Дослідження бездротового резонансного способу передачі електроенергії з SSTC генератором.
При проведенні експериментів ставилися наступні цілі:
- визначити максимальну дальність передачі;
- визначити максимальну потужність передачі;
- визначити ККД передачі.
В експериментах використовувався ВЧ генератор SSTC і приймач, опис і схеми яких можна подивитися в цій статті. За кілька років вони трохи змінилися. Деякі частини з генератора були прибрані, зменшився корпус, додалася можливість підключення проводового та оптичного переривників. Резонансний трансформатор залишився колишній. Так само був трохи поліпшений приймач. У ньому змінилися конденсатори. Вони стали іншої ємності і напругою 4кВ. Загальний вигляд системи представлений на рис.1
Малюнок 1 - Експериментальна система передачі електрики без дротів
Добре, що SSTC це автогенератор і в більшості випадків налаштовувати доводилося тільки понижуючий трансформатор приймача.
Малюнок 2 - Схема експерименту по бездротової передачі електроенергії
Під час перших запусків перегорів два рази провід в приймальнику, підключений до об'ємного ємкісному противазі (нижньому тороіде). При цьому він був в подвійній високовольтної ізоляції. Довелося зробити значну відстань між обмоткою і проводом.
Малюнок 3 - Перегори провід
В ході експерименту встановлено:
Відстань передачі - 1м.
Напруга живлення передавача - 220.
Напруга в приймальнику - 220В.
Струм живлення передавача - 0,35А
Струм в навантаженні - 0,2А.
Споживана потужність від мережі - 77Вт
Передана потужність в навантаженні - 44Вт.
ККД передачі η = P2 \ P1 ∙ 100% = 44 \ 77 ∙ 100% = 57%.
У навантаженні приймача використовувалися різні лампи розжарювання 15, 25, 40, 60, 75, 100Вт. Лампа 75Вт світить ще яскраво, а лампа 100Вт в повну потужність вже не світить. До одного приймача передається близько 70-80Вт. До двох приймачів, розташованим з різних сторін передавача передавалося приблизно 50Вт. Причому, напруга в приймальнику 250В і більше, але ось збільшити струм не вийшло. За свідченнями приладів струм в навантаженні є, а лампи світять тьмяно. Збільшення ширини робочого імпульсу передавача після певного значення вже не суттєво впливає на яскравість світіння ламп. Зростає в основному тільки напруга в приймальнику. Досягти успіху в запалюванні 100 ватної лампочки вдалося в експерименті №4.
Експеримент №3 - максимальна дальність передачі.
Пошуки способів збільшення дальності передачі почалися з випробування різних варіантів підняття тороідов передавача і приймача вище над котушками. Це призводило до зміни робочої частоти, в результаті якого необхідно було перенастроювати приймач. Все це довго і нудно. Шукати резонанс по витків, підлаштовувати ємність, додавати / збавляти тороіди, ходити туди сюди, включати вимикати генератор і т.д. Дальності передачі ці дії не додали.
Потім була збільшена ємність на верхньому виведення передавальної котушки. Зменшено до мінімальних розмірів розрядний стрижень. Несподівано розряди з SSTC виросли до 35-36см. У мене невелика напів-мостова DRSSTC такі розряди створює.
Ця тема цікава тим, хто намагається отримати максимальну довжину розрядів з котушок Тесла. Відомо, що потрібно будувати котушки з чверть-хвильовим резонансом на краях і при цьому максимально збільшувати верхню ємність не порушуючи цього самого чверть-хвильового резонансу. І ось це явище проявилося в SSTC, де немає необхідності підлаштовувати первинний контур. Хоча ця котушка не розраховують спеціально, а вийшла вдалою випадковістю, методом розпилу навпіл довшою котушки.
Малюнок 4 - Розподіл струму і напруги у високовольтній обмотці передавача
Одного разу я намотав котушку без будь-яких розрахунків, на удачу, і не вгадав. В результаті вона не працювала коректно. При запусках на малій потужності було чутно, як усередині котушки відбуваються розряди, відбувалися пробої на первинну обмотку. Можна припустити, що картина напруги і струму в котушці виглядала як на малюнку 4Б. Однак, збільшивши суттєво ширину робочого імпульсу і зменшивши період роботи, потужність зросла і, мабуть, через зміну резонансної частоти або за інерцією, чи ще через якихось сил заряди знайшли вихід в єдиному сприятливому місці, а саме на розрядному штирі . Котушка стала працювати, при цьому генератор споживав до 700Вт від мережі 220В. В даному випадку досягнуті кращі результати при цьому споживання від мережі становить всього 1,5 А х 220 = 330Вт. Вид розподілу напруги в котушці як на рис.4.
На довжину високовольтних розрядів істотно впливає коефіцієнт зв'язку первинної і вторинної обмоток. Чим він більший, тим більше струм в первинній обмотці, більше потужності передається у вторинну обмотку, але не завжди це добре. Занадто великий коефіцієнт зв'язку порушує власну резонансну частоту вторинної обмотки і так само викликає пробої на первинну обмотку. У мене цей коефіцієнт не розраховувався, а був підібраний дослідним шляхом. Первинна обмотка закінчується і захоплює близько сантиметра вторинної обмотки.
Вимірювання струму в первинній обмотці за допомогою трансформатора струму і осцилографа показало 97,2А. При тому, що транзистори IRGB20B60PD1 витримують згідно з документацією всього 80А в імпульсі. Прийшла думка, що непогано б зробити обмежувач струму для цього генератора.
Малюнок 5 - Вимірювання струму L1
Не було помічено, що транзистори сильно нагрілися після хвилинної роботи, бували і по гаряче. Ймовірно, що вони б вибухнули через 3-5 хвилин. До того ж з SSTC був витягнутий вентилятор в іншу конструкцію і з цього, перевіряти час до перегріву я не став. У режимі передачі генератор працював досить тривалий час, транзистори нагрівалися незначно. Ширина робочого імпульсу 200-230мкс, період 3,5мс. Це граничні значення в переривнику.
Малюнок 6 - Панорамна осциллограмма струму в первинній обмотці SSTC
На осциллограмме рис.6 видно, що струм в котушці поступово зростає протягом робочого імпульсу. Якщо порівнювати з DRSSTC, то він зростає набагато повільніше. З цього, і потрібно така велика ширина імпульсу переривника більш 200мкс для досягнення значних високовольтних розрядів з L2. А повільніше струм зростає тому, що немає контурного конденсатора. Якщо його встановити, ток вельми виросте (до 200-400А або більше) і буде потрібно ускладнена схема перемикання транзисторів для їх захисту зі зворотним зв'язком від отриманого первинного контуру. Виникне залежність частот первинного і вторинного контурів. Все пристрій набагато ускладниться, що ми і спостерігаємо в DRSSTC.
Після декількох запусків транзистори були замінені на IRGB50B60PD1 і підключений інший переривник з більш широкими межами значень. На котушку передавача встановлений великий тороид з приймача. Але ще більше збільшуючи робочий імпульс, зросла тільки споживання до 1,75А 220В. Довжина розрядів дійшла практично така ж, розряди стали трохи товстішим. Як варіант ще більшого збільшення довжини розрядів, можна було збільшити коефіцієнт зв'язку. Піднімаючи L1 вище до L2 з'являються постійні пробої між цими обмотками.
Ще один важливий момент до поліпшення роботи SSTC - це котушка з підвищеною добротністю. Вона не випробовувалася на цьому генераторі, і з цього про неї написано в статті про DRSSTC3
Малюнок 6а - Високовольтні розряди в SSTC з великим тороіде.
Тороид на малюнку 6а діаметром 40 см. Приблизно така ж довжина високовольтного розряду.
Були виміряні сигнали в обох котушках приймача.
