По пути к импульсной энергетике

Размещено на http://www.allbest.ru/

По пути к импульсной энергетике

Канарёв Ф.М. kanarevfm@mail.ru

Анонс

Большая часть электрической энергии с момента начала её применения и по настоящее время генерируется в виде непрерывного напряжения и тока. Эта непрерывность была заложена вначале в алгоритмы, а потом и электронные программы электроизмерительных приборов, учитывающих расход электроэнергии. Когда началось и импульсное использование электрической энергии, то для её учета математики разработали графоаналитический метод, в котором допустили фундаментальную физико-математическую ошибку. Она завышает расход электроэнергии импульсами в количество раз, равное скважности импульсов. Покажем суть этой ошибки и докажем её достоверность теоретически и экспериментально [1], [2].

Средняя величина электрической мощности , генерируемой непрерывно меняющимся напряжением и - током , рассчитывается по хорошо известной формуле

. (1)

Если непрерывно генерируемая электрическая энергия потребляется периодически с длительностью периода и длительностью импульсов , с амплитудами импульсов напряжения и - тока , то появляется скважность импульсов и функции напряжения и тока теряют свою непрерывность (аналитический вид), и формула (1) не работает при расчёте средней величины импульсной мощности (рис. 1).

Рис. 1. Осциллограмма, снятая с клемм аккумулятора, питавшего лампочку импульсами напряжения и тока

Математики, не мудрствуя лукаво, разработали графоаналитический метод расчёта средней импульсной мощности, который приводит формулу (1) к такому конечному результату

. (2)

Однако, перевод аналитического метода решения уравнения (1) в графоаналитический требовал основательных знаний по физике и, особенно по электротехнике, которых у математиков не оказалось. В результате физико-математическая ошибка, допущенная математиками и не обнаруженная инженерами-электриками, задержала развитие экономной импульсной энергетики почти на 100лет. Вот суть этой ошибки.

При составлении программы для графоаналитического решения уравнения (2) с целью определения средней величины импульсной мощности , реализуемой первичным источником питания, в данном случае (рис. 1), - аккумулятором, роль ориентира выполняло математическое уравнение (1), которое предназначено для вычисления средней мощности, генерируемой непрерывно меняющимися функциями напряжения и тока . В формуле (1) перемножаются результаты интегрирования функций напряжения и тока. При графоаналитическом методе решения этого уравнения перемножаются ординаты напряжения и тока. Затем полученные произведения складываются и делятся на общее количество произведений в интервале периода . В результате получается средняя величина электрической мощности , математическая формула, для расчёта которой принимает вид, представленный в конце формулы (2).

Символ в формуле (2) - скважность импульсов. Если импульсы напряжения и тока прямоугольные (рис. 1), то скважность определяется путём деления периода следования импульсов на их длительность (). Проследим за процессом появления в знаменателе формулы (2) математического символа - скважности импульсов. Обратим внимание на то, что в точке С на рис. 1 прекращается подача напряжения с амплитудой на клеммы лампочки и амплитуда тока принимает нулевое значение. После точки С напряжение на клеммах аккумулятора восстанавливается и не принимает участие в работе до начала следующего импульса в точке D. Из этого элементарнейшего анализа следует, что средняя величина напряжения за период равна , а средняя величина тока за тот же период равна . Зная, что мощность равна произведению средней величины напряжения на среднюю величину тока, ученик средней школы без труда определит среднюю величину мощности по формуле

. (3)

Ситуация сверх потешная. Академики-энергетики и инженеры-электрики всего мира более 100 лет признают формулу (2) правильной, а формулу (3) ошибочной. Никто из них не обратил внимание на элементарные противоречия в формуле (2), которые бы побудили кого-нибудь проверить экспериментально: какая из формул (2) или (3) ошибочна, а какая правильная? Почему решение этой задачи досталось нам? У нас нет ответа на этот вопрос.

Для экспериментальной проверки ошибочности формулы (2) и достоверности формулы (3) был разработан, испытан и запатентован первый в мире мотор-генератор МГ-1 (рис. 2). До этого все электрогенераторы имели посторонний привод, а у МГ-1 посторонний привод и генератор имеют один вал. Ротор МГ-1 выполняет функции электромотора, а статор - функции электрогенератора. Чтобы электромотор потреблял электроэнергию импульсами, напряжение в обмотку ротора подаётся через щётки и коллектор (рис. 2). При этом в работу включаются лишь те ламельки коллектора, которые обеспечивают подачу напряжения в обмотку ротора при сближении магнитных полюсов ротора и статора. Когда эти полюса начинают удаляться друг от друга, то ламельки прекращают подачу напряжения в обмотку ротора. В результате магнитные поля полюсов ротора и статора, имея противоположную полярность, задерживающую вращение ротора при удалении полюсов, исчезают и ротор продолжает вращение по инерции до следующего момента встречи магнитных полюсов ротора и статора. Источником питания МГ-1 может быть электрическая сеть (рис. 2) или аккумулятор (рис. 6).

Коллектор со щётками

Рис. 2. Электромотор-генератор МГ-1 питает электролизёр и лампочку

а) b)

Рис. 3. Осциллограммы МГ-1 на холостом ходу: а) на клеммах ротора; b) на клеммах статора

Обратим внимание на то (рис. 3, а), что после отключения подачи напряжения длительностью в обмотку возбуждения ротора (рис. 3, а) в обмотке ротора возникает импульс ЭДС самоиндукции (ЭДСС) с противоположной полярностью и с меньшей длительностью . Он генерирует импульс ЭДС самоиндукции (ЭДСС) длительностью в обмотке статора (рис. 3, b).

Таким образом, подав в обмотку возбуждения ротора МГ-1 один импульс напряжения (ЭДСИ, рис. 3, а) мы получаем на холостом ходу два импульса самоиндукции (ЭДСС) - один в обмотке ротора (рис. 3, а), а другой в обмотке статора (рис. 3, b). Если подключим нагрузку к обмотке статора, то получим в этой обмотке ещё один импульс - импульс ЭДС индукции (ЭДСИ, рис. 4, b). В результате один внешний рабочий импульс ЭДСИ, поданный в обмотку, ротора рождает ещё три импульса. Так как импульсы (ЭДСС) рождаются в момент отключения подачи импульсов ЭДСИ в обмотку возбуждения ротора, то на их формирование расходуется минимальная энергия.

а) рабочие импульсы ЭДС индукции в обмотке ротора

b) рабочие импульсы ЭДС самоиндукции в обмотке статора

Рис. 4. Рабочие импульсы в обмотках ротора и статора

На рис. 4, b представлены импульсы ЭДСС и импульсы тока, которые возникают на клеммах электролизёра, подключённого к клеммам статора МГ-1 (рис. 2). Удивительным является то, что длительность импульса (ЭДСС), рождающегося в обмотке статора на холостом ходу (рис. 3, b), увеличивается на клеммах электролизёра (рис. 4, b, ) в количества раз, равное скважности этих импульсов на холостом ходу (рис. 3, b). Из этого следует уменьшение энергии на электролиз воды. Следствием этого уменьшения является закон (3) формирования средней импульсной электрической мощности. Как проверить достоверность такого следствия?

Для этого проанализируем осциллограммы, снятые на входе в МГ-1 и на выходе из него - на клеммах электролизёра (рис. 5).

Осц. На клеммах ротора

Частота вращения 2000 об/мин.

Напр. имп.=176 В;

Ток ср.=0,131 В=1,31 А; (R=0,1)

а)

Осц. на клеммах ячейки

Частота вращения 2000 об/мин.

Напр. имп.=2,6 В; Напр. ср.=2,10 В ;

Ток ср. =0,0239 В =31,86 А .(R=0,00075)

b)

Рис. 5. Осциллограммы на клеммах ротора и на клеммах электролизёра

Электролизёр состоял из двух пластин, совокупность которых называется ячейкой. Количество выделившихся газов определялось весовым методом с помощью весов, взвешивавших ячейку до и после опыта с точностью 0,01г. Данный эксперимент длился 45 минут. За это время масса электролитической ячейки в сборе изменилась на . Количество водорода, полученного за час, составило , а объём газовой смеси (водород + кислород) оказался таким .

Для определения средней величины, мощности на клеммах МГ-1 по формуле (3) надо знать средние значения напряжения , тока и - скважность импульсов. Из осциллограммы на рис. 5, а имеем: =4; , Кроме электролизёра генератор питал лампочку мощностью , которая была подключена к импульсам ЭДС самоиндукции ротора. Так как импульсы ЭДСС формируются в момент выключения подачи напряжения в обмотку возбуждения ротора и так как её мощность не представлена на осциллограмме (рис. 5), то средняя величина мощности, участвующая в реализации процесса электролиза воды, будет равна . Поскольку объём газовой смеси, произведённой электролизёром за час, равен , то удельная мощность, реализуемая на производство одного литра водорода и кислорода, будет равна

. Это хороший, экономный результат.

Скважность импульсов напряжения и тока на клеммах электролизёра (рис. 5, b) равна . С учётом этого среднее напряжение на клеммах электролизёра равно , а средняя величина тока по данным осциллографа . В результате мощность, реализуемая на электролиз воды (без учёта мощности, реализуемой на питание лампочки) будет равна , а её удельная величина

. Если учесть, что импульсы ЭДС индукции на клеммах статора остались не использованными, то это - тоже хороший результат.

А теперь приведём результаты испытаний электромотора-генератора МГ-2, питаемого аккумуляторами (рис. 6). В качестве нагрузки возьмём ячейку электролизёра (рис. 6). Проследим за процессом разрядки мотоциклетных аккумуляторов 6МТС-9, питающих мотор - генератор МГ-2, и сравним с процессом разрядки тех же аккумуляторов, питающих совокупность лампочек с общей мощностью, рассчитанной по формуле (2). Общее время эксперимента по электролизу воды: 3 ч 10 мин. Получено 8,57 литров .

Рис. 6. Фото МГ-2 + 2 аккумулятора 6МТС-9 + ячейка электролизёра

Электромотор - генератор МГ-2 работал в режиме поочерёдной разрядки и зарядки аккумуляторов, как автономный источник энергии, одновременно питавший ячейку электролизёра (рис. 6). Осциллограммы на клеммах ротора и статора представлены на рис. 7

.

Расчёт по закону (2): ; ; ; ; .

Расчёт по закону (3): ; ; .

а) на РОТОРЕ - рабочий ход

Расход раствора - ?m=4,6 г,

8,57л или 2,7 л/час ().

Расчёт по закону (2): ; ; ; ; .

Расчёт по закону (3): ; ; ;

.

b) на СТАТОРЕ +1 ячейка

Расчёт по закону (2): ; ; ; ; .

Расчёт по закону (3): ; ; .

с) на СТАТОРЕ + зарядка аккумуляторов

Рис. 7. Осциллограммы электромотора-генератора МГ-2

Итак, электронная программа осциллографа, определяющая средние значения напряжения и тока, базируется на математической модели (2). Справа осциллограмм (рис. 7) представлены расчёты средней импульсной мощности по старому закону (2) средней импульсной мощности по новому закону (3). Результаты расчётов, следующие из осциллограмм (рис. 7), представляем в табл. 1.

Таблица 1. Старые и новые средние импульсные мощности на клеммах ротора и статора МГ-2

Теперь главное - доказательство ошибочности старого математического закона (2) формирования импульсной электрической мощности и достоверность нового закона (3). Согласно старому закону (2) формирования средней величины импульсной электрической мощности на клеммах ротора МГ-2, подключённого к аккумулятору, старая средняя импульсная мощность равна (рис. 7, первая осциллограмма и табл. 1). Каждая из двух пар 6-ти вольтовых аккумуляторов, соединённых последовательно при импульсной подаче электроэнергии в обмотку возбуждения ротора в течение 3 часов 10 минут снижала напряжения на своих клеммах (табл. 2) в среднем на 0,10В/час.

Таблица 2. Падение напряжения на клеммах аккумуляторов за 3 часа 10 минут

Расчёт величины средней импульсной мощности, реализуемой аккумуляторами по формуле (2) даёт такой результат (рис. 7, а)

. (4)

Для проверки правильности этой формулы В качестве нагрузки, эквивалентной мощности (4), рассчитанной по формуле (2), были взяты лампочки общей мощностью (21+5+5+5)=36,00Вт. Так как из математической модели (2) старого закона формирования средней импульсной электрической мощности следует, что аккумуляторы, питавшие МГ-2, реализовывали мощность, равную 37,88Ватт (4), то вместо МГ-2 к тем же аккумуляторам были подключены лампочки с общей мощностью 36Ватт (рис. 8).

Рис. 8. Разрядка аккумулятора серией лампочек, с общей мощностью, рассчитанной по формуле (2)

Начальное напряжение на клеммах аккумуляторов равнялось 12,78В. Через один час 40 минут напряжение на клеммах аккумуляторов упало до 4,86В или на 7,92В. Это в 7,92/0,3=26,00 раз больше скорости падения напряжения на клеммах аккумуляторов, питавших электромотор-генератор МГ-2, без учета разного времени их работы. Если бы лампочки оставались включёнными 3 часа 10 минут, как и при питании электромотора-генератора МГ-2, то напряжение на клеммах аккумуляторов упало бы до нуля.

Этого вполне достаточно для однозначного вывода о полной ошибочности старого закона (2) формирования средней импульсной электрической мощности и достоверности нового - (3). Конечно, мы не учли 8,57 л смеси водорода и кислорода, полученной путём электролиза воды электрической энергией, вырабатываемой электромотором-генератором. Это, как говорят, дополнительная энергия, которая снижает затраты на получение одного литра водорода и кислорода из воды до 0,60Ватта (рис. 7, b). Это почти в 6 раз меньше затрат при самом экономном промышленном получении этой смеси газов.

Решающий эксперимент. При решающем эксперименте, доказавшем ошибочность старого закона (2) формирования средней величины импульсной мощности и достоверность нового закона (3), использовался МГ-1, приспособленный для питания от сети. Чтобы повысить напряжение, подаваемое в обмотку возбуждения его ротора при питании от аккумуляторов были использована в качестве первичного источника две группы (по 4-е штуки) мотоциклетных аккумуляторов (рис. 9) с номинальным напряжением 12В каждый. Схема была составлена так, что каждая группа аккумуляторов работала последовательно в режимах разрядка и зарядка. Когда одна группа питала обмотку возбуждения ротора, то другая - заряжалась импульсами ЭДСС статора, а импульсы ЭДСИ статора питали ячейку электролизёра (рис. 9).

Рис. 9. Фото МГ-1, ячейки электролизёра и аккумуляторов, питавших МГ-1 в режиме разрядки и зарядки

Мотор-генератор МГ-1 проработал непрерывно 72 часа, в режиме поочередного питания от одной группы мотоциклетных аккумуляторов и зарядки второй группы, при одновременном питании электролизёра. Энергия аккумуляторов, израсходованная на вращение ротора МГ-1, будет равна

(5)

За это время напряжение аккумуляторов упало в среднем на 0,7Вольта. Учитывая количество аккумуляторов - 8 и ёмкость каждого - 18Ач, имеем величину энергии, которую отдали все аккумуляторы за 72 часа Это общая энергия отданная аккумуляторами на вращение ротора электромотора-генератора и на питание электролизёра. Её величина 15233184/362880=42,00 раза меньше энергии, затраченной только на вращение ротора МГ-1, без учета 43 литров водорода и кислорода, полученных при питании электролизёра.

Из этого следует, что мощность, реализовываемая всеми аккумуляторами на вращение ротора МГ-1 и на питание электролизёра, равна . При этом электролизёр произвёл 43 литра газовой смеси водорода и кислорода. Следовательно, на получение 1 литра указанной смеси, реализовывалась мощность, равная Это фантастический результат, убедительно доказывающий ошибочность закона сохранения энергии, а значит и - формулы, и правильность формулы (3). Вполне естественно, что финансирование коммерциализации такого результата было сразу прекращено. ток осциллограмма ротор

Таким образом, ошибочная формула (2), заложенная в математические программы учета электроэнергии, потребляемой из сети, уже более 100лет выполняет роль мощного тормоза в разработке и внедрении импульсных потребителей электроэнергии, так как счётчики, реализующие ошибочную программу, разрабатываемую на основании математической модели (2), завышают реальную величину импульсной мощности в количество раз, равное скважности импульсов напряжения [2], [3].

В России уже имеются действующие экспериментальные отопительные батареи, потребляющие электроэнергию из сети импульсами со скважностью, равной 100. Существующие счётчики электроэнергии, в которые заложен ошибочный алгоритм или ошибочная программа завышают реальный расход электроэнергии такими батареями в 100 раз и таким образом прочно закрывают им дорогу к потребителю.

Уже разработан проект первого коммерческого образца, названного МГ-5 (рис. 10). В очереди инвесторов, желающих коммерциализировать МГ-5, первой стоит немецкая фирма.

Рис. 10. Мотор-генератор МГ-5 -коммерческий вариант

Заключение

Новый закон формирования электрической мощности (2) открывает неограниченные возможности в сокращении расхода электроэнергии путём замены непрерывных потребителей электроэнергии импульсными, при условии замены существующих счётчиков электроэнергии, искажающих учёт её импульсного расхода, новыми - универсальными, правильно учитывающими величину непрерывного и импульсного потребления электроэнергии. Изготовленные и испытанные первые в мире электромоторы - генераторы МГ-1 и МГ-2, вырабатывающие и потребляющие электроэнергию импульсами, убедительно доказали достоверность нового закона формирования импульсной электрической мощности (3) и полную ошибочность старого (2) [1], [2], [3], [4]. Мы уже разработали методику составления математических программ для универсальных счётчиков электроэнергии, правильно учитывающих её непрерывное и импульсное потребление.

Источники информации

1. Канарёв Ф.М. Монография микромира. http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/663-2012-08-19-17-07-36

2. Канарёв Ф.М. Импульсная энергетика. Том II 15-го издания монографии «Начала физхимии микромира». http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/228----ii-

3. Канарёв Ф.М. Ответы на вопросы о микромире. http://www.micro-world.su/index.php/2010-12-22-11-45-21/260-------iii-

4. Канарёв Ф.М. Глобальная физическая ошибка математиков. http://www.sciteclibrary.ru/rus/avtors/k.html http://www.micro-world.su/ http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10785.html

Размещено на Allbest.ru