Стенд для исследования резонансной системы передачи электрической энергии

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".

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.).

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.

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена общая электрическая схема стенда для исследования резонансной низкопотенциальной системы передачи электрической энергии.

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.

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.

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.

Величины потенциалов U_B1 и U_B2 высоковольтных выводов 22 и 24 резонансных четвертьволновых обмоток 7 и 12 резонансных трансформаторов 6 и 13, а также потенциалы U_H1 и U_H2 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 I_Л1 на входе в линию передачи 9 и I_Л2 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.

Стенд для исследования низкопотенциальной резонансной системы передачи электрической энергии работает следующим образом.

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:

где: f₀₁ - резонансная частота питающего низковольтного контура из конденсатора 3 и обмотки 5, Гц;

L - индуктивность низковольтной обмотки накачки 5 резонансного трансформатора 6, Гн;

С - электрическая емкость конденсатора 3 низковольтного резонансного контура накачки из конденсатора 3 и обмотки 5, Ф;

Обмотка 5 возбуждает четвертьволновую резонансную высоковольтную обмотку 7 трансформатора 6 на ее резонансной частоте f₀₂,

где: f₀₂ - резонансная частота четвертьволновой обмотки 7 трансформатора 6;

L₀ - погонная (распределенная) индуктивность четвертьволновой обмотки 7, Гн/м;

С₀ - погонная (распределенная) емкость четвертьволновой обмотки 7 на землю, Ф/м;

b - длина резонансной четвертьволновой обмотки 7, м.

Резонансная частота f₀₂ равна f₀₁.

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.

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 U_B2, а на низкопотенциальном выводе 23 размещается узел потенциала U_H2. 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.

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:

где: f₀₄ - резонансная частота контура из конденсатора 18 и обмотки 15, Гц;

L - индуктивность обмотки 15 резонансного трансформатора 13, Гн;

С - электрическая емкость конденсатора 18 резонансного контура из конденсатора 18 и обмотки 15, Ф;

Резонансная частота f₀₄ должна быть равна f₀₂.

Резонансная частота четвертьволновой обмотки 12 равна f₀₃.

где: f₀₃ - резонансная частота четвертьволновой обмотки 12 трансформатора 13 Гц;

L₀ - погонная (распределенная) индуктивность четвертьволновой обмотки 12, Гн/м;

С₀ - погонная (распределенная) емкость четвертьволновой обмотки 12 на землю, Ф/м;

b - длина резонансной четвертьволновой обмотки 12, м.

Таким образом, все резонансные частоты оказываются равными между собой f₀₁=f₀₂=f₀₃=f₀₄.

Питающий генератор повышенной и перестраиваемый частоты 2 настраивается на резонансную частоту системы передачи f_Г,

f_Г=f₀,

где: f_Г - частота тока на выходе 2, Гц;

f₀ - резонансная частота низкопотенциальной системы передачи электрической энергии, Гц;

f₀=f₀₁=f₀₂=f₀₃=f₀₄.

Измерительный комплекс 10 на передающем модуле, а также измерительный комплекс 20 на принимающем модуле по результатам замеров U_BX, I_BX из 4, U_B1, U_H1 по замерам на обмотке 7, тока в начале линии передачи I_Л1 с помощью 8, U_ВЫХ, I_ВЫХ из 17, U_B2, U_H2 по замерам на обмотке 12, тока в конце линии передачи 1_Л2 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.

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.

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 D_K=140 мм. Высота каркасов h_K=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 D_H=155 мм. Число витков 9. Диаметр провода низковольтных обмоток d_H=5,0 мм.

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 d_Л=1,0 мм. Изоляция проводника линии - полиэтилен.

Резонансные частоты однослойных обмоток трансформаторов Тесла:

f₀=190 кГц.

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 f_H=f₀=190 кГц. Генератор переменного тока повышенной частоты обеспечивает питание на частоте f_Г=190 кГц с возможностью подстройки частоты. Генератор питается от сети переменного тока 220 В, 50 Гц.

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 f_С=190 кГц.

Нагрузка активная, обеспечивающая работу с мощностью до 100 Ватт.

Расчетная индуктивность резонансной однослойной катушки:

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 ) равен К=0,937. При этом с учетом К(Ψ) расчетная индуктивность резонансной катушки составит:

Реальная индуктивность изготовленной катушки составила:

Соответственно, погонная индуктивность резонансной катушки трансформатора Н. Тесла равнялась:

Скорость перемещения электромагнитного возмущения вдоль резонансной катушки

Здесь: V₀ скорость фронта волны м/с,

T₀= период собственного резонансного колебания.

Таким образом:

С другой стороны, скорость V₀ связана с параметрами обмотки следующим образом:

Где: С₀ - распределенная емкость резонансной катушки на землю, Ф.

По V₀ и L₀ можно определить С₀:

Через L₀ и Со вычисляется характеристическое сопротивление Z_c:

Угловая скорость ω₀ определяется по выражению:

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).

С помощью стенда для резонансной низкопотенциальной полуволновой передачи электрической энергии на нагрузку R_H=74 Ом на частоте 190 кГц передана электрическая энергия мощностью 96 Вт при коэффициенте полезного действия 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.