Развитие теории и техники передачи энергии и информации с использованием радиотехнических устройств на основе однопроводных и беспроводных технологий с привлечением теории вихревых токов

В. В. Фриск 
 
 
 
 
Развитие теории  
и техники передачи энергии  
и информации  
 
с использованием радиотехнических 
устройств  
на основе однопроводных  
и беспроводных технологий  
с привлечением теории вихревых  
токов 
 
 
 
 
 
 
 
 
СОЛОН-Пресс 
Москва 
2021

УДК 621.3.052.9 
ББК 22.336 
Ф 89 
 
Рецензент 
Генеральный директор Ассоциации «Связь»,  
кандидат технических наук, доцент С. Ф. Кондрашов. 
 
Фриск В. В. 
Развитие теории и техники передачи энергии и информации 
с использованием радиотехнических устройств на основе однопроводных и беспроводных технологий с привлечением теории вихревых токов. — М.: СОЛОН-Пресс, 2021. — 302 с 
 
ISBN 978-5-91359-439-6 
 
Рассмотрены вопросы теории и техники передачи электрической энергии и информации с использованием радиотехнических 
устройств на основе однопроводных и беспроводных технологий. 
Для анализа электрических процессов привлечена теория вихревых токов. 
Основное внимание уделено новым технологиям, используемым в радиотехнических системах. Предложен новый подход к 
объяснению процессов в однопроводных линиях передачи. 
Подробно рассматриваются и исследуются характеристики новых приборов на основе однопроводных технологий. Получен патент на однополюсный киловольтметр. 
Для научных работников, инженеров и разработчиков радиотехнической аппаратуры, студентов старших курсов радиотехнических факультетов вузов, аспирантов. 
 
 
ISBN 978-5-91359-439-6 
© СОЛОН-Пресс, 2021 
 
© Фриск В. В., 2021 

 
 
 
СОДЕРЖАНИЕ 
 
 
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 
.............................................. 8 
ВВЕДЕНИЕ 
................................................................................................. 10 
1 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ, ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ 
И МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВИХРЕВЫХ 
ТОКОВ В ОДНОПРОВОДНОЙ ЛИНИИ ............................................. 16 
1.1 Анализ современного состояния проблемы применения 
однопроводных линий передачи ........................................................ 18 
1.1.1 Теоретическое обоснование передачи переменного 
электрического тока по металлической однопроводной линии под 
действием высокого напряжения ........................................................... 27 
1.1.2 Анализ распространения переменного тока в проводнике 
однопроводной линии 
................................................................................. 31 
1.1.3 Экспериментальное подтверждение теоретических выводов 
по распространению индукционных токов в однопроводной линии  
под действием высокого напряжения .................................................... 33 
1.2 Разработка физико-математической модели для описания 
электрических процессов в однопроводной линии ........................ 63 
3 

Содержание 
1.3 Компьютерное моделирование электрических процессов 
в металлическом кольце, подключенном к однопроводной  
линии 
....................................................................................................... 72 
1.3.1 Разработка методики экспериментального использования 
индукционного тока в металлическом кольце, подключенном 
к однопроводной линии 
.............................................................................. 80 
1.4 Анализ влияния нагрузки во вторичной обмотке 
повышающего трансформатора на величину индукционного  
тока в однопроводной линии 
.............................................................. 83 
1.5 Экспериментальные исследования двухполюсного 
трансформатора с целью определения его коэффициента 
трансформации ..................................................................................... 86 
1.5.1 Разработка методики и экспериментальное исследование 
коэффициента трансформации двухполюсного трансформатора, 
подключенного к металлическому кольцу с использованием 
дополнительной однопроводной линии 
.................................................. 88 
1.5.2 Разработка методики и экспериментальное исследование 
коэффициента трансформации двухполюсного трансформатора, 
подключенного к однопроводной линии, не имеющей на конце 
металлического кольца ............................................................................. 89 
1.5.3 Разработка методики и экспериментальное исследование 
передачи электрического тока по однопроводным линиям к двум 
потребителям, включенным по схеме звезда ....................................... 91 
Выводы ................................................................................................. 104 
2 РАЗРАБОТКА СТРУКТУРНЫХ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ 
ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОДНОПОЛЮСНЫХ ПРИБОРОВ ......... 106 
2.1 Разработка однополюсного киловольтметра .......................... 109 
2.2 Разработка однополюсного измерителя частоты ................... 115 
4 

Содержание 
2.3 Экспериментальные исследования однополюсных 
компонентов для выявления их высоковольтных  
характеристик ..................................................................................... 117 
2.4 Влияние индуктивной катушки, подключённой на конце 
однопроводной линии ........................................................................ 124 
2.5 Исследование передачи энергии по однопроводной линии 
с помощью катушки Тесла 
................................................................ 127 
Выводы ................................................................................................. 167 
3 Теоретический анализ процессов, происходящих в плоском 
конденсаторе, учитывающий явление вихревых токов .................. 169 
3.1 Результаты анализа вихревого тока в обкладках плоского 
конденсатора 
........................................................................................ 170 
3.2 Теоретическое исследование режима заряда и разряда 
плоского конденсатора с учетом явления вихревых токов ........ 178 
3.2.1 Анализ влияния на работоспособность плоского  
конденсатора при надрезании его пластин ........................................ 179 
3.3 Анализ влияния на работоспособность плоского  
конденсатора при размещении пластин электротехнической 
стали вместо диэлектрика 
................................................................. 183 
3.4 Анализ влияния на работоспособность конденсатора 
с обкладками в виде замкнутых металлических колец 
............... 185 
3.5 Математические аспекты опытов холостого хода  
и короткого замыкания в теории электрических цепей ............. 187 
3.5.1 Расширение понятия действительных чисел и его 
использование в теории электрических цепей ................................... 188 
5 

Содержание 
3.5.2 Опыты короткого замыкания и холостого хода в теории 
электрических цепей в свете расширения понятия действительных 
чисел ........................................................................................................... 196 
3.5.3 Применение в теории электрических цепей расширенного 
понятия действительных чисел и его распространение на 
комплексные числа 
................................................................................... 199 
3.5.4 Фильтрующее свойство дельта-функции в свете расширения 
понятия действительных чисел и его использование в теории 
электрических цепей ............................................................................... 210 
Выводы ................................................................................................. 214 
4 Применение однопроводной технологии для передачи энергии, 
речи, музыки и информации 
................................................................. 216 
4.1 Экспериментальное исследование беспроводной линии 
передачи энергии, речи, музыки и информации .......................... 223 
4.2 Экспериментальное исследование однопроводной линии 
передачи с двумя металлическими кольцами .............................. 236 
4.3 Экспериментальное исследование передачи переменного 
напряжения с помощью однопроводной линии 
............................ 239 
4.3.1 Экспериментальное исследование передачи электропитания 
с помощью однопроводной линии 
.......................................................... 239 
4.3.2 Экспериментальное исследование передачи аудиосигнала 
с помощью однопроводной линии 
.......................................................... 241 
4.3.3 Экспериментальное исследование передачи музыки и речи 
с помощью однопроводной линии 
.......................................................... 243 
4.3.4 Экспериментальное исследование использования 
однопроводной линии для работы лампочки накаливания .............. 250 
4.3.5 Экспериментальное исследование использования 
однопроводной линии для однопроводного электропитания 
электрического вентилятора 
................................................................ 253 
6 

Содержание 
4.3.6 Экспериментальное исследование передачи информации 
по однопроводной линии ......................................................................... 257 
4.3.7 Экспериментальное исследование передачи музыки и речи 
с помощью беспроводной линии передачи ........................................... 261 
4.3.8 Экспериментальное исследование передачи информации 
по беспроводной линии ............................................................................ 264 
4.4 Экспериментальное исследование влияния индукционных 
токов в конце однопроводной линии на электрический разряд 
в вакууме .............................................................................................. 280 
Выводы ................................................................................................. 288 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................... 290 
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .......................... 292 
 
 
7 

СПИСОК  
ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 
ВИЭСХ – Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства. 
КПД – коэффициент полезного действия. 
ИНУН – источник напряжения, управляемый напряжением. 
КАЧЕР – качатель реактивностей. 
КЗ – короткое замыкание. 
ОЛ – однопроводная линия. 
РЭА – радиоэлектронная аппаратура. 
ТЭЦ – теория электрических цепей. 
ХХ – холостой ход. 
ЭДС – электродвижущая сила. 
AD / CD (alternating current / direct current) – переменный ток / постоянный ток. 
BOSCH PLATIN – автомобильной свечи фирмы «Бош». 
Micro-Cap – программы схемотехнического моделирования. 
8 

Cписок основных сокращений 
MOBILETRON – автомобильная катушка зажигания. 
Power bank – источник постоянного тока. 
SWER (Single wire earth return) – однопроводная линия с обратным проводом в виде земли. 
USB (Universal Serial Bus) – универсальная последовательная шина. 
9 

ВВЕДЕНИЕ 
В настоящее время потребители выдвигают требования к повышению 
показателей качества, эксплуатационной надежности, низкой стоимости, снижению веса и габаритов радиотехнических устройств. Улучшение качества может быть обеспечено за счёт использования новых современных материалов и инновационных технологий. 
Многие новые разработки радиотехники осуществляются с использованием метода вихревых токов [1, 2]. 
Используются установки индукционного бесконтактного нагрева заготовок, термообработки металлов, закалки деталей, плавки и резки. 
Индукционные установки просты в управлении и в обслуживании, не 
требуют значительных расходов на содержание и долговечны в использовании, имеют высокую эффективность и рентабельность. Индукционный процесс не сопровождается выделением токсичных веществ. 
Индукционные приборы используются в качестве ваттметров, счетчиков электрической энергии, толщиномеров покрытий и других. 
Индукционные лампы в качестве энергосберегающих источников видимого света находят широкое применение. В основе их работы лежит 
принцип электромагнитной индукции и электрического разряда в газе. 
В конструкцию лампы входят генератор высокочастотного тока и катушка со стержнем. Внутренняя поверхность газоразрядной трубки индукционной лампы покрыта люминофором. Электромагнит и индукционная катушка создают газовый разряд. Под воздействием ультрафиолетового излучения разряда происходит свечение люминофора. По своему принципу работы индукционная лампа напоминает трансформатор. 
10