способ и устройство для передачи электрической энергии (варианты)

Формула изобретения

1. Способ передачи электрической энергии, включающий преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по однопроводниковой высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и по частоте у потребителя, отличающийся тем, что электрическую энергию генератора повышают по напряжению в высоковольтном трансформаторе до 1-1000 кВ на частоте генератора и подают на управляемый быстродействующий коммутатор тока и на последовательный резонансный контур из емкости и индуктивности, образующей первичную обмотку высокочастотного высоковольтного трансформатора, заряжают емкость резонансного контура до напряжения 1-1000 кВ, разряжают емкость в резонансном режиме на частоте 0,4-1000 кГц, через индуктивность и быстродействующий коммутатор тока за время 10-1000 мкс при величине тока 1-500 кА накапливают энергию генератора в магнитном поле высокочастотного трансформатора, разрывают цепь коммутатора тока и первичной обмотки и преобразуют накопленную энергию магнитного поля в электрическую энергию во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, повышают электрическую энергию по напряжению до 10-100000 кВ и передают ее в резонансном режиме по однопроводниковой линии на частоте 0,4-1000 кГц.

2. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что в качестве быстродействующего коммутатора тока используют управляемый газовый разрядник.

3. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что в качестве быстродействующего коммутатора тока используют управляемые полупроводниковые ключи.

4. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что электрическую энергию передают по однопроводниковому высоковольтному кабелю с сечением многожильного провода 0,1-100 мм² на расстояние 1 км - 40000 км в режиме стоячих волн тока и напряжения в кабеле.

5. Способ передачи электрической энергии по п.1, отличающийся тем, что электрическую энергию передают по однопроводниковому проводящему каналу с концентрацией заряженных частиц 10¹²-10¹⁸ см^-3, образованному излучением лазера, микроволновым излучением или релятивистским пучком электронов сверхвысоких энергий.

6. Способ передачи электрической энергии, включающий преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по однопроводниковой высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и по частоте у потребителя, отличающийся тем, что электрическую энергию трехфазного генератора повышают по напряжению в трехфазном трансформаторе до 1-1000 кВ по каждой фазе на частоте генератора и подают на три управляемых быстродействующих коммутатора тока, каждый из которых соединяют к одному из трех последовательных резонансных контуров из емкости и индуктивности, образующей одну из трех первичных обмоток высокочастотного высоковольтного трансформатора с общей для всех фаз одной вторичной обмоткой, поочередно заряжают емкости трех резонансных контуров до напряжения 1-1000 кВ с задержкой по времени между коммутаторами тока, где Т - период колебаний электрической энергии генератора, разряжают поочередно емкость каждого из резонансных контуров в резонансном режиме на частоте 0,4-1000 кГц при прохождении через каждую из трех индуктивностей полуволны напряжения трехфазного тока с помощью быстродействующего управляемого коммутатора тока за время 10-1000 мкс при величине тока 1-500 кА с задержкой по времени между коммутаторами тока, где Т - период колебаний электрической энергии генератора, накапливают энергию генератора в магнитном поле высокочастотного трансформатора, разрывают поочередно цепь каждого из трех управляемых коммутаторов тока с задержкой по времени , где Т - период колебаний электрической энергии генератора, преобразуют накопленную энергию магнитного поля в электрическую энергию в общей для всех трех фаз вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, повышают электрическую энергию по напряжению до 10-100000 кВ и передают ее в резонансном режиме через однопроводниковую высоковольтную линию потребителю.

7. Способ передачи электрической энергии по п.6, отличающийся тем, что в качестве быстродействующего коммутатора тока используют управляемый газовый разрядник.

8. Способ передачи электрической энергии по п.6, отличающийся тем, что в качестве быстродействующего коммутатора тока используют управляемые полупроводниковые ключи.

9. Способ передачи электрической энергии по п.6, отличающийся тем, что электрическую энергию передают по однопроводниковому высоковольтному кабелю с сечением многожильного провода 0,1-100 мм на расстояние 1 км - 40000 км в режиме стоячих волн тока и напряжения в кабеле.

10. Способ передачи электрической энергии по п.6, отличающийся тем, что электрическую энергию передают по однопроводниковому проводящему каналу с концентрацией заряженных частиц 10 ¹²-10¹⁸ см^-3 , образованному излучением лазера, микроволновым излучением или релятивистским пучком электронов сверхвысоких энергий.

11. Способ передачи электрической энергии, включающий преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по однопроводниковой высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у потребителя, отличающийся тем, что электрическую энергию трехфазного генератора повышают по напряжению в трехфазном трансформаторе до 1-1000 кВ на частоте генератора, регулируют по напряжению, выпрямляют и стабилизируют в зарядном электрическом аппарате и затем подают напряжение на управляемый быстродействующий коммутатор тока и на последовательный резонансный контур из емкости и индуктивности, образующей первичную обмотку высокочастотного высоковольтного трансформатора, заряжают емкость резонансного контура до напряжения 1-1000 кВ, разряжают емкость в резонансном режиме на частоте 0,4-1000 кГц, через индуктивность и быстродействующий коммутатор тока за время 10-1000 мкс при величине тока 1-500 кА накапливают энергию генератора в магнитном поле высокочастотного трансформатора, разрывают цепь коммутатора тока и первичной обмотки, преобразуют накопленную энергию магнитного поля в электрическую энергию во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, повышают электрическую энергию по напряжению до 10-100000 кВ и передают ее в резонансном режиме через однопроводниковую высоковольтную линию на частоте 0,4-1000 кГц потребителю.

12. Способ передачи электрической энергии по п.11, отличающийся тем, что в качестве быстродействующего коммутатора тока используют управляемый газовый разрядник.

13. Способ передачи электрической энергии по п.11, отличающийся тем, что в качестве быстродействующего коммутатора тока используют управляемые полупроводниковые ключи.

14. Способ передачи электрической энергии по п.11, отличающийся тем, что электрическую энергию передают по однопроводниковому высоковольтному кабелю с сечением многожильного провода 0,1-100 мм на расстояние 1 км - 40000 км в режиме стоячих волн тока и напряжения в кабеле.

15. Способ передачи электрической энергии по п.11, отличающийся тем, что электрическую энергию передают по однопроводниковому проводящему каналу с концентрацией заряженных частиц 10 ¹²-10¹⁸ см^-3 , образованному излучением лазера, микроволновым излучением или релятивистским пучком электронов сверхвысоких энергий.

16. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее генератор электрической энергии, преобразователь частоты, резонансный контур повышающего трансформатора, однопроводниковую высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, отличающееся тем, что устройство содержит повышающий трансформатор с выходным напряжением 1-1000 кВ, вход которого соединен с генератором и имеет с ним одинаковую частоту, а выход соединен параллельно к управляемому быстродействующему коммутатору тока с током коммутации 1-500 кА при длительности импульса тока 10-1000 мкс, а коммутатор тока соединен параллельно с последовательным резонансным контуром повышающего высокочастотного трансформатора с резонансной частотой 0,4-1000 кГц и напряжением в однопроводниковой линии 10-100000 кВ.

17. Устройство для передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что в качестве коммутатора тока используют газовый разрядник с блоком управления.

18. Устройство для передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что в качестве коммутатора тока используют полупроводниковые ключи с блоком управления.

19. Устройство для передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что в качестве однопроводниковой линии используют высоковольтный кабель с многожильным проводом сечением 0,1-100 мм² длиной 1-40000 км.

20. Устройство для передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что в качестве однопроводниковой линии используют проводящий канал с концентрацией заряженных частиц 10 ¹²-10¹⁸ см^-3 , сформированный лучом лазера, лучом микроволнового генератора или пучком релятивистских электронов сверхвысоких энергий.

21. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее генератор электрической энергии, преобразователь частоты, резонансный контур повышающего высокочастотного трансформатора, однопроводниковую высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, отличающееся тем, что генератор выполнен трехфазным и соединен с трехфазным высоковольтным трансформатором с выходным фазным напряжением 1-1000 кВ, а три выхода трехфазного трансформатора соединены параллельно с тремя быстродействующими коммутаторами тока с системой управления с током коммутации 1-500 кА при длительности импульсного тока коммутации 10-1000 мкс, каждый из трех коммутаторов тока соединен с одним из трех последовательных резонансных контуров повышающего высокочастотного трансформатора с резонансной частотой 0,4-1000 кГц, повышающий высокочастотный трансформатор имеет три низковольтные одинаковые обмотки, намотанные симметрично на одном каркасе относительно центра одной общей высоковольтной обмотки, а устройства управления коммутаторами тока имеют контроллеры для поочередного включения каждого из коммутаторов при прохождении через емкость и индуктивность данного резонансного контура полуволны напряжения трехфазного тока, с задержкой по времени между коммутаторами, где Т - период колебаний электрической энергии с частотой генератора, высоковольтная обмотка соединена с однопроводниковой высоковольтной линией и имеет резонансную частоту 0,4-1000 кГц при напряжении 10-100000 кВ.

22. Устройство для передачи электрической энергии по п.21, отличающееся тем, что в качестве коммутатора тока используют газовый разрядник с блоком управления.

23. Устройство для передачи электрической энергии по п.21, отличающееся тем, что в качестве коммутатора тока используют полупроводниковые ключи с блоком управления.

24. Устройство для передачи электрической энергии по п.21, отличающееся тем, что в качестве однопроводниковой линии используют высоковольтный кабель с многожильным проводом сечением 0,1-100 мм² и длиной 1-40000 км.

25. Устройство для передачи электрической энергии по п.21, отличающееся тем, что в качестве однопроводниковой линии используют проводящий канал с концентрацией заряженных частиц 10¹² -10¹⁸ см^-3, сформированный лучом лазера, лучом микроволнового генератора или пучком релятивистских электронов сверхвысоких энергий.

26. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее генератор, преобразователь частоты и резонансный контур повышающего высокочастотного трансформатора, однопроводниковую высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, отличающееся тем, что генератор выполнен трехфазным и соединен с трехфазным высоковольтным трансформатором, у которого три высоковольтные обмотки соединены с управляемым выпрямителем и стабилизированным зарядным аппаратом с напряжением на выходе 1-1000 кВ, выход выпрямителя соединен параллельно управляемому быстродействующему коммутатору тока с током коммутации 1-500 кА при длительности импульса тока 10-1000 мкс, а коммутатор тока соединен параллельно с последовательным резонансным контуром повышающего высокочастотного трансформатора, с резонансной частотой 0,4-1000 кГц и напряжением в однопроводниковой линии 10-100000 кВ.

27. Устройство для передачи электрической энергии по п.26, отличающееся тем, что в качестве коммутатора тока используют газовый разрядник с блоком управления.

28. Устройство для передачи электрической энергии по п.26, отличающееся тем, что в качестве коммутатора тока используют полупроводниковые ключи с блоком управления.

29. Устройство для передачи электрической энергии по п.26, отличающееся тем, что в качестве однопроводниковой линии используют высоковольтный кабель с многожильным проводом сечением 0,1-100 мм² длиной 1-40000 км.

30. Устройство для передачи электрической энергии по п.26, отличающееся тем, что в качестве однопроводниковой линии используют проводящий канал с концентрацией заряженных частиц 10 ¹²-10¹⁸ см^-3 , сформированный лучом лазера, лучом микроволнового генератора или пучком релятивистских электронов сверхвысоких энергий.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу и устройству для передачи электрической энергии.

Известен способ и устройство для передачи электроэнергии по замкнутой цепи, состоящей из двух или более проводов, трансформаторных подстанций и линий электропередач (Электропередачи переменного и постоянного тока. Электротехнический справочник. Энергоатомиздат. 1988. С.337-352).

Недостатком известного способа являются потери в линиях, составляющие от 5 до 20% в зависимости от длины ЛЭП, и высокая стоимость оборудования в расчете на 1 км линии электропередачи.

Известен способ и устройство питания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, отличающегося тем, что напряжение генератора подают на низковольтную обмотку высокочастотного трансформаторного преобразователя, а один из выводов высоковольтной обмотки соединяют с одной из входных клемм электротехнического устройства, при этом изменением частоты генератора добиваются установления резонансных колебаний в образованной электрической цепи.

Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован, а второй предназначен для подачи энергии потребителю (патент РФ №2108649, 1998, Авраменко С.В. Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления).

Известно устройство для преобразования и передачи электрической энергии по однопроводной линии на большое расстояние, разработанное Н.Тесла в 1897 году. Согласно изобретению Н.Тесла устройство состоит из двух трансформаторов, один для повышения, а другой для уменьшения потенциала тока, указанные трансформаторы имеют вывод обмотки с проводом большой длины, соединенный с линией, и другой вывод этой обмотки, примыкающий к обмотке из провода более короткой длины, соединен электрически с ней и с землей.

Повышающий трансформатор имеет первичную обмотку, соединенную с электрическим генератором повышенной частоты. Первичная обмотка намотана на вторичную высоковольтную обмотку, длина провода которой значительно больше длины первичной обмотки и приблизительно равна четверти длины волны электромагнитного поля в линии. В этом случае потенциал одного внутреннего вывода высоковольтной обмотки равен нулю, а потенциал другого наружного вывода будет максимальный. Внутренний конец высоковольтной вторичной обмотки соединен с линией передачи электрической энергии, а наружный конец вторичной обмотки и прилегающий вывод первичной обмотки в целях электробезопасности соединен с землей. Понижающий трансформатор выполнен аналогично. Выводы низковольтной обмотки соединены с электрической нагрузкой в виде ламп накаливания и электродвигателей. Однопроводная линия электропередач имеет длинные изоляторы на опорах для снижения потерь на утечку тока (Н.Тесла. Электрический трансформатор. Пат. США №593138 от 2.11.1897 г.).

Недостатком известного способа и устройства являются потери мощности из-за утечки тока на высокой частоте через изоляторы и окружающее пространство при наличии атмосферных осадков.

Недостатком всех известных способов и устройств передачи электрической энергии является то, что они не позволяют обеспечить высокоэффективную передачу энергии на большое расстояние, а также передавать без существенных потерь электроэнергию на транспортные средства и летательные аппараты.

Задачей изобретения является повышение эффективности передачи энергии, увеличение длины линий передач и возможность передачи электроэнергии на транспортные средства и летательные аппараты.

В результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность и снижаются потери при передаче электрической энергии стационарным и мобильным потребителям энергии.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе передачи электрической энергии, включающем преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по однопроводниковой высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и по частоте у потребителя, электрическую энергию генератора повышают по напряжению в высоковольтном трансформаторе до 1-1000 кВ и подают на управляемый быстродействующий коммутатор тока и на последовательный резонансный контур из емкости и индуктивности, образующей первичную обмотку высокочастотного высоковольтного трансформатора, заряжают емкость резонансного контура до напряжения 1-1000 кВ, разряжают емкость в резонансном режиме на частоте 0,4-1000 кГц, через индуктивность и быстродействующий прерыватель тока за время 10-1000 мкс при величине тока 1-500 кА накапливают энергию генератора в магнитном поле высокочастотного трансформатора, разрывают цепь коммутатора тока первичной обмотки и преобразуют накопленную энергию магнитного поля в электрическую энергию во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, повышают электрическую энергию по напряжению до 10-100000 кВ и передают ее в резонансном режиме потребителю.

В варианте способа передачи электрической энергии, включающем преобразование электрической энергии по напряжению и частоте у электрического генератора, передачу электрической энергии по однопроводниковой высоковольтной линии и преобразование электрической энергии по напряжению и по частоте у потребителя, электрическую энергию трехфазного генератора повышают по напряжению в трехфазном трансформаторе до 1-1000 кВ по каждой фазе и подают на три управляемых быстродействующих коммутатора тока, каждый из которых соединяют к одному из трех последовательных резонансных контуров из емкости и индуктивности, образующей одну из трех первичных обмоток высокочастотного высоковольтного трансформатора с общей для всех фаз одной вторичной обмоткой, поочередно заряжают емкости трех резонансных контуров до напряжения 1-1000 кВ с задержкой по времени между коммутаторами тока, где Т - период колебаний электрической энергии генератора, разряжают поочередно емкость каждого из резонансных контуров в резонансном режиме на частоте 0,4-1000 кГц через каждую из трех индуктивностей с помощью быстродействующего управляемого коммутатора тока за время 10-1000 мкс при величине тока 1-500 кА с задержкой по времени между коммутаторами тока, где Т - период колебаний электрической энергии генератора, накапливают энергию генератора в магнитном поле высокочастотного трансформатора, разрывают цепь каждого из трех управляемых прерывателей тока с задержкой по времени между коммутаторами тока, где T - период колебаний электрической энергии генератора, преобразуют накопленную энергию магнитного поля в электрическую энергию в общей для всех трех фаз вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, повышают электрическую энергию по напряжению до 10-100000 кВ и передают ее в резонансном режиме через однопроводниковую высоковольтную линию потребителю.

В варианте способа передачи электрической энергии электрическую энергию трехфазного генератора повышают по напряжению в трехфазном трансформаторе до 1-1000 кВ на частоте генератора, регулируют по напряжению, выпрямляют и стабилизируют в зарядном электрическом аппарате и затем подают напряжение на управляемый быстродействующий коммутатор тока и на последовательный резонансный контур из емкости и индуктивности, образующей первичную обмотку высокочастотного высоковольтного трансформатора, заряжают емкость резонансного контура до напряжения 1-1000 кВ, разряжают емкость в резонансном режиме на частоте 0,4-1000 кГц, через индуктивность и быстродействующий прерыватель тока за время 10-1000 мкс при величине тока 1-500 кА накапливают энергию генератора в магнитном поле высокочастотного трансформатора, разрывают цепь коммутатора тока и первичной обмотки, преобразуют накопленную энергию магнитного поля в электрическую энергию во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, повышают электрическую энергию по напряжению до 10-100000 кВ и передают ее в резонансном режиме через однопроводниковую высоковольтную линию на частоте 0,4-1000 кГц потребителю.

В варианте способа передачи электрической энергии в качестве быстродействующего коммутатора тока используют управляемый газовый разрядник.

В другом варианте способа передачи электрической энергии в качестве быстродействующего коммутатора тока используют управляемые полупроводниковые ключи.

Еще в одном варианте способа электрическую энергию передают по однопроводниковому высоковольтному кабелю с сечением многожильного провода 0,1-100 мм² на расстояние 1 - 40000 км в режиме стоячих волн тока и напряжения в кабеле.

В варианте способа передачи электрической энергии электрическую энергию передают по однопроводниковому проводящему каналу с концентрацией заряженных частиц 10¹² -10¹⁸ см^-3, образованному излучением лазера, микроволновым излучением или релятивистским пучком электронов сверхвысоких энергий.

В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем генератор электрической энергии, преобразователь частоты, резонансный контур повышающего трансформатора, однопроводниковую высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, устройство содержит повышающий трансформатор с выходным напряжением 1-1000 кВ, вход которого соединен с генератором и имеет с ним одинаковую частоту, а выход соединен параллельно к управляемому быстродействующему коммутатору тока с током коммутации 1-500 кА при длительности импульса тока 10-1000 мкс, а коммутатор тока соединен параллельно с последовательным резонансным контуром повышающего высокочастотного трансформатора с резонансной частотой 0,4-1000 кГц и напряжением в однопроводниковой линии 10-100000 кВ.

В варианте устройства для передачи электрической энергии, содержащем генератор электрической энергии, преобразователь частоты, резонансный контур повышающего высокочастотного трансформатора, однопроводниковую высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, генератор выполнен трехфазным и соединен с трехфазным высоковольтным трансформатором с выходным фазным напряжением 1-1000 кВ, а три выхода трехфазного трансформатора соединены параллельно с тремя быстродействующими коммутаторами тока с системой управления с током коммутации 1-500 кА при длительности импульсного тока коммутации 10-1000 мкс, каждый из трех коммутаторов тока соединен с одним из трех последовательных резонансных контуров повышающего высокочастотного трансформатора с резонансной частотой 0,4-1000 кГц, повышающий высокочастотный трансформатор имеет три низковольтные одинаковые обмотки, намотанные симметрично на одном каркасе относительно центра одной общей высоковольтной обмотки, а устройства управления коммутаторами тока имеют контроллеры для поочередного включения каждого из коммутаторов при прохождении через емкость и индуктивность данного резонансного контура волны напряжения трехфазного тока с задержкой по времени между коммутаторами тока, где Т - период колебаний электрической энергии с частотой генератора, высоковольтная обмотка соединена с однопроводниковой высоковольтной линией и имеет резонансную частоту 0,4-1000 кГц при напряжении 10-100000 кВ.

В варианте устройства для передачи электрической энергии, содержащем генератор, преобразователь частоты и резонансный контур повышающего трансформатора, однопроводниковую высоковольтную линию, резонансный контур понижающего трансформатора и нагрузку, генератор выполнен трехфазным и соединен с трехфазным высоковольтным трансформатором, у которого три высоковольтные обмотки соединены с управляемым выпрямителем и стабилизированным зарядным аппаратом с напряжением на выходе 1-1000 кВ, выход выпрямителя соединен параллельно управляемому быстродействующему коммутатору тока с током коммутации 1-500 кА при длительности импульса тока 10-1000 мкс, а коммутатор тока соединен параллельно с последовательным резонансным контуром повышающего высокочастотного трансформатора с резонансной частотой 0,4-1000 кГц и напряжением в однопроводниковой линии 10-100000 кВ.

В варианте устройства для передачи электрической энергии в качестве коммутатора тока используют газовый разрядник с блоком управления.

В другом варианте устройства для передачи электрической энергии в качестве коммутатора тока используют полупроводниковые ключи с блоком управления.

В варианте устройства для передачи электрической энергии в качестве однопроводниковой линии используют высоковольтный кабель с многожильными проводами сечением 0,1-100 мм ² длиной 1-40000 км.

В другом варианте устройства для передачи электрической энергии в качестве однопроводниковой линии используют проводящий канал с концентрацией заряженных частиц 10¹²-10¹⁸ см^-3, сформированный лучом лазера, пучком микроволнового генератора или пучком релятивистских электронов сверхвысоких энергий.

Способ и устройство для передачи электрической энергии иллюстрируются на фиг.1, 2, 3, 4.

На фиг.1 представлена блок-схема способа передачи электрической энергии.

На фиг.2 - электрическая схема устройства для передачи электрической энергии с использованием однофазного генератора электрической энергии.

На фиг.3 - электрическая схема устройства для передачи электрической энергии с использованием трехфазного генератора и трехфазного высокочастотного трансформатора.

На фиг.4 - электрическая схема устройства для передачи электрической энергии с использованием трехфазного генератора, управляемого выпрямителя и стабилизированного зарядного устройства и однофазного высокочастотного трансформатора.

На фиг.1 представлена блок-схема способа передачи электрической энергии, где 1 - генератор электрической энергии, 2 - высоковольтный трансформатор, 3 - быстродействующий сильноточный коммутатор с блоком управления 4, 5 - зарядная емкость С₀ последовательного резонансного контура 6, 7 - индуктивность L₀ резонансного контура, которая является первичной обмоткой 8 резонансного высокочастотного повышающего трансформатора 9, 10 - вторичная высоковольтная обмотка высокочастотного повышающего трансформатора 9, 11 - емкость резонансного контура вторичной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора 9, 12 - однопроводниковая высоковольтная линия, 13 - емкость резонансного контура высоковольтной обмотки 14 резонансного высокочастотного понижающего трансформатора 15, 16 - емкость резонансного контура низковольтной обмотки 17 понижающего высокочастотного трансформатора 15, 18 - инвертор, 19 - нагрузка.

Способ передачи электрической энергии реализуется следующим образом.

Электрическая энергия от генератора 1 поступает в высоковольтный трансформатор 2. Высокое напряжение с трансформатора 2 подают на коммутатор тока 3 и на последовательный резонансный контур 6, при этом происходит заряд конденсатора 5 с емкостью С₀. При увеличении напряжения на емкости С₀ блок управления 4 коммутатора 3 замыкает электроды коммутатора и емкость С₀ разряжается через коммутатор 3. Резонансные колебания с частотой создают в цепи последовательного резонансного контура 6. На индуктивности L₀ возникает напряжение V₀, которое превышает выходное напряжение высоковольтного трансформатора 2 в Q раз, где - добротность резонансного контура 6, a R ₀ - активное сопротивление контура 6.

Ток разряда конденсатора через коммутатор тока 3 и первичную обмотку 8 создает магнитное поле в резонансном трансформаторе 9. Когда энергия магнитного поля трансформатора 9 достигнет максимального значения, блок управления 4 коммутатора тока 3 разорвет цепь коммутатора 3. Так как первичная обмотка резонансного трансформатора 9 будет разомкнута, энергия магнитного поля резонансного трансформатора 9 выделится в виде энергии электрического поля в резонансном контуре высоковольтной обмотки 10 резонансного трансформатора 9. Напряжение на высоковольтной однопроводниковой линии 12, которая соединена с высокопотенциальным выводом высоковольтной обмотки 10 резонансного трансформатора 9, составит:

,

где V_Г - напряжение на генераторе;

- коэффициент трансформации высоковольтного трансформатора 2;

Q - добротность контура L₀C ₀;

- коэффициент трансформации резонансного трансформатора 9.

Принимая V_Г=400 В, , Q=50, , получим напряжение на однопроводниковой линии 12 V _Л=20 млн. В.

Электрическая энергия распределена в однопроводниковой линии 12 в виде стоячих волн тока и напряжения со сдвигом фаз между волнами тока и напряжения во времени и в пространстве. В сечении линии с пучностями напряжения возникают узлы тока, а при узлах напряжения наблюдаются пучности тока. Фаза напряжения 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. Когда во всей линии напряжение максимально, ток равен нулю и наоборот. При длине линии 12 с учетом высоковольтных обмоток 10 и 14 высокочастотных трансформаторов 9 и 15, кратной четверти длины волны, линия 12 является последовательным резонансным контуром, а при длине линии 12, кратной целому числу полуволн, линия ведет себя как параллельный резонансный контур. При работе в режиме стоячих волн вектор Умова-Пойнтинга через каждые четверть периода изменяет свое направление на противоположное. Это объясняется тем, что в однопроводниковой линии 12 имеется сдвиг фаз между напряженностями электрических и магнитных полей, вследствие чего каждые четверть периода из векторов электрического поля или магнитного поля изменяет свое направление на противоположное. Таким образом подтверждается, что на создание чисто стоячих волн генератор не затрачивает энергии (Г.Б.Белоцерковский. Антенны. Оборонгиз, М., 1962, с.34-41, 101). На конце однопроводниковой линии 12 возникают резонансные колебания с частотой f₀ в резонансных контурах высоковольтной 14 обмотки и низковольтной 17 обмотки понижающего трансформатора 15. Электрическая энергия из резонансных контуров поступает в инвертор 18 и в нагрузку 19. Высоковольтный трансформатор 2 служит для увеличения передаваемой мощности и длины однопроводниковой линии 12. Если электрическая мощность и расстояние между генератором 1 и нагрузкой 19 незначительные, высоковольтный трансформатор 2 может не использоваться.

На фиг.2 однофазный электрический генератор 1 соединен с высоковольтным трансформатором 2, к которому присоединен параллельно коммутатор тока 3 и последовательный резонансный контур 6 с зарядной емкостью 5 С₀ и индуктивностью 7 L ₀.

На фиг.3 трехфазный генератор 20 присоединен к трехфазному высоковольтному трансформатору 21. Высоковольтные обмотки 22, 23 и 24 трансформатора 21 соединены параллельно с коммутаторами тока 25, 26 и 27 с блоками управления 28, 29 и 30 и с последовательными резонансными контурами 31, 32 и 33, каждый из которых состоит из зарядной емкости 34 и индуктивности 35. Каждая из трех индуктивностей 35 является одной из первичных обмоток повышающего трехфазного резонансного высокочастотного трансформатора 36, который имеет три низковольтные обмотки 35 и одну высоковольтную обмотку 37. Высоковольтная обмотка 37 и емкость 38 образуют последовательный резонансный контур высоковольтной обмотки трансформатора 36, который соединен с однопроводниковой линией 12. Блоки управления 28, 29 и 30 обеспечивают замыкание и размыкание электродов коммутаторов тока 25, 26 и 27 со сдвигом фаз по времени на между коммутаторами тока, где Т - период колебаний напряжения в резонансных контурах 31, 32 и 33, таким образом, что в первичных обмотках 35 трансформатора 36 возникают со сдвигом по времени согласованные по фазе резонансные колебания напряжения и тока, которые создают и усиливают магнитное поле трансформатора 36.

На фиг.4 трехфазный генератор 20 соединен с трехфазным трансформатором 21, у которого высоковольтные обмотки 22, 23, 24 соединены с управляемым зарядным электрическим аппаратом 25 с блоком выпрямления 26, регулирования и стабилизации напряжения 27. Зарядный аппарат 25 соединен параллельно с коммутатором тока 3 с блоком управления 4 и последовательный резонансный контур 6 с зарядной емкостью 5 С₀ и индуктивностью 7 L ₀ аналогично фиг.1 и 2. Зарядный электрический аппарат 25 с блоком управления 27 имеет функции регулирования величины напряжения, выпрямления тока и стабилизации выходного напряжения.

Примеры выполнения способа и устройства передачи электрической энергии

Генератор 1 в виде однофазной электрической сети на напряжение 220 В соединен с однофазным высоковольтным трансформатором 2 220 В/1,0 кВ электрической мощностью 10 кВт. Выход высоковольтной обмотки трансформатора соединен параллельно коммутатором тока 3, выполненным в виде полупроводниковых транзисторных модулей IGBT, с блоком управления 4. Транзисторные модули IGBT имеют токи коммутации 1 кА при напряжении 1200 В. Частота резонансного контура 30 кГц, напряжение на однопроводниковой линии 10 кВ.

Пример 2

Трехфазный генератор 20 (фиг.4) с напряжением 400 В соединен с трехфазным повышающим трансформатором 21 0,4/10 кВ. Трехфазный выход трансформатора 21 соединен с зарядным электрическим аппаратом 25 типа ИВН-4, который выпрямляет токи, повышает напряжение генератора до 50 кВ. Аппарат ИВН-4 имеет дистанционный блок управления 27 и стабильность поддержания напряжения 5% с уровнем пульсации напряжения не более 0,1%. Выход аппарата соединен с коммутатором тока 3 типа РГУ-1-50-100 на основе газового разрядника с блоком управления 4. Технические характеристики коммутатора тока 3: рабочее напряжение 50 кВ, максимальный ток 100 кА, длительность тока 100 - 1000 мкс, масса 5 кг. Резонансный контур 6 настроен на частоту 50 кГц. Коэффициент трансформации трансформатора 21 n=20. Добротность резонансного контура 6 Q=20. Напряжение на однопроводниковой высоковольтной линии 12 V=500 кВ.

Электрическая мощность, передаваемая от генератора 1 (фиг.2) в первичную обмотку 8 высокочастотного резонансного повышающего трансформатора 9, равна:

,

где V - напряжение на конденсаторе 5;

С ₀ - емкость конденсатора 5;

f_к - частота коммутатора тока 3.

₀ - продолжительность резонансных колебаний с частотой f₀ в резонансном контуре 6, которая определяется временем нахождения коммутатора тока 3 в замкнутом состоянии;

_p - время заряда конденсатора 5 высоковольтного трансформатора 2 (фиг.1, 2) или от зарядного аппарата 25 (фиг.4), равное времени нахождения коммутатора тока 3 в разомкнутом состоянии.

Для эффективной работы устройства необходимо, чтобы частота переключения коммутатора тока 3 f_к была значительно меньше частоты f₀ резонансных колебаний в контуре 6. Принимая С₀=0,12 мкФ, V=70 кВ, ₀=100 мкс, _р=100 мкс, получим f _к=5 кГц, Р_эл=15 МВт.

В отличие от известных резонансных способов и устройств передачи электрической энергии в предлагаемом способе функции преобразователя частоты выполняет коммутатор тока 3 и резонансный контур 6, который выделяет из всего спектра электромагнитных колебаний, возникающих при замыкании коммутатора тока 3, колебания с резонансной частотой , которые через магнитное поле трансформатора 9 передают в высоковольтную обмотку 10 и в однопроводниковую линию 12. Это значительно снижает потери электрической энергии при преобразовании частоты и снижает стоимость устройства для передачи электрической энергии. Автоматическая настройка частоты резонанса f ₀ в резонансном контуре 6 исключает необходимость согласования частоты преобразователя частоты с частотой f₀ резонансного контура 6, что упрощает управление устройством передачи электрической энергии и увеличивает его надежность.

Другим важным преимуществом предлагаемого способа и устройства является отсутствие ограничений передаваемой мощности, которые существуют в известных устройствах передачи электрической энергии по однопроводниковой линии в резонансном режиме и связаны с необходимостью изготовления и использования преобразователя частоты большой мощности.

Еще одним преимуществом предлагаемого способа и устройства передачи электрической энергии является возможность передачи мощных потоков электрической энергии с малыми потерями по однопроводниковому высоковольтному кабелю из многожильного провода сечением 0,1-100 мм² на расстояние 1-40000 км при уровне мощности 1-10 ГВт и напряжении (10-100)·10 ⁶ В.

Высокий кпд передачи электрической энергии 95-97% объясняется принципиально другим механизмом передачи электрической энергии не в виде бегущих волн тока и напряжения, как в обычных трехфазных линиях передач переменного тока, а в стационарном режиме, когда в однопроводниковой высоковольтной линии сформированы пучности и узлы стоячих волн напряжения и тока и генератор 20 затрачивает энергию на холостом ходу только на поддержание этих стоячих волн. В этом случае электрическая энергия существует по всей линии, в том числе и у потребителя, и ее не надо передавать вдоль линии в виде бегущих волн.

В качестве однопроводниковой линии могут быть использованы неметаллические проводники, в том числе проводящие каналы с концентрацией заряженных частиц 10 ¹²-10¹⁸ см^-3 , созданные излучением лазера, микроволнового генератора и пучков релятивистских электронов сверхвысоких энергий.