Однопроводное Электричество Михаил Банк Санкт Петербург

Однопроводное Электричество
Михаил Банк
Санкт Петербург – Иерусалим
[email protected]
"Вернись после каждого трудного шага… "
Петрарка, Сонет 15
Абстракт — В статье предлагается метод передачи энергии или информции в проводной
электрической системе, используя только один провод. Метод пригоден для постоянного тока,
для переменного тока любой частоты и любого напряжения, включая трехфазные системы.
Приведены результаты симуляций и макетирования. Показаны преимущества данного метода
по сравнению с двух-, трех- и четырехпроводными системами.
Ключевые слова: ток, заземление, зануление, инвертер, линия задержки, однопроводный,
трхфазный.
1. Краткое историческое вступление
В этой статье описывается идея, которая позволяет передавать электрический сигнал только
по одному каналу (проводу). Многие известные системы для передачи энергии или
информации являются одноканальными. Например, радиосистемы, оптоволоконные каналы,
волноводные системы и другие. Передача нервных импульсов в организме живого организма
так же одноканальная. Только в случае электрической проводной системы используются два
или более проводов [1].
И ранее были попытки осуществить передачу электрической энергии с помощью одного
провода. Впервые такую идею высказал Никола Тесла, она изложена в патенте США №
1119736 [2] и в патенте Великобритании № 8200 [3]. Еще одна возможность передачи по
одному каналу известна как линия Goubau или G-линия. Эта система является одним из видов
систем, используемых в УВЧ и СВЧ [4]. То есть G-линия - это фактически волновод, а не
провод в электрической цепи. В 1993 году был проведен эксперимент на основе патентной
заявки Станислава и Константина Авраменко [5 - 7]. Все эти предложения основаны на
обработке сигналов методами такими, как преобразование частоты или выпрямление. Эти
методы обработки могут иметь негативное влияние на передачу информации и приводят к
потере мощности. Существуют также SWER системы. Сокращение SWER определяется как
"метод распределения электроэнергии, используя только один проводник с возвращением
через землю". Как показано в [8], в этой системе отказ от второго провода приводит к потере
части энергии из- за накопления реактивной мощности.
Основной задачей данной работы является обсуждение принципов построения проводной
системы, описанных по-разному в литературе. Наиболее важными из этих принципов
являются "протекание" электрического тока в проводах и использование земли. Эти вопросы
вызывали жаркие споры при обсуждении предлагаемой идеи однопроводной системы [8, 9].
2. Предлагаемая идея
1
Обычная двухпроводная электрическая схема (A-Line) (см. рис.1 левая часть) представляет
собой сочетание генератора и нагрузки, соединенных двумя проводами. Фазы токов и
напряжений в этих проводах противоположны (отличаются на ).
Можно было бы объединить два провода, если бы токи в обоих проводах были той же
амплитуды и той же фазы. Это может быть достигнуто путем введения фазовращателя
(инвертора) в одну из линий. Так например, линия задержки на 10 мсек (половина периода)
может быть использована как инвертор для сигнала с частотой 50 Гц. После введения
инвертора фазы и амплитуды токов в обеих линиях оказываются одинаковыми. Тогда обе
линии могут быть объединены в одну. Точно так же в целях обеспечения нормального
функционирования нагрузки можно использовать инвертор перед нагрузкой в одном из
проводов. В результате двухпроводная система превращается в однопроводную (B-Line). При
этом генератор и нагрузка "видят" то же, что они "видели" в А-Line (см. рис. 1 правая часть).
Рис. 1. Обычная однопроводная схема (A-Line) и предложенная (B-Line) схема
Тот же результат можно получить, включив фазовращатели в обеих линиях, сделав сдвиг
фазы в одной линии  и в другой линии -( - ). Вообще требуемое изменение фазы может
быть достигнуто с помощью линии задержки, трансформаторов с противоположными
направлениями обмоток, фильтров или в случае цифрового сигнала с помощью
преобразования Гильберта. Если в качестве фазовращателя используется линия задержки, то
ее задержка должна соответствовать половине периода. В случае низких частот
использование линии задержки практически невозможно, так как провод, который
соответствует половине длины волны, должен быть длиной 3000 км (при F = 50 Гц).
Рис. 2. B-Line симуляция и ее результаты в случае применения линий задержки
На низких частотах удобно использовать в качестве инвертора трансформатор с
противоположно направленными обмотками. Что касается высоких частот, то линии задержки
являются хорошим решением [8].
2
В [8] приведены результаты многочисленных сравнительных симуляций и экспериментов.
Все они показали, что B-Line эквивалентна линии-прототипу А-Line и соответствует закону
Ома [8]. Результаты одной из этих симуляций показаны на рис. 2.
Однопроводная идея была представлена на конференциях, семинарах и в статьях [8 , 9]. В
некоторых случаях эти сообщения вызывали естественные сомнения и возражения. В
дополнение к общим комментариям, таким как "Этого не может быть никогда", были и более
конкретные комментарии. Они могут быть сгруппированы в следующее возражение:
"Генератор должен быть замкнут на линию, проходящую через нагрузку, но в B-Line имеется
только один провод от генератора к нагрузке. Это означает, что либо ток прерывается, что
противоречит законам Кирхгофа, либо есть вторая линии, например по земле."
Следующий раздел представляет собой ответ на это возражение.
3. Электрический ток
Электроны движутся медленно, в то время как энергия или информация передается на
скорости близкой к скорости света. Здесь предполагается, что не существует протекания
электрического тока ни в виде электронов, ни в виде других зарядов. Электрический ток это математический параметр, определяемый как отношение разности потенциалов к
сопротивлению ( вернее импедансу) цепи между двумя узлами. Другими словами,
неправильно думать о проводе с током как о трубе, в которой что-то течет. Кроме того,
направление пути от нагрузки к генератору нелогично, поскольку известно, что активная
мощность не возвращается к генератору.
Есть и другие примеры, где широко используются математические параметры, которые не
имеют физического эквивалента. Например, введенные Эйлером отрицательные частоты,
являющиеся результатом спектрального преобразования. Отрицательные частоты широко
используются в теории преобразования сигналов, хотя в природе нет никаких отрицательных
частот.
Сегодня в интернете можно прочитать следующее объяснение работы электрической линии:
"Два потенциала с противоположными фазами поступают от двух клемм источника к двум
клеммам нагрузки со скоростью света". В нагрузке выделяется мощность, соответствующая
сопротивлению нагрузки. Таким образом, энергия течет в одном направлении. Тем не менее
привычно и удобно использовать термин "ток", даже если нет никакого протекания.
Вернемся к вопросу о непрерывности тока в электрической цепи. Трудно говорить о
непрерывности тока, если в схеме используется трансформатор. Но еще труднее говорить об
этом, если есть конденсатор, между обкладками которого находится идеальный изолятор.
Изолятор не пропускает электрический ток, но схема работает и работает в соответствии с
законом Ома.
Для разрешения этого противоречия при создании электромагнитной теории Максвелл
использовал понятие о токе смещения.
В дополнение к току проводимости, ток смещения является величиной, входящей в уравнения
Максвелла, которые определены в терминах скорости изменения электрического поля
смещения. Ток смещения имеет единицы плотности электрического тока и имеет
соответствующее магнитное поле так же, как ток проводимости. Однако это не электрический
ток с движущимися зарядами, но изменяющееся во времени электрическое поле. Идея была
задумана Джеймсом Максвеллом в 1861 в его работе "О физических силовых линиях в связи с
перемещением электрических частиц в диэлектрической среде". В своей работе 1865 года
"Динамическая теория электромагнитного поля" Максвелл использовал этот измененный
вариант закона Ампера для получения электромагнитного волнового уравнения. Понятие о
3
токе смещения обеспечило завершение уравнений Максвелла. Оно помогло объяснить многие
явления, и особенно такое, как существование электромагнитных волн.
Таким образом, мы можем считать, что ток - это математическое понятие, определяемое как
V, деленное на Z. Это удобно для анализа электронных схем. Оно снимает многие
недоразумения, связанные с проблемами непрерывности тока.
3. Использование заземления
В электрооборудовании "заземление" применяется для двух целей: вместо второго провода и
для обнуления. Использование земли вместо одного из проводов допустимо только для очень
коротких расстояний, так как сопротивление земли гораздо больше, чем сопротивление меди.
Сопротивление земли может быть от 5 до 5000 Ом на метр.
Во многих электрических системах заземления используются для обнуления потенциала [10].
Другими словами, электрические системы заземления служат для обеспечения в
определенных точках нулевого опорного напряжения. В электронной теории цепей "земля",
как правило, идеализируется как бесконечный поглотитель неограниченного количества тока.
При этом потенциал в точке заземления остается равным нулю. Идеальная земля имеет
бесконечные размеры и нулевое сопротивление. В случае защитного заземления, если авария
произойдет, то ток входит в землю и полностью рассеивается. Другими словами, если одна
точка схемы соединена с землей, это не означает, что энергия или информация передается в
другую точку в схеме, которая так же связана с землей. Это означает лишь то, что обе точки
имеют потенциал, равный нулю.
Рис. 3. B-Line схема с использованием в качестве инверторов трансформаторов
В [8] показано, что в B-Line с инверторами на основе трансформаторов (рис. 3) используются
заземления, но они не участвует в передаче энергии от генератора к нагрузке. Здесь
удвоенный ток протекает в одном (общем) проводе. Таким образом, не может быть другого
дополнительного тока между генератором и нагрузкой. Иначе закон Ома не будет
выполняться.
Здесь и далее объединение источника и инвертора мы можем определить как однополюсный
источник. То же самое мы можем сказать об однополюсной нагрузке. Таким образом, мы
получаем полностью однопроводную электрическую систему.
4. B-Line на высоких частотах
4
Покажем, что B-Line идея верна и для высоких частот. Сначала мы сравним обычную
длинную линию с волновым сопротивлением 300 Ом и соответствующую линию B-Line на
частоте 1,1 ГГц. Здесь слова "длинная линия" означают, что длина линии больше длины
волны.
На высокой частоте удобно использовать инвертор в виде линии задержки, где длина ее равна
половине длины волны [11]. Эта линия может быть выполнена как однополюсная линия strip
line (см. рис. 4)
.
Рис 4. Strip line структура
В качестве прототипа для симуляции использовалась трехсотомная длинная линия. Схемы ALine (режим 1) и B-Line (режим 2) показаны на рис. 5. Для простоты симуляции в качестве
нагрузки использовался источник с сопротивлением 300 Ом и напряжением, равным нулю.
Рис. 5. Примеры A-Line и B-Line на высокой частоте
Обычно применяемые балансные длинные линии имеют бесконечно широкую полосу
пропускания. Преимуществом такой линии является то, что возможно использование линии
для нескольких сигналов с разными частотами. Тем не менее, в реальной системе всегда есть
некоторый шум. Даже если шум имеет низкую спектральную плотность мощности, то в
бесконечно широкой полосе шум будет бесконечно большим (это, конечно, верно, только
если шум белый). Хотя можно, конечно, применить фильтр на входе приемника, однако это
часто проблематично. Фильтр вносит потери и повышает коэффициент шума.
5
Предлагаемая однопроводная система (B-Line) является широкополосной, но селективной
системой. Недостатком B-Line является необходимость изменения линии задержки в случае
значительного изменения частоты. B-Line совместима с источником и с нагрузкой и в этом
смысле ничем не отличается от обычной длинной линии.
Трудной проблемой при использовании длинных линий внутри современного аппарата
является обеспечение симметрии линии, так как в аппаратуре может быть различное влияние
на каждый провод. Естественно, что если провод один, то этой проблемы нет.
6. Витой кабель
Находят применение двухпроводные линии с близко друг к другу расположенными
скрученными проводами (Twisted-pair cables). В этих линиях токи, протекающие в обоих
проводах, влияют друг на друга, резко увеличивая сопротивление линии. Поэтому длина
таких линий не превышает 100 метров (см. http://www.dummies.com/how-to/content/what-kindof-cables-should-i-use-in-my-home-networ.html). Как показали симуляции [12], применение BLine схемы позволяет увеличить длину линии не менее, чем в 6 раз.
7. DC B-Line
Реализация инвертора (фазовращателя) в цепи постоянного тока (DC ) требует иного
решения. В соответствии с основной идеей B-Line ивертор должен менять полярность одного
из потенциалов на противоположную. Предлагается использовать для этого два конденсатора
и соответствующие переключатели, как показано на рис. 6
Рис. 6. Пример DC B-Line схемы
Каждый из инверторов работает следующим образом. В период А первый (правый)
конденсатор заряжается, а второй (левый) разряжается. В период B их функции меняются.
Зарядный ток течет в одном направлении, но когда наступает разрядка, направление тока
меняется на противоположное. На рис. 6 направление тока меняется с отрицательного на
положительное. Очевидно, что такой же инвертор должен устанавливиться и на приемной
стороне.
Такая DC B-Line система может быть реализована в различных устройствах, например, в
электрической железной дороге (трамвай). В этом случае, можно передавать электроэнергию
только по проводу или только по рельсам.
6
8. Однопроводная трехфазная система
Известная трехфазная система использует четыре провода (три фазных и один общий) для
передачи трех сигналов (фаз). Если во всех трех фазах одинаковая нагрузка (схема
сбалансирована), то ток в общем проводе будет равен нулю. В этом случае общий провод
можно не использовать. Проблема возникает, если нагрузки фаз различны. Тогда общий
(нулевой) провод необходим.
Применение трех или четырех линий (вместо шести) обычно объясняется необходимостью
использования электрических двигателей, имеющих известные преимущества перед
однофазными двигателями. Недостатком трехфазной системы, кроме большого количества
проводов, является повышение линейного напряжения в корень из трех раз по сравнению с
фазным напряжением.
Предлагаемый здесь метод позволяет построить однопроводную трехфазную систему,
использующую только один провод. При этом сигнал может быть подан на трехфазную
нагрузку (см. рис. 7).
Рис. 7. Трехфазная B-Line схема и результаты симуляции
В этой схеме однопроводная линия перед нагрузкой разделяется на три провода, каждый из
которых подключен к одному из полюсов трехфазной нагрузки после соответствующих
сдвигов фазы на 0, + 120 и -120 градусов.
Эта схема не требует дополнительного общего провода даже в случае различных нагрузочных
сопротивлений.
9. B-Line и МБ антенна
B-Line принцип позволяет построить антенну с одним элементом излучения (монополь) с
параметрами, соответствующими диполю. Эта идея была использована при проектировании
МБ антенны [13].
В [13] показано, что MБ антенна имеет более высокую эффективность (Gain) даже по
сравнению с диполем.
7
Принцип МБ антенны ясен из рис. 8
Рис. 8. МБ антенна как однолучевой диполь
Одно из важных преимуществ антенны MБ заключается в том, что ее характеристики
достигаются в малогабаритном устройстве, например, в сотовом телефоне, без применения
отдельного излучателя. В качестве излучателя используется печатная плата. При этом
достигается круговая диаграмма направленности, что не получается в современных сотовых
телефонах, применяющих антенну типа ПИФА.
Улучшение усиления MБ по сравненю с монополем на 3 дБ в режиме передачи и на 3 дБ в
режиме приема позволяет удвоить дальность связи без увеличения мощности.
10. Потери мощности и создаваемые помехи
На первый взгляд, потери в проводах в A-Line и в B-Line должны быть одинаковыми.
Действительно, в B-Line ток в два раза больше, но сопротивление B-Line в четыре раза
меньше. Тем не менее существуют и другие факторы, влияющие на уровень потерь. Одним из
таких факторов является Corona Effect.
Corona является произвольным электрическим разрядом, который происходит в
неоднородных полях, в которых процессы ионизации могут происходить только в узкой
области вблизи электродов, например, в электрическом поле проводов воздушных линий
электропередачи.
Corona Effect значительно сильнее, если имеется двухпроводная линия [14[. Это происходит
из-за того, что в местах, расположенных посередине между проводами, есть частичная
рекомбинация ионов. В результате увеличивается скорость ионизации, и, следовательно,
увеличиваются потери энергии. Этот эффект называют "биполярная Corona" [15]. Сегодня
большое внимание уделяется Corona Effect, так как он влияет на условия окружающей среды
и приводит к потере энергии.
11. Заключение
8
Однопроволная электрическая система (метод B-Line) была предложена и проверена с
помощью симуляций и экспериментов на лабораторных макетах. В Иерусалимском
технологическом колледже (JCT) построена опытная однопроводная линия между
двумя кампусами. В этой линии заземление есть только на одном конце.
2 Однопроводная электрическая система включает в себя однополюсный источник,
один провод и однополюсную нагрузку.
3 Возможны различные виды однопроводной электрической системы: DC B-Line, LF BLine, HF B-Line и трехфазная B-Line .
4 Очевидно предположить, что с помощью однопроволной электрической системы,
можно существенно снизить стоимость электрической линии.
5 B-Line метод позволяет уменьшить потери энергии в высоковольтных линиях
электропередачи.
6 Tрехфазная B-Line система имеет только один провод, при этом можно обеспечить
необходимые три напряжения для трехфазных устройств.
7 Можно достичь существенного снижения излучения типа Corona Effect.
8 B-Line метод позволяет упростить высокочастотные длинные линии и исключить
требования к симметрии.
9 Применение B-Line метода вместо Twisted-pair cables позволяет значительно увеличить
длину линии.
10 B-Line метод позволяет построить антенны с одним излучаемым элементом,
эквивалентные двухэлементным антеннам.
1
Библиография
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
[11]
[12]
[13]
[14]
[15]
Ernst Weber and Frederik Nebeker, The Evolution of Electrical Engineering, IEEE Press, Piscataway, New Jersey
USA, 1994
Tesla US Patent number 1,119,736 : "Apparatus for transmitting electrical energy" (issued Dec. 1, 1914).
Tesla US Patent number 8,200 : " Improvements relating to the transmission of Electrical Energy" (17th
Apr.,1906).
Geog Goubau, "Surface waves and their Application to Transmission Lines," Journal of Applied Physics, Volume
21, Nov. (1950).
"Russian patent on Longitudinal electrical transmission" by Avramenko.
"Longitudinal Electrodynamic Wave experiments" by Charles Yost
New Energy News - August 1994: "Solid State Space-Energy Generator" by Stanislav and Konstantin
Avramenko.
The Russian patent: (PCT/GB93/00960) - May 10th, 1993 by Stanislav and Konstantin Avramenko.
M. Bank, " Single Wire Electrical System", Engineering, 2012, 4, 713 - 722
M. Bank, "New One-Way Line for Electric Transmission System" Journal of Energy and Power Engineering, V 6,
N 8, August 2012. (1320-1327).
George Hunka, "Circuit Grounds and Grounding Practices", , Undergraduate Laboratory, Dept. of EE, University
of Pennsylvania, http://www.ese.upenn.edu/detkin/instruments/misctutorials/Ground/grd.html.
http://www.polarinstruments.com/support/cits/AP123.html .
http://www.ofdma-manfred.com/2009/06/01/one-way-electric-line-b-line-plenar-lecture-in-cambridge/
M. Bank, M. Haridim, V. Tsingouz, Z. Ibragimov, "Highly Effective Handset Antenna", International Journal of
Communications, NOUN-WSEAS, Issue 2, Volume 6, 2012 (80 – 87)
High Voltage Earth Return Distribution for Rural Areas. The Electricity Authority of New South Wales Fourth
Edition, June 1978
Evan Mayerhoff, "Corona and its Effects", http://www.highvoltageconnection.com/articles/corona.pdf
9