Создание аппарата для демонстрации беспроводной передачи электроэнергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Областное государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Ульяновский техникум железнодорожного транспорта»

Создание аппарата для демонстрации беспроводной передачи электроэнергии

Усов Александр Сергеевич

группа СЭ 14.11

Руководитель работы

Белов Николай Александрович

преподаватель ОГБПОУ УТЖТ

Ульяновск, 2016

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ СВЕДИНИЯ О БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1 Начало технологии

1.2 Трансформатор Теслы

1.3 Применение трансформатора Теслы

1.4 Метод электромагнитной индукции

1.5 Схема трансформатора Теслы

1.6 Схема беспроводной зарядки

РАЗДЕЛ 2. ОПИСАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕННЫХ СПОСОБОВ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы:c самого начала открытия электричества возникла проблема его передачи конечному потребителю. Развитие промышленного производства электроприборов привело к резкому увеличению спроса на электроэнергию. Провода и столбы линий электрических передач стали неотъемлемым элементом пейзажей. Но только специалисты знают, сколько средств и усилий тратится на поддержание этих линий в работоспособном состоянии, и сколько энергии в них теряется.

Проблему с электрическими проводами ученые предлагают решить кардинально - отказаться от них вовсе. Сегодня уже существуют десятки реально работающих прототипов систем беспроводной передачи электричества. Уже к 2020 году точно так же, как сегодня мы отказываемся от компьютерных сетевых кабелей в пользу Wi-Fi, мы будем менять розетки на электророутеры. И это будет только началом новой эры развития цивилизации.

Следовательно, беспроводная передача электричества на расстояние без проводов при помощи контура и высокой частоты является актуальной на сегодняшний день задачей.

Цель работы: является изучение беспроводной передачи электроэнергии.

Объект исследования: беспроводная передача электричества это способ передачи электрической энергии без использования токопроводящих элементов в электрической цепи.

Предмет исследования: Схемы устройств беспроводной передачи электроэнергии.

Задачи исследования:

1)изучить имеющие технологии беспроводной передачи электроэнергии;

2)проанализировать существующие технологии беспроводной передачи электроэнергии;

3)выявить имеющие проблемы и недостатки беспроводной передачи электроэнергии.

4)испытать на практике;

5)сделать выводы

Методы исследования: изучение нормативно - справочной литературы, изучение учебной литературы, изучение производственной технологии.

Теоретическая значимость: в необходимости разработки и внедрения принципиально нового оборудования, для беспроводной передачи электричества, для увеличения расстояния передачи электроэнергии, со значительным КПД.

Практическая значимость исследования: результаты исследования и расчетов позволяют обоснованно на высоком научном уровне подойти к беспроводной передачи электроэнергии.

РАЗДЕЛ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1 Начало технологии

беспроводной электроэнергия трансформатор зарядка

Беспроводная передача энергии в качестве альтернативы передачи и распределения электрических линий, впервые была предложена и продемонстрирована Николой Тесла.

Считается, что Никола Тесла начал работу над беспроводной передачей электроэнергии в 1893 году.

Ранние эксперименты известного сербского изобретателя Никола Теслы касались распространения обычных радиоволн, то есть волн Герца, электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве.

Одним из условий создания всемирной беспроводной системы является строительство резонансных приемников. Заземленный винтовой резонатор катушки Теслы и расположенный на возвышении терминал могут быть использованы в качестве таковых. Тесла лично неоднократно демонстрировал беспроводную передачу электрической энергии от передающей к приемной катушке Теслы. Это стало частью его беспроводной системы передачи (патент США № 1119732, Аппарат для передачи электрической энергии, 18 января 1902 г.). Тесла предложил установить более тридцати приемо-передающих станций по всему миру. В этой системе приемная катушка действует как понижающий трансформатор с высоким выходным током. Параметры передающей катушки тождественны приемной.

Целью мировой беспроводной системы Теслы являлось совмещение передачи энергии с радиовещанием и направленной беспроводной связью, которое бы позволило избавиться от многочисленных высоковольтных линий электропередачи и содействовало объединению электрических генераторов в глобальном масштабе.

1.2 Трансформатор Теслы

Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек -- первичной и вторичной, а также разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант SparkGap), конденсатора, тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как «выход»).

Первичная катушка обычно содержит несколько витков провода большого диаметра или медной трубки, а вторичная около 1000 витков провода меньшего диаметра. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферромагнитного сердечника.

Таким образом взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включён нелинейный элемент -- разрядник.

Разрядник, в простейшем случае обыкновенный газовый, представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора главным образом выполняют ёмкость тороида и собственная межвитковая ёмкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Терминал может быть выполнен в виде диска, заточенного штыря или сферы и предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины.

Таким образом, трансформатор Тесла представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путём изменения ёмкости конденсатора и числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

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.

1.3 Применение трансформатора Теслы

Выходное напряжение трансформатора Тесла может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в частоте минимальной электрической прочности воздуха способно создавать внушительные электрические разряды в воздухе, которые могут иметь многометровую длину. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Тесла используется как декоративное изделие.

Трансформатор использовался Теслой для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (радиоуправление), беспроводной передачи данных (радио) ибеспроводной передачи энергии.

В начале XX века трансформатор Тесла также нашёл популярное использование в медицине. Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые, протекая по тонкому слою поверхности кожи, не причиняли вреда внутренним органам, оказывая при этом «тонизирующее» и «оздоравливающее» влияние.

Неверно считать, что трансформатор Тесла не имеет широкого практического применения. Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Тем не менее, основное его применение в наши дни -- познавательно-эстетическое. В основном это связано со значительными трудностями при необходимости управляемого отбора высоковольтной мощности или тем более передача её на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса.

Эффекты наблюдаемые при работе трансформатора Теслы:

- Стримеры - тускло светящиеся тонкие разветвлённые каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщеплённые от них свободные электроны. Протекает от терминала (или от наиболее острых, искривлённых ВВ-частей) катушки прямо в воздух, не уходя в землю, так как заряд равномерно стекает с поверхности разряда через воздух в землю. Стример -- это, по сути дела, видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.

- Спарк -- это искровой разряд. Идёт с терминала (или с наиболее острых, искривлённых ВВ частей) непосредственно в землю или в заземлённый предмет. Представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвлённых полосок -- искровых каналов. Также имеет место особый вид искрового разряда -- скользящий искровой разряд.

- Коронный разряд -- свечение ионов воздуха в электрическом поле высокого напряжения. Создаёт красивое голубоватое свечение вокруг ВВ-частей конструкции с сильной кривизной поверхности.

- Дуговой разряд -- образуется во многих случаях. Например, при достаточной мощности трансформатора, если к его терминалу близко поднести заземлённый предмет, между ним и терминалом может загореться дуга (иногда нужно непосредственно прикоснуться предметом к терминалу и потом растянуть дугу, отводя предмет на большее расстояние). Особенно это свойственно ламповым катушкам Тесла. Если катушка недостаточно мощна и надёжна, то спровоцированный дуговой разряд может повредить её компоненты.

1.4 Метод электромагнитной индукции

Техника беспроводной передачи методом электромагнитной индукции использует ближнее электромагнитное поле на расстояниях около одной шестой длины волны. Энергия ближнего поля сама по себе не является излучающей, однако некоторые радиационные потери всё же происходят. Кроме того, как правило, имеют место и резистивные потери. Благодаря электродинамической индукции, переменный электрический ток, протекающий через первичную обмотку, создает переменное магнитное поле, которое действует на вторичную обмотку, индуцируя в ней электрический ток. Для достижения высокой эффективности взаимодействие должно быть достаточно тесным. По мере удаления вторичной обмотки от первичной, все большая часть магнитного поля не достигает вторичной обмотки. Даже на относительно небольших расстояниях индуктивная связь становится крайне неэффективной, расходуя большую часть передаваемой энергии впустую.

Электрический трансформатор является простейшим устройством для беспроводной передачи энергии. Первичная и вторичная обмотки трансформатора прямо не связаны. Передача энергии осуществляется посредством процесса, известного как взаимная индукция. Основной функцией трансформатора является увеличение или уменьшение первичного напряжения. Бесконтактные зарядные устройства мобильных телефонов и электрических зубных щеток являются примерами использования принципа электродинамической индукции. Индукционные плиты также используют этот метод. Основным недостатком метода беспроводной передачи является крайне небольшое расстояние его действия. Приемник должен находиться в непосредственной близости к передатчику для того, чтобы эффективно с ним взаимодействовать.

Использование резонанса несколько увеличивает дальность передачи. При резонансной индукции передатчик и приемник настроены на одну частоту. Производительность может быть улучшена ещё больше путем изменения формы волны управляющего тока от синусоидальных до несинусоидальных переходных формы волны. Импульсная передача энергии происходит в течение нескольких циклов. Таким образом, значительная мощность может быть передана между двумя взаимно настроенными LC-цепями с относительно невысоким коэффициентом связи. Передающая и приемная катушки, как правило, представляют собой однослойные соленоиды или плоскую спираль с набором конденсаторов, которые позволяют настроить принимающий элемент на частоту передатчика.

Обычным применением резонансной электродинамической индукции является зарядка аккумуляторных батарей портативных устройств, таких, как портативные компьютеры и сотовые телефоны, медицинские имплантаты и электромобили. Техника локализованной зарядки использует выбор соответствующей передающей катушки в структуре массива многослойных обмоток. Резонанс используется как в панели беспроводной зарядки (передающем контуре), так и в модуле приемника (встроенного в нагрузку) для обеспечения максимальной эффективности передачи энергии. Такая техника передачи подходит универсальным беспроводным зарядным панелям для подзарядки портативной электроники, такой, например, как мобильные телефоны. Техника принята в качестве части стандарта беспроводной зарядки Qi.

Резонансная электродинамическая индукция также используется для питания устройств, не имеющих аккумуляторных батарей, таких, как RFID-метки и бесконтактные смарт-карты, а также для передачи электрической энергии от первичного индуктора винтовому резонатору трансформатора Тесла, также являющемуся беспроводным передатчиком электрической энергии.

1.5 Схема трансформатора Тесла

Для того чтобы собрать трансформатор Тесла необходимы следующие элементы:

- Дроссель от люминесцентной лампы

- Выпрямляющий диод на 500В(кд 202в)

- Конденсатор 400В, 100мкф

- Пару резисторов по 5 ват на 2ком и 56 ком

- Биполярный транзистор с пробоем до 1500В (кт 846)

- Намотать две обмотки 1 обмотка 6-8 витков, а вторая 800 витков

- Обязательно наматывать в одну сторону, иначе небудет работать

1.6 Схема беспроводного зарядного устройства

Для того чтобы зарядить свой смартфон емкостью 2000 mah и зажечь лампочку я собрал генератор прямоугольных импульсов на шим контроллере:

РАЗДЕЛ 2. ОПИСАНИЕ ПРЕДСТАВЛЕННОГО АППАРАТА ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСТВА

Наш аппарат представленный для демонстрации беспроводной передачи электричества состоит из: сети, качера Бровина, катушки Теслы, понижающего трансформатора, пару диодных мостиков, вентилятора, генератора прямоугольных импульсов, передающего контура, два гнезда, одно дополнительное питание, а другое катушка передатчик для зарядки телефона.

Мы собрали сразу два способа передачи электричества: 1способ передает за счет высокой частоты, 2 способ за счет электромагнитной индукции.

Принцип работы:

Дроссель служит для уменьшения тока, диод для выпрямления и понижение напряжения, а конденсатор для сглаживания, в итоге на схему качера Бровина поступает около 150 вольт.(Качер Бровина - это разновидность генератора, собранного на одном транзисторе и работающего, со слов изобретателя, в нештатном режиме). Далее транзистор (полупроводник) работает как разрядник в котором разряд электрического тока проходит в кристаллической основе транзистора, минуя стадию образования электрической дуги (плазмы). Самое интересное в работе устройства - это то, что после пробоя кристалл транзистора полностью восстанавливается. Это объясняется тем, что в основе работы прибора используется обратимый лавинный пробой, в отличие от теплового, который для полупроводника является необратимым. В отличие от блокинга генератора в качере транзистор все время закрыт, а ток образуется за счет накапливания электрических зарядов в базе транзистора для дальнейшего разряда при превышении некоего порогового напряжения (т.н. «лавинный пробой»).

Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на терминале высокого напряжения.

Вторая цепочка:

Трансформатор понижает напряжение с 220 на 12 и 16 В. Питание с 12 вольт выпрямляется диодным мостиком для питания вентилятора(охлаждение). Выход 16 вольт также выпрямляется и идет питание на генератор прямоугольных импульсов после на передающую катушку.При подаче питания на генератор в передающей катушке возникает магнитное поле, поэтому когда поднесешь приемную катушку в магнитное поле в ней возникнет индуцированный ток. Например для того чтобы зарядить телефон нужно будет выпрямить электрический ток, сгладить, и поставить стабилитрон для ограничение напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На сегодняшний день достаточно много способов беспроводной передачи электричества на расстояния.

Таким образом, после изучения способов беспроводной передачи электричества на расстояние все из способов не превышают кпд на 40 процентов.

Как показывает практика, передать электричество на расстояния вполне можно, но на не большие расстояния, зажигать люминесцентные лампы, светодиоды, и лампу накаливания.

Выводы:

- Передача электричества без проводов вполне возможна

- Коэффициент полезного действия составляет 40 %

- Но на сегодняшний день беспроводная передача электричества на большие расстояния экономически не выгодно т.к. большие потери при передачи.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Барг И.Г., Валк Х.Я., Комаров Д.Т.; Под ред. Барга И. Г./Совершенствование обслуживания энергосетей 0, 4-20 кВ в сельской местности - М.: Энергия, 2010. - 240 с., ил.

2. Резонансная система электроосвещения, журнал "Энергосовет". 6 (11) 2010 г

3.Электрические системы. Электрические сети: Учеб. для электроэнерг. спец. вузов/В.А. Веников, А.А. Глазунов, Л.А. Жуков и др.:Под ред. В.А. Веникова, В.А. Строева.-2-е изд., переработана. и дополнена.-М.:Высш. шк., 1998.

4.Энергосберегающая и ресурсосберегающая технология передачи электроэнергии на большие расстояния. журнал "Энергосовет", 2 (15) 2011

Размещено на Allbest.ru