1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Д.С.Стребков, А.И.Некрасов — Резонансные методы передачи электрической энергии

Скачать книгу Стребков Д.С., Некрасов А.И. — Резонансные методы передачи и применения электрической энергии

Автор: Стребков Д. С., Некрасов А. И.
Название: Резонансные методы передачи и применения электрической энергии
Год издания: 2008
Издательство: М.: ГНУ ВИЭСХ
ISBN: 978-5-85941-134-4
Страниц: 352
Формат: DJVU
Размер: 5,8 Мб (+3%)

Рассмотрены методы и аппаратура резонансной системы передачи электроэнергии и электрические схемы для питания различных типов потребителей. Приведены схемы электроснабжения стационарных потребителей и мобильных электротранспортных средств. Дано обоснование и приведены примеры передачи электрической энергии по электропроводящим каналам, созданным электронными пучками, лазерным и микроволновым излучением. Рассмотрены схемы питания нагрузки по резонансной волноводной линии.
Представлены материалы по реализации электротехнологий, осуществляемых на основе резонансного метода питания различных электротехнологических установок. Дано описание устройства экспериментальных образцов электрокоагулятора, сельскохозяйственных электротехнологических установок, устройств для обработки поверхностей материалов и результаты проведённых экспериментов.
Представлены результаты исследований макетных и экспериментальных образцов установок и оборудования с питанием по резонансной схеме преобразования и передачи энергии для электроснабжения стационарных и мобильных электропотребителей. Приводятся результаты испытаний макетных образцов с питанием по тонким проводам и неметаллическим проводящим средам.
Во второе издание включены новые результаты исследовании резонансных методов передачи и использования электрической энергии, полученные в ВИЭСХе в 2003-2006 годах.
В третье издание включены новые разработки авторов по резонансным элекгротехнологиям получения солнечного кремния и производства биотоплива. Рассмотрены усовершенствованные конструкции резонансных трансформаторов и методы их регулирования с помощью сильноточных высоковольтных коммутаторов тока.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических работников, аспирантов и студентов, занимающихся разработкой новых энергосберегающих энерготехнологий передачи и применения электрической энергии.
Издается по рекомендации Ученого Совета ГНУ ВИЭСХ.

Об авторе: Стребков Дмитрий Семёнович — академик РАСХН, академик РАЕН, действительный член МСА, доктор технических наук, профессор, директор Всероссийского НИИ электрификации сельского хозяйства, заведующий кафедрой ЮНЕСКО «Возобновляемая энергетика и сельская электрификация», заслуженный деятель науки РФ.

Рецензенты:
Член-корреспондент РАН, доктор технических наук, профессор, советник РАН Н.С. Лидоренко.
Доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института электрификации сельского хозяйства И.И. Свентщкий.

Ссылки для ознакомления:

«Информационные Ресурсы России» №3, 2011

Исследование резонансной системы передачи электрической энергии

Важнейшей задачей электроснабжения потребителей, удалённых от генерирующих станций и электрических систем, является создание экономичных, высокоэффективных, надёжных линий электропередач.

Концепция развития электрических сетей до 2020 года предусматривает применение на воздушных линиях напряжением 0,4 кВ самонесущих изолированных проводов (СИП) с одинаковым сечением по магистрали не ниже 70 мм2 (по алюминию) [1]. Для увеличения потребляемой мощности необходимо демонтировать старые и на их месте спроектировать и смонтировать более мощные электрические сети. Проектирование новых, демонтаж и строительство линий электропередач требует инвестиций в размере более 1 млн руб. за 1 км.

Наряду с существующими, традиционными способами передачи электрической энергии на постоянном и переменном токе предлагается резонансный метод передачи электрической энергии по однопроводниковой кабельной линии на повышенной частоте. В конце 19 века Н. Тесла разработал и предложил передавать электроэнергию по одному проводу в резонансном режиме, однако в его время еще не было электронных преобразующих устройств, таких как: диоды, тиристоры, транзисторы, микросхемы, поэтому этот способ передачи электроэнергии не нашел применения вплоть до наших дней.

С 1992 г. в ГНУ ВИЭСХ ведутся разработки по резонансной системе передачи электрической энергии по однопроводниковой кабельной или воздушной линиям на повышенной частоте. Разработанные схемы представлены рис. 1-4 [2, 3].

Рис. 3. Схема передачи электрической энергии с использованием импульсного преобразователя постоянного тока: 1 – генератор повышенной частоты; 2 – резонансный контур повышающего трансформатора; 3 – однопроводниковая линия; 4 – преобразовательный мост; 8 – нагрузка; 9 – конденсатор выпрямителя; 11 – естественная ёмкость; 13 – высокочастотный диоды; 14 – разрядник; 15 – дополнительное сопротивление; 16 – разрядный диод; 17 – дроссель; 18 – конденсатор.

Конкуренция между системами передачи электрической энергии на постоянном и переменном токе продолжается до настоящего времени, однако всё это происходит в рамках классических двух-трёхпроводных замкнутых линий электропередач. Мы показали экспериментально, что однопроводниковая линия с высокочастотным резонансным трансформатором Тесла в начале линии может передавать электрическую энергию на любой, в том числе и на нулевой частоте, т.е. на выпрямленном токе. Однопроводниковые резонансные системы открывают возможности для создания сверхдальних кабельных линий электропередач и, в перспективе, замены существующих воздушных линий на кабельные однопроводниковые линии. Тем самым будет решена одна из важнейших проблем электрификации – повышение надежности электроснабжения.

Читать еще:  Ниша под телевизор и камин из гипсокартона DIY

Рис. 4. Электрическая схема (а) и распределение токов и напряжений (б) в четвертьволновой однопроводниковой резонансной линии, разомкнутой со стороны нагрузки (или с нагрузкой в виде ёмкости): Г – генератор; С0 – ёмкость резонансного контура; D1 и D2 – диодный блок; С – ёмкость нагрузки; S – электронный ключ; R0 – сопротивление нагрузки

На рис. 4 показана электрическая схема и распределение токов и напряжений в однопроводниковой резонансной линии, разомкнутой со стороны нагрузки или с нагрузкой в виде ёмкости.
Разомкнутая линия длиной , n = 0, 1, 2, 3… имеет у зажимов генератора пучность тока и узел напряжения, а при длине пучность напряжения и узел тока. В обоих случаях линия эквивалентна резонансному колебательному контуру.

На рис. 5 представлено распределение волн тока и напряжения в однопроводникой линии, замкнутой на землю с обоих концов. Классический инженер-электрик, посмотрев на электрическую схему на рис. 1, 4 и 5, скажет, что это замкнутая двухпроводная линия электропередачи с использованием земли в качестве второго провода и активного тока проводимости в замкнутой цепи. Правильное объяснение даст радиоинженер: это обычная волноводная линия со сдвигом фаз между током и напряжением 90°, установленная на заземленных металлических опорах, присоединенных к линии в точках с узлами напряжения. Заземление линии в точках с узлами напряжения не изменяет параметры волноводной линии и не сказывается на величине передаваемой мощности.

Рис. 5. Распределение токов и напряжений в однопроводниковой линии, замкнутой с двух сторон на землю: а – электрическая схема (Г – высокочастотный генератор; Rн – сопротивление нагрузки; С0 – ёмкость резонансного контура); б – распределение стоячих волн тока и напряжения вдоль однопроводниковой линии; в – распределение токов и напряжений в полуволновой однопроводниковой линии.

Рис. 6. Стоячие волны. Распределение волн: а – напряжения; б – тока в однопроводниковой линии в различные моменты времени

Стоячие волны в разомкнутой однопроводниковой линии (рис. 6) получаются в результате сложения падающей и отраженной волн, имеющих одинаковую амплитуду. Фаза напряжения и тока во всех сечениях линии одинакова, а между током и напряжением существует сдвиг по фазе на 90° во времени и в пространстве. Поэтому, когда во всей линии напряжение максимально, ток равен нулю и наоборот. Пространственный сдвиг выражается в том, что в сечениях линии с пучностями напряжения наблюдаются узлы тока, а при узлах напряжения наблюдаются пучности тока. Фаза во всех сечениях линии одинакова. Это значит, что во всей линии напряжение равно нулю или достигает максимума в один и тот же момент времени, но эти максимумы для разных сечений различны, поскольку амплитуда колебаний вдоль линии изменяется. То же самое происходит с волнами тока. Средняя мощность, отдаваемая генератором в разомкнутую однопроводниковую линию без потерь или в линию, замкнутую на реактивное сопротивление, равна нулю.

Если линия работает в режиме стоячих волн, то ее входное сопротивление имеет реактивный характер. Если в линии имеются потери, то некоторая бегущая волна от генератора компенсирует эти потери. При наличии бегущих и стоячих волн в линии ее входное сопротивление содержит активную и реактивную составляющие.

Стационарные или стоячие волны на рис. 6 являются для инженера-электрика явлением, не имеющим реального физического содержания, поскольку длина линий электропередач обычно не превышает 1000 км, а длина волны тока и напряжения при 50 Гц составляет 6000 км. Полуволновая линия (рис. 5) длиной 1000 км может быть получена при частоте 150 Гц, и даже в двух-трёх проводном классическом исполнении такая линия будет передавать значительно большую мощность, чем при частоте 50 Гц. Однако классические линии электропередач проявляют резонансные свойства только в аварийном режиме (например, при обрыве линии у потребителя).

Преимущества резонансной однопроводниковой системы передачи электрической энергии:
— возможность создания сверхдальних кабельных линий электропередач;
— возможность передавать электроэнергию на такие объекты, на которые нецелесообразно по техническим и экономическим причинам передавать существующими способами на постоянном или переменном токе;
— объекты, куда необходимо скрытно подать электроэнергию: тундра, где опоры ЛЭП либо тонут, либо всплывают; прииски в тайге, старательные артели, хутора, куда воздушные линии прокладывать нерентабельно; болотистые места, горы, где освоение полезных ископаемых затруднено в связи с отсутствием электричества и т.д.
— классические линии электропередач проявляют резонансные свойства в аварийном режиме, (например, при обрыве линии у потребителя), что приводит к перенапряжению и разрушению изоляторов, а при обрыве резонансной однопроводниковой линии резко меняется частота и линия отключается;
— в связи с малой собственной ёмкостью линии передача электрической энергии осуществляется по однопроводниковому высоковольтному кабелю без использования линейных реакторов;
— экономия электроэнергии при передаче;
— резонансная система позволяет представлять потребителю высококачественную электроэнергию и разделять частоты генератора и потребителя, благодаря вставке постоянного тока на входе и в конце линии;
— автоматика резонансной системы выполняет функции защиты от перенапряжения, короткого замыкания, провалов или скачков тока и напряжения при резких изменениях нагрузки;
— существенное снижение массогабаритных размеров электрооборудования благодаря использованию повышенной частоты;
— экономия проводниковых материалов, снижение стоимости монтажа;
— уменьшение расходов на техническое обслуживание, отсутствие коротких замыканий в однопроводниковой линии, безопасность при обрыве линии;
— более высокая надёжность в условиях террористических актов и стихийных бедствий (гололёд, снегопад, наводнение, сильный ветер, удары молнии);
— кабельная резонансная линия пожаробезопасна, ей не нужна автоматика защиты от замыкания и перенапряжения между жилами;
— при прокладке кабельной линии в земле не нужно отводить земли под ЛЭП и изменять ландшафт местности;
— экологическая безопасность, не нарушает природу и среду обитания;
— резонансная система передачи электроэнергии – это конечный продукт, за который потребитель сразу начнет платить по счетчику;
— резонансная система идеально подходит для питания светодиодов или ламп на светодиодах;
— возможность передачи электроэнергии по однопроводниковой линии на воздушные шары, в колодцы для питания погружных насосов;
— возможность электропитания по тонкому однопроводниковому кабелю электробуров бурильных установок.
— возможна передача электроэнергии по однопроводниковой линии на электропланер для осуществления его взлета;
— возможность использования продукции на экспорт.

Читать еще:  Суперпростая подставка для планшета из контейнера для дисков

Выводы
1. Разработан резонансный метод передачи электрической энергии на частоте 1…100 кГц с использованием преобразователя частоты, резонансного контура, повышающего высокочастотного трансформатора и волноводной однопроводниковой линии напряжением 1-110 кВ.
2. Разработаны электрические схемы двух типов резонансных систем: с двумя высокочастотными трансформаторами и с высокочастотным трансформатором на входе резонансных систем и диодно-конденсаторным блоком на конце линии у потребителя. Преимущества первого типа резонансной системы заключаются в возможности использования высокого напряжения в линии и низкого напряжения на нагрузке. Преимущества второго типа резонансной системы заключаются в простоте настройки и эксплуатации в связи с отсутствием резонансного контура на выходе резонансной системы, однако для второго типа резонансной системы требуется высоковольтный инвертор.
3. С использованием разработанной методики расчёта резонансной системы электроснабжения определены параметры передающего и приёмного резонансных контуров с высокочастотными трансформаторами и однопроводниковой линии. Разработан метод настройки двух контурной резонансной системы электроснабжения с учётом взаимной индукции обмоток высокочастотных трансформаторов. Измерения параметров изготовленных контуров подтвердили соответствие с расчётными данными. Показано, что расчётные потери на излучение при частоте 1 кГц не превышают 8,6% передаваемой мощности при длине линии до 9000 км.
4. Разработаны и изготовлены резонансные высокочастотные трансформаторы электрической мощностью 25 кВт, напряжением 10 кВ, с резонансной частотой 1…25 кГц, которые характеризуются почти в 2 раза меньшими затратами материалов по сравнению с трёхфазными трансформаторами 50 Гц той же мощности.
5. Результаты исследований показали, что разработанные комплекты оборудования позволяют передавать электрическую мощность 20,5 кВт при напряжении на линии 10 кВ и частоте 3,4 кГц. Экспериментально подтверждено свойство однопроводниковой линии передавать электрическую энергию без существенных джоулевых потерь на сопротивлении линии. Предельная электрическая плотность тока и предельная удельная электрическая мощность на 1 мм2 площади сечения проводника линии резонансной системы превышают параметры линий переменного и постоянного тока.
6. Экспериментально установлено, что свободные концы высоковольтных обмоток трансформаторов имеют нулевой потенциал по отношению к Земле и их соединение с Землёй не изменяет резонансные характеристики линии и её электрических параметры. Однопроводниковая резонансная система ведёт себя как волновод, в котором заземление участков с узлами волны напряжения не влияет на распределение потенциалов и токов и параметров нагрузки. Добротность резонансной системы при частоте 5 кГц в десятки раз выше, чем при частоте 50 Гц, что в условиях резонанса приводит к значительному увеличению напряжения и передаваемой мощности вдоль проводящего канала.
7. Рассмотрены основные области применения резонансной системы:
— электроснабжение сельскохозяйственных потребителей с помощью воздушных и кабельных однопроводниковых линий, передача электрической энергии на мобильные объекты;
— экспериментально подтверждена возможность передачи электрической энергии от солнечной батареи мощностью 100 Вт в резонансном режиме по однопроводной линии.
8. Расчеты экономической эффективности показывают быструю окупаемость инвестиций и выгодность для всех потенциальных участников, как для создателей данной технологии, для инвесторов и кредиторов, так и для сетевых компаний.

Читать еще:  Глушитель теле-радиосигналов

Литература:
1. Энергетическая стратегия сельского хозяйства России на период до 2020 года. М.: ВИЭСХ, 2009. – 36 с.
2. Стребков Д.С., Некрасов А.И. Резонансные методы передачи электрической энергии. Изд. 3-е. – М.: ВИЭСХ, 2008. – 350 с.
3. Юферев Л.Ю., Стребков Д.С., Рощин О.А. Экспериментальные модели резонансных систем электрической энергии – М.: ВИЭСХ, 2010. – 208 с.

РЕЗОНАНСНЫЕ МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ И ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

В предыдущих главах доказывалось, что для передачи электроэнергии от источника к приемнику нужны минимум два провода, по одному из которых ток течет от источника питания к нагрузке, по другому — от нагрузки возвращается к источнику. При этом сеть или электрическая цепь, замещающая ее, должна быть замкнутой. Если же она разомкнута, то передачи электроэнергии от источника к приемнику не будет. Все это является истиной, доказанной на практике и повторенной многократно в течение 150 лет развития классической электротехники.

Однако в радиотехнике есть другой способ передачи электромагнитных волн (с электроэнергией и информацией) от излучающих антенн к приемным вдоль однопроводниковых волноводов 1 или фидерных линий [1] [2] , что являются классическими примерами однопроводниковых линий энергопередачи. В таких линиях существуют бегущие, стоячие и смешанные волны напряжения и тока, о которых говорилось в гл. 11, а цепь замыкается токами смещения в пространстве, окружающем линию.

При высокой частоте электрическая катушка из классической индуктивности, вносящей «инерционность» в цепи, превращается, в различных вариантах использования, в специальный волновод или электрический резонатор [3] .

Показать возможность переноса указанных приемов, использующихся в радиотехнике, в электротехнику для передачи электроэнергии в резонансном режиме по одному проводу от источника к приемнику — задача настоящей главы.

Идею решения такой задачи, точнее, постановку задачи и ее решение впервые предложил Н. Тесла [4] и осуществил ее более 100 лет назад:

«В 1893 г. я показал, что нет необходимости использовать два провода для передачи электрической энергии. Передача энергии через одиночный проводник без возврата была обоснована практически. Возможно далее обойтись без одиночного проводника. И земля может быть использована для передачи энергии от проводника к приемнику». В этой выдержке из Тесла масса пионерских идей, которые расширены и успешно реализуются во Всероссийском научно-исследовательском институте электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ) под руководством академика Д. С. Стребкова.

В ВИЭСХе разработаны теория систем однопроводной электропередачи, множество электрических схем, лабораторных и производственных установок их практической реализации с различными вариантами исполнения элементов систем. Они изложены во многих статьях, авторских свидетельствах, патентах и книгах.

Ниже излагается принципиальная сторона системы однопроводной электропередачи кратко и качественно с использованием лишь характерных схем и элементов устройств. Этого, по нашему мнению, достаточно для привлечения внимания любознательных студентов, аспирантов, инженеров и исследователей к пионерской и прорывной идее Н. Тесла, внесенной им в традиционную электроэнергетику.

  • [1] Волновод — искусственный или естественный направляющий канал, в котором можетраспространяться электромагнитная волна. При этом поток мощности, переносимый волной,сосредоточен внутри этого канала или в области пространства, непосредственно примыкающей к каналу.
  • [2] Фидерная линия — проводниковая линия, которая служит для передачи с наименьшимипотерями электромагнитных волн от передатчика к антенне или от антенны к приемнику.
  • [3] Резонатор — колебательная система, в которой происходит накопление энергии колебаний за счет резонанса с вынуждающей силой.
  • [4] Считается, что Н. Тесла открыл переменный ток, флуоресцентный свет, беспроводнуюпередачу энергии, построил первые электрические часы, турбину, двигатель на солнечнойэнергии. Он изобрел радио раньше Г. Маркони и А. С. Попова, получил трехфазный токраньше М. О. Доливо-Добровольского.
Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector