В предыдущей части этой работы мы познакомились со схемотехникой приёмо-передающей цепи для передачи электрической энергии продольной волной. Здесь мы рассмотрим схемотехнические решения усилителя реактивной энергии, входящего в передающую цепь этого устройства. От него зависит соотношение энергий продольной и поперечной волн, которые будут потом распостраняться в ЛЭП, надёжность работы всей схемы. Кроме того, бо́льшая часть активных потерь возникает именно здесь.

К рассмотрению схемотехники усилителей предлагается всего два варианта. Первый — это классический ZVS-драйвер, простота и надёжность которого может подкупить даже опытных радиоэлектронщиков. Его стандартная схема изображена на рисунке 6a, а принцип работы основан на классическом мультивибраторе, когда первый транзистор запирается открытым вторым транзистором, а после окончания колебательного процесса в подключённом к нему LC контуре, транзисторы меняются местами: первый транзистор открывается, а второй - запирается.

Схема автоматически настраивается в резонанс, что является огромным преимуществом перед другими, где генерация осуществляется внешним генератором. Недостатком такой схемы является её очень сложный запуск, и чем схема мощнее, тем для него требуется больший начальный импульс. По сути, для запуска требуется конденсатор большой ёмкости по питанию и мощная кнопка включения. Еще один способ запуска — довольно мощный источник питания (либо аккумулятор), мощность которого должна в несколько раз превышать рабочую мощность драйвера.

Ещё один недостаток данного варианта — применение дросселей L1-L2, в которых находится часть реактивной мощности. Она нагревает эти элементы и тем самым создаёт дополнительные потери. Также, такая схемотехника, как правило, работает от достаточно низких напряжений питания (V1 по схеме).

Куда более гибкий (второй) вариант схемотехники предлагают полумостовые или мостовые схемы. Структурно полумостовая схема изображена на рисунке 6b, где имеется внешний задающий генератор G1, полумостовой усилитель DA1, который поочерёдно открывает транзисторы VT1-VT2, чем обуславливает появление на её выходе прямоугольных импульсов, амплитудой, равной величине напряжения питания V1. Далее, эти импульсы, проходя через резонансную цепочку C1-L1 (рис. 2-5), увеличиваются по амплитуде, становятся синусоидальными и уже такими поступают в ЛЭП.

Вариант исполнения полумостовой схемы с генератором представлен здесь.

Недостаток такого схемотехнического решения очевиден — требуется ручная подстройка резонансной частоты, которая при изменении нагрузки и параметров ЛЭП, может плавать в довольно широких пределах. Для устранения этого недостатка в схему вводится фазовая автоподстройка частоты (ФАПЧ). На рисунке 7a она изображена блоком PLL, который управляет частотой задающего генератора G1. Как правило, PLL и G1 собираются в корпусе одной микросхемы.

Гибкость полумостового варианта заключается ещё и в том, что он позволяет достаточно легко ввести отрицательную обратную связь для защиты выходных транзисторов от бросков напряжения в ЛЭП и всевозможных изменений сопротивления нагрузки, вплоть до её короткого замыкания. Это достигается при помощи низкоомного сопротивления Rp и компараторной схемы PRT, которая, в случае срабатывания, отключает на время усилитель DA1 (рис. 7b). Сделать такую же обратную связь в схемотехнике ZVS-драйвера проблематично, т.к. он потребует дополнительного запуска после срабатывания защиты.

На данный момент, с учётом всех преимуществ и недостатков представленных схемотехнических вариантов, авторы видят оптимальную структурную схему для ЛЭП продольной волны, представленной на рисунке 8. Она может работать при разных питающих напряжениях — от 12 до 500 В, автоматически находит резонансную частоту работы всей системы и имеет защиту от перегрузок в ЛЭП, вплоть до полного замыкания в линии.

Нерешённой остаётся задача автоматического изменения индуктивности L2 в зависимости от изменения сопротивления нагрузки Rn (по формуле 2). Один из возможных путей её решение — введение обратной связи с сердечником этой катушки по принципу магнитного усилителя [1]: чем больше будет ток нагрузки, тем больше нужно вводить этот сердечник в насыщение. Этот же подход может позволить решить и проблему поддержки стабильного напряжения на нагрузке. Здесь правда необходимо отметить, что при относительно небольших изменениях сопротивления Rn, например в 2 раза, схема достаточно стабильно работает и без подстройки этой индуктивности.

Ещё одной теоретической и практической проблемой продольных ЛЭП остаётся довольно большая реактивная энергия, циркулирующая в LC1 (рис. 1), которая может на практике в несколько раз превышать активную, получаемую на нагрузке. Для её поддержания требуются соответствующие этой мощности катушка L1 и конденсатор C1 (рис. 2-5).

Тем не менее, даже на текущем уровне техники, это направление имеет огромные перспективы уже сегодня, например, для трансляции электрической энергии от ветрогенераторов и солнечных станций до инверторов, где для этого сейчас применяются довольно толстые провода. Если это расстояние значительное, то применение ЛЭП продольной волны может сократить расходы на цветной металл во много раз, при той же передаваемой мощности и тех же потерях.

Также, перспективным направлением авторам видится добработка уже существующих промышленных электрических сетей для передачи большей мощности. По сути, речь идёт об установке дополнительного оборудования на передающи и приёмный концы промышленной ЛЭП для её усиления. При этом, сама ЛЭП никаким изменениям не подвергается.

1. Представленная ЛЭП не является альтернативой и заменой существующих магистральных и распределительных электрических сетей среднего и высокого напряжения, включая линии на постоянном токе. Она может найти применение в случаях, когда передача электроэнергии традиционной сети до 1 кВ 50 Гц для удаленных единичных маломощных источников и потребителей электроэнергии невозможна или экономически не выгодна.

2. В случае подтверждения работоспособности и безопасности представленных ЛЭП возможно её использование для:

• обвязки удалённых центров генерации с небольшой единичной мощностью установок ВИЭ (СЭС, ВЭС, микроГЭС и др.);
• электроснабжения наземной, водной/подводной и воздушной инфраструктуры потребителей, в частности — робототехники;
• организации систем уличного освещения;
• создание цепей для экспорта избытков электроэнергии из сетей «микрогрид», активных энергетических комплексов.

3. Применительно к интересам электросетевых компаний данный комплект ЛЭП при соответствующем масштабировании (как по количеству параллельно работающих комплектов, так и по мощности единичного комплекта) может быть применён в случае необходимости электроснабжения отдельных потребителей, например частных домов, индивидуальных хозяйств, не имеющих централизованного электроснабжения, либо в качестве резервного источника питания различных потребителей. Также данная ЛЭП может быть использована при построении схем электропитания зарядной инфраструктуры электротранспорта, магистралям левитирующих транспортных средств, беспилотных летательных аппаратов.