Впервые систему однопроводной передачи электроэнергии предложил Н.Тесла в 1897 году. Патент США №593138 от 2 ноября 1897г . Помимо систем на постоянном и переменном (многофазном) токе, такая система является третьим альтернативным способом для передачи электроэнергии. В конце XIX и начале XX вв. система не нашла широкого применения вероятнее всего в связи с конкуренцией и занятостью рынка системами на постоянном и переменном токе.
Повторное открытие или возрождение однопроводной системы произошло в 80е годы в СССР. Такой способ передачи электроэнергии применил инженер Всесоюзного электротехнического института им. В.И. Ленина (ВЭИ) С.В.Авраменко, который разработал и запатентовал однопроводные электрические системы мощностью 10-100 Вт, напряжением 1-100 кВ. В своих работах С.В. Авраменко ссылался на работы Н.Тесла.
Рисунок 1 – Система однопроводной передачи электроэнергии Н.Тесла 1897г.
Схема на рисунке 1 состоит из двух трансформаторов – повышающего и понижающего, имеющих одинаковую конструкцию, а так же линии передачи, выполненной на опорах с изоляторами. На рисунке катушки трансформаторов представлены видом сверху. Нагрузкой являются лампы накаливания Н и электродвигатели К подключенные к обмотке понижающего трансформатора. G – источник тока повышающего трансформатора. Конструкции трансформаторов Теслы в представленной системе отличаются от обычных трансформаторов переменного тока. Для понимания происходящих процессов рассмотрим кратко принцип работы трансформатора отдельно.
В начале ХХ в. не было полупроводниковых приборов или радиоламп и главным средством к получению токов высокой частоты был искровой разрядник. Сегодня сформировалась новая элементная база. Во всех типах трансформаторов Тесла основной элемент трансформатора — первичный и вторичный контуры — остается неизменным. Однако одна из его частей — генератор высокочастотных колебаний может иметь различную конструкцию. Хотя в этой статье в основном будет описано использование лампового генератора, проще всего объяснить его работу на генераторе с искровым промежутком.
Итак, основу трансформатора составляют два колебательных контура точно настроенных на одну частоту и работающих в резонансе. На выходном контуре получаются колебания с определенными параметрами. Схема работы трансформатора Теслы представлена на рисунке 2.
Конденсатор С1 заряжается от источника питания 220В через повышающий трансформатор Т1 до уровня, когда в искровом промежутке К1 происходит электрический пробой воздуха и разряжается на первичную катушку индуктивности L1 за время пока горит дуга.
а-зарядка конденсатора от источника питания; б-разрядка конденсатора через искровой промежуток.
Рисунок 2 – Принцип работы трансформатора Теслы
За время, пока в разряднике К1 горит дуга, в трансформаторе происходит большое количество колебаний определенной частоты, которые постепенно затухают. Частота работы трансформатора зависит от емкости конденсатора С1 и индуктивности L1. Эти элементы образуют первичный колебательный контур. L1 состоит из нескольких (1-10) витков провода большого сечения с малой индуктивностью, и может быть выполнена в виде плоской спирали, а конденсатор, как правило, имеет большую емкость.
С2 и L2 образуют вторичный колебательный контур, который должен иметь точно такую же частоту, как и первичный контур для возникновения резонанса между ними (связанные контура). Для того, чтоб трансформатор был повышающим напряжение, катушка L2 делается из большого количества витков тонкого провода. Емкость C2 вторичного контура состоит из емкости катушки L2 и дополнительной емкости, которой может служить объемный металлический предмет, как правило, сферической или тороидальной формы. Если трансформатор подключается в однопроводную линию, то емкостью С2 служит собственная емкость проводника, из которой эта линия состоит. Её обязательно следует учитывать в расчетах, иначе система работать не будет.
В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферромагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками L1 и L2 гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферро магнитным сердечником. В итоге, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов.
Важным моментом в описании работы трансформатора Теслы является четверть-волновой резонанс во вторичной катушке L2. Сам Тесла пишет об этом так: « Длина вторичной обмотки составляет примерно четверть длины волны электрического возмущения во вторичной цепи, основанного на скорости распространения электрического возмущения по самой обмотке и цепи, то есть, если скорость тока в цепи, включая обмотку, составляет сто восемьдесят пять тысяч миль в секунду (в настоящее время 186 000 миль/сек, или 300 000 км/ч), то частота в 925 колебаний в секунду будет поддерживать 925 стоячих волн в цепи длиной 185 тысяч миль, а длина каждой волны будет составлять 200 миль. Для такой частоты придется использовать обмотку длиной в пятьдесят миль, так что на одном выводе потенциал будет нулевым, а на другом – максимальным».
Учитывая выше описанное мы имеем стоячую волну в высоковольтной катушке L2 трансформатора Теслы, которая в случае подключения трансформатора в линию, так же распространяется и по всей длине линии и, в том числе, и в приемной катушке понижающего трансформатора. Стоячая волна возникает на всей длине проводника от точки его заземления, до точки его окончания.
Так как в катушке присутствует стоячая волна, напряжение и ток распределяются неравномерно по всей её длине. Существуют максимумы и минимумы напряжения и тока, кратные четверти длины волны, по этому очень важно учитывать четверть-волновую длину в расчетах.
Н.Тесла так же отмечает в своем патенте: «Обмотки такого характера имеют ряд важных преимуществ. Поскольку потенциал возрастает с числом витков, разность потенциалов между соседними витками сравнительно невелика, и , следовательно, можно создавать весьма высокий потенциал, недостижимый в обычных обмотках».
В ламповом генераторе искровой разрядник заменен вакуумной лампой. Принцип работы примерно такой же.
Теперь, владея всеми этими знаниями о работе трансформатора Тесла перейдем непосредственно к экспериментам которые направлены на получение понятий об общих принципах и свойствах однопроводной линии. В качестве передатчика и приемника использовались устройства, представленные здесь. Видео экспериментов снято в большинстве случаев мобильным телефоном, так как другой фототехники не было. Часто телефон прекращал съемку в высоковольтном поле системы.
Рисунок 3– Приемник и передатчик (трансформаторы Тесла)
Эксперимент №1 — Испытание линии без приемника и особенности настройки. В качестве первого эксперимента проведено включение линии без приемника. Схема эксперимента представлена на рисунке 4.
1- генератор; 2- резонансный трансформатор Тесла; 3-однопроводниковая линия; 4-приемная катушка; 5-нагрузка – лампа накаливания 15Вт.
Рисунок 4 – Схема эксперимента №1
Генератор работает на однопроводную линию в нагрузке которой подключена лампа накаливания 15Вт. Лампа подключена одним контактом, второй контакт никуда не подключен — висит в воздухе.
Из-за наличия стоячей волны в линии и катушках напряжение не равномерно распределено во всей системе. Примерная схема распределения напряжения представлена на рис.5.
2-передающая катушка L2 (рис 2.4); 3-однопроводниковая линия; 4-приемная катушка L3; 5-нагрузка.
Рисунок 5 – Схема распределения амплитуды тока и напряжения по длине линии в какой-то произвольный момент времени
В данном случае линия длинной 1.2м. не существенно влияет на распределение стоячей волны и её длинной можно пренебречь. Длина провода в катушке Lп = 152м. Использованы катушки с числом витков W = 1000 шт., проводом Ø0,21мм, на каркасе Ø50мм. С учетом двух катушек получается Lобщ. = 152х2 = 304м. Частота работы системы fраб = 546кГц (с учетом сферы) или 830кГц (без сферы). Нужно делать поправку в 5-10% на емкость линии и прочую паразитную емкость, которая снижает рабочую частоту, получим fраб = 510-520кГц. В качестве индикатора напряжения вдоль линии использовалась лампа дневного света (ЛДС). В точках с максимумом напряжения свечение лампы максимально. Интересный факт состоит в том , что ток в линии на разных участках направлен в разные или встречные стороны одновременно.
Рисунок 6 – Приемная катушка с лампой накаливания 15Вт
Важной особенностью является наличие небольшого куска провода длинной 5см на свободном конце лампы накаливания (нагрузка). Без него не возникает электрический ток и лампа не светится. Существуют предположение его назначения. Провод – это антенна, замыкающая какие-то токи смещения. Если провод приходится на участок линии с максимальным положительным потенциалом тока (или напряжения), то он замыкается с участком линии, на котором находится максимальный отрицательный потенциал тока (или напряжения). Провод так же может замыкаться на сторонние предметы и на землю. Фактически это одна из обкладок конденсатора. Каждый может поразмышлять над этим так как единого мнения по этому вопросу еще не сложилось.
Рассматривались версии о влиянии этого провода на частоту работы системы, однако при отсутствии провода система не работает, хотя провод таких небольших размеров совсем незначительно изменяет рабочую частоту своей собственной емкостью.
Испытывались варианты с перестройкой частоты генератора, добавлением другой внешней емкости к линии, приближение объемных металлических предметов и самого экспериментатора к катушкам – эти действия не привели к возникновению электрического тока. В лампе накаливания без свободного куска провода ток не возникает.
Если вместе с куском провода 5см подключить к линии объемные металлические предметы разных размеров, например металлическую сферу, ток в лампе, а соответственно и свечение будет увеличиваться до определенного момента, пока металлическая сфера будет изменять частоту в пределах рабочего диапазона системы. Подбором внешней емкости можно добиться максимального свечения лампы т.е. оптимально настроить систему на резонансную частоту. Отсюда делается вывод, что кусочек провода совсем незначительно влияет на изменение частоты.
С.В.Авраменко использовал подобную антенну и называл её источником свободных электронов или свободных носителей заряда. (так же как заземление только «завоздушивание»).
Если к этому куску провода подносить металлическую отвертку, то она примагничивается – магнитное поле и, соответственно, электрический ток на этом участке максимальны. Иногда к проводу нужно добавлять металлический предмет, например пластину из металла, аллюминиевую ленту или что-то подобное.
Об подобном эксперименте на длинной линии можно почитать вот здесь в журнале «Радио Всем» 1927г. №18.
ВИДЕО ЭКСПЕРИМЕНТА№1
Эксперимент №2 – Исследование влияния длины линии и диаметра проводника на параметры передачи. Схема эксперимента представлена на рисунке 7.
В ходе эксперимента были испытаны три линии разной длинны и сечения проводника: (длина, м/ диаметр проводника ,мм)
а)1,2/0,16; б)4/0,09; в)15/0,4.
Рисунок 7– Схема эксперимента №2
При смене линии и прежних настройках системы электрический ток в приемнике пропадал. После перестройки передатчика на другую частоту путем уменьшения или увеличения индуктивности свечение лампы восстанавливалось. Изменение индуктивности производилось подбором витков катушки L1 передающего контура.
Таким образом, каждая линия вносит в систему свою емкость и изменяет частоту работы. При изменении частоты работы смещается участок с наибольшим током в линии. Подбирая частоту передатчика, мы возвращаем участок с максимальным током в точку приема. Помимо линий, представленных на схеме эксперимента, были испытаны две линии одинаковой длины но разного диаметра. В этом случае так же пришлось немного перестроить передатчик.
Приемник, как и передатчик имеет две обмотки. Низковольтная обмотка имеет зацепы для регулирования напряжения в нагрузке. При первых двух линиях было отрегулировано напряжение в нагрузке 230В. Протекал ток в 0,05А, необходимый для зажигания 15 Ваттной лампочки почти на полную мощность. Помимо лампочки в нагрузку подключался и работал маломощный двигатель с вентилятором.
При испытаниях на линии «в» длинной 15м пришлось изменить контурный конденсатор передатчика и приемника, так как изменением числа витков L1 не удалось добиться нужной частоты. Линия такой длинны существенно снизила частоту вторичного контура и по этому пришлось дополнительно снижать частоту первичного контура. Так же пришлось увеличить напряжение питания генератора с 800В до 1300В для достижения требуемой мощности в нагрузке. Видимо линия такой длинны создает существенно большее замыкание распространяющейся с её помощью энергии на землю (больше площадь излучающей поверхнисти = больше потери).
Затухание энергии в линии можно объяснить высокой частотой работы системы. При fр=510кГц провод работает как излучающая антенна, при 800кГц без дополнительной сферы тем более. Оптимальны частоты 1-100кГц. Так же нужна хорошая изоляция проводника.
ВИДЕО ЭКСПЕРИМЕНТА№2
Эксперимент №3 – Использование нагрузки разной мощности при минимально тонкой линии передачи. Схема эксперимента представлена на рисунке 8.
Рисунок 8– Схема эксперимента №3
Линия передачи длинной 4м выполнена проводом Ø0,09мм. Примерная рабочая частота 800кГц. В качестве нагрузки по очереди подключались лампы накаливания 15, 25, 40 и 60 Вт.
Если требуется запитать лампу более 15Вт (25, 40 или 60Вт), то к свободному выводу приемной катушки нужно добавлять дополнительную емкость, например из металлических предметов. Для ламп 25Вт достаточно предмета объемом с корпус от блока питания ПК, для ламп 40-60Вт нужен предмет побольше, например тороид из алюминиевого воздуховода или небольшой металлический шкаф. Подключение непосредственно к заземлению ухудшало параметры передачи. Максимально зафиксированная передаваемая мощность составила 30Вт. Лампа 60Вт светит в половину мощности.
Как видно из эксперимента диаметр проводника однопроводной линии не влияет на передаваемую мощность и выбирается из соображений механической прочности. При включении в генератор на радиолампе ГУ-50 проводников диаметром от 0,00..1 до 0,09мм. следует учитывать механические вибрации линии. Размышления о причине возникновения вибраций в тонких линиях пришли к выводу о том, что выбиваясь с поверхности проводника, электроны сообщают проводнику импульс который его и раскачивает. А выбиваются они потому что на этот участок линии (с искрением) приходится максимум напряжения, и электрическое поле этого напряжения замыкается на сторонние объекты. Визуально это проявляется как корона или скорее небольшие высоковольтные разряды вдоль участка линии. С увеличением напряжения в линии искрить начинают и более толстые провода. К этой статье вопрос не относится, но всё же отмечу что при использовани генератора с лампой ГУ-81 и гораздо большем напряжении в линии, проводник Ø0,09 мм сразу же отрывало от передающей катушки или разрывало в каком нибудь другом слабом месте. Если экспериментатор ходит вдоль тонкой линии передачи искрение движется вслед за ним. На искрение и корону, а так же на ЭМ излучение приходятся основные потери. Если провод для линии взят от витой пары в ПВХ изоляции, то эта изоляция существенно снижает потери в сравнении с проводом в лаковой изоляции. Максимум напряжения стоячей волны не всегда попадает на участок с линией, но если линия очень длинная, а рабочая частота довольно высокая то на длине линии может укладываться несколько четверть-волновых длин с искрением.
С.В.Авраменко в своих экспериментах испытывал линии диаметром несколько микрометров. Вероятно, необходим минимальный проводящий слой электронов, чтоб энергия в линии передавалась. У меня к сожалению проволки тоньше чем 0,09 мм не было, поэтому испытать более тонкие линии не было возможности.
И еще, замечено, что лампы в приемнике однопроводной линии светят гораздо ярче, чем такие же лампы в обычной сети 220В. Возможно, измерения приборов в приемнике не совсем точны из-за особенностей линии.
ВИДЕО ЭКСПЕРИМЕНТА№3
Эксперимент №4 – Исследование катушек с различными параметрами. В ходе эксперимента были использованы пары приемной и передающей катушек, представленные в таблице 1. Некоторые пары катушек оснащались одинаковыми металлическими сферами для дополнительного снижения рабочей частоты. В этом эксперименте использовался генератор на радиолампе ГУ-50, а так же Качер мощностью 20Вт.
Таблица 1 – Параметры катушек L2 и L3
| № | Диаметр каркаса, мм | Диаметр провода обмотки, мм | Количество витков, шт. | Собственная резон. частота катушки, кГц |
| 1 | 75 | 0,11 | 550 | 700 |
| 2 | 20 | 0,09 | 900 | 2300 (2,3 МГц) |
| 3 | 50 | 0,21 | 1000 | 800 |
| 4 | 50 | 0,5 | 400 | 2000 (2,0 МГц) |
| 5 | 50 | 0,16 | 1200 | 600 |
Длинна линии 1.2м, проводом 0,16мм. оставалась неизменной. Схема эксперимента представлена на рисунке 9.
Рисунок 9 – Схема эксперимента №4
В результате установлено, что передаваемая мощность доходит в нагрузку при одинаковых катушках. При использовании разных катушек приемника и передатчика свечение лампы в нагрузке не наблюдается у лампового генератора и в некоторых случаях у Качера. Однако в других случаях Качер работал и с разными катушками. Вобще трудно понять как и когда этот Качер работает. Его схема не содержит контурной емкости и он работает на частоте вторичной обмоки. Вероятно он «видит» передающую и приемную катушки, а так же линию передачи как единую систему и подстраивается под её частоту. Но так же есть предположение, что его частота зависит только от передающей катушки. Вернемся к нему позже.
Результаты эксперимента при двух различных катушках в паре передатчик-приемник можно объяснить рассогласованием частоты приемной стороны относительно передающей.
В ходе эксперимента одна из ламп накаливания упала на пол и у неё оторвалась нить накала, однако лампа от этого светить не перестала.
Рисунок 10 – Использование в передатчике и приемнике катушки №2 табл.1 (В качестве передатчика — Качер)
При использовании разных катушек приемника и передатчика нужно дополнять например катушку приемника дополнительной емкостью тем самым подстраивая её под частоту катушки передатчика. В такой ситуации ток в нагрузке возникает при двух разных катушка. Т.е. мы видим что одно из главных условий в однопроводной передаче это совпадение частот передатчика и приемника (как в радиосвязи)
Эксперимент №5 – передача электроэнергии с оборванной линией. В ходе проведения многочисленных испытаний со сменой катушек, линий передачи и прочих настройках в один из запусков было забыто подключить линию к передающей катушке. Однако лампочка 15 Вт в нагрузке светилась. Схема эксперимента представлена на рисунке 11.
Рисунок 11 – Схема эксперимента №5 – передача электроэнергии с оборванной линией
При расположении конца линии до 30см от передающей катушки, лампа в нагрузке светилась примерно ватт на 10! Этот интересный факт заставил поразмышлять и вовсе о беспроводном способе передачи электроэнергии. На передающей катушке возникал коронный разряд при отдалении линии и пропадал при её приближении. Использовалась пара катушек №5 из таблицы 1. После этого эксперимента было решено испытать беспроводные возможности системы. Этому вопросу будут посвящены несколько последующих статеи.
Эксперимент №6 – Подключение в линию резистора и конденсатора. На рисунке 12 представлена схема эксперимента, в котором в линию подключались по очереди и вместе несколько резисторов и конденсаторов различных номиналов. Линия выполнена проводом Ø0,35 мм и разделена на две части, каждая из которых длинной 1м. В нагрузке приемника включены две лампы 15Вт. Показания приемника без дополнительных элементов в линии Uн=100В, Iн=0,05А. Передатчик в большинстве экспериментов включается на пониженном напряжении чтоб избежать чрезмерного облучения. Если провести весь день возле работающего оборудования и не экранированных линий передачи с ВЧ токами, то некоторые физиологические ощущения в организме всё таки возникают.
Рисунок 12 – Схема эксперимента №6
Подключение в схему по очереди конденсаторов номиналом 1, 10, 100, 1000нФ не вызвало ни каких изменений в показаниях приборов. Подключение нескольких конденсаторов одинаковых номиналов на концах линии, так же не привело ни к каким изменениям.
Рисунок 13 – Подключение конденсатора 1мкФ в разрыв однопроводной линии
ВИДЕО ЭКСПЕРИМЕНТА№6 С КОНДЕНСАТОРАМИ
Затем в линию подключались резисторы. После подключения R1=1кОм показания напряжения и тока нагрузки немного снизились. U=90В, I=0,04А. Перестроив первичный контур VTTC в сторону уменьшения резонансной частоты передачи (добавление одного витка катушки L1) свечение ламп восстановилось, и показания вернулись к прежним значениям Uн=100В, Iн=0,05А.
Подключение в линию резистора 3,3кОм и 5,6кОм приводило к таким же результатам. Приходилось каждый раз снижать частоту генератора, на один виток увеличивая индуктивность катушки L1. Ощущался небольшой нагрев 5 Ваттного резистора, свидетельствующий (возможно) о подключении резисторов в точку линии с большим током (способным его нагреть).
ВИДЕО ЭКСПЕРИМЕНТА№6 С РЕЗИСТОРАМИ
Далее в линию был подключен резистор 4,7МОм. Напряжение и ток в приемнике пропали, свечение ламп прекратилось. На выводе резистора подключенного в линию со стороны генератора искрил высоковольтный разряд, как в катушках Тесла без нагрузки.
Рисунок 14 – Высоковольтный разряд с одного из выводов резистора 4,7МОм в разрыве однопроводной линии
ВИДЕО ЭКСПЕРИМЕНТА№6 С РЕЗИСТОРОМ 4.7МОм
Получилось, что теперь на резистор попал максимум напряжения. Вторая часть линии и нагрузка по неясным причинам не принимала энергию передатчика.
После некоторых манипуляций с приемником, изменении количества витков вторичной обмотки приемника, добавлении дополнительной емкости к нижнему отводу первичной обмотки и др., удалось добиться восстановления свечения ламп в нагрузке, хотя не в полную мощность. Включился беспроводный механизм передачи электроэнергии, и искрение на резисторе 4,7МОм в разрыве однопроводной линии пропало.
В результате этих экспериментов можно сделать следующие краткие выводы:
1.Электроэнергия передается по однопроводной линии с точно настроенными на резонансную частоту приемником и передатчиком.
2.Линией передачи могут быть проводники минимально возможного диаметра.
3.Линия должна быть экранирована, а рабочая частота не должна превышать 100кГц.
4.Для возникновения электрического тока в нагрузке необходима небольшая антенна на свободном выводе приемной катушки при малых мощностях и объемный металлический предмет при больших.
Возможно в будущем эта статья будет дополнена или написана дополнительная так как представлена только половина проведенных экспериментов. Будут рассмотрены параллельное и последовательное подключение нескольких приемников, передача электричества через емкость с водой и некоторые другие.
Однопроводная система передачи с генератором на радиолампе ГУ-50 имеет высокую частоту работы и маленький КПД (15-20%), но несмотря на это детали для её постройки имеются в свободном доступе, схема передатчика и приемника относительно несложная и всё это вместе позволило провести эксперименты и получить общие понятия об однопроводном резонансном методе передачи электроэнергии. На основании ошибок и полученного опыта в дальнейшем были построены более мощные системы на полупроводниках.
В следующей статье проведено исследование беспроводной передачи электроэнергии с использованием Качера.