способ и устройство для передачи электрической энергии

Формула изобретения

1. Способ передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, повышения потенциала внутреннего вывода высоковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему высокочастотному трансформатору Тесла, понижения потенциала его высоковольтного вывода, выпрямления тока и передачи электрической энергии нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла к двум входам однофазного мостового выпрямителя, два выхода которого подсоединены к нагрузке, отличающийся тем, что резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны =2L_АВ/n, где n - целое число, L_AB - длина электрической цепи между наружными выводами А и В высоковольтных обмоток высокочастотных трансформаторов Тесла, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла по однопроводной линии и линии в земле путем соединения расположенных в непосредственной близости от вывода своей низковольтной обмотки наружных выводов А и В высоковольтных обмоток повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла к земле и преобразования реактивного тока в однопроводной линии в постоянный ток, а затем - в активный переменный ток промышленной частоты в инверторе путем подключения инвертора между однофазным мостовым выпрямителем и нагрузкой.

2. Способ передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, повышения потенциала внутреннего вывода высоковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему высоковольтному трансформатору Тесла, понижения потенциала высоковольтного вывода понижающего трансформатора Тесла, выпрямления тока и передачи электрической энергии нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки понижающего высоковольтного трансформатора Тесла к двум входам однофазного мостового выпрямителя, два выхода которого подсоединены к нагрузке, отличающийся тем, что резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны =2L_AB/n, где n - целое число, L_AB - длина электрической цепи между наружными выводами А и В высоковольтных обмоток высокочастотных трансформаторов Тесла, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла по двухцепной линии, содержащей однопроводную линию и линию в проводящей среде путем присоединения к проводящей среде расположенных в непосредственной близости от вывода соответствующей низковольтной обмотки наружных выводов А и В высоковольтных обмоток повышающего и понижающего высокочастотных трансформатора Тесла и преобразования реактивного тока в однопроводной линии в переменный ток промышленной частоты в инверторе.

3. Способ передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору Тесла, выпрямления тока и передачи электрической энергии нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла к двум входам однофазного мостового выпрямителя, два выхода которого подсоединены к нагрузке, отличающийся тем, что резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны =2L_АВ/n, где n - целое число, L_AB - длина изолированной от земли электрической однопроводной линии, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла по изолированной от земли однопроводной электрической цепи, преобразуют реактивный ток в изолированной от земли электрической однопроводной линии в переменный ток высокой частоты, содержащий векторную сумму активного и реактивного токов, который затем преобразуют в постоянный тока, преобразуемый в переменный ток промышленной частоты.

4. Способ передачи электрической энергии, включающий создание резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, повышение потенциала внутреннего вывода высоковольтной обмотки высокочастотного повышающего трансформатора Тесла, передачу высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему высокочастотному трансформатору Тесла, понижение потенциала высоковольтного вывода понижающего высокочастотного трансформатора Тесла, выпрямление тока и передачу его нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла к двум входам однофазного мостового выпрямителя, а двух выходов последнего - к конденсатору и инвертору, а инвертора - к нагрузке, отличающийся тем, что резонансные колебания реактивного тока передают между настроенным на частоту высокочастотного генератора резонансным контуром низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла, работающего в автотрансформаторном режиме, и резонансным контуром низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла, а реактивный ток в однопроводной линии от наружного вывода высоковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла передают через нагрузку и конденсатор в естественную емкость в виде земли или проводящего изолированного тела путем присоединения к выводам указанного конденсатора и нагрузки двух выводов второго однофазного мостового выпрямителя, присоединения наружного вывода высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла к одному из входов второго однофазного мостового выпрямителя и присоединения естественной емкости к его второму входу.

5. Способ передачи электрической энергии, включающий создание резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, повышение потенциала внутреннего вывода высоковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла, передачу высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему высокочастотному трансформатору Тесла, понижение потенциала высоковольтного вывода понижающего высокочастотного трансформатора Тесла, выпрямление тока и передачу электрической энергии трехфазной нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла к двум входам трехфазного мостового выпрямителя, а двух выводов трехфазной нагрузки и конденсатора - к двум выходам указанного трехфазного мостового выпрямителя, отличающийся тем, что резонансные колебания электромагнитной энергии передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла, путем соединения расположенных в непосредственной близости друг от друга выводов низковольтной и высоковольтной обмоток соответственно повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, а реактивный ток в однопроводной линии от наружного вывода высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла передают через нагрузку и конденсатор в естественную емкость в виде земли или изолированного проводящего тела путем присоединения естественной емкости к третьему входу трехфазного мостового выпрямителя, причем оба указанных высокочастотных трансформатора Тесла выполнены в виде автотрансформаторов.

6. Способ передачи электрической энергии, включающий создание резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, повышение потенциала внутреннего вывода высоковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла, передачу высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему высокочастотному трансформатору Тесла, понижение потенциала высоковольтного вывода понижающего высокочастотного трансформатора Тесла, выпрямление тока и передачу электрической энергии нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки понижающей высокочастотного трансформатора Тесла к двум входам трехфазного мостового выпрямителя, а двух выводов трехфазной нагрузки и конденсатора к двум выходам трехфазного мостового выпрямителя, отличающийся тем, что резонансные колебания электромагнитной энергии передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла, выполненного в виде автотрансформатора, по двухцепной линии, состоящей из однопроводной линии и линии в Земле, путем соединения расположенных в непосредственной близости друг от друга выводов низковольтной и высоковольтной обмоток понижающего высокочастотного трансформатора Тесла и соединения с Землей вывода высоковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла, расположенной в непосредственной близости от вывода его низковольтной обмотки, а реактивный ток в однопроводной линии от наружного вывода высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла передают через трехфазную нагрузку и конденсатор в естественную емкость в виде Земли или изолированного проводящего тела путем присоединения естественной емкости к третьему входу трехфазного мостового выпрямителя.

7. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, нагрузочный конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего высокочастотного трансформатора Тесла через первый однофазный мостовой выпрямитель, отличающееся тем, что низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла со своим контурным конденсатором образует передающий настроенный на частоту генератора повышенной частоты резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла со своим контурным конденсатором образует приемный резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L₁ · C₁=L₂· С₂, где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость указанных резонансных контуров, прилегающие выводы низковольтной и высоковольтной обмоток повышающего высокочастотного трансформатора Тесла соединены между собой, параллельно нагрузочному конденсатору и нагрузке подключены выходы второго однофазного мостового выпрямителя, к двум входам которого подключены наружный вывод высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла и естественная емкость в виде Земли или изолированного проводящего тела.

8. Устройство для передачи электрической энергии по п.7, отличающееся тем, что контурный конденсатор и низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены параллельно высокочастотному генератору, а контурный конденсатор и низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены последовательно к первому однофазному мостовому выпрямителю.

9. Устройство для передачи электрической энергии по п.7, отличающееся тем, что резонансные контуры низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла и низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла выполнены с последовательным соединением контурных конденсаторов и низковольтных обмоток указанных высокочастотных трансформаторов Тесла.

10. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего высокочастотного трансформатора Тесла через трехфазный мостовой выпрямитель, отличающееся тем, что низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует настроенный на частоту генератора повышенной частоты резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость указанных резонансных контуров, прилегающие выводы низковольтной и высоковольтной обмоток соединены между собой у повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, выводы низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены к двум входам трехфазного мостового выпрямителя, а к третьему входу которого подключена естественная емкость в виде земли или изолированного проводящего тела.

11. Устройство для передачи электрической энергии по п.10, отличающееся тем, что контурный конденсатор и низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены параллельно высокочастотному генератору, а контурный конденсатор и низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены последовательно к трехфазному мостовому выпрямителю.

12. Устройство для передачи электрической энергии по п.10, отличающееся тем, что резонансные контуры низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла и низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла выполнены с последовательным соединением контурных конденсаторов и указанных низковольтных обмоток.

13. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего высокочастотного трансформатора Тесла через однофазный мостовой выпрямитель, отличающееся тем, что низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует настроенный на частоту генератора повышенной частоты резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· С ₂, где L₁ и C₁ и L₂ и C₂ - индуктивность и емкость указанных резонансных контуров, прилегающие выводы низковольтной и высоковольтной обмоток соединены у повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, а к одному из выходов однофазного мостового выпрямителя подключена естественная емкость в виде Земли или изолированного проводящего тела.

14. Устройство для передачи электрической энергии по п.13, отличающееся тем, что контурный конденсатор и низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены параллельно высокочастотному генератору, а контурный конденсатор и низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены последовательно к однофазному мостовому выпрямителю.

15. Устройство для передачи электрической энергии по п.13, отличающееся тем, что резонансные контуры низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла и низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла выполнены с последовательным соединением контурных конденсаторов и низковольтных обмоток указанных трансформаторов.

16. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке через однофазный мостовой выпрямитель, отличающееся тем, что низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует настроенный на частоту высокочастотного генератора резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость указанных резонансных контуров, прилегающий к выводу низковольтной обмотки вывод высоковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла соединен с землей, параллельно конденсатору и нагрузке подключены выходы второго однофазного мостового выпрямителя, к двум входам которого подключены наружный вывод высоковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла и естественная емкость в виде земли или изолированного проводящего тела.

17. Устройство для передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что контурный конденсатор и низковольтная обмотка повышающего понижающего трансформатора Тесла присоединены параллельно высокочастотному генератору, а контурный конденсатор и низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены последовательно к однофазному мостовому выпрямителю.

18. Устройство для передачи электрической энергии по п.16, отличающееся тем, что резонансные контуры низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла и низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла выполнены с последовательным соединением контурных конденсаторов и низковольтных обмоток указанных трансформаторов.

19. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего высокочастотного трансформатора Тесла через трехфазный мостовой выпрямитель, отличающееся тем, что низковольтная обмотка повышающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует настроенный на частоту высокочастотного генератора резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· С₂, где L₁ и C₁ и L₂ и C₂ - индуктивность и емкость указанных резонансных контуров, прилегающий к выводу низковольтной обмотки вывод высоковольтной обмотки у повышающего высокочастотного трансформатора Тесла соединен с землей, выводы низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены к двум входам трехфазного мостового выпрямителя, а к третьему входу которого подключена естественная емкость в виде земли или изолированного проводящего тела.

20. Устройство для передачи электрической энергии по п.19, отличающееся тем, что контурный конденсатор и низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены параллельно высокочастотному генератору, а контурный конденсатор и низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла присоединены последовательно к трехфазному мостовому выпрямителю.

21. Устройство для передачи электрической энергии по п.19, отличающееся тем, что резонансные контуры низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла и низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла выполнены с последовательным соединением контурных конденсаторов и низковольтных обмоток указанных трансформаторов.

22. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего высокочастотного трансформатора Тесла через однофазный мостовой выпрямитель, низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует настроенный на частоту высокочастотного генератора резонансный контур, отличающееся тем, что низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· C ₂, где L₁ и C₁ и L₂ и C₂ - индуктивность и емкость указанных резонансных контуров, прилегающие к выводам соответствующей низковольтной обмотки выводы высоковольтной обмотки у повышающего и понижающего трансформатора Тесла соединены с Землей, а к одному из выходов однофазного мостового выпрямителя подключена естественная емкость в виде Земли или изолированного проводящего тела.

23. Устройство для передачи электрической энергии по п.22, отличающееся тем, что контурный конденсатор и низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла соединены параллельно высокочастотному генератору, а контурный конденсатор и низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла соединены последовательно к однофазному мостовому выпрямителю.

24. Устройство для передачи электрической энергии по п.22, отличающееся тем, что резонансные контуры низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла и низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла выполнены с последовательным соединением контурных конденсаторов и низковольтных обмоток указанных трансформаторов.

25. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего высокочастотного трансформатора Тесла через мостовой выпрямитель, отличающееся тем, что низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует настроенный на частоту высокочастотного генератора резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и C₂ - индуктивность и емкость указанных резонансных контуров, вывод высоковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла, прилегающий к выводу его низковольтной обмотки, соединен с землей, прилегающие выводы высоковольтной и низковольтной обмоток соединены у понижающего высокочастотного трансформатора Тесла между собой и с землей.

26. Устройство для передачи электрической энергии по п.25, отличающееся тем, что контурный конденсатор и низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла соединены параллельно высокочастотному генератору, а контурный конденсатор и низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора соединены последовательно к мостовому выпрямителю.

27. Устройство для передачи электрической энергии по п.25, отличающееся тем, что резонансные контуры низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла и низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла выполнены с последовательным соединением контурных конденсаторов и низковольтных обмоток указанных трансформаторов.

28. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего высокочастотного трансформатора Тесла через однофазный мостовой выпрямитель, отличающееся тем, что низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует настроенный на частоту высокочастотного генератора резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры указанных резонансных контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и C₂ - индуктивность и емкость указанных резонансных контуров, прилегающие к низковольтной обмотке выводы высоковольтной обмотки у повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла соединены с землей.

29. Устройство для передачи электрической энергии по п.28, отличающееся тем, что контурный конденсатор и низковольтная обмотка повышающего высокочастотного трансформатора Тесла соединены параллельно высокочастотному генератору, а контурный конденсатор и низковольтная обмотка понижающего высокочастотного трансформатора Тесла соединены последовательно к мостовому выпрямителю.

30. Устройство для передачи электрической энергии по п.29, отличающееся тем, что резонансные контуры низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла и низковольтной обмотки понижающего высокочастотного трансформатора Тесла выполнены с последовательным соединением контурных конденсаторов и низковольтных обмоток указанных трансформаторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству для передачи электрической энергии стационарным и мобильным потребителям электроэнергии.

Известно, что полная передаваемая мощность в линии электропередач переменного тока составляет

где Р и Q - активная и реактивная мощность. Несмотря на то, что в (1) активная и реактивная мощности входят равноправными компонентами, в электротехнике для передачи энергии используется только активная мощность. Реактивная мощность зависит от режима работы линии и ограничивает передаваемую по линии электрическую энергию. Рассмотрим режимы передачи электрической энергии в линии.

В идеальном режиме реактивная мощность и реактивный ток линии равны нулю, а напряжение вдоль линии постоянно. Активная мощность регулируется изменением угла между векторами напряжения в начале и в конце линии и изменением величины напряжения.

В нормальном режиме работы активная мощность изменяется и при ее уменьшении увеличивается реактивная мощность и напряжение в линии. Для ограничения напряжения используют шунтовые реакторы для компенсации реактивной мощности. Такая линия, как и в идеальном случае, не имеет резонансных характеристик.

Обрыв в линии является аварийным режимом, так как в этом случае активный ток в линии отсутствует, реактивная энергия максимальна и равна энергии электрического поля линии, в линии возникают колебания электромагнитного поля и перенапряжения. Перенапряжения имеют максимальную величину при резонансной частоте колебаний. В этом случае угол между векторами напряжений в начале и в конце линий равен нулю, а величина напряжения изменяется в широких пределах и определяется добротностью линии (Alexandrov G.N., Smolovic S.V. Flexible lines for electric energy transmission over long distances. // V Simposium "Electrical Engineering’2010", October 12-22, 1999, Moscow region. P.35-42).

В линии электропередач в режиме наименьших нагрузок или при отключении нагрузки протекают большие потоки реактивной мощности. Так, например, реактивная мощность в линии 750 кВ реактивная мощность составляет около 400 МВАР. С целью компенсации реактивной мощности в линиях электропередач устанавливают шунтовые реакторы. Мощность этих реакторов выбирается по уравнению баланса реактивной мощности (Электротехнический справочник. Т.3. Производство, передача и распределение электрической энергии. - М.: изд-во МЭН, 2002, с.209).

Целью предлагаемого изобретения является использование режима работы разомкнутой высоковольтной линии в качестве нормального или идеального режима работы в новом методе передачи электроэнергии, в котором основной или единственной компонентой мощности в линии является реактивная мощность.

Реактивный канал перекачки энергии рассматривался при оценке энергетической возможности преобразования ионосферных токов в наземном однопроводном сверхпроводящем контуре. В работе делается вывод, что вопрос преобразования реактивной электрической энергии в электроэнергию технического назначения недостаточно ясен (Данилкин Н.П., Кирьянов Д.В. К оценке энергетической возможности конвертора Солнце-Ионосфера-Земля. // Электричество, 1999, №7. С.59-63). Определение реактивной мощности связано с интенсивностью колебательных процессов обмена электромагнитной энергии между реактивными элементами электрической цепи. Реактивная мощность в цепях с синусоидальными формами напряжения и тока определяется из уравнения (1), как векторная разность полной и активной мощности (Зиновьев Г.С. О реактивной мощности в электрической цепи. // Изв. АЛ СССР. Энергетика и транспорт, 1986, №4, с.80-86, Демирчян К.С. Реактивная или обменная мощность // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1984, №2, с.66-72).

Существуют электрические устройства, в которых активная мощность пренебрежимо мала, а основной компонентной мощности является реактивная мощность. Источниками реактивной мощности являются конденсаторы и синхронные машины - компенсаторы при перевозбуждении. Индуктивности и синхронные компенсаторы при недовозбуждении являются потребителями реактивной мощности. В обмотках синхронного компенсатора протекают реактивные токи, которые не создают динамических усилий, поэтому крепление лобовых частей обмоток делают менее прочным, чем в турбогенераторах (Копылов И.П. Электрические машины. - М.: изд-во Логос, 2000, с.436-438).

Примером электрических цепей, в которых основной компонентой является реактивная мощность в цепи, является резонансный контур.

В резонансном контуре происходит обмен реактивной энергией между конденсатором и катушкой индуктивности контура. В процессе колебаний энергия электрического поля конденсатора превращается в энергию магнитного поля катушки и затем происходит обратный процесс (Калашников А.М., Степук Я.В. Основы радиотехники и радиолокации. // Колебательные системы. - М.: 1965, с.34-35, 138).

Известны способ и устройство для преобразования и передачи электрической энергии по однопроводной линии на большое расстояние, разработанные Н.Тесла в 1997 году. Согласно изобретению Н.Тесла устройство состоит из двух трансформаторов, один для повышения, а другой для уменьшения потенциала тока, указанные трансформаторы имеют один 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 вывода высоковольтной обмотки равен нулю, а потенциал другого вывода будет максимальный. Внутренний конец высоковольтной вторичной обмотки соединен с линией передачи электрической энергии, а наружный конец вторичной обмотки в целях электробезопасности соединен с прилегающим выводом первичной обмотки с землей. Понижающий трансформатор выполнен аналогично. Выводы низковольтной обмотки соединены с электрической нагрузкой в виде ламп и электродвигателей. Однопроводная линия электропередач имеет длинные изоляторы на опорах для снижения потерь на утечку тока (Н. Тесла. Электрический трансформатор. Пат. США №593138 от 02.11.1897 г.).

Недостатком известного способа и устройства является потери мощности в заземляющем проводе при отклонении частоты от резонансной, соответствующей условию равенства длины высоковольтной обмотки четверти длины волны. В этом случае потенциал нулевого вывода высоковольтной обмотки у обоих трансформаторов отличен от нуля и существует утечка тока и мощности в землю, минуя сопротивление нагрузки. Другим недостатком является отсутствие выпрямителей и преобразователей частоты для использования в нагрузке постоянного тока или стандартной частоты 50-60 Гц.

Известна мостовая схема выпрямления, в которой четыре диода образуют четыре плеча выпрямительного моста. Половина диодов выпрямителя образует группу, к которой присоединены катодные выводы нагрузки по постоянному току, а у второй половины диодов соединены в анодные выводы. Вход переменного тока подводится к двум диодам, один из которых подключен ко входу катодным выводом, а второй анодным выводом (А.С.Касаткин, М.В.Немцов. Электротехника. Изд. Высшая школа, 2000 г., стр.261-264).

Аналогично устроена схема удвоения напряжения, у которой по входу подключены два диода с обратной полярностью, т.е. катод одного диода и анод второго диода. Из сравнения схем мостового выпрямителя и удвоения напряжения следует, что мостовая схема выпрямления состоит из двух (для однофазной цепи) или трех схем (для трехфазной цепи) удвоения напряжения, у которых соединены параллельно и подключены к нагрузке анодные и катодные выводы.

Недостатком всех известных способов и устройств передачи электрической энергии является то, что они не позволяют использовать реактивные токи в высоковольтной обмотке понижающего трансформатора, соединенной с естественной емкостью и с Землей.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности и снижение потерь при передаче электрической энергии.

Вышеуказанный результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из генератора повышенной частоты и двух повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, повышения потенциала внутреннего вывода высоковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору Тесла, понижения потенциала высоковольтного вывода понижающего трансформатора Тесла, выпрямления тока и передачи электрической энергии нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла к двум входам однофазного мостового выпрямителя, а двух выходов этого выпрямителя к нагрузке, резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны , равной =2L_AB/n, где n - целое число, L_AB - длина электрической цепи, между наружными выводами А и В высоковольтных обмоток трансформаторов передают от резонансного контура низковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла по однопроводной линии и линии в Земле путем соединения расположенных в непосредственной близости от вывода низковольтной обмотки наружных выводов А и В высоковольтных обмоток повышающего и понижающего трансформатора Тесла к земле и преобразования реактивного тока и реактивной мощности в однопроводной линии в постоянный ток и мощность постоянного тока, а затем в активный переменный ток и активную мощность промышленной частоты в инверторе путем подключения инвертора между выпрямителем и нагрузкой.

Еще в одном способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны =2L_АВ/n, где n - целое число, L_AB - длина электрической цепи между наружными выводами высоковольтных обмоток трансформаторов, передают от резонансного контура низковольтной обмотки, повышающего трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла по двухцепной линии, содержащей однопроводную линию и линию в проводящей среде путем присоединения к проводящей среде расположенных в непосредственной близости от выводов низковольтной обмотки выводов высоковольтных обмоток повышающего и понижающего трансформатора Тесла и преобразования реактивного тока и реактивной мощности в однопроводной линии в переменный ток и мощность промышленной частоты в инверторе.

В способе передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из генератора повышенной частоты и двух повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору Тесла, выпрямления тока и передачи электрической энергии нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла к двум входам однофазного мостового выпрямителя, а двух выходов этого выпрямителя к нагрузке, резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны , равной =2L_АВ/n, где n - целое число, L_AB - длина электрической цепи между наружными выводами высоковольтных обмоток трансформаторов, передают от резонансного контура низковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла по изолированной от Земли однопроводной электрической цепи с длиной L_АВ , преобразуют реактивный ток и реактивную мощность в однопроводной линии в ток и мощность и энергию переменного тока высокой частоты, содержащие векторную сумму активного и реактивного тока, активной и реактивной мощности и энергии, затем преобразуют ток, мощность и энергию высокой частоты в постоянный ток и мощность в энергию постоянного тока, а затем преобразуют постоянный ток, мощность и энергию постоянного тока в переменный ток, мощность и электрическую энергию промышленной частоты.

В способе передачи электрической энергии, включающем создание резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из генератора повышенной частоты и двух повышающего и понижающего высокочастотных трансформаторов Тесла, повышение потенциала внутреннего вывода высоковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла, передачу высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору Тесла, понижение потенциала высоковольтного вывода понижающего трансформатора Тесла, выпрямление тока и передачу электрической энергии нагрузке путем присоединения низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла к двум входам однофазного мостового выпрямителя, а двух выходов к конденсатору и инвертору, а инвертора - к нагрузке этого выпрямителя, резонансные колебания электромагнитной энергии передают между резонансным контуром низковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла, работающем в автотрансформаторном режиме и резонансным контуром низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла, а реактивный ток, реактивную мощность и реактивную электрическую энергию в однопроводной линии от наружного вывода высоковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла передают через нагрузку и конденсатор в естественную емкость в виде земли или проводящего изолированного тела путем присоединения к выводам конденсатора и нагрузки двух выводов второго однофазного выпрямителя, присоединения наружного вывода высоковольтной обмотки к одному из входов второго однофазного мостового выпрямителя и присоединения естественной емкости ко второму входу второго однофазного выпрямителя.

В другом варианте способа передачи электрической энергии и передачу электрической энергии к нагрузке осуществляют путем присоединения низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла к двум входам трехфазного мостового выпрямителя, а двух выводов нагрузки и конденсатора к двум выходам этого выпрямителя, резонансные колебания электромагнитной энергии передают от резонансного контура низковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла в автотрансформаторном режиме для обоих трансформаторов путем соединения расположенных в непосредственной близости друг от друга выводов низковольтной и высоковольтной обмоток повышающего и понижающего трансформаторов Тесла, а реактивный ток, реактивную мощность и реактивную электрическую энергию в однопроводной линии передают от наружного вывода высоковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла передают через нагрузку и конденсатор в естественную емкость в виде земли или изолированного проводящего тела путем присоединения естественной емкости к третьему входу трехфазного мостового выпрямителя.

Еще в одном способе передачи электрической энергии резонансные колебания электромагнитной энергии передают от резонансного контура низковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла в автотрансформаторном режиме для понижающего трансформатора по двухцепной линии, состоящей из однопроводной линии и линии в Земле путем соединения расположенных в непосредственной близости друг от друга выводов низковольтной и высоковольтной обмоток понижающего трансформатора Тесла и соединения с Землей вывода высоковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла, расположенной в непосредственной близости от вывода низковольтной обмотки, а реактивный ток, реактивную мощность и реактивную электрическую энергию в однопроводной линии от наружного вывода высоковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла передают через нагрузку и конденсатор в естественную емкость в виде Земли или изолированного проводящего тела путем присоединения естественной емкости к третьему входу трехфазного мостового выпрямителя.

В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, нагрузочный конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке через однофазный мостовой выпрямитель, низковольтная обмотка повышающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует передающий резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует приемный резонансный контур, параметры контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· C₂ , где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость резонансных контуров, прилегающие выводы низковольтной и высоковольтной обмоток повышающего трансформатора Тесла соединены между собой, параллельно нагрузочному конденсатору и нагрузке подключены выходы второго однофазного выпрямителя, к двум входам которого подключены наружный вывод высоковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла и естественная емкость в виде Земли или изолированного проводящего тела.

В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего трансформатора Тесла через мостовой выпрямитель, низковольтная обмотка повышающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры контуров связаны соотношением L₁ · C₁=L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость резонансных контуров, прилегающие выводы низковольтных обмоток соединены между собой у повышающего и понижающего трансформатора Тесла, выводы низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла присоединены к двум входам трехфазного мостового выпрямителя, а к третьему входу трехфазного мостового выпрямителя подключена естественная емкость в виде земли или изолированного проводящего тела.

В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего трансформатора Тесла через однофазный мостовой выпрямитель, низковольтная обмотка повышающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры контуров связаны соотношением L₁ · C₁=L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость резонансных контуров, прилегающие выводы низковольтной и высоковольтной обмоток соединены у повышающего и понижающего трансформатора Тесла, а к одному из выходов однофазного мостового выпрямителя подключена естественная емкость в виде Земли или изолированного проводящего тела.

В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке через однофазный мостовой выпрямитель, низковольтная обмотка повышающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· C₂ , где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость резонансных контуров, прилегающий к выводу низковольтной обмотки вывод высоковольтной обмотки повышающего трансформатора соединен с Землей, параллельно конденсатору и нагрузке подключены выходы второго однофазного выпрямителя, к двум входам которого подключены наружный вывод высоковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла и естественная емкость в виде Земли или изолированного проводящего тела.

В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего трансформатора Тесла через мостовой выпрямитель, низковольтная обмотка повышающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры контуров связаны соотношением L₁ · C₁=L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость резонансных контуров, прилегающий к выводу низковольтной обмотки вывод высоковольтной обмотки соединен с Землей у повышающего трансформатора Тесла, выводы низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла присоединены к двум входам трехфазного мостового выпрямителя, а к третьему входу трехфазного мостового выпрямителя подключена естественная емкость в виде земли или изолированного проводящего тела.

В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего трансформатора Тесла через однофазный мостовой выпрямитель, низковольтная обмотка повышающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры контуров связаны соотношением L₁· C₁=L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость резонансных контуров, прилегающие к выводу низковольтной обмотки выводы высоковольтной обмотки соединены с Землей у повышающего и понижающего трансформатора Тесла, а к одному из выходов однофазного мостового выпрямителя подключена естественная емкость в виде земли или изолированного проводящего тела.

В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего трансформатора Тесла через мостовой выпрямитель, низковольтная обмотка повышающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры контуров связаны соотношением L₁· C₁ =L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость резонансных контуров, вывод высоковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла, прилегающий к выводу низковольтной обмотки соединен с Землей, прилегающие выводы высоковольтной и низковольтной обмоток соединены между собой и с Землей у понижающего трансформатора Тесла. В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы Тесла, соединенные между собой однопроводной линией, конденсатор и нагрузку, подключенную к низковольтной обмотке понижающего трансформатоpa Тесла через однофазный мостовой выпрямитель, обмотка повышающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором и образует резонансный контур, низковольтная обмотка понижающего трансформатора Тесла с контурным конденсатором образует резонансный контур, параметры контуров связаны соотношением L₁· C₁ =L₂· C₂, где L₁ и C₁ и L₂ и С₂ - индуктивность и емкость резонансных контуров, прилегающие к низковольтной обмотке выводы высоковольтной обмотки у повышающего и понижающего трансформатора Тесла соединены с Землей.

В устройстве для передачи электрической энергии контурный конденсатор и низковольтная обмотка повышающего трансформатора Тесла соединены параллельно высокочастотному генератору, а контурный конденсатор и низковольтная обмотка понижающего трансформатора соединены последовательно к мостовому выпрямителю.

Устройства для передачи электрической энергии резонансные контуры низковольтной обмотки повышающего трансформатора Тесла и низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла выполнены с последовательным соединением контурных конденсаторов и низковольтных обмоток трансформаторов.

Способ и устройство для передачи электрической энергии иллюстрируется на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9.

На фиг.1 представлена блок-схема способа передачи электрической энергии, в котором заземлены наружные А и В высоковольтные выводы повышающего и понижающего трансформаторов.

На фиг.2 - блок-схема способа передачи электрической энергии, в котором высоковольтные выводы повышающего и понижающего трансформаторов изолированы.

На фиг.3 - электрическая схема устройства с двумя трансформаторами Тесла, у повышающего трансформатора заземлена высоковольтная обмотка, а у понижающего трансформатора соединены с землей низковольтная и высоковольтная обмотка.

На фиг.4 - электрическая схема устройства с двумя трансформаторами, где у повышающего трансформатора заземлена высоковольтная обмотка, а у понижающего трансформатора соединены низковольтная и высоковольтная обмотки.

На фиг.5 - электрическая схема устройства с двумя трансформаторами, у понижающего трансформатора заземлена высоковольтная обмотка, а у повышающего трансформатора соединены низковольтная и высоковольтная обмотки.

На фиг.6 - электрическая схема устройства с двумя однофазными мостовыми выпрямителями с заземлением высоковольтной обмотки повышающего трансформатора.

На фиг.7 - электрическая схема устройства с двумя однофазными выпрямителями и с двумя автотрансформаторами Тесла.

На фиг.8 - электрическая схема устройства с двумя автотрансформаторами Тесла и трехфазным мостовым выпрямителем.

На фиг.9 - электрическая схема устройства с двумя автотрансформаторами Тесла и однофазным мостовым выпрямителем.

На фиг.1 - представлена блок-схема способа передачи электрической энергии, где 1 - генератор повышенной частоты, 2 - резонансный контур повышающего трансформатора, 3 - однопроводная линия, 4 - резонансный контур понижающего высоковольтного трансформатора, 5 - выпрямитель, 6 - инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный, 7 - нагрузка, 8 - естественная емкость в виде Земли подключена к высоковольтной обмотке 9 повышающего трансформатора 10 и высоковольтной обмотке 11 понижающего трансформатора 12. Параллельный резонансный контур 2 повышающего трансформатора 9 состоит из конденсатора 13 и низковольтной обмотки 14, соединенных параллельно с высокочастотным генератором 1. Резонансный контур 4 понижающего трансформатора 12 состоит из низковольтной обмотки 15, соединенной последовательно с контурным конденсатором 16. Способ передачи электрической энергии реализуется следующим образом. Электрическая энергия из высокочастотного генератора 1 поступает в резонансный контур 2 повышающего трансформатора 10, настроенный на частоту генератора I f₀, 0,5 кГц < f₀ < 500 кГц. Длина электрической цепи L_AB, состоящая из длины однопроводной линии 3 и длины двух высоковольтных обмоток 9 и 11 повышающего 10 и понижающего трансформатора 12 связана с длиной волны и с частотой f₀ резонансных колебаний в электрической цепи следующими соотношениями

=2L_AB/n, f=Cn/2L_AB

где n - натуральное число, с - скорость света. В качестве генератора 1 используют электромагнитный генератор или статический преобразователь высокой частоты. Резонансный контур и повышающий трансформатор преобразуют переменный ток и электрическую мощность генератора 1 в реактивный ток, реактивную мощность в однопроводной линии 3 и увеличивают потенциал линии 3 до 10 - 1000 кВ. Реактивный ток, мощность и электромагнитную энергию передают по однопроводной электрической цепи длиной L_АВ в резонансном режиме в контур 4 понижающего трансформатора 12, настроенного на частоту f₀. В резонансном контуре 4 понижающего трансформатора происходит преобразование реактивного тока, реактивной мощности в переменный ток и электрическую мощность и энергию, которые являются векторной суммой реактивной и активной компонент тока и мощности и энергии. Соотношение активной и реактивной компонент определяется характером нагрузки 7. Электрический ток с частотой f₀ поступает в выпрямитель 5. Постоянный ток после выпрямления поступает в инвертор 6, где он преобразуется в трехфазный ток промышленной частоты, например, 50 Гц. После инвертора 6 электрическая энергия поступает в нагрузку 7, которая может быть реактивную и активную компоненты.

В ряде случаев потребителю требуется постоянный ток, в этом случае нагрузку 7 подключают непосредственно к выпрямителю 5. Если в нагрузке 7 используют электрическую энергию с резонансной частотой f ₀, нагрузку 7 присоединяют к выводам резонансного контура 4. Соединение с землей 8 высоковольтных обмоток 9 и 11 увеличивает электрическую мощность, передаваемую по линии 3 в случае наличия в электрической цепи гармоник напряжения и тока с частотой, отличной от резонансной f₀, а также в случае, когда длина высоковольтных обмоток 9 и 11 меньше или больше четверти длины волны колебаний электромагнитных волн в линии 3. Соединение с землей 8 также увеличивает электрическую безопасность способа и устройства передачи электрической энергии.

В способе и устройстве для передачи электрической энергии на фиг.2 - заземление 8 удалено и наружные выводы А и В высоковольтных обмоток изолированы. Такое выполнение устройства возможно при небольших напряжениях в линии 3 или в случае синусоидальной формы гармоник напряжения и тока с частотой f₀ в цепи, а также равенства целому числу полуволн длины цепи между наружными выводами А и В высоковольтных обмоток 9 и 11, включая длину обмоток 9 и 11 и длину линии 3. Заземление 8 в этом случае отсутствует и наружные выводы А и В обмоток 9 и 11 изолированы. В условиях резонанса на наружных выводах обмоток 9 и 11 создают потенциал, близкий к нулю, потери энергии в цепи минимальны и, при достаточно хорошей изоляции между высоковольтными 9 и 11 и низковольтными 14 и 15 обмотками трансформаторов 10 и 12, не происходит пробой между высоковольтной и низковольтной обмоткой трансформаторов 10 и 12.

В устройстве для передачи электрической энергии на фиг.3 высоковольтная обмотка 9 повышающего трансформатора 10 соединена с землей 8, а понижающий трансформатор 12 выполнен в режиме автотрансформатора путем соединения между собой и с землей наружного вывода высоковольтной обмотки 11 и прилегающего вывода низковольтной обмотки 15. Выводы последовательного резонансного контура 4 соединены с двумя входами 17 и 18 однофазного мостового выпрямителя 5, на выходе которого присоединен конденсатор 19 и инвертор 6. К инвертору 6 присоединена трехфазная нагрузка 7, работающая на частоте инвертора 6.

В устройстве для передачи электрической энергии на фиг.4 резонансный контур 2 повышающего трансформатора 10 выполнен из последовательно соединенных конденсатора 13 и низковольтной обмотки 14. Наружный вывод высоковольтной обмотки 9 повышающего трансформатора 10 присоединен к Земле 8, понижающий трансформатор 12 выполнен в виде автотрансформатора согласно фиг.3 и изолирован от земли 8, а выводы резонансного контура 4 понижающего трансформатора 12 присоединены к двум входам 20 и 21 трехфазного мостового выпрямителя 27, а к третьему входу 22 трехфазного мостового выпрямителя 27 присоединена естественная емкость 23 в виде Земли или изолированного проводящего тела. Выпрямитель 5 соединен с конденсатором 19 и инвертором 6. К инвертору 6 подключена трехфазная нагрузка 7.

В устройстве для передачи электрической энергии на фиг.5 повышающий трансформатор 10 выполнен в виде автотрансформатора путем соединения между собой наружного вывода высоковольтной обмотки 9 и прилегающего к высоковольтной обмотке 9 вывода низковольтной обмотки 14. У понижающего трансформатора 12 наружный вывод высоковольтной обмотки 11 соединен с естественной емкостью 23 в виде Земли и изолированного проводящего тела.

В устройстве для передачи электрической энергии на фиг.6 наружный вывод высоковольтной обмотки 9 повышающего трансформатора 10 соединен с землей 8, аналогично фиг.3. Наружный вывод высоковольтной обмотки 11 понижающего трансформатора 12 соединен с входом 24 второго однофазного мостового выпрямителя 25, а к другому входу 26 однофазного мостового выпрямителя подключена естественная емкость 23 в виде земли или изолированного проводящего тела. Выходы обоих выпрямителей присоединены к конденсатору 19 и нагрузке 7, которая работает на постоянном токе.

В устройстве для передачи электрической энергии на фиг.7 повышающий трансформатор 10 выполнен в виде автотрансформатора и изолирован от земли аналогично фиг.5, а наружный вывод высоковольтной обмотки 11 понижающего трансформатора 12 соединен с одним из входов 24 второго однофазного мостового выпрямителя 25 аналогично фиг.6. Выходы обоих выпрямителей 5 и 25 соединены с конденсатором 19 и инвертором 6, к которому присоединена нагрузка 7, работающая на переменном токе, вырабатываемым инвертором 6.

В устройстве для передачи электрической энергии на фиг.8 у повышающего 10 и понижающего 12 трансформатора соединены прилегающие выводы высоковольтной и низковольтной обмотки 11 и 15, 9 и 14 для работы в режиме автотрансформатора.

Выводы резонансного контура присоединены к двум входам 20 и 21 трехфазного мостового выпрямителя 27, а третьему входу 22 выпрямителя 27 присоединена естественная емкость 23 в виде Земли или изолированного проводящего тела. Выводы трехфазного мостового выпрямителя 27 присоединены к конденсатору 19 и инвертору 6 аналогично фиг.7.

В устройстве для передачи электрической энергии на фиг.9 повышающий 10 и понижающий 12 трансформаторы выполнены в виде автотрансформаторов, согласно фиг.8, а выводы резонансного контура 4 присоединены к двум входам 17 и 18 однофазного мостового выпрямителя 5 аналогично фиг.3. Один из выходов выпрямителя 5 соединен с естественной емкостью 23 в виде Земли или изолированного проводящего тела.

Пример выполнения способа и устройства для передачи электрической энергии.

В качестве генератора высокой частоты использован транзисторный преобразователь частоты мощностью 25 кВт частотой 3,6 кГц с выходным напряжением 400 В.

Отличительной способностью высокочастотных трансформаторов 10, 12 является ассиметрия потенциалов на выводах высоковольтной обмотки 9 или 11 относительно Земли. В идеальном случае синусоидальных форм напряжения и тока, когда длина цепи между точками А и В, состоящей из двух высоковольтных обмоток 9 и 11, повышающего 10 и понижающего 12 трансформаторов и длины однопроводной лини 3 равна целому числу полуволн, потенциал наружного вывода А и В каждой высоковольтной обмотки равен нулю и эти выводы можно заземлить и соединить их с прилегающими выводами низковольтной обмотки 14 или 15. Это повышает электробезопасность устройства, но не сказывается существенным образом на величине передаваемой мощности.

Повышающий высокочастотный трансформатор 10 имеет габариты: диаметр 1 м, высота 0,45 м, высоковольтная обмотка 9 содержит 952 витков и низковольтная обмотка 14 состоит из 24 витков. Конденсатор 13 резонансного контура 2 повышающего трансформатора 9 имеет емкость 14 мкф. Понижающий трансформатор и конденсатор имеет аналогичные характеристики. Резонансные контуры 2 и 4 могут быть выполнены как в виде последовательных, так и параллельных контуров которые имели одинаковую частоту f₀=1,852 кГц. Преобразователь частоты работает на второй гармонике с частотой 3,6 кГц. Однопроводная линия 3 выполнена из медного проводника диаметром 1,3 мм и 0,08 мм.

В качестве выпрямителя 5 и инвертора 6 использованы транзисторный преобразователь частоты Р - 22 для регулирования скорости асинхронных трехфазных электродвигателей.

При испытании устройства для передачи электрической энергии величина передаваемой мощности составила 20 кВт и не зависит от диаметра провода линии. В результате испытаний показано, что медный провод диаметром 0,08 мм сечением 5,024· 10^-3 мм² не нагревается при передаче электрической мощности 20,42 кВт.

Для оценки электрических параметров устройств введем термин “эффективная плотность тока”, которая рассчитывается как для двухпроводной линии, то есть как частное от деления передаваемой электрической мощности (мощности на нагрузке) на напряжение линии и площадь поперечного сечения проводника. При комнатной температуре эффективная удельная передаваемая электрическая мощность составила 4 МВт/мм² при эффективной плотности тока 600 А/мм². В процессе многочасовых испытаний обмотки высокочастотных трансформаторов имели температуру окружающей среды, поэтому предельная электрическая мощность ограничена мощностью преобразователя частоты. При увеличении мощности преобразователя частоты и более точной настройке резонансных контуров существующих высокочастотных трансформаторов эффективные плотности тока и мощности высоковольтной линии могут быть увеличены до 1000 А/мм ² и 10 МВт/мм² при температуре окружающей среды.

Полученные плотности потока мощности и тока в высоковольтной однопроводной линии на два порядка превышают параметры обычной двухпроводной или трехпроводной линии переменного и постоянного тока.

Таким образом, экспериментально подтверждено свойство однопроводной линии передавать активную мощность с помощью реактивных токов без существенных потерь на сопротивлении линии.

При резонансе напряжений в последовательном контуре ЭДС емкости и ЭДС самоиндукции катушки индуктивности в десятки или сотни раз больше напряжения на активном сопротивлении, т.е. больше напряжения, приложенного к этой цепи. Кратность увеличения напряжения на каждом из реактивных сопротивлений контура по сравнению с напряжением на активном сопротивлении и напряжением во внешней цепи равно добротности контура Q, которое определяется отношением реактивного сопротивления X_L к активному R

(Калашников А.М., Степук Я.В. Основы радиотехники и радиолокации. // Колебательные системы. - М., 1965, с.42, 28).

Поскольку реактивное сопротивление резонансных контуров в описании предлагаемого изобретения является индуктивным сопротивлением низковольтных обмоток понижающего и повышающего трансформаторов, увеличенное в Q раз напряжение генератора повышенной частоты еще больше увеличивается в повышенном трансформаторе. ЭДС самоиндукции в индуктивном сопротивлении низковольтной обмотки повышающего трансформатора отстает от тока в этой обмотке I₁ на четверть периода. За счет взаимной индукции обмоток повышающего трансформатора в высоковольтной обмотке возникает увеличенное в n раз напряжение, где n - коэффициент трансформации, ЭДС взаимной индукции также отстает от тока I ₁ на четверть периода, ЭДС взаимной индукции Е₂ , т.к. линия связи между повышающим и понижающим трансформатором выполнена в виде одиночного проводникового волновода и является незамкнутой. Ток в этой линии замыкается в пространстве окружающим проводник в виде токов смещения (Мейнке X., Гуднос Ф. Радиотехнический справочник. Госэнергоиздат, 1960, - М.-Л., т.1, с.188).

Так как линия разомкнута, активный ток проводимости равен нулю, а ток, протекающий в линии, является реактивным током перезарядки собственной емкости линии. В линии протекает реактивная зарядная мощность пропорциональная частоте и квадрату напряжения линии. Максимальная энергия, передаваемая по линии, равна энергии, запасенной в электрическом поле линии, и эта энергия, как и передаваемая мощность, является реактивной. Согласно описанию, длина L _AB включает и длину двух высоковольтных обмоток понижающего и повышающего трансформатора. Соотношение можно переписать в виде . Это означает, что полная длина линии с учетом высоковольтных обмоток двух трансформаторов должна быть соизмерима с целым числом полуволн. При такой длине линии разность напряжения располагается в середине линии, а максимальные значения токов и магнитных полей располагаются на концах линии в местах расположения трансформаторов, что повышает эффективность передачи электрической энергии.

Электрическая энергия заключена в электрическом поле, которое совпадает по фазе с напряжением линии, а магнитная энергия в магнитном поле совпадает по фазе с током. Энергия электромагнитного поля распределена в объеме вокруг проводника линии, где существует электромагнитное поле.

Период свободных колебаний контура определяется формулой

Для резонансной системы из двух связанных контуров с параметрами T₁, L₁, C₁ и Т₂, L₂, C₂: T₁=Т₂, L ₁ C₁=L₂ С₂.

Ток и напряжение в любых точках разомкнутой линии изменяется со сдвигом по фазе на четверть периода, в линии происходит колебания электромагнитной энергии. Отрезок разомкнутой линии длиной в целое число четвертой волны подобен резонансному контуру. В точках линии, соответствующих длине , напряжение на линии максимально, ток равен нулю и вся энергия заключена в электрическом поле линии. Через четверть периода магнитное поле и ток достигают максимального значения, а электрическое поле падает до нуля, вся энергия будет заключена в магнитном поле линии. В реальной разомкнутой линии, кроме стоячих волн, есть и бегущие волны, которые переносят энергию, поэтому в реальной линии нет чистых узлов напряжения и тока, а есть минимумы тока и напряжения (Калашников А.М., Степук Я.В. Основы радиотехники и радиолокации. // Колебательные системы. - М., 1965, с.153-154).

Провод диаметром 1,3-0,08 мм играет роль направляющего канала для потока электромагнитной энергии от генератора к приемнику. Вдоль линии 3 распространяются поперечные электромагнитные волны типа Т, которые могут иметь любую частоту, в том числе и нулевую. Структура поля волны Т в поперечной плоскости идентична электростатическому полю и стационарному магнитному полю. Если реактивная мощность используется для передачи электрической энергии, то на колебательные процессы энергообмена в реактивных элементах линии 3 накладывается процесс однонаправленного энергопреобразования с движением электромагнитной энергии вдоль однопроводной линии 3 от генератора 1 к нагрузке 7. При этом одиночный провод 3 используется как волноводная система и реактивный ток, текущий в линии 3, замыкается токами смещения в пространстве, окружающем проводник.

В результате использования предлагаемого изобретения потребление алюминия и меди в проводах может быть снижено более чем в 10 раз, а стоимость воздушных линий электропередач и трансформаторных подстанций снижена в два раза.