РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ С ПОМОЩЬЮ
ТЕСЛОВСКИХ ПРОЦЕССОВ И МЕТОДОВ ИХ РАСЧЕТА
2.1. Структура базовой принципиальной схемы для передачи энергии без проводов
на небольшие расстояния
В данном разделе ограничимся случаем беспроводной передачи энергии при помощи
тесловских процессов на сравнительно небольшие расстояния (несколько
сантиметров) для питания некоторой гипотетической RL-нагрузки. Представим
тесловский процесс передачи энергии без проводов как передачу электромагнитной
энергии токами высокой частоты через частичные емкости среды между передающими
и принимающими антеннами. Следует отметить, что термин "антенна" при
рассмотрении тесловских процессов отличается по смыслу от принятого в
радиотехнике [63 – 64]. В тесловских процессах излучение энергии является
второстепенным и уменьшает к.п.д. процесса передачи, поэтому при создании
систем беспроводной передачи энергии необходимо стремится к уменьшению
излучения. Следовательно, передающей (принимающей) антенной в тесловской цепи
выступает проводник любой формы, образующий частичные емкости с аналогичными
проводниками-антеннами приемника (передатчика). К геометрическим размерам
антенн при тесловских процессах не предъявляются такие строгие требования как
при радиопередаче, однако геометрические размеры антенн, как будет показано
ниже, также сильно влияют на эффективность беспроводной передачи энергии
тесловскими процессами.
Поскольку в данной работе мы ограничиваемся передачей энергии на сравнительно
небольшие расстояния между антеннами, то влиянием земли можно пренебречь и при
расчете не учитывать. Учет влияния земли при больших расстояниях между
антеннами усложняет расчет, не меняя сути и методов расчета процесса передачи
энергии, и требует дополнительного рассмотрения.
Простейшая схема беспроводной передачи энергии при помощи тесловских процессов
показана на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Схема передачи энергии
В качестве источника энергии в тесловских схемах применяется высокочастотный
генератор (преобразователь), который вырабатывает переменное напряжение UГ,
необходимое для протекания тесловских процессов. Его необходимость объясняется
тем, что для эффективного прохождения тесловских процессов, необходимо
высоковольтное высокочастотное электрическое поле. Чем выше напряжение
генератора UГ, тем выше передаваемая мощность. При передаче энергии на
небольшие расстояния в качестве высокочастотных генераторов можно использовать
инверторы. Современные инверторы позволяют получить выходное напряжение до
500 В без применения дополнительных повышающих устройств. Однако такое
напряжение может быть недостаточным для передачи требуемой мощности, поэтому
для увеличения напряжения источника можно использовать высокочастотный
повышающий трансформатор. Введение высокочастотного высоковольтного повышающего
трансформатора влияет на распределение и соотношение реактивных параметров
системы беспроводной передачи энергии, следовательно, изменяет условие
резонанса в данной системе, и поэтому параметры трансформатора должны
учитываться при анализе подобных систем. В данном разделе при анализе
тесловских процессов для беспроводной передачи энергии параметры повышающего
трансформатора не учитывались, дабы не усложнять расчет. Позднее, в разделе 4,
более подробно остановимся на влиянии повышающего трансформатора, рассмотрим
пример расчета схемы передачи энергии без проводов при помощи тесловских
процессов, учитывающий параметры повышающего трансформатора.
Для эффективного протекания тесловских процессов частота генератора должна
находиться в пределах от 20 кГц до 1 МГц. При более низких частотах
эффективность передачи энергии невелика, а при увеличении частоты выше 1 МГц
увеличиваются потери на излучение, уменьшая тем самым КПД тесловского процесса
[57].
Емкости С12, С34, С13, С24, С14, С23 являются частичными емкостями среды между
антеннами, за счет которых происходит передача энергии от источника к
RL-нагрузке. Как отмечалось выше, в качестве антенн могут применяться
проводники любой формы. То какой форме антенн отдать предпочтение зависит от
области применения соответствующей схемы беспроводной передачи энергии при
помощи тесловских процессов. Но следует иметь в виду, что частичные емкости
между антеннами очень сильно зависят от геометрических размеров и формы антенн,
а также их взаимного расположения, что будет показано ниже. Для эффективной
передачи энергии необходимо, чтобы расстояния между передающими и приемными
антеннами были сравнимы с расстояниями между парами приемных – передающих
антенн.
2.2. Определение основных характеристик и параметров схемы при помощи метода
эквивалентного генератора
Расчет энергетических параметров схемы передачи энергии при помощи тесловских
процессов можно проводить методами теории поля, однако это значительно
усложняет расчет [65 – 66]. Для упрощения расчета можно воспользоваться методом
эквивалентного генератора. Однако для этого необходимо уметь определять
величину частичных емкостей между передающими и приемными антеннами, различной
геометрической формы и размеров.
Частичные емкости С12, С13, С14, С23, С24 и С34 между передающими антеннами 1-3
и антеннами приемника 2-4 зависят от многих факторов: размеров антенн, их
взаимного расположения, расстояния между антеннами, диэлектрической
проницаемости среды и т.д. Поэтому в случае изменения формы или взаимного
расположения антенн необходимо уточнять расчетные формулы. Точных формул для
расчета частичных емкостей между проводниками пока не
- Київ+380960830922