Название этой работы не соответствует классическим канонам теоретической электродинамики, но зато хорошо совпадает с наблюдаемыми на практике явлениями. Именно с практической точки зрения, на основании многочисленных опытов, мы и представим здесь некоторые системы передачи электрической энергии через линию электропередачи (ЛЭП), параметры которой будут на порядки отличаться от расчётных. Например, диаметр проводников ЛЭП может быть на порядок меньше, чем требуется для передачи мощности классическим методом. А это означает, что расход цветных металлов для передачи одной и той же мощности, при тех же самых или даже меньших потерях, соответственно, и стоимость строительно-монтажныех работ, можно уменьшить в разы. Выполненный технико-экономический расчёт на примере ЛЭП длиной 3 км и мощностью 10 кВт доказывает её финансовую целесообразность. Всё дело в том, что электрическая энергии может транслироваться при помощи продольной волны [1], в которой заряды движутся по поверхности проводника, и которая, к слову сказать, в теории не существует :)

На самом деле, и это показала практика, при передаче энергии в проводе всегда мирно сосуществуют две волны: поперечная и продольная. Если первая волна хорошо изучена и теоретически обоснована, то вторая — оказывается в новинку даже для опытных радиоэлектронщиков. А ведь для эффективной передачи энергии нужно всего-лишь научиться менять и правильно находить соотношения между ними! В этой работе мы затронем некоторые аспекты данной проблемы, покажем и сравним схемотехнические варианты получения продольной волны в проводнике, выведем некоторые математические зависимости и получим оптимизированную схему устройства для эффективной передачи электрической энергии.

Структурная схема генерации и передачи электрической энергии при помощи продольных волн изображена на рисунке 1. Генератор G1 вырабатывает колебания, которые доводятся до необходимого уровня тока и напряжения в усилителе реактивной энергии LC1. Исходя из опытных данных можно сказать, что реактивная мощность в LC1 должна быть в несколько раз больше той активной, которую мы получим на приёмном конце. Этот факт, к слову, является одной из теоретических и практических проблем данного направления. Далее, часть этой мощности поступает в линию электропередачи LL1 и при помощи продольных волн передаётся на приёмный контур LC2. Его задача — обратное преобразование продольных волн в классическую активную мощность, которая затем поступает в нагрузку Rn.

Причина появления продольной волны обусловлена резонансными процессами, происходящими в системе LC1-LL1-LC2 и обязана своему происхождению реактивной компоненте. Если в промышленных сетях с ней борятся всевозможными способами, то здесь эта компонента принимает самое непосредственное участие в переносе энергии. Интересно, что параметры LC2, как показала практика, при достаточно длинной ЛЭП, практически не влияют на резонансную частоту.

При таком способе передаче электрической энергии, активное сопротивление ЛЭП не вносит потерь в транслируемую мощность и поэтому не рассматривается в этой работе. Активные потери оказываются состедоточены, в основном, в усилителе реактивной мощности LC1 и в приёмном контуре LC2. Об уменьшении и оптимизации потерь в этих элементах схемы мы и поговорим далее.

Второй провод, который на рисунке изображён в виде общей точки, в реальности может быть выполнен в двух вариантах: в виде оплётки кабеля (рис. 2a), либо в виде двух заземлений на передающем и приёмном конце (рис. 2b). Эта точка работает, как противовес или опора, как это было предложено ещё в системе трансформатора Тесла [2], где они выполняли роль «обнулителей». Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки, но в этой работе мы рассмотрим первый вариант LL1: кабель с центральной жилой и оплёткой.

На рисунке 2 представлена базовая структурная схема приёмо-передающей цепи для передачи электрической энергии продольной волной. Здесь: G1 — задающий генератор, U1 — усилитель, C1 — резонансный разделительный конденсатор, L1 — резонансный передающий трансформатор, L2 — широкополосный приёмный трансформатор. U1-C1-L1 образуют усилитель реактивной мощности (LC1 на рис. 1). Он отвечает за генерацию продольной волны, которая распостраняется по проводнику LL1 и попадает в приёмный трансформатор L2. Там происходит съём энергии, передаваемой продольной волной, с последующим преобразованием в классическую полную мощность, которая поступает в нагрузку Rn.

Вообще говоря, на приёмном конце также должна располагаться резонансная ёмкость, образующая с L2 приёмный резонансный контур, но на практике оказалось достаточным, чтобы трансформатор L2 был широкополосным.

Резонансную частоту передающей части, как оказалось на практике, можно рассчитать по следующей формуле: \[ \omega = {(1 + n)^{1/4} \over (L_{1.1} C_1)^{1/2}} \qquad (1)\] Где: \(n\) — соотношение витков вторичной и первичной обмотки трансформатора L1, \(\omega\) — угловая частота, равная \(\omega = 2 \pi f\). Здесь \(f\) — частота задающего генератора.

Основным преимуществом такой схемотехники является гальваническая развязка блока LC1 с остальной схемой: ЛЭП и приёмником. Но такая развязка требуется не всегда. Например, для трансляции энергии, получаемой от солнечных панелей, ветрогенераторов и прочих подобных устройств, она не нужна. Кроме того, используя стандартное заземление электрических сетей и соответствующую схемотехнику выпрямителей, также можно уйти от гальванической развязки. Такой подход сразу даёт выигрыш по оптимизации активных потерь в L1 за счёт отстутствия вторичной обмотки (рис. 3).

Но в таком случае можно пойти дальше и уйти от двух обмоток в приёмной катушке L2. Однако на практике оказалось, что нельзя поступить также, как это было сделано с L1, здесь потребовалось немного изменить подход, учитывая, что мы имеем дело с продольной волной, которая должна быть преобразована в обычное электричество(рис. 4).

Катушка L1 при таком включении имеет свои особенности. Например, если её намотать на ферритовом кольце, то даже при выдержанных параметрах индуктивности, продольная волна не сформируется и устройство не будет правильно работать.

Интересным представляется и следующий схемотехнический вариант, где C1 и L1 поменяны местами (рис. 5). В этом случае по проводнику LL1, кроме продольной волны, передаётся и постоянная составляющая с выхода усилителя U1, которая в предыдущих случаях отсекалась ёмкостью C1. В классической схемотехнике такое включение называется Г-образным фильтром, а его элементы могут рассчитываться по известным формулам. Это может быть интересно для комбинированной передачи энергии одновременно разными способами, что повышает коэффициент использования ЛЭП. Кроме того, этот способ можно применить к уже существующим промышленным сетям, добавив несколько устройств на вход и выход ЛЭП.

Схемотехнические варианты, представленные на рисунках 4-5 имеют меньшие активные потери в сравнении с базовым вариантом за счёт отсутствия межобмоточных потерь при трансформации. Но есть некоторые условия для их применения.

Катушка L2, как оказалось на практике, должна представлять из себя один из вариантов трансформатора Тесла [2,3], причём достаточно одной его обмотки. При этом её оптимальная индуктивность рассчитывается по следующей формуле: \[ L_2 = {R_n \over \omega} \qquad (2)\] где: \(R_n\) — сопротивление нагрузки Rn.

Оптимальное соотношение индуктивности и ёмкости может находиться так: \[ \rho = \sqrt{L_1 \over C_1} \qquad (3)\] Здесь: \(\rho\) — известное волновое сопротивление ЛЭП. Резонансная частота передающего контура рассчитывается по формуле (1), но взятое со следующим значением: \(n = 0\). Остальные параметры элементов передающей части достаточно хорошо рассчитываются по формулам из работы [4].

Необходимо сделать следующее замечание о катушке L2. В ней, по сравнению с L1, не циркулирует большая реактивная энергия, а значит диаметр намоточного провода и её размеры, на практике, могут быть в несколько раз меньше.

В следующей части этой работы мы рассмотрим и сравним схемотехнические решения усилителя U1, сделаем выводы об оптимизации всего устройства.