Здравейте колеги!
Прикачената книга на руският учен Д.С. Стребков "Резонансные методы передачи и применения электрической энергии" във формат DJVU е интересна и показва, че в действителност са направени тестове на устройствата на Тесла от руснаците.
Целта е само пренасяне на електричество, а не КПД>1, но за сметка на това има интересни заключения.
Водя се от мнението на германският проф. Константин Мейл, който твърди, че еднопроводното предаване на Тесла е способно да осигури 100% КПД на преносната линия (без загуби), но пък безпроводното предаване на енергия винаги е с КПД>1. Затова акцентирам на системите за безпроводно предаване на електроенергия.
От голям интерес за нашите изследвания е информацията между стр. 140 и 159 на посочената книга.
На стр. 141 е посочена рисунка 1.77
Преводът по-долу е ориентировъчен, за пълни подробности вижте посочените страници от книгата.
Трифазният източник на електроенергия 1 създава на изхода на преобразователя на честота 2 високочестотни колебанияс резонансна честота
f0 = 1 / [ 2*pi*sqrt(L1*C1) ]
където L1 - индуктивност на първичната намотка на т-р 4; C1 - сумарният капацитет на двата кондензатора 3 в контура L1C1.
Резонансна честота f2 в намотка L2 равна на резонансната честота f3 в резонатор L3, f2 = f3 = f
Ако настроите резонанса на всяка верига по отделно L1 и L2 на еднаква честота f0, то при съвместната им работа резонансната честота f0 поради взаимната индукция на намотки L1 и L2 ще се отличава от f0. f0 < f1; f0 < f2.
(бел.п. mzk - значи трябва резонанса на първичната да се прави в присъствието на вторичната намотка???).
Разликата в честотите delta f = f1-f0 = f2-f0 води до появата на биения и ще бъде толкова по- голяма, колкото е по- голям коефициента на магнитната връзка на намотките и коефициента на магнитната индукция.
При наличие на колебания в контура L1C1 електромагнитната енергия се предава във вторичната намотка L2. От веригата L1C1 електромагнитната енергия се предава в спиралния вълновод 5 с честота f2 = f3, и напрежение V2 = nV1, където n - коефициент на трансформация на трансформатора 4, и ток I2 = I1 / n
Особеност на четвъртвълновия вълновод 5 се явява способността му да "изпомпва" магнитната енергия с възможност да освободи запасения капацитет в кондензатор 6 за кратко време. По същество спиралният вълновод 5 е аналог на лазер, работещ в диапазона на ниски честоти от 1 до 100 кХз при максимално възможно съхранена мощност и мощност на импулсния заряд над 1010 вата и импулсни напречения над 50 мегаволта.
Нагнетяването на електромагнитна енергия във вълновода 5 се произвежда от резонансния т-р 4 по следния начин. При пускане на напрежение от т-р 2 на вълновода 5, падащата вълна постъпва на входа вълновода 5 и се отразява обратно от неговия отворен край без изменение на фазата на вълната. Отразената вълна достига края на вълновода 5, който е свързан с L2 и повторно се отразява с изменение на фазата на вълната на 180 градуса. Вълната на напрежение минава два пъти през четвъртвълновата линия 5 (тук и обратно), нейната фаза се изменя при движението също на 180 градуса и затова нейната фаза съвпада с фазата на вълната постъпваща от източника на енергия L2. В резултат на това амплитудата на вълната на напрежението се удвоява на всеки две отражения от края и началото на вълновода 5. Възниква стояща вълна във вид на една четвърт синусоидална вълна с начало на синусоидата в началото на вълновода 5 с напрежение Vmin и в края на вълновода в точката на кондензатора 6 с максимално напрежение Vmax.
Увеличението на напрежението на изхода на вълновода 5 се определя не от качествения фактор Q на контура както в обикновените отворени линии, а с величината ae, която е обратна на произведението на коефициента за затихване във вълновода на дължина H, т.е. ае е обратно пропорционална на загубата на енергия във вълновода.
ae = 1/ (alpha*H)
Кохерентността се обезпечава за сметка на синхронизацията на честотата f0 със скорост u на разпространение на вълната на напрежението във вълновода и неговата дължина H.
Формула 1.9
Натрупването става по аналогия с лазерите в режим на модулиран качествен фактор, когато добавената енергия постъпва кохерентно чрез интервал от време Тк равен на преминаването на вълната от началото до края на вълновода и обратно.
Формула 1.10
Напрежението на капацитета 6 се определя от загубите в четвъртвълновата резонансна линия и електрическата устойчивост на изолацията и превишава напрежението на изхода на резонансния т-р L2 в 20-200 пъти и може да достигне величина 100 млн волта.
При резонансна честота и високо напрежение на капацитета 6 на изхода на игловидния формировател 7, в атмосферата се образува емисия стримери, която формира проводящ канал 8 от кондензатора 6 към приемника на излъчването 9. В пределите на атмосферата проводящият канал се формира чрез емисия на електрони от заострения край на игловидния формировател на проводящия канал. Електрическата енергия се предава във вид на лъч от електромъгнитно излъчване с честота f0. Електрическата енергия от източника на енергия 1, която е запасена в кондензатора 6 постъпва по проводящия канал 8 към приемника 9 и след това на високоволтовия вход на понижаващия т-р 12. Нисковолтовата намотка 13 на т-р 12 с помощта на кондензатора 14 се настройва на резонансна честота на вълната, която е сформирана в резонатора 5. В проводящия канал 8 възниква стояща вълна на ток и напрежение. Токът на последователния резонансен кръг с капацитет 14 постъпва в преобразователя на честота 15 и след това в товара 16. Параметрите на понижаващия резонансен т-р 12 се избират аналогично на параметрите на т-р 11.
Дължината на проводящия канал 8 за предаване на енергия в атмосферата на земята съставлява 150-500 км. А извън пределите на атмосферата на земята 500-500 000 км.
Разчета на параметрите на резонансната система за безпроводно предаване на електрическата енергия ще ги проведем използвайки известните параметри на резонансната система, изпитани от Тесла в Колорадо Спрингс през 1899. [2,9,35,36]. Електрическата схема на предаващия блок на резонансната система за безпроводно предаване на енергията е показана на рис 1.78. Захранващият т-р има електрическа мощност 50 кВА, входното напрежение V = 1000 в. Честотата = 140 Хз. Изходното напрежение V1 = 70 кВ.
Резонансният т-р е направен във вид на кръгла затворена дървена конструкция с диаметър D1= 15m, височина H1=2.44 m. Първичната намотка се състои от 2 секции, като всяка от секциите е изпълнена от 37 медни пводоника, всички секции съединени паралелно. Количеството на намотките N1 = 1. Индуктивността на първичната намотка L1 = 27 микрохенри. Активното съпровитление на първичната амотка при честота 90 кХз R1 = 8 ома. Капацитета на първичната намотка C1= 0.12 мкф.
Вторичната намотка се състои от N2 = 20 навивки намотани плътно една до друга от два паралелно съединени проводника с диаметър 2.55*10-3 m.
Индуктивност на вторичната намотка L2 = 9 mH.
Коефициента на трансформация n = N2/N1 = 20
Енергията на заредения кондензатор Q= ½*C1*V2
Представяйки C1=0.12 мкф, V-70 kV, получаваме Q=300 дж.
Разчета на параметрите на допълнителната намотка (extra coil по терминология на Тесла) ще проведем използвайки съвременните представи за принципа на функционирането и параметрите на спирален проводник. [2,37]. Спиралната допълнителна намотка на Тесла се явява спирален вълновод, и цилиндрична спирална антена и притежава две забележителни свойства:
1. Тя изпълнява функции на забавяща система, в която фазовата скорост на разпространение на ЕМВ е значително по- малка от скоростта на разпространение на ЕМВ в свободното пространство.
2. При малка стъпка на спиралата, излъчването на антената се фокусира по оста на спиралната антена.
В раздел 1.4 разгледахме използването на високоволтни спирални антени за безпроводна система за предаване на електрическа енергия. Параметрите на допълнителната намотка на Тесла са диаметър (L3) D=2.515 m, височина H = 2.44m, брой намотки 95. Намотката е изпълнена еднослойно от меден проводник с диаметър 1,25 мм. Дължина на намотката е 2*pi*D*N = 1500 м; разстоянието между витките = 0.0125 м. Капацитетът C3 е 300 pF.
Разчетът на спиралната намотка се осъществява по известните формули за четвървълнова отворена в края линия [38, 39].
Напрежението в линията представлява сума от падаща и отразена вълна, интерференцията на която образува стоящи вълни. Коефициент на разпространение на вълната.
Коеф на затихване alfa се определя от загубите на съпротивление в линията и диелектрическите загуби в шунтовото съпротивление. Фазовата постоянна бета = 2*пи/ламбда
--------- формули
Практически достижимото напрежение Vh е ограничено от загубите във веригата и може да достига 20-100 млн. волта. Н. Тесла е писал в своята автобиография, че при диаметър на сферичен капацитет 30 фута (9,15 м) токът на разряда на този капацитет представлява 2000-4000 ампера. Кулата в лабораторията в Лонг Айлънд имала височина 50м и диаметър на сферичния капацитет 20,84 метра. При напрежение на генератора 100 млн волта и разряден ток на кондензатора 10 000 ампера макималната импулсна мощност на генератора представлява 1 терават.
Защо Н. Тесла използва трансформатори с голям диаметър, а витките на допълнителната намотка на каркаса е разполагал на разстояние една от друга съизмеримо или превишаващо диаметъра на проводника? Очевидно, че това се е правело с цел за снижение загубите в резонансния контур за сметка на увеличение на качествения фактор и намаляване на паразитния междувитков капацитет на намотките. За намаляване на загубите на вихровите токове първичната намотка на т-р на Тесла се е състояла от множество паралелни снопове от многожилен проводник (аналог на съвременния лицендрат). Затова не обръщайки внимание на гигантските токове и потоци на реактивна мощност в контурите, загубите на активна мощност Тесла е оценявал на 3-4% от предаваната мощност.
При работа на генератора с честота f0 >= 6 Хз, около точките на заземлнеие осисиметрично възникват стоящи вълни, възли и върхове, които са разположени на земята във вид на окръжности с центрове на вертикали, минаващи през точката на заземление на генератора. При честота по- малка от 6 Хз, земята като еднопроводна линия не проявява резонансни свойства и се държи като статически капацитет.
