Особенности работы однопроводниковой системы передачи электрической энергии

Номинация: Самая актуальная работа
Просмотреть картинки списком
Автор: Мажник Павел Анатольевич, 9 класс. Наставник: Мажник Анатолий Павлович
Город: Краснодар
Место учебы: НЧОУ «Лицей ИСТЭК»

Цель работы:

- разработка и изготовление высоковольтного импульсного генератора и элементов однопроводниковой системы передачи электрической энергии.

- демонстрация опытов по однопроводниковой передаче электроэнергии.

Предмет исследования:

- схемотехника высоковольтных импульсных генераторов, конструктивные и технологические решения катушек индуктивности для трансформатора в высоковольтном импульсном генераторе.

Методы исследования:

- изучение учебной, научной и патентной литературы, постановка экспериментов.

Объект исследования:

- однопроводниковая система передачи электрической энергии и её составные элементы: высоковольтный импульсный генератор; однопроводниковая (включая беспроводную) линия электропередачи с различными элементами нагрузок.

Актуальность:

- однопроводниковые и беспроводные линии электропередачи из-за минимального использования дорогих проводниковых материалов позволяют существенно удешевить передачу электрической энергии и уменьшить её потери, а также придают таким электрическим линиям новое качество - мобильность.

- простой, дешёвый и надёжный высоковольтный импульсный генератор даёт возможность шире использовать высоковольтные технологии.

-технологии создания энергосберегающих систем транспортировки и производства электроэнергии входят в перечень критических технологий РФ.

Мы должны всё сделать просто, но не проще.
А. Эйнштейн.

Один опыт я ставлю выше, чем тысячу мнений, рожденных только воображением.
М. В. Ломоносов.

Введение

Актуальной задачей по передаче электрической энергии (ПЭЭ) является сокращение издержек: больших затрат цветных металлов; большой стоимости проектных и монтажных работ; большого количества земли, отводящейся под линии электрических передач (ЛЭП) [1]. Также велика стоимость оборудования (трансформаторных подстанций) необходимого для повышения, а затем понижения напряжения. Высокое напряжение и маленький ток необходимы для снижения тепловых потерь в проводах ЛЭП [2,3]. И, тем не менее, эти потери могут достигать 15% от всей передаваемой энергии. Важно отметить, что технологии создания энергосберегающих систем транспортировки, распределения и потребления электроэнергии входят в перечень критических технологий Российской Федерации.

Вместе с тем, ещё в конце 1890-х годов Н. Тесла была разработана и практически проверена система передачи электроэнергии по одному проводу. Затем на долгие годы эти работы были забыты. И лишь вначале 1990-х к ним вновь был проявлен интерес и стали проводиться соответствующие исследования. При этом в современных работах используется следующая терминология. Понятие «однопроводниковая система передачи электрической энергии» (ОСПЭЭ), в отличие от однопроводной, подчёркивает, что может быть использован любой проводник, в том числе ионизированный газ и электропроводящая жидкость, а не только металлические провода. Термин «беспроводная линия» предполагает, что для ПЭЭ используются только проводники второго рода, например, воздушный, ионизированный лазером, канал.

В оборудовании, разработанном современными исследователями для ОСПЭЭ, применяются резонансные технологии. Их особенностью является необходимость одновременной настройки в резонанс первичного и вторичного контура резонансного трансформатора. Этот фактор делает такие системы очень зависимыми от геометрических размеров линии ПЭЭ.

В данной работе предпринята попытка упростить способ получения резонансных колебаний для ОСПЭЭ. С этой целью была высказана гипотеза о возможности использования периодического ударного возбуждения колебательного контура (КК) с собственной индуктивностью и собственной ёмкостью в ОСПЭЭ.

Для проверки данной гипотезы требовалось изготовить высоковольтный импульсный генератор (ВИГ) с улучшенной ёмкостной связью между первичной и вторичной обмотками трансформатора.

Анализ схемных решений ВИГ позволил выбрать простой и надёжный вариант электронной схемы. Но, что касалось самого резонансного трансформатора, то первичную катушку пришлось придумать. На её техническое решение получен патент РФ на изобретение. Вторичная катушка была изготовлена конусообразной, как в одном из патентов Н. Тесла.

В данной работе отражены этапы разработки ОСПЭЭ с использованием периодического ударного возбуждения КК: поиска схемного решения ВИГ; конструктивного решения трансформатора для ВИГ; изготовление элементов ОСПЭЭ и исследование её работы.

1. Однопроводниковые линии

В одной из книг о Тесле написано: «...затем перешёл к описанию явлений, происходящих при движении электрического тока в разомкнутой цепи. Да, именно разомкнутой. ...Сначала казалось странным открытие, что ток может протекать через проводящую цепь, даже если цепь разомкнута, и ещё более удивительным было узнать, что иногда легче заставить ток протекать через разомкнутую цепь, чем через замкнутую. ... И Тесла доказал правильность такого парадоксального положения. Пользуясь лишь одним проводом, подключённым к одному полюсу источника тока большой частоты, он зажигал обычные лампы накаливания, специальные лампы с единственным вводом тока, включал и приводил в действие электрические двигатели. Этими же экспериментами была доказана возможность питания потребителей электроэнергии через однопроводную сеть» [4].

Впервые однопроводниковые линии передачи электрической энергии (ОЛПЭЭ) были предложены Н. Тесла в 1897 году [5]. И им же была запатентована система беспроводной передачи электрической энергии с использованием ионосферы Земли и резонансного трансформатора, который он также первым изобрёл. Для практической реализации данного принципа Н. Тесла придумал устройство с использованием сферической, чечевицеподобной и торообразной поверхностей, как обладающих минимальной собственной электрической ёмкостью. Эти устройства размещались высоко над землёй. Н. Теслой были построены башни в Колорадо-Спрингс и в Лонг-Айленде (Рис.1). Идея Тесла заключалась в задействовании в качестве проводника и пластины конденсатора ионосферы Земли. Но в связи с тем, что один из выводов вторичной катушки трансформатора Тесла имел незначительный потенциал и заземлялся, то его система передачи электрической энергии была всё-таки двухпроводной, просто одним из проводников была Земля.

Далее нашими соотечественниками Иоффе А. Н. и Кирсановым Б. П. была высказана идея о возможности передачи электроэнергии только по одному проводу. В получении авторского свидетельства на изобретение им было отказано с мотивировкой как не имеющего практического значения [6].

В 1992 году действующие модели установок по передаче электроэнергии по одному проводу демонстрировал к. т. н., сотрудник Всесоюзного электротехнического института Авраменко С.В. [7]. После его перехода на работу во Всеросийский институт электрификации сельского хозяйства (ВИЭСХ), где была организована специальная лаборатория, исследования продолжились в ускоренном темпе. Выяснилось, что если в обычной системе ПЭЭ в проводах из хороших проводников на нагрев проводов теряется 10-15% энергии, то для однопроводниковой передачи, можно брать очень тонкий провод с повышенным сопротивлением (вольфрамовый), а из соображений прочности, это может быть тончайший слой напылённой металлической плёнки на полимерной лёгкой и прочной нити (материал подобный рыболовной леске). Если в стандартной линии электропередач плотность передаваемого тока составляет 6-7 A/мм2 , то однопроводниковая система позволила передать 428 A/мм2 при мощности в 10 кВт.При этом провод не нагревался, а потери на нагрев были меньше примерно в 100 раз [8,9]. Более того, была передана электрическая энергия вообще без проводов, используя тончайший ионизированный слой, возникающий вокруг лазерного луча в воздущной среде, по сути - вдоль такого луча [10,11].

Физической основой для ОСПЭЭ является выпрямление тока проводимости из стандартной сети или от автономного электрогенератора, преобразование в реактивный (ёмкостной) ток нужного (повышенного) напряжения и частоты, который передаётся по однопроводниковой (разомкнутой) линии на нужное расстояние, а затем вновь преобразуется в ток проводимости, циркулирующий в замкнутой линии и выполняющий необходимую работу. Важной особенностью является протекание тока смещения не внутри проводника, а вдоль него, что и позволяет получить эффект квазисверхпроводимости при обычной температуре [12,13].

В настоящее время работы по резонасным методам передачи электрической энергии активно проводятся в ВИЭСХ под руководством директора этого института, академика РАСХН, профессора, д. т. н. Стребкова Д. С. [Приложение № 2].

2. Основные элементы ОСПЭЭ. 2. 1. Выбор схемы ВИГ.

Высоковольтное импульсное напряжение может быть получено путём преобразования как переменного, так и постоянного тока. Первым простым ВИГ был резонансный трансформатор Н. Теслы (Рис.2). Он питался переменным током.

Изобретение Теслы работает следующим образом - сначала заряжается конденсатор до напряжения пробоя разрядника (искрового осциллятора); при пробое в разряднике возникает серия импульсов (явление открытое английским физиком лордом Кельвином в 1886) и конденсатор периодически разряжается на первичную обмотку трансформатора. При совпадении частоты разрядных импульсов с собственной частотой вторичной обмотки трансформатора на ней происходит резкое увеличение напряжения. Приняв меры по увеличению электрической прочности этой обмотки можно получать миллионные напряжения. Это изящно делал Н. Тесла в своей лаборатории (Рис. 3).

Характерной особенностью трансформатора Теслы является большее напряжение на вторичной обмотке, чем это могло бы следовать из соотношения количества витков вторичной катушки к первичной (коэффициента трансформации), а также отсутствие ферромагнитного сердечника.

Следующее простое техническое решение ВИГ - блокинг-генератор - однокаскадный усилитель с сильной положительной обратной связью (Рис. 4).

Он состоит всего из четырёх элементов - транзистора, трансформатора, резистора и конденсатора. Резистор нужен для установления смещения на базе транзистора, а конденсатор -чтобы задать частоту генерации. Для получения высоких напряжений вторичная обмотка имеет большое количество витков. Ферромагнитный сердечник трансформатора обязательно имеет немагнитный зазор. Особенности работы такой схемы подробно описаны в литературе.

Ещё более простой, с ещё меньшим количеством деталей, генератор стал известен сравнительно недавно (Рис.5). Основным элементом в нём является дешёвый биполярный транзистор.

До настоящего времени нет теоретического объяснения способности таких схем работать со сверхнизкими напряжениями питания [18]. Такой генератор также может на выходе иметь высокое импульсное напряжение. Эта схема и была выбрана для изготовления ВИГ.

Следует отметить, что выбранная нами схема может быть использована и самостоятельно в высоковольтных импульсных электротехнологиях [ 19,20]

Конечно, существуют и другие достаточно простые схемы импульсных генераторов, но все они по лёгкости исполнения, надёжности и стоимости уступают трём выше перечисленным.

2.2. Современные изобретения в области технологических и конструктивных вариантов катушек индуктивности.

Важным элементом конструкции ВИГ является трансформатор, который состоит из двух обмоток (первичной и вторичной), представляющих собой катушки индуктивности.

Важно было изучить их конструкцию, чтобы выбрать наиболее простую по технологичности изготовления и дешевизне применяемых материалов.

Следует отметить, что основные конструктивные идеи катушек индуктивности (для своего резонансного трансформатора) были запатентованы ещё Н. Тесла. Плодотворно в этом направлении работал русский электротехник Яблочков.

В Приложении № 2 к данной работе приведён обзор патентов на изобретение по конструкциям и технологии изготовления катушек индуктивности. Отметим самые удобные для использования в ВИГ (с высокой собственной ёмкостью). (Рис.6)

Левая катушка на Рис.6 использует специальную форму каркаса, а её устройство ясно из рисунка. Правая катушка выполнена из полосы, на которой формируется узел перегиба и в дальнейшем от узла перегиба производится намотка в противоположных направлениях.

При изучении патентов по катушкам индуктивности и анализе их технических и технологических особенностей были выявлены возможности их усовершенствования.

Выше (Рис.7) приведён пример получения катушки для ВИГ. Особенностью получения подобной катушки является предварительное разрезание ленты из электропроводного материала на полосы, а затем создание узлов перегиба в местах соединения полос и последующего формирования обмотки нужных размеров. Данная технология получения катушки индуктивности и её конструкция защищены патентом РФ на изобретение.

2.3. Вариант практической реализации ВИГ и исследование его работы.

Был изготовлен генератор с двумя вариантами катушек для первичной обмотки трансформатора - из круглой медной проволоки и из медной полосы. Обе катушки изгибались на одной оправке, имели конусно-спиральную форму и состояли из двух витков без изоляции. При этом, при замерах размеров медной проволоки и полосы использовался микрометр с ценой деления 0,01 мм и пределом измерения 0-25 мм. Сопротивления катушек измерялись специальным измерительным мостом сопротивлений Р4833 с нижним пределом измерений 10^-4 Ом и с таким же шагом измерений. При одинаковых форме, площади сечения и величине активного сопротивления, из полосы катушка оказалась более эффективной, что проявилось в увеличении выходного напряжения (определялось визуально по количеству светящихся стриммеров и их длине).

Для изготовления ВИГ была разработана и выполнена следующая схема (Рис.8) на биполярном кремниевом транзисторе KT 805 A. В данной схеме конденсатор C, резисторы R1 и R2 введены с исследовательскими целями и поэтому выбраны переменными. Высоковольтная катушка L2 содержит 600 витков провода ПЭЛ-0,2 , выполнена на конусном каркасе от полуторалитровой пластиковой бутылки и, для увеличения электрической прочности, покрыта по всей внешней поверхности слоем силиконового герметика. Питание к схеме подводится от встроенного блока питания с выходным напряжением 28 В (Рис.9).

3. Опыты по передаче электрической энергии по однопроводниковой, в том числе беспроводной, линии.

Для подтверждения гипотезы о возможности использования ударного возбуждения колебательного контура для ОСПЭЭ была предпринята серия экспериментов и изготовлено некоторое дополнительное оборудование. Идеи некоторых опытов были взяты из литературы.

На Рис.10 показан опыт с зажиганием лампы накаливания (115 В, 6 Вт). При включении генератора лампа горит от одного провода (вывода вторичной катушки).

Рис. 11 демонстрирует способность однопроводниковой линии «не замечать» активного сопротивления. В разрыв провода, связывающего ВИГ со светодиодным светильником, включён проволочный резистор с сопротивлением 47 Ом (тип С5-37, 8 Вт), с преднамеренно частично оголённой спиралью. Мы можем убедиться, что, при работе ВИГ на однопроводниковую линию, светодиодный светильник горит, а сопротивление (витки спирали) не греется, т.е. потерь на нагрев проводов нет. Если мы сопротивление заменим на конденсатор ёмкостью 0,047 мкФ - 400 В (тип БМТ-2), то светодиоды светятся с той же яркостью, что подтверждает протекание в однопроводной линии ёмкостного тока (тока смещения).

В следующем эксперименте используется способность газов, являющихся изоляторами, быть, при определённых условиях, проводниками [26]. В опыте на Рис.12 мы видим, что светодиодный светильник соединён с ВИГ люминесцентной лампой (18 Вт), при этом, металлического контакта между выводами лампы и ВИГ, нет. При включении ВИГ, происходит ионизация газа (паров ртути) в лампе и мы можем видеть одновременное горение лампы и светильника. Это подтверждает способность ионизированного канала передавать электрическую энергию без проводов, т.е. возможность создавать в воздухе с помощью лазера подобный ионизированный проводник и с его помощью передавать электрическую энергию.

Следует отметить важную особенность ОСПЭЭ. Т.к. в преобразователе тока проводимости в ёмкостной ток используется открытый КК, то возникает возможность такой линии излучать электромагнитные волны, т.е. выполнять функцию радиопередающей антенны. Следовало убедится в отсутствии такого излучения. С этой целью использовалась неоновая лампа. Её перемещали на расстоянии 2-5 см от генератора к окончанию линии. При этом лампа светилась только вблизи генератора, но уже в 15 см от него и до конца линии не загоралась. Т.е. ОСПЭЭ не тратит энергию на излучение электромагнитных волн в окружающее пространство.

Для демонстрации возможности работы ОСПЭЭ с обычным электрическим двигателем разработан стенд в соответствии со схемой на Рис.13. Стенд собран с использованием элементов электронного конструктора «Знаток» и изготовлен таким образом, что позволяет питать электрический двигатель как от батареи элементов на 6 В, так и от однопроводниковой линии.

Для индикации величины напряжения на электродвигателе, использован имеющийся в наборе «Знаток» микроамперметр, путем включения последовательно с ним добавочного сопротивления.

Важнейшей отличительной особенностью ОСПЭЭ, в сравнении с обычной замкнутой линией, является возможность протекания электрического тока один и тот же момент времени в разных направлениях и различная его величина вдоль линии. Это приводит к тому, что последовательно могут быть включены потребители, рассчитанные на различные токи и напряжения. На фото (Рис.15) показано последовательное соединение электродвигателя (6 В), лампы накаливания на 127 В и светодиодного светильника (по схеме на Рис.14) с напряжением в 3 В. При включении генератора происходит вращение двигателя и свечение лампы и светильника. В следующих опытах показана возможность генератора Рис.16 работать с однопроводниковой нагрузкой, которая выполняет функции озонатора, ионизатора, устройства для розжига, ионного двигателя (колесо Франклина), а также выполнять дополнительно роль нагревающего устройства. При опускании внутрь катушки трубчатого стального ферромагнитного элемента (гильза от патрона), он очень быстро нагревается до высокой температуры. Это подтверждает устойчивость и большую надёжность его работы. Например, в случае с блокинг-генератором, наличие короткозамкнутого витка привело бы к срыву колебаний.

На Рис.17 мы видим две последовательно соединённые люминесцентные лампы и дальше по линии лампу накаливания, с присоединёнными к ней проводами разной длины. Если с люминесцентными лампами лампа накаливания соединяется коротким проводником - она горит ярче, чем если соединяется длинным. Этот факт показывает наличие в однопроводниковой линии стоячих волн тока, а значит зависимость ОСПЭЭ от геометрических размеров, но более простой способ получения резонансных колебаний может позволить сделать такую линию адаптивной, т.е. не зависящей от размеров. Для этого, по-видимому, следует изменять частоту импульсов генератора в зависимости от изменения длины линии. Эта гипотеза требует дополнительных исследований.

4. «Странности» заземления.

Во время проведения очередного исследования, нам понадобилось разместить генератор в дальнем углу комнаты, где не было розетки, и мы подключили его через удлинители. Однако генератор не заработал. Подумали, что вышел из строя транзистор. Заменили - все равно не работает. Попытались поменять положение первичной катушки по отношению к вторичной - никаких изменений. Еще дважды меняли транзистор и заменили первичную катушку - безрезультатно. В течение нескольких часов не могли понять причину отказа, пока случайным образом не коснулись первичной катушки - и генератор заработал. Причем, пока рука касалась первичной обмотки, генератор работал, а как только переставали касаться, прекращал работу. Догадались поменять местами переноски - одну подключили ближе к генератору, а вторую к сети - все работало нормально. Вернули переноски в первоначальное положение, но генератор снова не работал. Обратили внимание на схему имеющегося помехоподавляющего фильтра и на особенность подключения к нему заземления. Дело в том, что мы использовали одну переноску с трехжильным проводом (с заземлением), а другую с двухжильным (без заземления). Проанализировав схемы блока питания и помехоподавляющего фильтра, пришли к выводу, что емкостной ток течет не только в однопроводниковую линию, но и в обычную сеть, а сетевой трансформатор является для него просто конденсатором, где вторичная обмотка - это одна обкладка, а первичная - другая. Далее решили исследовать замеченное нами явление. Изготовили специальный шнур питания с выводом от заземляющего электрода, к нему подключили электроэлементы в соответствии со схемой на Рис. 18.

Стали изменять длину заземляющего электрода, используя для этого моток медного двухжильного провода. При его разматывании и подключении одной жилы - напряжение на вольтметре практически не менялось, а при подключении сразу двух жил, как в мотке, так и в размотанном по длине виде - напряжение возрастало. Отсюда следует, что большее значение имеет масса заземляющего электрода, чем его длина.

Следующим этапом исследовали нагрузочные характеристики полученного источника постоянного тока для различных групп германиевых и кремниевых диодов. В качестве нагрузки использовали сопротивления номиналом в 100 кОм; 10 кОм; 1 кОм и 100 Ом.

Исследовали диоды: Д-18; Д -226 Б ; Д -106 А ; 5 ГЕ40А; КД 503Б; Д9К; КД 220Б; Д311; КЦ 106Г.

Лучшие характеристики были получены с кремниевыми диодами КД 220Б и с германиевыми Д 311.

Нагрузочные характеристики с этими диодами приведены на рис.19.

Следует отметить, что первоначально у кремниевых диодов напряжение выше, а круто падающая характеристика обусловлена малой емкостью конденсаторов в полученном источнике.

Выводы

1. Экспериментально подтверждена возможность использования периодического ударного возбуждения электрической колебательной системы для однопроводниковой, в том числе беспроводной, передачи электрической энергии.

2. Исследовательская работа позволила разработать, изготовить и исследовать более технологичный, менее трудоёмкий и наиболее надёжный высоковольтный импульсный генератор конструктивно нового типа.

3. Анализ конструктивных и технологических особенностей катушек индуктивности привёл к пониманию путей их совершенствования и позволил предложить новые технические решения, а на технологию изготовления и конструкцию катушек индуктивности получен патент РФ на изобретение №2364001 «Способ получения катушек индуктивности (варианты) и катушка индуктивности (варианты)».

4. Выявлена особенность работы однопроводниковой линии, заключающаяся в протекании емкостного тока в заземляющем проводнике стандартной электрической сети.

5. Полученные нагрузочные характеристики показали преимущество кремниевых диодов по сравнению с германиевыми при преобразовании емкостного тока в ток проводимости.