами тока или потенциала.
В системе передачи Н. Тесла пучность потенциала развивается на высокопотенциальных выводах передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов и однопроводной линии передачи электрической энергии. Здесь же размещается узел тока. Пучности тока формируются на низкопотенциальных частях и выводах четвертьволновых трансформаторов и в заземлителях их низкопотенциальных выводов.
Размещение узла тока на передающей линии существенно снижает ток в линии передачи электрической энергии, что способствует резкому снижению потерь при передаче энергии и является достоинством метода. Недостатком известного способа передачи электрической энергии является высокая подверженность деградации волнового механизма передачи при увеличении дистанции передачи. При этом растет емкость проводника линии передачи на землю. Емкость проводника линии передачи на землю оказывается подключенной параллельно четвертьволновым обмоткам резонансных трансформаторов. При достижении емкости передающего проводника на землю величины емкости на землю резонансных обмоток, трансформатор теряет волновые свойства, в связи с чем пучности и узлы потенциала и тока исчезают. Ещё интенсивнее эффекты ёмкостного закорачивания проявляются в случае передачи энергии по линии в кабельном исполнении. Другим недостатком известного способа являются большие джоулевы потери в заземлителях, так как в них формируются пучности стоячих волн тока.
Таким образом, очевидна потребность в дальнейшем совершенствовании систем для передачи электроэнергии, в частности для сохранения волнового эффекта в таких системах при передаче электрической энергии на различные расстояния.
Следовательно, одна из технических проблем, решаемых настоящим техническим решением, состоит в создании системы для передачи электроэнергии, в которой по меньшей мере частично устранены обозначенные выше недостатки известных решений, заключающиеся в невозможности сохранения волнового эффекта при передаче электрической энергии на различные расстояния.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ
Вышеупомянутая техническая проблема решена в настоящем техническом решении благодаря тому, что предложенная система для передачи электроэнергии содержит
передающий и принимающий четвертьволновые резонансные трансформаторы, четвертьволновая обмотка каждого из которых снабжена контактными выводами,
источник электрической энергии, соединенный с катушкой связи, выполненной с возможностью установления магнитоиндукционной связи с четвертьволновой обмоткой передающего трансформатора, с обеспечением возможности возбуждения резонансных колебаний в четвертьволновой обмотке передающего трансформатора,
приемник электрической энергии, соединенный с катушкой связи, выполненной с возможностью установления магнитоиндукционной связи с четвертьволновой обмоткой принимающего трансформатора, с обеспечением возможности приема электрической энергии от четвертьволновой обмотки принимающего трансформатора,
линию передачи электрической энергии, соединяющую между собой низкопотенциальные части четвертьволновых обмоток указанных принимающего и передающего трансформаторов для передачи между ними электрической энергии с обеспечением возможности возбуждения резонансных колебаний в четвертьволновой обмотке принимающего трансформатора, при этом
к высокопотенциальному выводу каждого из указанных четвертьволновых трансформаторов присоединен скользящий контакт, выполненный с возможностью перемещения по четвертьволновой обмотке четвертьволнового трансформатора с обеспечением возможности подключения к одному из ее контактных выводов.
Предложенная система для передачи электроэнергии обеспечивает технический результат в виде повышения эффективности передачи электрической энергии за счет снижения электрических потерь и обеспечения возможности более точной и гибкой настройки частоты и режимов работы системы.В одном из вариантов реализации настоящего технического решения источник электрической энергии может представлять собой источник переменного тока, а приемник электрической энергии может представлять собой приемник постоянного тока, при этом указанный приемник может быть соединен с катушкой связи на стороне принимающего четвертьволнового трансформатора посредством преобразователя переменного тока в постоянный ток.
В другом варианте реализации настоящего технического решения источник электрической энергии может представлять собой источник постоянного тока, а приемник электрической энергии может представлять собой приемник переменного тока, при этом указанный источник может быть соединен с катушкой связи на стороне передающего четвертьволнового трансформатора посредством преобразователя постоянного тока в переменный ток.
Еще в одном варианте реализации настоящего технического решения источник электрической энергии может представлять собой источник постоянного тока, а приемник электрической энергии может представлять собой приемник постоянного тока, при этом указанный источник может быть соединен с катушкой связи на стороне передающего четвертьволнового трансформатора посредством преобразователя постоянного тока в переменный ток, а указанный приемник может быть соединен с катушкой связи на стороне принимающего четвертьволнового трансформатора посредством преобразователя переменного тока в постоянный ток.
В некотором другом варианте реализации настоящего технического решения катушка связи на стороне передающего четвертьволнового трансформатора может иметь отводы для соединения с источником электрической энергии и может быть снабжена бегунком, выполненным с возможностью перемещения по виткам указанной катушки связи с обеспечением возможности подключения к одному из указанных отводов.
В ином варианте реализации настоящего технического решения катушка связи на стороне принимающего четвертьволнового трансформатора может иметь отводы для соединения с приемником электрической энергии и может быть снабжена бегунком, выполненным с возможностью перемещения по виткам указанной катушки связи с обеспечением возможности подключения к одному из указанных отводов.
В некоторых вариантах реализации настоящего технического решения к низкопотенциальному выводу в каждом из передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов посредством заземленного конденсатора может быть присоединен дополнительный скользящий контакт, выполненный с возможностью перемещения по виткам низкопотенциальной части четвертьволновой обмотки трансформатора.
В некоторых иных вариантах реализации настоящего технического решения для соединения высокопотенциального вывода каждого из передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов с соответствующим одним из скользящих контактов может быть использован соответствующий конденсатор с заданной емкостью.
В других вариантах реализации настоящего технического решения для соединения высокопотенциального вывода каждого из передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов с соответствующим одним из скользящих контактов может быть использован соответствующий конденсатор с переменной емкостью.
В некоторых других вариантах реализации настоящего технического решения высокопотенциальный вывод в каждом из передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов может быть дополнительно соединен с уединенным конденсатором.
Согласно одному из вариантов реализации настоящего технического решения каждый из передающего и принимающего трансформаторов может представлять собой четвертьволновой резонансный трансформатор Тесла.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Прилагаемые чертежи, которые приведены для обеспечения лучшего понимания сущности настоящей полезной модели, составляют часть настоящего документа и включены в него для иллюстрации нижеописанных вариантов реализации настоящей полезной модели. Прилагаемые чертежи в сочетании с приведенным ниже описанием служат для пояснения сущности настоящей полезной модели. На чертежах:
на фиг. 1 показана структурная схема одного из вариантов реализации системы для передачи электрической энергии согласно настоящему техническому решению;
на фиг. 2 показана структурная схема еще одного варианта реализации системы для передачи электрической энергии согласно настоящему техническому решению;
на фиг. 3 показана структурная схема еще одного варианта реализации системы для передачи электрической энергии согласно настоящему техническому решению;
на фиг. 4 показана структурная схема другого варианта реализации системы для передачи электрической энергии согласно настоящему техническому решению;
на фиг. 5-11 показаны структурные схемы разновидностей реализации системы для передачи электрической энергии по фиг. 2, с контрольно-измерительным оборудованием для тестирования технических характеристик системы при неиспользовании скользящих контактов трансформаторов и различном подключении линии передачи электрической энергии к контактным выводам трансформаторов;
на фиг. 12-21 показаны структурные схемы других разновидностей реализации системы для передачи электрической энергии по фиг. 2, с контрольно-измерительным оборудованием для тестирования технических характеристик системы при различном подключении скользящих контактов трансформаторов к контактным выводам трансформаторов и различном подключении линии передачи электрической энергии к контактным выводам трансформаторов;
на фиг. 22-24 показаны структурные схемы еще одних разновидностей реализации системы для передачи электрической энергии по фиг. 2, с контрольно-измерительным оборудованием для тестирования технических характеристик системы при неиспользовании скользящих контактов трансформаторов, одинаковом подключении линии передачи электрической энергии к контактным выводам трансформаторов и разном количестве витков трансформаторов.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ
На фиг. 1 показана структурная схема системы 100 для передачи электрической энергии согласно настоящему техническому решению. Система 100, показанная на фиг. 1, может быть использована для передачи электрической энергии на заданное расстояние, в том числе на большие расстояния, составляющие более 1000 км. Для специалистов в данной области техники должно быть очевидно, что система 100 может быть использована для передачи электрической энергии на любое целевое расстояние, которое может составлять, например, от 0,5 метра до 40000 км.
Система 100 содержит два резонансных контура, один из которых образован из четвертьволнового резонансного трансформатора 1, а другой резонансный контур образован из четвертьволнового резонансного трансформатора 2, при этом четвертьволновые резонансные трансформаторы электрически соединены друг с другом посредством однопроводной линии 3 передачи электрической энергии. Следует отметить, что четвертьволновой резонансный трансформатор 1 может быть выполнен в виде, например, четвертьволнового резонансного трансформатора Тесла и может выполнять в системе 100 функцию передающего трансформатора; четвертьволновой резонансный трансформатор 2, может быть выполнен в виде, например, четвертьволнового резонансного трансформатора Тесла и может выполнять системе 100 функцию принимающего трансформатора. В предпочтительном варианте реализации настоящего технического решения в системе 100 могут быть использованы в целом одинаковые принимающий и передающий четвертьволновые резонансные трансформаторы 1, 2 Тесла, имеющие в целом идентичные особенности исполнения обмотки и в целом идентичные технические характеристики.
В одном из вариантов реализации настоящего технического решения четвертьволновые резонансные трансформаторы 1, 2 могут быть выполнены каждый в виде четвертьволнового резонансного трансформатора Тесла, при этом четвертьволновой резонансный трансформатор 1 Тесла может выполнять в системе 100 функцию принимающего трансформатора и иметь конструктивные особенности и особенности работы, описанные ниже для принимающего резонансного трансформатора Тесла, а четвертьволновой резонансный трансформатор 2 Тесла может выполнять в системе 100 функцию передающего трансформатора и иметь конструктивные особенности и особенности работы, описанные ниже для передающего резонансного трансформатора Тесла.
В другом варианте реализации настоящего изобретения четвертьволновые резонансные трансформаторы 1, 2 могут быть выполнены каждый в виде модифицированного трансформатора, представляющего собой набор сосредоточенных катушек или распределенных по длине или высоте намоток.
Для специалистов в данной области техники понятно, что система 100 может состоять из любого количества резонансных трансформаторов, которые работают в режиме, который будет эквивалентным двум четвертьволновым резонансным трансформаторам. В настоящем документе подразумевается, что четвертьволновой резонансный трансформатор 1 может быть выполнен из любого количества трансформаторов, и четвертьволновой резонансный трансформатор 2 может быть выполнен из любого количества трансформаторов.
Как показано на фиг. 1, передающий резонансный трансформатор 1 имеет четвертьволновую обмотку 1.1, снабженную отводами или контактными выводами 1.2, отходящими каждый от соответствующего одного из витков четвертьволновой обмотки 1.1, и принимающий резонансный трансформатор 2 также имеет четвертьволновую обмотку 2.1, снабженную отводами или контактными выводами 2.2, отходящими каждый от соответствующего одного из витков четвертьволновой обмотки 2.1. В одном из вариантов реализации настоящего технического решения контактные выводы 1.1 могут отходить каждый от соответствующей одной из секций обмотки (не показаны), на которые разделена четвертьволновая обмотка 1.1 трансформатора и каждая из которых содержит заданное количество витков обмотки, например два или более витков обмотки, а контактные выводы 2.1 могут отходить каждый от соответствующей одной из секций обмотки (не показаны), на которые разделена четвертьволновая обмотка 2.1 трансформатора и каждая из которых содержит заданное количество витков обмотки, например два или более витков обмотки. В другом варианте реализации настоящего технического решения четвертьволновая обмотка 1.1 в передающем резонансном трансформаторе 1 и четвертьволновая обмотка 2.1 в принимающем резонансном трансформаторе 2 могут быть выполнены в виде набора секций сосредоточенных катушек, распределенных по длине или высоте резонансных трансформаторов 1 и 2.
Для специалистов в данной области техники понятно, что резонансные трансформаторы 1 и 2 являются резонансными контурами с распределёнными параметрами и не обязаны быть выполнение в виде трансформаторов, а могут быть выполнение в виде одной катушки с распределёнными параметрами или из набора двух или более катушек с сосредоточенными параметрами, которые распределены в пространстве.
Кроме того, как показано на фиг. 1, система 100 содержит подстраиваемую катушку 5 связи (также называемую в уровне техники катушкой накачки), снабженную контактными выводами или отводами 5.1, отходящими каждый от соответствующего одного из витков катушки 5 связи, и выполненную с возможностью установления магнитоиндукционной связи с четвертьволновой обмоткой 1.1 передающего резонансного трансформатора 1 с обеспечением возможности возбуждения резонансных колебаний в четвертьволновой обмотке 1.1, и подстраиваемую катушку 6 связи, снабженную контактными выводами или отводами 6.1, отходящими каждый от соответствующего одного из витков катушки 6 связи, и выполненную с возможностью установления магнитоиндукционной связи с четвертьволновой обмоткой 2.1 принимающего резонансного трансформатора 2 с обеспечением возможности приема электрической энергии четвертьволновой обмоткой 2.1 от катушки 6 связи.
Следует отметить, что подстройка подстраиваемой катушки 5 связи может быть осуществлена с использованием скользящего контакта или бегунка 10, выполненного с возможностью перемещения по виткам катушки 5 связи с обеспечением возможности подключения к одному из отводов 5.1, что позволяет изменить или подстроить фактические характеристики катушки 5 связи в ее рабочем или расчетном режиме. Аналогичным образом, подстройка подстраиваемой катушки 6 связи может быть осуществлена с использованием скользящего контакта или бегунка 11, выполненного с возможностью перемещения по виткам катушки 6 связи с обеспечением возможности подключения к одному из отводов 6.1, что позволяет изменить или подстроить фактические характеристики катушки 6 связи в ее рабочем режиме. В частности, перемещение бегунка 10 с обеспечением его подключения к одному из отводов 5.1 обеспечивает возможность изменения или подстройки индуктивности (коэффициента самоиндукции) катушки 5 связи, которая, помимо прочего, зависит от количества витков катушки и которая по сути является основным электрическим параметром катушки 5 связи, характеризующим количество электрической энергии, которое катушка 5 связи может запасать при протекании по ней электрического тока (чем больше индуктивность катушки 5 связи, тем больше электрической энергии она запасает в своем магнитном поле), а перемещение бегунка 11 с обеспечением его подключения к одному из отводов 6.1 аналогичным образом обеспечивает возможность изменения или подстройки индуктивности (коэффициента самоиндукции) катушки 5 связи.
Следует также отметить, что катушка 5 связи и катушка 6 связи по сути выполняет каждая функцию полосового фильтра, обеспечивая необходимый коэффициент связи и, следовательно, необходимый коэффициент трансформации в соответствующем резонансном трансформаторе.
Таким образом, бегунок 10 и бегунок 11 по сути позволяют задействовать не всю индуктивность соответственно катушки 5 связи и катушки 6 связь в их рабочих режимах, а только ее некоторую часть в зависимости от решаемой задачи.
Следует также отметить, что каждая из катушек 5, 6 связи и четвертьволновых обмоток 1.1, 2.1 трансформаторов обладает собственной емкостью или паразитной (погонной) емкостью, которая увеличивается по мере увеличения количества витков и их конструктивного исполнения. В частности, между смежными или соседними витками имеется межвитковая емкость, из-за которой некоторая часть тока проходит через емкость между витками, что приводит к уменьшению сопротивления между выводами в каждой из катушки 5 связи, катушки 6 связи, обмотки 1.1 трансформатора или обмотки 2.1 трансформатора. Это обусловлено тем, что общее напряжение, приложенное к катушке 5 связи, катушке 6 связи, обмотке 1.1 трансформатора или обмотке 2.1 трансформатора, по сути разделяется на межвитковые напряжения, из-за чего между витками образуется электрическое поле, вызывающее скопление зарядов, при этом витки, разделенные слоями изоляции, по сути образуют обкладки множества небольших конденсаторов, через которые протекает часть тока и из общей емкости которых складывается собственная емкость катушки 5 связи, катушки 6 связи, обмотки 1.1 трансформатора или обмотки 2.1 трансформатора. Таким образом, катушка 5 связи, катушка 6 связи, обмотка 1.1 трансформатора и обмотка 2.1 трансформатора обладают каждая не только индуктивными свойствами, но и емкостными свойствами, которые зависят от типа исполнения и их технических характеристик.
Как показано на фиг. 1, первичный или низкопотенциальный вывод четвертьволновой обмотки 1.1 в передающем резонансном трансформаторе 1 изолирован и оставлен неподключенным, а ко вторичному или высокопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 1.1 присоединен, посредством соответствующего проводника, бегунок или скользящий контакт 8, выполненный с возможностью перемещения по четвертьволновой обмотке 1.1 с обеспечением возможности подключения к одному из ее контактных выводов 1.2. Аналогичным образом, первичный или низкопотенциальный вывод четвертьволновой обмотки 2.1 в принимающем резонансном трансформаторе 2 изолирован и оставлен неподключенным, а ко вторичному или высокопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 2.1 присоединен, посредством соответствующего проводника, бегунок или скользящий контакт 8, выполненный с возможностью перемещения по четвертьволновой обмотке 2.1 с обеспечением возможности подключения к одному из ее контактных выводов 2.2.
Кроме того, как показано на фиг. 1, система 100 также содержит источник 4 электрической энергии на своей передающей стороне, характеризующейся наличием передающего резонансного трансформатора 1, и приемник 7 электрической энергии на своей принимающей стороне, характеризующейся наличием принимающего резонансного трансформатора 2. Источник 4 электрической энергии последовательно соединен с катушкой 5 связи с возможностью подачи на нее напряжения, и приемник 7 электрической энергии последовательно соединен с катушкой 6 связи с возможностью приема от нее электрической энергии.
В предпочтительном варианте реализации настоящего технического решения источник 4 электрической энергии представляет собой один из известных в уровне техники источников переменного тока, обеспечивающий возможность выдачи или подачи напряжения переменного тока (АС) на катушку 5 связи, а приемник 7 электрической энергии представляет собой один из известных в уровне техники приемников электрической энергии переменного тока, выполненный с возможностью потребления или накопления электрической энергии переменного тока (АС), выдаваемой катушкой 6 связи на указанный приемник 7.
В одном из вариантов реализации настоящего технического решения источник 4 электрической энергии может представлять собой один из известных в уровне техники источников электрической энергии переменного тока, обеспечивающий возможность выдачи или подачи напряжения переменного тока (АС) на катушку 5 связи, а приемник 7 электрической энергии может представлять собой один из известных в уровне техники приемников электрической энергии постоянного тока, выполненный с возможностью потребления или накопления электрической энергии постоянного тока (DC). В данном варианте реализации источник 4 электрической энергии может быть соединен непосредственно с катушкой 5 связи на стороне передающего резонансного трансформатора 1, а приемник 7 электрической энергии должен быть соединен с катушкой 6 связи на стороне принимающего резонансного трансформатора 2 посредством преобразователя переменного тока в постоянный ток (не показан), который преобразует электрическую энергию переменного тока, принимаемую от катушки 6 связи, в электрическую энергию постоянного тока, потребляемую приемником 7 электрической энергии.
Еще в одном варианте реализации настоящего технического решения источник 4 электрической энергии может представлять собой один из известных в уровне техники источников электрической энергии постоянного тока, обеспечивающий возможность выдачи напряжения постоянного тока (DC), а приемник 7 электрической энергии также может представлять собой один из известных в уровне техники приемников электрической энергии переменного тока, выполненный с возможностью потребления или накопления электрической энергии переменного тока (AC). В данном варианте реализации источник 4 электрической энергии должен быть соединен с катушкой 5 связи на стороне передающего резонансного трансформатора 1 посредством преобразователя постоянного тока в переменный ток (не показан), который преобразует электрическую энергию постоянного тока, выдаваемую источником 4 электрической энергии, в электрическую энергию переменного тока, подаваемую на катушку 5 связи, а приемник 7 электрической энергии может быть соединен непосредственно с катушкой 6 связи на стороне принимающего резонансного трансформатора 2.
В другом варианте реализации настоящего технического решения источник 4 электрической энергии может представлять собой один из известных в уровне техники источников электрической энергии постоянного тока, обеспечивающий возможность выдачи напряжения постоянного тока (DC), а приемник 7 электрической энергии также может представлять собой один из известных в уровне техники приемников электрической энергии постоянного тока (DC), выполненный с возможностью потребления или накопления электрической энергии постоянного тока (DC). В данном варианте реализации источник 4 электрической энергии должен быть соединен с катушкой 5 связи на стороне передающего резонансного трансформатора 1 посредством преобразователя постоянного тока в переменный ток (не показан), который преобразует электрическую энергию постоянного тока, выдаваемую источником 4 электрической энергии, в электрическую энергию переменного тока, подаваемую на катушку 5 связи, а приемник 7 электрической энергии должен быть соединен с катушкой 6 связи на стороне принимающего резонансного трансформатора 2 посредством преобразователя переменного тока в постоянный ток (не показан), который преобразует электрическую энергию переменного тока, принимаемую от катушки 6 связи, в электрическую энергию постоянного тока, потребляемую приемником 7 электрической энергии.
Как показано на фиг. 2, источник 4 электрической энергии соединен, посредством соответствующих проводников, на входной стороне катушки 5 связи с двумя отводами 5.1, между которыми на катушку 5 связи подается входное напряжение, при этом один из двух проводников, используемых для подключения источника 4 электрической энергии к катушке 5 связи, снабжен бегунком 10, выполненным с возможностью перемещения по отводам 5.1. Аналогичным образом, приемник 7 электрической энергии соединен, посредством соответствующих проводников, на выходной стороне катушки 6 связи с двумя отводами 6.1, на которые подается выходное напряжение катушки 6 связи, при этом одним из двух проводников, используемых для подключения приемника 7 электрической энергии к катушке 6 связи, снабжен бегунком 11, выполненным с возможностью перемещения по отводам 6.1.
Таким образом, бегунок 10 и бегунок 11 позволяют каждый настраивать или подстраивать соответственно катушку 5 связи и катушку 6 связи, в частности изменять количество их витков, что обеспечивает задание необходимых значения коэффициента связи, значения коэффициента трансформации (Q) и полосы пропускания (при наличии реактивных элементов в источнике 4 электрической энергии и приемнике 7 электрической энергии). Следует отметить, что изменение режима работы катушки 5 связи будет приводить к изменению ее внутреннего сопротивления, что позволит подстраивать или настраивать коэффициент связи между катушкой 5 связи и обмоткой 1.1 трансформатора на стороне передающего резонансного трансформатора 1, имеющих магнитоиндукционную связь друг с другом. Аналогичным образом, изменение режима работы катушки 6 связи будет приводить к изменению ее внутреннего сопротивления, что позволит подстраивать или настраивать коэффициент связи между катушкой 6 связи и обмоткой 2.1 трансформатора, имеющих магнитоиндукционную связь друг с другом, на стороне принимающего резонансного трансформатора 2.
Следует отметить, что каждая из катушки 5 связи и катушки 6 связи может быть выполнена, например, из витков тяжелой медной проволоки, медной трубки (например, из медной трубки толщиной 6 мм или проводника с большим поперечным сечением) или литцендрата, при этом количество витков катушки 5 связи или катушки 6 существенно меньше количества витков соответственно резонансного трансформатора 1 и резонансного трансформатора 2, поскольку сопротивление обмотки катушки 5 связи или катушки 6 связи должно быть небольшим по причине возможного протекания через через нее большой силы электрического тока. Каждая из четвертьволновой обмотки 1.1 и четвертьволновой обмотки 2.1 может иметь длину, превышающую ее диаметр примерно до 5 раз или наоборот может иметь диаметр, превышающий ее длину примерно до 5 раз, при этом диаметр проводника для обмотки выбирают таким, чтобы, например, получилось 1000 витков (в других вариантах реализации настоящего технического решения каждая из четвертьволновой обмотки 1.1 и четвертьволновой обмотки 2.1 может иметь от сотен до тысяч витков). Каждая из обмотки катушки 5 связи или катушки 6 связи может быть выполнена в виде плоской спирали, короткой винтовой обмотки, конической обмотки или сосредоточенной обмотки.
Следует также отметить, что катушка 5 связи и катушка 6 связи по сути выполняют функцию соответственно первичной обмотки в резонансном трансформаторе 1 и вторичной обмотки в резонансном трансформаторе 2, а четвертьволновая обмотка 1.1 и четвертьволновая обмотка 2.1 по сути выполняют функцию соответственно вторичной обмотки в резонансном трансформаторе 1 и первичной обмотки в резонансном трансформаторе 2. Как описано ниже, первичная и вторичная обмотки в резонансном трансформаторе 1, имеющие магнитоиндукционную связь друг с другом, образуют два связанных между собой колебательных контура на передающей стороне в системе 100, и первичная и вторичная обмотки в резонансном трансформаторе 2, имеющие магнитоиндукционную связь друг с другом, образуют два связанных между собой колебательных контура на принимающей стороне в системе 100, так что каждый из резонансного трансформатора 1 и резонансного трансформатора 2 будет позволять не только эффективно передавать электрическую энергию от своей первичной обмотки на свою вторичную обмотку с обеспечением необходимого выходного напряжения при малых токах, но и накапливать электрическую энергию.
В частности, катушка 5 связи имеет свою индуктивность, которая способна к резонированию с собственной (паразитной) емкостью катушки 5 связи, что по сути позволяет катушке 5 связи функционировать как первичный колебательный контур или LC-контур (также называемый в уровне техники настроенным контуром или резонансным контуром) на передающей стороне или стороне резонансного трансформатора 1 в системе 100. Аналогичным образом, катушка 6 связи имеет свою индуктивность, которая способна к резонированию с собственной (паразитной) емкостью катушки 6 связи, что по сути позволяет катушке 6 связи функционировать как вторичный колебательный контур или LC-контур (также называемый в уровне техники настроенным контуром или резонансным контуром) на принимающей стороне или стороне резонансного трансформатора 2 в системе 100. Следует отметить, что катушка 5 связи будет по сути осуществлять накачку системы 100 энергией, а катушка 6 связи будет по сути осуществлять слив энергии из системы 100.
Кроме того, четвертьволновая обмотка 1.1 имеет свою погонную индуктивность, которая способна резонировать с собственной (паразитной) емкостью обмотки, что по сути позволяет четвертьволновой обмотке 1.1 функционировать как вторичный колебательный контур или LC-контур (также называемый в уровне техники настроенным контуром или резонансным контуром) на передающей стороне или стороне резонансного трансформатора 1 в системе 100. Аналогичным образом, четвертьволновая обмотка 2.1 также имеет свою индуктивность, которая способна резонировать с собственной (паразитной) емкостью обмотки, что по сути позволяет четвертьволновой обмотке 2.1 функционировать как первичный колебательный контур или LC-контур (также называемый в уровне техники настроенным контуром или резонансным контуром) на принимающей стороне или стороне резонансного трансформатора 2 в системе 100.
Первичный колебательный контур и вторичный колебательный контур на передающей и принимающей сторонах, то есть на стороне передающего трансформатора 1 и стороне принимающего трансформатора 2, в системе 100 настроены таким образом, что первичный колебательный контур и вторичный колебательный контур на стороне передающего трансформатора 1 резонируют на одной и той же частоте, т.е. имеют одинаковую резонансную частоту, и первичный колебательный контур и вторичный колебательный контур на стороне принимающего трансформатора 2 также резонируют на одной и той же частоте, т.е. имеют одинаковую резонансную частоту, при этом резонансная частота на стороне передающего трансформатора 1 и резонансная частота на стороне принимающего трансформатора 2 будет по сути совпадать друг с другом или иметь одинаковые значения.
Таким образом, если питать первичную обмотку передающего трансформатора 1 переменным током, имеющим частоту, равную резонансной частоте вторичной обмотки указанного трансформатора 1, то напряжение на выходе трансформатора 1 может возрасти в десятки и даже тысячи раз.
Следует отметить, что перемещение бегунка 10 позволяет по сути не только подстраивать входное напряжение на передающем трансформаторе 1, но и изменять собственную (паразитную или погонную) емкость и индуктивность катушки 5 связи с обеспечением возможности совпадения частоты колебания первичного колебательного контура, образованного катушкой 5 связи, с резонансной частотой вторичного колебательного контура, образованного четвертьволновой обмоткой 1.1.
Перемещение скользящего контакта 8 по четвертьволновой обмотке 1.1 обеспечивает возможность регулирования (в том числе непрерывного или периодического) соотношения витков между вторичной обмоткой и первичной обмоткой передающего резонансного трансформатора 1, что в свою очередь позволяет регулировать выходное напряжение, выдаваемое передающим резонансным трансформатором 1, в очень широких пределах с очень небольшими приращениями, при этом получают выходное напряжение переменного тока повышенной частоты. Кроме того, в зависимости от реализации источника 4 электрической энергии перемещение скользящего контакта 8 по четвертьволновой обмотке 1.1 позволяет по сути раскачать систему 100 с обеспечением возможности передачи электрической энергии от передающего резонансного трансформатора 1 на принимающий резонансный трансформатор 2 по нижеописанной однопроводной линии 3 передачи электрической энергии.
Для возбуждения четвертьволнового режима работы передающего резонансного трансформатора 1 по сути также осуществляется и подбор необходимых импедансов волновых сопротивлений, что позволяет организовать необходимый коэффициент связи между катушкой 5 связи, выполняющей функцию первичной обмотки передающего резонансного трансформатора 1, и обмоткой 1.1, выполняющей функцию вторичной обмотки передающего резонансного трансформатора 1. Таким образом, для обеспечения надлежащей работы передающей стороны в системе 100 необходимо подстраивать не только частоту, с которой будет работать передающий резонансный трансформатор 1, но и подстраивать внутреннее сопротивление в системе 100, при этом перемещение скользящего контакта 8 между высокопотенциальным и низкопотенциальным выводами обмотки 1.1 позволяет изменять или подбирать рабочую частоту, на которой работает передающий резонансный трансформатор 1 (в частности, перемещение скользящего контакта 8 по виткам обмотки 1.1 по направлению к ее низкопотенциальному выводу по сути приводит к увеличению частоты работы передающего резонансного трансформатора 1, а перемещение скользящего контакта 8 по виткам обмотки 1.1 по направлению к ее высокопотенциальному выводу по сути приводит к уменьшению частоты работы передающего резонансного трансформатора 1).
Как показано на фиг. 1, передающий резонансный трансформатор 1 электрически связан с принимающим резонансным трансформатором 2 с использованием однопроводной линии 3 передачи электрической энергии, соединяющей между собой низкопотенциальные части четвертьволновых обмоток 1.1, 2.1, соответствующие каждая части обмотки от середины или геометрического центра обмотки, разделяющей эту обмотку по длине, ограниченной высокопотенциальным выводом с одной стороны и низкопотенциальным выводом с другой стороны, на две в целом равные части, и до низкопотенциального вывода обмотки. Следует отметить, что линия 3 передачи электрической энергии снабжена бегунками 3.1, 3.2, выполненными каждый на соответствующем одном из двух противоположных концов указанной линии 3 передачи с возможностью перемещения по соответствующей одной из четвертьволновых обмоток 1.1, 2.1 с обеспечением возможности подключения к одному из контактных выводов 1.2 или контактных выводов 2.2. Следует также отметить, что положение или смещение линии 3 передачи электрической энергии по отношению к земле, осуществляемое путем подключения бегунка 3.1 к соответствующему одному из контактных выводов 1.2 в низкопотенциальной части четвертьволновой обмотки 1.1 и подключения бегунка 3.2 к соответствующему одному из контактных выводов 2.2 в низкопотенциальной части четвертьволновой обмотки 2.1, позволяет подбирать импедансы передающей стороны в системе 100, т.е. стороны с передающим резонансным трансформатором 1, и принимающей стороны в системе 100, т.е. стороны с принимающим резонансным трансформатором 2, при этом смещение линии 3 передачи электрической энергии по направлению к земле, в частности перемещение бегунков 3.1, 3.2 соответственно по обмоткам 1.1, 2.1 в сторону их низкопотенциальных выводов, обеспечивает работу по низкопотенциальному проводу, соответствующему линии 3 передачи электрической энергии, двух четвертьволновых резонаторов, соответствующих принимающему и передающему резонансным трансформаторам 1, 2, без оказания какого-либо влияния на частоту работы системы 100. В данном случае система 100 будет являться низкопотенциальной, в частности за счет подключения линии 3 передачи электрической энергии к низкопотенциальным частям обмоток 1.1, 2.1.
Следует отметить, что перемещение бегунков 3.1 и 3.2 соответственно по контактным выводам 1.2, 2.2 также позволяет подбирать необходимые параметры работы системы 100: от высокопотенциального до «среднепотенциального» и от «среднепотенциального» до низкопотенциального, с различными режимами: режим бегущей волны, режим стоячей волны и режим смешанных волн. Режим бегущей волны характеризуется наличием только падающей волны, распространяющейся от передающей системы к принимающей системе. Отраженная волна отсутствует. Мощность, переносимая падающей волной, полностью выделяется в нагрузке. В этом режиме BU = 0, | Г | = 0, kбв =kсв = 1. Режим бегущей волны формируется при подключении бегунков 3.1 и 3.2 ближе к соответствующим геометрическим центрам обмоток 1.1, 2.1 в резонансных трансформаторах 1 и 2. Режим стоячей волны характеризуется тем, что амплитуда отраженной волны равна амплитуде падающей BU = AU т. е. энергия падающей волны полностью отражается от принимающей системы и возвращается обратно передающей системе. В этом режиме, | Г | = 1, kсв = ∞, kбв = 0. Режим стоячей волны формируется при подключении бегунков 3.1 и 3.2 ближе к соответствующим низкопотенциальным выводам обмоток 1.1, 2.1 в резонансных трансформаторах 1 и 2. В режиме смешанных волн амплитуда отраженной волны удовлетворяет условию 0 < BU < AU т. е. часть мощности падающей волны поглощается в принимающей системой, а остальная часть в виде отраженной волны возвращается обратно, и так n раз, количество повторений «n» зависит от добротности всей системы. При этом 0 < | Г | < 1, 1 < kсв < ∞, 0 < kбв < 1. Режим смешанных волн формируется при подключении бегунков 3.1 и 3.2 в целом между соответствующими низкопотенциальными выводами и геометрическими центрами обмоток 1.1, 2.1 в резонансных трансформаторах 1 и 2.
При увеличении длины или протяженности линии 3 передачи электрической энергии, обычно наблюдается снижение частоты электрического тока, протекающего по линии 3 передачи электрической энергии, однако благодаря должному подстраиванию указанной частоты с обеспечением сохранения волнового эффекта в системе 100 и подключению линии 3 передачи электрической энергии к низкопотенциальным частям обмоток 1.1, 2.1 не будет наблюдаться существенного изменения частоты при увеличении расстояния между передающим и принимающим резонансными трансформаторами 1, 2 при передаче электрической энергии по линии 3 передачи электрической энергии, т.е. частота не будет зависеть от длины или протяженности линии 3 передачи электрической энергии.
В случае, когда электрическая энергия, передаваемая по линии 3 передачи электрической энергии от передающего резонансного трансформатора 1 на принимающий резонансный трансформатор 2, питает первичную обмотку принимающего трансформатора 2, в качестве которой используется четвертьволновая обмотка 2.1, переменным электрическим током, имеющим частоту, равную резонансной частоте вторичного колебательного контура передающего резонансного трансформатора 1, образованного из четвертьволновой обмотки 1.1, что в результате приводит к возбуждению резонансных колебаний в первичном колебательном контуре принимающего трансформатора 2, образованном из четвертьволновой обмотки 2.1, которая по сути является первичной обмоткой принимающего трансформатора 2.
Перемещение скользящего контакта 9 по четвертьволновой обмотке 2.1 обеспечивает возможность регулирования (в том числе непрерывного или периодического) соотношения витков между первичной и вторичной обмотками принимающего резонансного трансформатора 2, что в свою очередь позволяет регулировать напряжение на принимающем резонансном трансформаторе 2 в очень широких пределах с очень небольшими приращениями, при этом напряжение на выходе принимающего резонансного трансформатора 2 также будет по сути состоять из переменного тока синусоидальной формы повышенной частоты.
Следует отметить, что перемещение бегунка 11 позволяет по сути не только подстраивать входное напряжение, подаваемое на приемник 7 электрической энергии, но и изменять собственную (паразитную или погонную) емкость и индуктивность катушки 6 связи с обеспечением необходимого волнового сопротивления вторичного колебательного контура, образованного катушкой 6 связи, которая по сути является вторичной обмоткой принимающего резонансного трансформатора 2, совпадала с резонансной частотой первичного колебательного контура, образованного четвертьволновой обмоткой 2.1.
Для возбуждения четвертьволнового режима работы принимающего резонансного трансформатора 2 по сути также осуществляется и подбор необходимых импедансов волновых сопротивлений, что позволяет организовать необходимый коэффициент связи между обмоткой 2.1, выполняющей функцию первичной обмотки принимающего резонансного трансформатора 2, и катушкой 6 связи, выполняющей функцию вторичной обмотки принимающего резонансного трансформатора 2. Таким образом, для обеспечения надлежащей работы принимающей стороны в системе 100 необходимо подстраивать не только частоту, с которой будет работать принимающей резонансный трансформатор 2, но и подстраивать внутреннее сопротивление в системе 100, при этом перемещение скользящего контакта 9 между высокопотенциальным и низкопотенциальным выводами обмотки 2.1 позволяет изменять или подбирать рабочую частоту, на которой работает принимающий резонансный трансформатор 2 (в частности, перемещение скользящего контакта 9 по виткам обмотки 2.1 по направлению к ее низкопотенциальному выводу по сути приводит к увеличению частоты работы принимающего резонансного трансформатора 2, а перемещение скользящего контакта 9 по виткам обмотки 2.1 по направлению к ее высокопотенциальному выводу по сути приводит к уменьшению частоты работы принимающего резонансного трансформатора 2), а также режимы передачи электрической энергии (см.примечание1).
В итоге, как следует из приведенного выше описания особенностей работы передающей и принимающей сторон в системе 100, показанной на фиг. 2, при выполнения условия f0 = fКБ1 = f1 = f2 = fКБ2 (где f0 - частота электрического тока на выходе источника 4 электрического тока; fКБ1 - резонансная частота первичного колебательного контура на стороне передающего резонансного трансформатора 1, который образован из катушки 5 связи и который по сути является контуром питания для передающего резонансного трансформатора 1; f1 - резонансная частота вторичного колебательного контура на стороне передающего резонансного трансформатора 1, который образован из четвертьволновой обмотки 1.1 и который по сути является контуром питания для принимающего резонансного трансформатора 2; f2 - резонансная частота первичного колебательного контура на стороне принимающего резонансного трансформатора 2, который образован из четвертьволновой обмотки 2.1 и который по сути является контуром питания для катушки 6 связи; и fКБ2 - резонансная частота вторичного колебательного контура на стороне принимающего резонансного трансформатора 2, который образован из катушки 6 связи и который по сути является контуром питания для приемника 7 электрической энергии) вышеуказанные первичный и вторичный колебательные контура на передающей стороне и вышеуказанные первичный и вторичный колебательные контура на принимающей стороне в системе 100 работают в резонансном режиме, при этом первичный колебательный контур на передающей стороне, образованный катушкой 5 связи, и вторичный колебательный контур на принимающей стороне, образованный катушкой 6 связи, в системе 100 работают в режиме резонанса на реактивных элементах с сосредоточенными параметрами, а вторичный колебательный контур на передающей стороне, образованный обмоткой 1.1, и первичный колебательный контур на принимающей стороне, образованный обмоткой 2.1, работают в режиме резонанса на отрезках длинных линий с распределенными реактивными параметрами, так что на четвертьволновых обмотках 1.1, 2.1 развиваются стоячие волны в виде четвертьволновых реализаций с узлами потенциалов на низкопотенциальных выводах обмоток 1.1, 2.1.
На фиг. 2 показан еще один вариант реализации системы для передачи электрической энергии согласно настоящему техническому решению. В целом, система 200, показанная на фиг. 2, выполнена и функционирует аналогично вышеописанной системе 100, показанной на фиг. 1, за исключением того, что система 200 дополнительно содержит уединенный конденсатор 12, с которым дополнительно соединен, через высокопотенциальную клемму с помощью соответствующего проводника, вторичный или высокопотенциальный вывод четвертьволновой обмотки 1.1, и уединенный конденсатор 13, с которым дополнительно соединен, через высокопотенциальную клемму с помощью соответствующего проводника, вторичный или высокопотенциальный вывод четвертьволновой обмотки 2.1, при этом уединенный конденсатор 12 и уединенный конденсатор 13 имеют каждый заданную емкость.
Следует отметить, что каждый из уединенных конденсаторов 12, 13 в системе 200 может быть выполнен в виде гладкой металлической сферы или тора, имеющих криволинейные поверхности большой площади, что позволяет им снижать градиент потенциала (электрическое поле) на высокопотенциальном выводе соответствующей одной из четвертьволновых обмоток 1.1, 2.1 трансформатора. Каждый из уединенных конденсаторов 12, 13 в системе 200 действует аналогично коронирующему кольцу, увеличивая порог напряжения, при котором возникают воздушные разряды, такие как коронный разряд и щеточный разряд. Таким образом, подавление преждевременного пробоя воздуха и уменьшение энергопотерь, обеспечиваемые каждым из уединенных конденсаторов 12, 13 в системе 200, позволяет повышать добротность соответственно передающего и принимающего резонансных трансформаторов 1, 2, а также повышать их выходное напряжение на пиках формы волны. В одном из вариантов реализации настоящего технического решения в качестве каждого из уединенных конденсаторов 12, 13 в системе 200 может быть использован тороид, выполненный из алюминиевой гофры и имеющий наружный диаметр, равный или превышающий диаметр четвертьволновой обмотки 1.1 или четвертьволновой обмотки 2.1.
Кроме того, еще одно существенное отличие системы 200 от вышеописанной системы 100 заключается в том, что в системе 200 погонная индуктивность, которую имеет четвертьволновая обмотка 1.1, способна резонировать с суммарной погонной паразитной емкостью, представляющей собой сумму собственной (паразитной) емкости обмотки и емкости уединенного конденсатора 12, что по сути позволяет четвертьволновой обмотке 1.1 функционировать как вторичный колебательный контур или LC-контур (также называемый в уровне техники настроенным контуром или резонансным контуром) на передающей стороне или стороне резонансного трансформатора 1 в системе 200, а погонная индуктивность, которую имеет четвертьволновая обмотка 2.1, способна резонировать с суммарной погонной паразитной емкостью, представляющей собой сумму собственной (паразитной) емкости обмотки и емкости уединенного конденсатора 13, что по сути позволяет четвертьволновой обмотке 2.1 функционировать как первичный колебательный контур или LC-контур (также называемый в уровне техники настроенным контуром или резонансным контуром) на принимающей стороне или стороне резонансного трансформатора 2 в системе 200.
Уединенный конденсатор 12 в системе 200 будет по сути (незначительно) способствовать снижению частоты резонанса на вторичной обмотке передающего резонансного трансформатора 1. В одном из вариантов реализации настоящего технического решения в качестве каждого из уединенных конденсаторов 12, 13 может быть использован тороид, выполненный из алюминиевой гофры и имеющий наружный диаметр, равный или превышающий диаметр четвертьволновой обмотки 1.1 или четвертьволновой обмотки 2.1. Емкость уединенного конденсатора 12 по сути может задаваться в зависимости от требуемых мощности и характеристик передающего резонансного трансформатора 1.
Уединенный конденсатор 13 в системе 200 будет по сути способствовать снижению частоты резонанса на первичной обмотке передающего резонансного трансформатора 1, образованной обмоткой 2.1. В одном из вариантов реализации настоящего технического решения в качестве каждого из уединенных конденсаторов 12, 13 может быть использован тороид, выполненный из алюминиевой гофры и имеющий наружный диаметр, равный или превышающий диаметр четвертьволновой обмотки 1.1 или четвертьволновой обмотки 2.1. Емкость уединенного конденсатора 13 по сути может задаваться в зависимости от требуемых мощности и характеристик принимающего резонансного трансформатора 2.
На фиг. 3 показан еще один вариант реализации системы для передачи электрической энергии согласно настоящему техническому решению. В целом, система 300, показанная на фиг. 3, выполнена и функционирует аналогично вышеописанной системе 100, показанной на фиг. 2, за исключением того, что система 300 дополнительно содержит конденсатор 14 с переменной емкостью, через который скользящий контакт 8 подключен к высокопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 1.1, который по сути является высокопотенциальным выводом передающего резонансного трансформатора 1, и конденсатор 15 с переменной емкостью, через который скользящий контакт 9 подключен к высокопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 2.1, который по сути является высокопотенциальным выводом принимающего резонансного трансформатора 2. Изменение емкости конденсатора 14 и/или конденсатора 15 по сути обеспечивает дополнительную возможность по изменению или подстраиванию частоты работы системы 300 соответственно на ее передающей стороне и ее принимающей стороне с обеспечением небольшого изменения напряжения соответственно на передающем резонансном трансформаторе 1 и принимающем резонансном трансформаторе 2, что позволяет повысить эффективность работы системы 300 благодаря более точкой и гибкой настройке частоты работы системы 300, в частности благодаря дополнительному изменению или дополнительной подстройке частоты колебаний в высокопотенциальной части системы 300, что по сути позволяет достигнуть резонанса потенциалов, изменяя тем самым режим работы высокопотенциальной части системы 300.
В одной из разновидностей варианта реализации системы 300 для передачи электрической энергии, показанной на фиг. 3, вместо конденсатора 14 с переменной емкостью и конденсатора 15 с переменной емкостью могут быть использованы конденсаторы с заданной емкостью, предварительно подобранной в зависимости от требуемых частотных характеристик работы системы 300 соответственно на передающей стороне и принимающей стороне.
В другой разновидности варианта реализации системы 300 для передачи электрической энергии, показанной на фиг. 3, могут отсутствовать уединенные конденсаторы 12, 13, при этом скользящий контакт 8 может быть подключен к высокопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 1.1 через конденсатор 14, который может иметь переменную емкость или заданную емкость, а скользящий контакт 9 может быть подключен к высокопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 2.1 через конденсатор 15, который может иметь переменную емкость или заданную емкость.
На фиг. 4 показан другой вариант реализации системы для передачи электрической энергии согласно настоящему техническому решению. В целом, система 400, показанная на фиг. 4, выполнена и функционирует аналогично вышеописанной системе 300, показанной на фиг. 3, за исключением того, что система 400 дополнительно содержит заземленный конденсатор 16, через который к низкопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 1.1 дополнительно подключен скользящий контакт 18, выполненный с возможностью перемещения по виткам низкопотенциальной части четвертьволновой обмотки 1.1, и заземленный конденсатор 17, через который к низкопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 2.1 дополнительно подключен скользящий контакт 19, выполненный с возможностью перемещения по виткам низкопотенциальной части четвертьволновой обмотки 2.1. Таким образом, получается, что в системе 400 конденсатор 16 замкнут на передающий резонансный трансформатор 1 и дополнительно заземлен, и конденсатор 17 замкнут на принимающий резонансный трансформатор 2 и дополнительно заземлен. Такие дополнительный функциональный блок, образованный из скользящего контакта 18, подключенного одним из своих концов, посредством заземленного конденсатора 16, к низкопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 1.1, в низкопотенциальной части передающего резонансного трансформатора 1 и дополнительный функциональный блок, образованный из скользящего контакта 19, подключенного одним из своих концов, посредством заземленного конденсатора 17, к низкопотенциальному выводу четвертьволновой обмотки 2.1, в низкопотенциальной части принимающего резонансного трансформатора 2 обеспечивают возможность изменения частоты колебаний в низкопотенциальной части системы 400 для достижения резонанса токов, изменяя тем самым режим работы низкопотенциальной части системы 400. Одновременное или паралеллельное изменение режима работы высокопотенциальной части системы 400 и режима работы низкокопотенциальной части системы 400 позволяет установить требуемый баланс в работе системы 400, существенно повышая тем самым эффективность работы системы 400 благодаря более точкой и гибкой настройке работы системы 400.
На фиг. 5-11 показаны структурные схемы разновидностей реализации системы 200 для передачи электрической энергии по фиг. 2, с контрольно-измерительным оборудованием для тестирования технических характеристик системы 200 при неиспользовании скользящих контактов 8, 9 трансформаторов и различном подключении линии 3 передачи электрической энергии к контактным выводам 1.2, к которым относятся тринадцать контактных выводов 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3, 1.2.4, 1.2.5, 1.2.6, 1.2.7, 1.2.8, 1.2.9, 1.2.10, 1.2.11, 1.2.12, 1.2.13 обмотки трансформатора 1, и контактным выводам 2.2, к которым относятся тринадцать контактных выводов 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4, 2.2.5, 2.2.6, 2.2.7, 2.2.8, 2.2.9, 2.2.10, 2.2.11, 2.2.12, 2.2.13 обмотки трансформатора 2. В частности, на фиг. 5 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.1 и 2.2.1, на фиг. 6 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.2 и 2.2.2, на фиг. 7 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.3 и 2.2.3, на фиг. 8 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.4 и 2.2.4, на фиг. 9 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.5 и 2.2.5, на фиг. 10 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.6 и 2.2.6, а на фиг. 11 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.7 и 2.2.7. Результаты тестирования рабочих или технических характеристик схем, показанных на фиг. 5-11, приведены в таблице 1, при этом для тестирования использованы уединенные конденсаторы 12, 13, емкости (С1), (С2) которых составляют по 150 пФ.
Таблица 1. Результаты испытания схем по фиг. 5-11
| Схема | F, кГц | Uвх, В | Iвх, А | Uнгр, В | I нгр, мА | I лин, мА | U лин, В | U1, кВ | U2, кВ | ПОКАЗАТЕЛИ | ||
| Р1 | Р2 | КПД | ||||||||||
| ФИГ. 5 | 53,70 | 19,30 | 1,42 | 18,90 | 923 | 115 | 266 | 3,7 | 5,2 | 27,41 | 17,4 | 0,64 |
| 59,20 | 13,20 | 2,30 | 13,10 | 763 | 36 | 850 | 7,7 | 3,5 | 30,36 | 10,0 | 0,33 | |
| 54,00 | 19,30 | 1,42 | 18,90 | 923 | 115 | 266 | 3,7 | 5,2 | 27,41 | 17,4 | 0,64 | |
| 57,00 | 13,20 | 2,30 | 13,10 | 763 | 36 | 850 | 7,7 | 3,5 | 30,36 | 10,0 | 0,33 | |
| ФИГ. 6 | 56,70 | 18,00 | 0,62 | 7,61 | 630 | 60 | 180 | 2,9 | 4,4 | 11,16 | 4,8 | 0,43 |
| 60,20 | 18,50 | 2,45 | 9,08 | 640 | 33 | 970 | 8,8 | 4,3 | 45,33 | 5,8 | 0,13 | |
| ФИГ. 7 | 59,10 | 28,60 | 0,45 | 3,55 | 450 | 57 | 100 | 6,0 | 3,5 | 12,87 | 1,6 | 0,12 |
| 61,00 | 16,40 | 2,70 | 5,90 | 537 | 51 | 1022 | 9,2 | 4,2 | 44,28 | 3,2 | 0,07 | |
| 117,70 | 17,00 | 2,70 | 13,10 | 730 | 155 | 180 | 0,1 | 0,1 | 45,90 | 9,6 | 0,21 | |
| ФИГ. 8 | 59,90 | 11,20 | 2,70 | 0,60 | 170 | 77 | 1032 | 6,0 | 2,5 | 30,24 | 0,1 | 0,00 |
| 84,10 | 17,80 | 1,75 | 10,95 | 663 | 125 | 914 | 1,2 | 0,1 | 31,15 | 7,3 | 0,23 | |
| ФИГ. 9 | 54,40 | 12,60 | 2,70 | 1,45 | 347 | 111 | 1038 | 3,6 | 1,0 | 34,02 | 0,5 | 0,01 |
| 74,20 | 20,00 | 0,50 | 4,68 | 492 | 80 | 380 | 2,0 | 0,1 | 10,00 | 2,3 | 0,23 | |
| ФИГ. 10 | 46,30 | 15,90 | 1,50 | 4,00 | 363 | 91 | 1300 | 1,5 | 0,2 | 23,85 | 1,5 | 0,06 |
| ФИГ. 11 | 42,10 | 15,30 | 2,10 | 4,00 | 400 | 98 | 1350 | 1,2 | 0,2 | 32,13 | 1,6 | 0,05 |
На фиг. 12-21 показаны структурные схемы других разновидностей реализации системы 200 для передачи электрической энергии по фиг. 2, с контрольно-измерительным оборудованием для тестирования технических характеристик системы 200 при различном подключении скользящих контактов трансформаторов 1, 2 к контактным выводам 1.2, 2.2 трансформаторов, к которым соответственно относятся тринадцать контактных выводов 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3, 1.2.4, 1.2.5, 1.2.6, 1.2.7, 1.2.8, 1.2.9, 1.2.10, 1.2.11, 1.2.12, 1.2.13 обмотки трансформатора 1 и тринадцать контактных выводов 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4, 2.2.5, 2.2.6, 2.2.7, 2.2.8, 2.2.9, 2.2.10, 2.2.11, 2.2.12, 2.2.13 обмотки трансформатора 2, и различном подключении линии передачи 3 электрической энергии к контактным выводам 1.2, 2.2 трансформаторов. В частности, на фиг. 12-18 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.1 и 2.2.1, на фиг. 19-20 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.2 и 2.2.2, а на фиг. 21 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.3 и 2.2.1. Кроме того, на фиг. 12 скользящие контакты 8, 9 трансформаторов подключены к контактным выводам 1.2.12 и 2.2.12; на фиг. 13 скользящие контакты 8, 9 трансформаторов подключены к контактным выводам 1.2.11 и 2.2.11; на фиг. 14 скользящие контакты 8, 9 трансформаторов подключены к контактным выводам 1.2.10 и 2.2.10; на фиг. 15 скользящие контакты 8, 9 трансформаторов подключены к контактным выводам 1.2.9 и 2.2.9; на фиг. 16 скользящие контакты 8, 9 трансформаторов подключены к контактным выводам 1.2.8 и 2.2.8; на фиг. 17 скользящие контакты 8, 9 трансформаторов подключены к контактным выводам 1.2.7 и 2.2.7; на фиг. 18 скользящие контакты 8, 9 трансформаторов подключены к контактным выводам 1.2.6 и 2.2.6; на фиг. 19 скользящий контакт 8 трансформатора подключен к контактному выводу 1.2.7, а скользящий контакт 9 трансформатора подключен к контактному выводу 2.2.6; на фиг. 20 скользящие контакты 8, 9 трансформаторов подключены к контактным выводам 1.2.7 и 2.2.7; а на фиг. 21 скользящий контакт 8 трансформатора подключен к контактному выводу 1.2.7, а скользящий контакт 9 трансформатора подключен к контактному выводу 2.2.6. Результаты тестирования рабочих или технических характеристик схем, показанных на фиг. 12-21, приведены в таблице 2, при этом для тестирования использованы уединенные конденсаторы 12, 13, емкости (С1), (С2) которых составляют по 150 пФ.
Таблица 2. Результаты испытания схем по фиг. 12-21
| Схема | F, кГц | Uвх, В | Iвх, А | Uнгр, В | I нгр, мА | I лин, мА | U лин, В | U1, кВ | U2, кВ | ПОКАЗАТЕЛИ | ||
| Р1 | Р2 | КПД | ||||||||||
| ФИГ. 12 | 55,00 | 28,30 | 0,70 | 10,50 | 1,44 | 33 | 136 | 3,5 | 2,2 | 19,81 | 15,1 | 0,76 |
| 59,00 | 23,00 | 1,40 | 15,00 | 1,74 | 37 | 266 | 3,0 | 4,1 | 32,20 | 26,1 | 0,81 | |
| ФИГ. 13 | 56,50 | 28,30 | 0,70 | 10,50 | 1,44 | 33 | 136 | 3,5 | 2,2 | 19,81 | 15,1 | 0,76 |
| 56,90 | 26,30 | 1,28 | 17,30 | 1,90 | 37 | 266 | 3,8 | 3,9 | 33,66 | 32,9 | 0,98 | |
| 57,40 | 27,50 | 1,10 | 16,20 | 1,83 | 38 | 200 | 4,1 | 4,1 | 30,25 | 29,6 | 0,98 | |
| 58,10 | 23,00 | 1,30 | 16,00 | 1,80 | 35 | 220 | 3,5 | 4,2 | 29,90 | 28,8 | 0,96 | |
| 58,90 | 23,00 | 1,40 | 15,00 | 1,74 | 37 | 266 | 3,0 | 4,1 | 32,20 | 26,1 | 0,81 | |
| 62,60 | 27,00 | 1,40 | 12,00 | 1,55 | 33 | 600 | 6,5 | 4,6 | 37,80 | 18,6 | 0,49 | |
| ФИГ. 14 | 60,90 | 24,50 | 1,30 | 16,80 | 1,82 | 37 | 240 | 3,0 | 3,8 | 31,85 | 30,6 | 0,96 |
| 65,50 | 19,00 | 1,60 | 11,50 | 1,50 | 34 | 510 | 6,2 | 3,8 | 30,40 | 17,3 | 0,57 | |
| ФИГ. 15 | 64,10 | 22,50 | 1,00 | 13,60 | 1,60 | 36 | 214 | 2,6 | 3,1 | 22,50 | 21,8 | 0,97 |
| 67,80 | 19,10 | 1,60 | 11,90 | 1,55 | 44 | 385 | 5,6 | 3,4 | 30,56 | 18,4 | 0,60 | |
| ФИГ. 16 | 67,10 | 23,70 | 0,85 | 12,90 | 1,52 | 38 | 163 | 3,0 | 2,5 | 20,15 | 19,6 | 0,97 |
| 71,00 | 22,20 | 1,45 | 11,70 | 1,54 | 40 | 350 | 4,6 | 3,0 | 32,19 | 18,0 | 0,56 | |
| ФИГ. 17 | 72,40 | 27,60 | 1,05 | 15,20 | 1,78 | 38 | 195 | 2,8 | 2,2 | 28,98 | 27,1 | 0,93 |
| 77,30 | 20,00 | 1,30 | 11,20 | 1,48 | 49 | 279 | 3,7 | 1,5 | 26,00 | 16,6 | 0,64 | |
| ФИГ. 18 | 77,60 | 30,40 | 0,98 | 15,80 | 1,70 | 49 | 175 | 2,5 | 1,5 | 29,79 | 26,9 | 0,90 |
| 85,50 | 24,40 | 1,30 | 10,80 | 1,50 | 59 | 251 | 1,2 | 3,6 | 31,72 | 16,2 | 0,51 | |
| ФИГ. 19 | 72,40 | 29,30 | 1,10 | 13,70 | 1,67 | 53 | 169 | 4,4 | 1,0 | 32,23 | 22,9 | 0,71 |
| 75,30 | 20,70 | 1,65 | 14,40 | 1,72 | 57 | 146 | 3,8 | 1,1 | 34,16 | 24,8 | 0,73 | |
| ФИГ. 20 | 76,20 | 40,00 | 0,55 | 6,80 | 1,28 | 50 | 78 | 4,8 | 3,2 | 22,00 | 8,7 | 0,40 |
| 77,20 | 37,60 | 0,75 | 10,90 | 1,60 | 42 | 168 | 3,7 | 3,9 | 28,20 | 17,4 | 0,62 | |
| ФИГ. 21 | 72,40 | 43,50 | 0,95 | 9,65 | 1,33 | 62 | 330 | 6,0 | 3,0 | 41,33 | 12,8 | 0,31 |
| 70,80 | 37,00 | 0,75 | 9,70 | 1,44 | 47 | 199 | 4,0 | 5,4 | 27,75 | 14,0 | 0,50 |
На фиг. 22-24 показаны структурные схемы еще одних разновидностей реализации системы 200 для передачи электрической энергии по фиг. 2, с контрольно-измерительным оборудованием для тестирования технических характеристик системы 200 при неиспользовании скользящих контактов 8, 9 трансформаторов, разном количестве витков трансформаторов.и одинаковом подключении линии 3 передачи электрической энергии к контактным выводам 1.2, 2.2 трансформаторов. В частности, на фиг. 22-24 линия 3 передачи электрической энергии подключена к контактным выводам 1.2.1 и 2.2.1. Кроме того, на фиг. 22 обмотка трансформатора 1 содержит четыре контактных вывода 1.2, к которым относятся контактные выводы 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3 и 1.2.4, и обмотка трансформатора 2 содержит четыре контактных вывода 2.2, к которым относятся контактные выводы 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3 и 2.2.4; на фиг. 23 обмотка трансформатора 1 содержит пять контактных выводов 1.2, к которым относятся контактные выводы 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3, 1.2.4 и 1.2.5, и обмотка трансформатора 2 содержит пять контактных выводов 2.2, к которым относятся контактные выводы 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4 и 2.2.5; а на фиг. 24 обмотка трансформатора 1 содержит шесть контактных выводов 1.2, к которым относятся контактные выводы 1.2.1, 1.2.2, 1.2.3, 1.2.4, 1.2.5 и 1.2.6, и обмотка трансформатора 2 содержит шесть контактных выводов 2.2, к которым относятся контактные выводы 2.2.1, 2.2.2, 2.2.3, 2.2.4, 2.2.5 и 2.2.6. Результаты тестирования рабочих или технических характеристик схем, показанных на фиг. 22-24, приведены в таблице 3, при этом для тестирования использованы уединенные конденсаторы 12, 13, емкости (С1), (С2) которых составляют по 150 пФ.
Результаты испытаний схем по фиг. 5-24, приведенные выше в таблицах 1-3, подтверждают выводы авторов о том, что предложенная система для передачи электроэнергии согласно любому из вариантов реализации настоящего технического решения, описанных в данном документе, обеспечивает возможность более точной и гибкой настройки частоты и режимов работы системы и, следовательно, обеспечивает возможность повышения эффективности передачи электрической энергии, в частности за счет снижения электрических потерь.
1. Система для передачи электроэнергии, содержащая:
передающий и принимающий четвертьволновые резонансные трансформаторы, четвертьволновая обмотка каждого из которых снабжена контактными выводами,
источник электрической энергии, соединенный с катушкой связи, выполненной с возможностью установления магнитоиндукционной связи с четвертьволновой обмоткой передающего трансформатора, с обеспечением возможности возбуждения резонансных колебаний в четвертьволновой обмотке передающего трансформатора,
приемник электрической энергии, соединенный с катушкой связи, выполненной с возможностью установления магнитоиндукционной связи с четвертьволновой обмоткой принимающего трансформатора, с обеспечением возможности приема электрической энергии от четвертьволновой обмотки принимающего трансформатора,
линию передачи электрической энергии, соединяющую между собой низкопотенциальные части четвертьволновых обмоток указанных принимающего и передающего трансформаторов для передачи между ними электрической энергии с обеспечением возможности возбуждения резонансных колебаний в четвертьволновой обмотке принимающего трансформатора, при этом
к высокопотенциальному выводу каждого из указанных четвертьволновых трансформаторов присоединен скользящий контакт, выполненный с возможностью перемещения по четвертьволновой обмотке четвертьволнового трансформатора с обеспечением возможности подключения к одному из ее контактных выводов.
2. Система по п. 1, в которой источник электрической энергии представляет собой источник переменного тока, а приемник электрической энергии представляет собой приемник постоянного тока, при этом указанный приемник соединен с катушкой связи на стороне принимающего четвертьволнового трансформатора посредством преобразователя переменного тока в постоянный ток.
3. Система по п. 1, в которой источник электрической энергии представляет собой источник постоянного тока, а приемник электрической энергии представляет собой приемник переменного тока, при этом указанный источник соединен с катушкой связи на стороне передающего четвертьволнового трансформатора посредством преобразователя постоянного тока в переменный ток.
4. Система по п. 1, в которой источник электрической энергии представляет собой источник постоянного тока, а приемник электрической энергии представляет собой приемник постоянного тока, при этом указанный источник соединен с катушкой связи на стороне передающего четвертьволнового трансформатора посредством преобразователя постоянного тока в переменный ток, а указанный приемник соединен с катушкой связи на стороне принимающего четвертьволнового трансформатора посредством преобразователя переменного тока в постоянный ток.
5. Система по любому из пп. 1-4, в которой катушка связи на стороне передающего четвертьволнового трансформатора имеет отводы для соединения с источником электрической энергии и снабжена бегунком, выполненным с возможностью перемещения по виткам указанной катушки связи с обеспечением возможности подключения к одному из указанных отводов.
6. Система по любому из пп. 1-5, в которой катушка связи на стороне принимающего четвертьволнового трансформатора имеет отводы для соединения с приемником электрической энергии и снабжена бегунком, выполненным с возможностью перемещения по виткам указанной катушки связи с обеспечением возможности подключения к одному из указанных отводов.
7. Система по любому из пп. 1-6, в которой к низкопотенциальному выводу в каждом из указанных четвертьволновых трансформаторов посредством заземленного конденсатора присоединен дополнительный скользящий контакт, выполненный с возможностью перемещения по виткам низкопотенциальной части четвертьволновой обмотки трансформатора.
8. Система по любому из пп. 1-7, в которой для соединения высокопотенциального вывода каждого из указанных передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов с соответствующим одним из скользящих контактов использован соответствующий конденсатор с заданной емкостью.
9. Система по любому из пп. 1-7, в которой для соединения высокопотенциального вывода каждого из указанных передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов с соответствующим одним из скользящих контактов использован соответствующий конденсатор с переменной емкостью.
10. Система по любому из пп. 1-9, в которой высокопотенциальный вывод в каждом из указанных передающего и принимающего четвертьволновых трансформаторов дополнительно соединен с уединенным конденсатором.
11. Система по любому из пп. 1-10, в которой каждый из указанных передающего и принимающего трансформаторов представляет собой четвертьволновой резонансный трансформатор Тесла.
