Трансформатор Николы Тесла - Повышение качества троллейбусных пассажирских перевозок на основе беспроводной технологии
Никола Тесла -- изобретатель в области электротехники и радиотехники, инженер, физик. Родился и вырос в Австро-Венгрии, в последующие годы в основном работал во Франции и США. В 1891 году получил гражданство США. По национальности -- серб [13].
Широко известен благодаря своему вкладу в создание устройств, работающих на переменном токе, многофазных систем и электродвигателя, позволивших совершить так называемый второй этап промышленной революции.
Также он известен как сторонник существования эфира: известны многочисленные его опыты и эксперименты, имевшие целью показать наличие эфира как особой формы материи, поддающейся использованию в технике. Однако, наибольшую популярность получил за счет изобретения трансформатора, названного в честь изобретателя.
В 1919 году Никола Тесла писал: "Считается, что я начал работу над беспроводной передачей в 1893 году, но на самом деле два предыдущих года я проводил исследования и конструировал аппаратуру. Для меня было ясно с самого начала, что успех можно достичь благодаря ряду радикальных решений. Высокочастотные генераторы и электрические осцилляторы должны были быть созданы в первую очередь. Их энергию необходимо было преобразовать в эффективных передатчиках и принять на расстоянии надлежащими приемниками. Такая система была бы эффективна в случае исключения любого постороннего вмешательства и обеспечения ее полной эксклюзивности. Со временем, однако, я осознал, что для эффективной работы устройств такого рода они должны разрабатываться с учетом физических свойств нашей планеты".
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.
Трансформатор Тесла - резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как "Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала" [14].
Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Теслы -- в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия -- генератор. Их согласованность ("подталкивание" строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства) [13].
Простейший трансформатор Тесла состоит из двух катушек -- первичной и вторичной, а также разрядника (прерывателя, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатора, тороида (используется не всегда) и терминала (на схеме показан как "выход"). Принципиальная схема представлена на рисунке 2.2.
Рисунок 2.2 - принципиальная схема трансформатора Тесла
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 ферримагнитного сердечника. Таким образом взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферримагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включен 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 емкость тороида и собственная межвитковая емкость 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 путем изменения емкости 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.
На данный момент существуют:
- 1. SGTC (Spark Gap Tesla Coil) -- генератор колебаний, выполненный на искровом промежутке. 2. VTTC (Vacuum Tube Tesla Coil) -- ламповая катушка Тесла. В качестве генератора ВЧ колебаний используются электронные лампы. 3. SSTC (Solid State Tesla Coil) -- генератор выполнен на полупроводниках. Она включает в себя задающий генератор (с регулируемой частотой, формой, длительностью импульсов) и силовые ключи (мощные полевые MOSFET транзисторы) 4. DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) -- за счет двойного резонанса, разряды у такого вида катушек значительно больше, чем у обычной SSTC. Для накачки первичного контура используется генератор на полупроводниковых ключах -- IGBT или MOSFET транзисторах.
В отдельную категорию также относят магниферные катушки Тесла.
Использование трансформатора Тесла.
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. Пример такого разряда приведен на рисунке 2.3. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Тесла используется как декоративное изделие [13].
Никола Тесла использовал трансформатор для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (радиоуправление), беспроводной передачи данных (радио) и беспроводной передачи энергии. В начале XX века трансформатор Тесла также нашел 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" воздействие.
Рисунок 2.3 - Электрический разряд трансформатор Тесла
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 ее на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса, а также значительно снижается добротность вторичного контура.
Пожалуй, самым наглядным примером использования трансформатора Тесла является высоковольтный испытательный стенд ВНИЦ ВЭИ в Истринском районе Подмосковья. Огромный генератор представляет собой универсальный комплекс для исследования и испытания различных технических объектов на стойкость к воздействию импульсных электромагнитных полей искусственного и естественного происхождения [15].
Составные части комплекса:
- 1) каскад трансформаторов с коммутационной приставкой; 2) генератор импульсных напряжений; 3) установки постоянного напряжения; 4) подземный бункер; 5) вышка и прочие конструкции.
На данный момент генератор не функционирует и заброшен, но круглосуточно охраняется сторожами и собаками. Масштабы конструкции представлены на рисунке 2.4.
Рисунок 2.4 - Внешний вид тороидальных накопителей электрической энергии
Влияние на организм человека.
Как и любой источник высокого напряжения, трансформатор Тесла смертельно опасен.
Существует мнение, касающееся некоторых видов трансформаторов Тесла. Так как высокочастотное высокое напряжение имеет скин-эффект, а сила тока чрезвычайно мала и ток значительно отстает по фазе от напряжения, то, несмотря на потенциал в миллионы вольт, разряд в тело человека не может вызвать остановку сердца или другие серьезные повреждения организма, не совместимые с жизнью [13].
В противоположность этому другие высоковольтные генераторы, например преобразователь для люстры Чижевского, высоковольтный умножитель телевизора и иные бытовые высоковольтные генераторы постоянного тока, имеющие несравненно меньшее выходное напряжение -- порядка 25 кВ -- являются смертельно опасными. Все это потому, что электричество в трансформаторе Тесла и в бытовых преобразователях разное по своей сути и природе. Высокие напряжения в бытовых преобразователях совпадают по фазе с токовой составляющей, а в трансформаторе Тесла токовая составляющая отстает по фазе от составляющей напряжения. Несколько другая картина со статическим электричеством, которое может очень чувствительно ударить током при разряде (при прикосновении к металлу). Объясняется эта разница тем, что в статическом электричестве токовая составляющая ближе к составляющей напряжения, чем в трансформаторе Тесла, поэтому при статическом разряде чувствуется "сила" разряда.
Кроме опасности природы тока трансформатора Тесла, существует опасность поражения сверхвысокочастотным электромагнитным полем трансформатора.
Похожие статьи
-
Конечные пункты троллейбусов имеют оборотные кольца. В первых троллейбусных системах на конечных пунктах устраивались треугольники. Обычно есть...
-
Когда речь заходит о беспроводной передаче энергии, необходимо сделать важную оговорку. С точки зрения физики выпущенный из орудия линкора снаряд,...
-
Городской электротранспорт работает на постоянном токе напряжением 600 В для трамваев и троллейбусов и 825 В для метрополитена, т. к. тяговые двигатели...
-
Контактная сеть - совокупность устройств, служащих для подачи электрической энергии подвижному составу. Основные требования, которым должно удовлетворять...
-
В связи с интенсивным развитием легкового автомобильного транспорта возникают сложности в формировании городских территорий. Кроме того, в стесненных...
-
Механическое оборудование троллейбуса состоит из шасси с силовой передачей, рессорной или пневматической подвеской, передним и задним мостом и рулевым...
-
Введение - Повышение качества троллейбусных пассажирских перевозок на основе беспроводной технологии
Внедрение электротяги, т. е. применение электрической энергии для передвижения транспортных средств, началось в тридцатые годы прошлого столетия. Русский...
-
1. Первоначальные затраты на развертывание троллейбусной системы выше, чем для автобусной, так как требует строительства тяговых подстанций и контактной...
-
Никола Тесла родился 10 июля 1856 в Смиляне (Хорватия). Окончил Политехнический институт в Граце (1878) и Пражский университет (1880). Работал инженером...
-
Показатель качества (продукции) -- это количественная характеристика одного или нескольких свойств продукции, входящих в ее качество, рассматриваемая...
-
Технология (компоненты) - Беспроводный доступ к Интернет
Построение всех ИКсистем передачи практически одинаково - интерфейсный модуль, модулятор излучателя, оптическая система передатчика, оптическая система...
-
Трансформаторы - Общая электротехника и электроника
Трансформаторы - это электрические аппараты, предназначенные для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой...
-
Краткий анализ технологий - CMTS (Cable Modem Termination System)
Традиционная телефонная сеть общего пользования (ТФОП) позволяет передавать голос в и данные в пределах узкой полосы частот (300 -3400) Гц. Быстрый рост...
-
ПОДГОТОВКА ГРУЗОВЫХ ПОМЕЩЕНИЙ - Основы управление флотом и технология перевозки грузов
Должна производиться в соответствии с требованиями РТМ 31.2003. Подготовка судна к приему груза должна включать: Приведение трюмов в соответствие для...
-
После проведения указанных выше расчетов, определения параметров остойчивости и расчета посадки судна строят диаграмму статической остойчивости (ДСО)....
-
В связи с тем, что экономическая эффективность транспортных операций во многом зависит от правильно выбранных транспортных условий, в контракте...
-
ОПИСАНИЕ ГРУЗА - Основы управление флотом и технология перевозки грузов
Алебастр в мешках. Алебастр-цемент, алебастр, гипс и известь составляют группу грузов, которые требуют особой защиты от влаги. Подмочка или увлажнение...
-
Практика коммерческой эксплуатации сотовых сетей связи почти всех без исключения операторов России, вне зависимости от видов стандартов, особенно в...
-
Экспериментальный макет показан на рис. 4. Величина связи между контурами регулируется изменением расстояния между катушками контуров. Рис. 4: L1, C1 --...
-
Электробезопасность - Конструкция самолетов
Причины Поражения Электрическим Током. При работе на ПК используется энергия напряжения 220В переменного тока с частотой 50Гц. Для местного освещения...
-
Условия самовозбуждения автогенераторов гармонических колебаний. - Основы техники связи
Самовозбуждение в автогенераторе с обратной связью возможно только при выполнении следующих условий: баланса амплитуд; баланса фаз. Баланс фаз...
-
Переходные процессы и основы синтеза линейных радиотехнических цепей
Переходные процессы и основы синтеза линейных радиотехнических цепей Современные радиотехнические системы часто включают в себя комплекс достаточно...
-
Системы электроснабжения вагонов Существующие системы электроснабжения пассажирских вагонов в зависимости от расположения источников электрической...
-
Трансформатор ОДЦЭ-5000/25Б предназначен для преобразования напряжения контактной сети в напряжение цепей тяговых двигателей и собственных нужд...
-
Для уменьшение значений джиггера и задержек на сетевом уровне применяются гарантирующие пользователю заданный уровень качества механизмы RSVP, MPLS,...
-
Основы теории построения неуправляемых выпрямителей - Расчет вторичного источника электропитания
Выпрямительные устройства - это устройства, предназначенные для преобразования переменного напряжения в постоянное. В общем случае они состоят из трех...
-
Использование информационной избыточности - Структурные методы повышения точности средств измерения
Под информационной избыточностью понимается такое состояние измерительной информации, при котором она больше необходимой для реализации функций...
-
Современные потребители электроэнергии при всей своей технологической эффективности часто отрицательно влияют на качество электроэнергии. Ухудшение...
-
(3.17) Где U2 , U3 , U4 - напряжения вторичных обмоток; I2 , I3 , I4 - токи вторичных обмоток; Первичная мощность трансформатора (3.18) Где - кпд...
-
Интермодальный груз транспортный конкурентоспособность Основы современной мировой теории интермодальных сообщений Интермодальные перевозки - это...
-
Крепление грузов, Общие требования к МСК - Технология перевозки морских грузов
МСК - многооборотные средства крепления Средства крепления на специализированных судах (лесовозы, контейнеровозы) должны быть одобренного типа....
-
Приоритетные направления государственного регулирования автомобильных пассажирских перевозок В современных условиях возрастает роль государства в...
-
Основы эксплуатации системы управления - Технология ремонта рулевого управления
В процессе эксплуатации автомобиля отдельные узлы и агрегаты, входящие в систему рулевого управления, постепенно приходят в негодность. Особенно, это...
-
КРЕПЛЕНИЕ ПАЛУБНЫХ ГРУЗОВ - Основы управление флотом и технология перевозки грузов
По характеру крепления и укладки палубные грузы можно подразделить на массовые грузы (лес, пробковая кора, трубы, бочки и т. п.), т. е. грузы, занимающие...
-
Габаритный объем места (Vm) Ї произведение максимальных геометрических размеров с учетом выступающих частей: Vm = l - b - h = 0,018м3 Где l, b, h Ї...
-
СВЕДЕНИЯ О ТЕПЛОХОДЕ - Основы управление флотом и технология перевозки грузов
Основные тактико-технические характеристики судна. Тип и назначение: однопалубное, двухвинтовое сухогрузное судно с двойным дном и двойными бортами, с...
-
КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОРТАХ - Основы управление флотом и технология перевозки грузов
Морской торговый порт Туапсе. Северная широта 44° 05', Восточная долгота 39° 04' Морской торговый порт Туапсе расположен на Кавказском побережье Черного...
-
В последнее время широкое распространение получили логистические схемы, которые сочетают в себе несколько видов транспорта. Помимо очевидных...
-
Разработка функциональной схемы опорного пункта (ОП) Оборудование выполнено в виде стоек, устанавливаемых в пунктах волоконно-оптической линии передачи:...
-
Система селективного нагрева ионов в установке "Плазменный сепаратор-1"
Описание экспериментальной установки ПС - 1 Для большей наглядности и лучшего понимания процесса ВЧ - нагрева плазмы в установке ПС - 1 опишу вкратце всю...
Трансформатор Николы Тесла - Повышение качества троллейбусных пассажирских перевозок на основе беспроводной технологии