электрических машин переменного тока
Дудышев В.Д.
Самарский технический университет
В статье сформулирована проблема радикального снижения электропотребления основных электроприемников переменного тока – трансформаторов и асинхронных электрических машин(АЭМ). Рассматриваются методы и устройства их энергетического совершенствования на основе принципа циркуляции реактивной мощности и др.Предложены и обсуждаются оригинальные управляемые трансформаторы с единичным входным коэффициентом мощности(косинус фи). Предложены и анализируются электрические схемы АЭМ с единичным входным коэффициентом мощности.
Предложено конструктивное совмещение обмоток асинхронных электрических машин, обеспечивающих одновременно двигательно-генераторный режим АЭМ. Рассмотрены и иные варианты экономичных АЭМ в частности по схемам резонансных конденсаторных АЭМ с регуляторами и вентильных асинхронных электрических машин, позволяющих работать электрической машине с минимальным электротреблением из сети, одновременно в режиме двигателя и генератора, и в режиме «вечного двигателя«(ВД). Предложена самовращающаяся асинхронная вентильная электромашина, работающая одновременно в режиме мотора и генератора, с самовозбуждением и самообеспечением электроэнергией и механической энергией.
Такой необычный совмещенный режим работы АЭМ в режиме «ВД» достигается посредством конструктивного совмещения электродвигателя и электрогенератора в одном электромеханическом устройстве на основе совмещения многофазных статорных обмоток с разным числом пар полюсов. Рассмотрен вариант экономичной резонансной многообмоточной асинхронной электрической машины с введением резонансных конденсаторов между статорными обмотками. Определены условия, при которых одна из ее обмоток работает в генераторном режиме Рассмотрены и прочие оригинальные варианты экономичных трансформаторов и электрических машин (АЭМ) на основе асинхронных электрических вентильных машин.. Предложен оригинальный коммутатор в статорных индуктивных обмотках, обеспечивающий самогенерацию электроэнергии Предлагаемые революционные технические новшества позволяют значительно экономить электроэнергию и в пределе обеспечить 100% экономию электроэнергии в режиме автономного самоэлектрообеспечения этих известных устройств посредством кольцевания энергии в обмотках за счет полезного использования явления самоиндукции при разрыве индуктивностей с электрическим током в моменты его максимума . .
Введение
Электроэнергия повсеместно дорожает, а ее потребление в мире непрерывно увеличивается . Более 80 % электроэнергии потребляется в мире именно на переменном токе.Поэтому актуальной проблемой мировой энергетики является снижение электропотребления и повышение коэффициента полезного действия кпд всех электроприемников переменного тока. Практически все эти электроприемники обладают индуктивностями .Трансформаторы и асинхронные электрические машины переменного тока –это самые массовые индуктивные электроприемники. Их применяют повсеместно от бытовой электротехники, компьютеров, городской электросети до тягового ж/д электропривода и электропривода прокатных станов. Все они потребляет излишнюю электроэнергию. Асинхронные электрические машины наиболее распространены в мире благодаря простоте конструкции и хорошим регулировочным свойствам.
Основные определения
Трансформатор переменного тока - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
Асинхронная электрическая машина(АЭМ.)-это электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора . АЭМ в основном служат двигателями, но благодаря обратимости может работать и генератором с выработкой электроэнергии. В этом случае ее вал вращают иным приводным двигателем . А. э. м. может также работать в режиме тормоза, если её ротор вращать против направления вращения магнитного поля; это свойство А. э. м. используется, например, в системах электрической тяги на переменном токе.
Принцип работы АЭМ основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля (см. Вращающееся магнитное поле), возникающего при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n1 .Ротор АЭМ совершает асинхронное вращение со скольжением по отношению к вращающемуся магнитному полю.
Явление электромагнитной самоидукции состоит в том что: при всяком изменении магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока.
О СУЩНОСТИ И ФИЗИКЕ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Несмотря на широчайшее распространение трансформаторов и асинхронных электрических машин переменного тока, (АЭМ) до сих пор еще физика и энергетика их работы таят много неразгаданных тайн В чем истинный смысл физики преобразования энергии и работы трансформатора и асинхронной электрической машины? Как электрические машины преобразует подводимую к статорным обмоткам электроэнергию в механическую энергию вращения ротора - в режиме двигателя и -напротив –как она преобразует механическую энергию принудительного вращения ее вала в электроэнергию в режиме генератора? Почему трансформатор не вращается ? Сколько по минимум нужно им потребляемой электроэнергии для совершения прежней полезной работы и на что она расходуется? Куда и как она поступает и во что преобразуется эта входная электроэнергия и где она запасается ? Действительно ли нужен в установившемся режиме асинхронной электрической машине работы внешний источник энергии? И если да- то какова должна быть его минимальная мощность и потребляемая энергия от внешнего источника -из сети? Можно ли сделать на статорных обмотках малозатратным «вечный»индуктивно- транзисторный автогенератор электрических колебаний? И если да -то снизит ли он потребляемую от внешнего источника электроэнергию ? Можно ли синхронизировать частоту электрических колебаний такого электромеханического автогенератора с частотой вращения ротора АЭМ ? Что будет с энергетикой и электромеханикой АЭМ, если вращающееся электромагнитное поле создавать в ее статорных обмотках маломощным задающим многофазным электронным устройством и им же возбуждать электромагнитные колебания в рабочих статорных обмотках по принципу магнитного усилителя? Можно ли сделать необычный трансформатор вообще без электропитания с кпд, равным 1Можно ли совместить в одной электрической машине переменного тока(АЭМ) и мотор и генератор одновременно ? И если можно- то как ? Можно ли вообще сделать самовращающийся электрический мотор- генератор? Как использовать эдс самоиндукции с пользой в индуктивных нагрузках – для экономии электроэнергии ? На этот далеко не полный перечень «простых» вопросы пока точного физического ответа еще нет .И в силу этого все трансформаторы и все АЭМ , применяемые повсеместно –от вентиляторов до тяговых электроприводов на железной дороге - до сих пор в работе весьма энергозатратны. Правда, резонансные опыты Мельниченко с его экономичными резонансными режимами таких асинхронных электрических машин несколько приоткрыли завесу тайны – и указали направление исследования малозатратных АЭМ , но по- существу, не позволяют АЭМ работать в широком диапазоне скоростей и нагрузок на валу . И, по- существу пока многое в энергетике АЭМ остается неясным и заданные вопросы ждут своего разрешения И это время ясных ответов на них- настало!
Варианты реализации экономичной и как частный случай
самовращающейся резонансной асинхронной электрической машины
Постановка задачи:
На Рис 1 показана классическая схема включения “звездой” 3х-фазного двигателя с кз ротором в 3х-фазную сеть с общей электрической нейтралью (нулем).
Начала обмоток подключены к фазам А, В и С.
Концы обмоток соединены межу собой и подключены к нейтрали.
Рис 1Вращение кз ротора (создание вращающегося электромагнитного поля) обеспечивается относительным сдвигом во времени фаз А, В и С на 120 градусов (за период сети равный 360 градусов) и заданной геометрией расположения обмоток L1, L2 и L3 (через 120 градусов) на кольце статора.
Круговая векторная диаграмма фаз напряжений на обмотках двигателя показана на Рис 2.
Рис 2
Временная диаграмма напряжений на началах обмоток двигателя за один период показана на Рис 3.
Рис 3Оба условия пытаюсь выполнить путем переключения обмоток L1, L2 и L3 относительно фаз сети А, В, С и нейтрали N после раскрутки двигателя до номинальных оборотов в штатном (или любом удобном) режиме.
О
дновременно и как можно быстро:
Рис 4 Важные условия работы АЭМ в совмещенном мотор- генераторном режиме:
Если после переключения двигатель загудит и резко остановится (режим торможения - фаза напряжения сети на двигательной обмотке L3 не совпала с фазой вращения ротора) необходимо изменить направление вращения ротора при раскрутке (поменять местами фазы А и В на обмотках двигателя).
Г1
К
руговая векторная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора показана на Рис 5. Г2
Рис 5 В
ременная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора и напряжения генератора показана на Рис 6.
Непременное условие – ротор двигателя должен иметь большой момент инерции (большую маховую массу), так как импульс вращения он получает (грубо) только треть периода, а расходует энергию - на генератор две трети периода и на потери полный период.
Рис 6. Поэтому электродвигатель должен иметь не нагрузку, а именно относительно большой момент инерции на валу. Отсюда вывод - для экспериментов годятся асинхронные двигатели любой мощности. Проще всего повесить на вал двигателя маховик, учитывая его ограничения по массе. Ограничение сверху – ток в обмотках двигателя при пуске (раскрутке) не должен превышать предельно допустимых значений значительное время. Это одна из причин возможного перегрева обмоток и выгорания изоляции. В зависимости от типа, двигатели при пуске допускают до семикратной и более перегрузки по току. Пуск и раскрутку двигателя желательно производить в облегченном режиме, возможно, применять плавный или ступенчатый пуск или с помощью другого двигателя с последующим его механическим и электрическим отключением.
Ограничение снизу - момент инерции ротора двигателя должен гарантированно обеспечить устойчивый (без вибрации) режим работы двигателя при питании от однофазной сети только одной обмотки (L3).
При выполнении этих условий после раскрутки и переключения 3х-фазный двигатель с кз ротором устойчиво работает от однофазной сети 220В подключенной к одной обмотке. С двух генераторных обмоток снимается электрическая мощность.
Эти факты, проверенны практикой!
Теперь двигатель можно загонять в последовательный резонанс, обманывать счетчик и т.д., кому что нравится…
На рис 7 показана схема, которая, в принципе, может быть реализована на комплектации элементной базы 80х годов.
Рис 7
Рис.7Номиналы силовых элементов зависят от мощности и типа применяемого двигателя и поэтому не указаны.
Схема содержит:
Для симметричной работы схемы необходимо стремиться выполнить два условия: емкости С2 и С3 равны по величине и пороги пробоя динисторов Д6 и Д7 должны быть на одном уровне напряжения. Из практики – пара Д6, Д7 всегда требует подбора.
Исходное положение перед переключением:
При идеальных параметрах элементов и без учета скольжения:
Наступает второй критический момент – с одной стороны необходимо генератор загнать в резонанс, для чего следует поднимать напряжение, с другой – ограничение по электрической прочности изоляции обмоток генератора.
В это время необходимо следить за напряжением на зажимах генератора Г1-Г2 и не допускать его до напряжения пробоя изоляции в L1, L2.
Пробой изоляции обмоток в резонансном режиме – вторая причина вывода двигателей из строя. Здесь надо копать и искать решение, удовлетворяющее обоим условиям. Один из перспективных, на мой взгляд, путей – повышение рабочее частоты.
При рабочей частоте 50 герц величина емкости С1 должна быть подобрана такой, чтобы при закороченном резисторе RС напряжение на зажимах генератора Г1-Г2 не поднималось выше определенного порога.
Возможно, напряжение на емкости С1 и измерял дядя Вася перед подключением нагрузки. Видимо, с учетом различных гармоник, не стоит поднимать напряжение на генераторе выше 1000В. Емкости на такое напряжение тоже не везде валяются, хотя емкости для увеличения напряжения соединяют последовательно.
Скорее всего, при различных ограничениях, колебательный контур войдет в “околорезонансный” режим. Какую то энергию контур запас, да и напряжение на нем в несколько раз превышает напряжение на двигателе (в сети).
Теперь, самое интересное – начинаем загонять энергию, запасенную в колебательном L-C контуре, обратно в двигатель и в питающую сеть.
Рассматриваем положительный полупериод, при этом помним, что генератор и двигатель сфазированы.. Медленно двигаем влево движок резистора R2, уменьшая сопротивление цепочки Г1-Д1-R1-R2-Д4-С3-Г2.
Если емкость С3 успевает зарядиться до конца полупериода до напряжения пробоя динистора Д7, она разрядится по цепочке R4–Д7- управляющий электрод тиристора Д10. Тиристор Д10 откроется и произойдет импульсный сброс энергии контура в сеть (и в двигатель) по силовой цепи Г1-Д5-сеть II (L3)-Д10-Г2.
Напряжение импульса сброса в первый момент будет равно разнице амплитуд на контуре (на С1) и на L3. Напряжение в сети должно несколько повыситься.
Ток импульса определится параметрами силовой цепи, величиной заряда С1 и мощностью генератора.
Длительность импульса – до конца полупериода и обратно пропорциональна времени заряда С3 от начала полупериода до напряжения пробоя динистора Д7.
Обратной (отрицательной) полуволной тиристор Д10 закроется и процесс симметрично повторится на времязадающей R1-R2-С2, динисторе Д6 и тиристоре Д9.
Процесс пошел… При этом RС должен быть полностью закорочен .
Внимательно следим за работой асинхронного электрического мотор-генератора и медленно перемещаем движок потенциометра R2 влево по схеме до попытки срыва устойчивого режима работы. Возвращаем движок потенциометра R2 в зону устойчивой работы, засекаем время
Если нагрузка электрической машины является параметром колебательного контура, тогда контур в этой электрической асинхронной машине нужен параметрический. Причем , согласно принципу - в контуре -параметр синхронизации меняется два раза за период
Интересны и изобретения А. Мельниченко по экономичным резонансным моторам переменного тока (см.приложение)
Привожу в качестве примера реферат одного из них ниже
Резонансный асинхронный двигатель, отличающийся тем, что с целью устранения индуктивного сопротивления в обмотках статора и увеличения мощности асинхронного двигателя, электрическая цепь обмотки статора работает в режиме резонанса напряжений, и содержит последовательно соединенные конденсаторы, обмотку статора и дополнительную индуктивность - для увеличения добротности и компенсации изменения индуктивности обмоток статора при работе асинхронного двигателя с нагрузкой
ВТОРОЙ МЕТОД И ВАРИАНТ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МИНИМАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ И ДОСТИЖЕНИЯ РЕЖИМА САМОВРАЩЕНИЯ АСИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ
Как известно, в индуктивных обмотках асинхронной электрической машины запасается и затем расходуется электромагнитная энергия на создание вращающегося электромагнитного поля в рабочем зазоре машины. Причем реактивные токи статорных обмоток АЭМ обмениваются за период с питающей сетью переменного тока дважды за период и в сумме равны нулю. Это обстоятельство может быть с пользой реализовано для минимизации электропотребления АЭМ при наличии специальных коммутаторов
Электрическая машина -это многоконтурная нелинейная индуктивностьБолее просто можно понять суть и энергетику работы асинхронной электрической машины как сложной индуктивности, работающей как циклический накопитель электромагнитной энергии , причем в динамике и на переменном токе .
Для того чтобы разобраться с методами радикальной экономии электроэнергии в электрических машинах надо уяснить физику процессов обмена энергиями (электрической энергии в электромагнитную и обратно )в индуктивностях, из которых они и состоят. По-существу, трехфазная асинхронная электрическая машина –это совокупность индуктивностей, три из которых размещены на статоре и одна индуктивность – это ее ротор . Известно что индуктивность при пропускании через нее электрического тока запасает в себе электромагнитную энергию. При переменном токе максимум запасенной энергии в индуктивности наступает при достижении максимума амплитуды переменного тока..Поскольку электрический ток в фазных обмотках синусоидальный, то максимум запасаемой энергии в индуктивностях статорных обмоток АЭМ наступает дважды за период
Из ниже приведенных графиков (рис.2) вполне видно, что максимум запасенной энергии в индуктивности соответствует максимуму тока и наступает дважды за период протекания через индуктивность переменного тока. На нижней части графиков показан ток и электромагнитная энергия индуктивности при размыкании (коммутации) тока в первичной обмотке индуктивности ключом К1 . Экспериментами установлено что в момент размыкания тока в индуктивности ее энергия значительно в разы – возрастает вследствие наведенной в ней эдс самоиндукции А что будет- если быстродействующим полупроводниковым ключом рвать цепи фазных токов асинхронной электрической машины (АЭМ )в момент максимальных амплитуд этих токов и запасенную энергию индуктивностей таким образом направлять в виде электрического тока посредством противоэдс на самоэлектропитание фазных индуктивных обмоток для самовращения АЭМ ???
Сущность данной технической идеи – состоит в том, чтобы реализовать этим коммутатором циркуляцию реактивных токов внутри статорных обмоток АЭМ –т.е. по иному, более рационально использовать эту запасаемую электромагнитную энергию индуктивностей статорных обмоток путем отсечки реактивных токов от их обмена с сетью и использования их внутри самой АЭМ и направления их в другие индуктивные обмотки , т.е. заставить их работать в режиме циркуляции реактивной мощности и тем самым полностью исключить обмен реактивными токами этой электрической машины с питающей электросетью . Об этом ниже
konesh.ru
Дудышев В.Д, Самарский технический университет
В статье сформулирована проблема и намечены пути радикального снижения электропотребления основных электроприемников переменного тока – трансформаторов и асинхронных электрических машин АЭМ). Рассматриваются методы и устройства их энергетического совершенствования на основе принципа циркуляции реактивной мощности и др.
Предложены и обсуждаются оригинальные управляемые трансформаторы с единичным входным коэффициентом мощности(косинус фи). Предложены и анализируются электрические схемы АЭМ с единичным входным коэффициентом мощности.
Предложено конструктивное совмещение обмоток асинхронных электрических машин, обеспечивающих одновременно двигательно-генераторный режим АЭМ. Рассмотрены и иные варианты экономичных АЭМ в частности по схемам резонансных конденсаторных АЭМ с регуляторами и вентильных асинхронных электрических машин, позволяющих работать электрической машине с минимальным электропотреблением из сети, одновременно в режиме двигателя и генератора, и в режиме “вечного двигателя“(ВД). Предложена самовращающаяся асинхронная вентильная электромашина, работающая одновременно в режиме мотора и генератора, с самовозбуждением и самообеспечением электроэнергией и механической энергией.
Такой необычный совмещенный режим работы АЭМ в режиме “ВД” достигается посредством конструктивного совмещения электродвигателя и электрогенератора в одном электромеханическом устройстве на основе совмещения многофазных статорных обмоток с разным числом пар полюсов. Рассмотрен вариант экономичной резонансной многообмоточной асинхронной электрической машины с введением резонансных конденсаторов между статорными обмотками. Определены условия, при которых одна из ее обмоток работает в генераторном режиме Рассмотрены и прочие оригинальные варианты экономичных трансформаторов и электрических машин (АЭМ) на основе асинхронных электрических вентильных машин.. Предложен оригинальный коммутатор в статорных индуктивных обмотках, обеспечивающий самогенерацию электроэнергии Предлагаемые революционные технические новшества позволяют значительно экономить электроэнергию и в пределе обеспечить 100% экономию электроэнергии в режиме автономного самоэлектрообеспечения этих известных устройств посредством кольцевания энергии в обмотках за счет полезного использования явления самоиндукции при разрыве индуктивностей с электрическим током в моменты его максимума . .
Электроэнергия повсеместно дорожает, а ее потребление в мире непрерывно увеличивается . Более 80 % электроэнергии потребляется в мире именно на переменном токе. Поэтому актуальной проблемой мировой энергетики является снижение электропотребления и повышение коэффициента полезного действия кпд всех электроприемников переменного тока. Практически все эти электроприемники обладают индуктивностями .Трансформаторы и асинхронные электрические машины переменного тока –это самые массовые индуктивные электроприемники. Их применяют повсеместно от бытовой электротехники, компьютеров, городской электросети до тягового ж/д электропривода и электропривода прокатных станов. Все они потребляет излишнюю электроэнергию. Асинхронные электрические машины наиболее распространены в мире благодаря простоте конструкции и хорошим регулировочным свойствам.
Трансформатор переменного тока - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно- связанных обмоток, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
Асинхронная электрическая машина(АЭМ.)-это электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора . АЭМ в основном служат двигателями, но благодаря обратимости может работать и генератором с выработкой электроэнергии. В этом случае ее вал вращают иным приводным двигателем . А. э. м. может также работать в режиме тормоза, если её ротор вращать против направления вращения магнитного поля; это свойство А. э. м. используется, например, в системах электрической тяги на переменном токе.
Принцип работы АЭМ основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля (см. Вращающееся магнитное поле),возникающего при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n1 .Ротор АЭМ совершает асинхронное вращение со скольжением по отношению к вращающемуся магнитному полю.
Явление состоит в том что: всякое изменение внешнего магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур приводит к возникновению в последнем электродвижущей силы и вторичного индукционного тока такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока.
О СУЩНОСТИ И ФИЗИКЕ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Несмотря на широчайшее распространение трансформаторов и асинхронных электрических машин переменного тока, (АЭМ) до сих пор еще физика и энергетика их работы таят много неразгаданных тайн В чем истинный смысл физики преобразования энергии и работы трансформатора и асинхронной электрической машины? Как электрические машины преобразует подводимую к статорным обмоткам электроэнергию в механическую энергию вращения ротора - в режиме двигателя и -напротив –как она преобразует механическую энергию принудительного вращения ее вала в электроэнергию в режиме генератора? Почему трансформатор не вращается ? Сколько по минимум нужно им потребляемой электроэнергии для совершения прежней полезной работы и на что она расходуется? Куда и как она поступает и во что преобразуется эта входная электроэнергия и где она запасается ? Действительно ли нужен в установившемся режиме асинхронной электрической машине работы внешний источник энергии? И если да- то какова должна быть его минимальная мощность и потребляемая энергия от внешнего источника -из сети? Можно ли сделать на статорных обмотках малозатратным “вечный”индуктивно- транзисторный автогенератор электрических колебаний? И если да -то снизит ли он потребляемую от внешнего источника электроэнергию ? Можно ли синхронизировать частоту электрических колебаний такого электромеханического автогенератора с частотой вращения ротора АЭМ ? Что будет с энергетикой и электромеханикой АЭМ, если вращающееся электромагнитное поле создавать в ее статорных обмотках маломощным задающим многофазным электронным устройством и им же возбуждать электромагнитные колебания в рабочих статорных обмотках по принципу магнитного усилителя? Можно ли сделать необычный трансформатор вообще без электропитания с кпд, равным 1? Можно ли совместить в одной электрической машине переменного тока(АЭМ) и мотор и генератор одновременно ? И если можно- то как ? Можно ли вообще сделать самовращающийся электрический мотор- генератор? Как использовать эдс самоиндукции с пользой в индуктивных нагрузках – для экономии электроэнергии ? На этот далеко не полный перечень “простых” вопросов пока точного физического ответа еще нет .И в силу этого все трансформаторы и все АЭМ , применяемые повсеместно –от вентиляторов до тяговых электроприводов на железной дороге - до сих пор в работе весьма энергозатратны. Правда, резонансные опыты Мельниченко с его экономичными резонансными режимами таких асинхронных электрических машин несколько приоткрыли завесу тайны – и указали направление исследования малозатратных АЭМ , но по- существу, не позволяют АЭМ работать в широком диапазоне скоростей и нагрузок на валу . И, по- существу пока многое в энергетике АЭМ остается неясным и заданные вопросы ждут своего разрешения И это время ясных ответов на них- настало!
Варианты реализации экономичной и как частный случай самовращающейся резонансной асинхронной электрической машины
Постановка задачи:
Включить асинхронный двигатель в режим “частичной рекуперации” –для этого схемно совместить мотор- генератор в одном устройстве –и тем самым вернуть часть затраченной энергии в сеть – т.е. получить двигатель-генератор из стандартного электродвигателя с короткозамкнутым (кз) ротором;
Включить электродвигатель в режим “самовращения” – энергия на выходе асинхронного эл.генератора должна превышать энергию, потребляемую двигателем на компенсацию потерь;
В режиме “самовращения” снять с генератора заданную по мощности полезную электрическую нагрузку.
Предлагаемая электрическая схема АЭМ с регуляторами направлена на решение только первой задачи и ни в коем разе не претендует на полное совершенство. Просто это одно из схемных решений на пути реализации технической идеи, с надеждой на удачу, при внесении корректив на неучтенные факторы и различных поправок. Но сама по себе идея по - видимому жизнеспособная и ранее была высказана и обсуждена на одном из форумов Интернета.
В данной электрической схеме АЭМ для простоты не показаны ротор и некоторые элементы коммутации обмоток .Прежде всего, необходимо для реализации совмещенного мотор- генераторного режима обычной асинхронной эл машины (АЭМ) необходимо выполнить два важных условия:
фаза генератора должна совпадать с фазой сети на двигателе;
напряжение генератора должно превышать напряжение сети, пусть на каком то отрезке времени периода.
Рис 1
На Рис 1 показана классическая схема включения “звездой” 3х-фазного двигателя с кз ротором в 3х-фазную сеть с общей электрической нейтралью (нулем).
Начала обмоток подключены к фазам А, В и С.
Концы обмоток соединены межу собой и подключены к нейтрали.
Вращение кз ротора (создание вращающегося электромагнитного поля) обеспечивается относительным сдвигом во времени фаз А, В и С на 120 градусов (за период сети равный 360 градусов) и заданной геометрией расположения обмоток L1, L2 и L3 (через 120 градусов) на кольце статора.
Круговая векторная диаграмма фаз напряжений на обмотках двигателя показана на Рис 2.
Рис 2
Временная диаграмма напряжений на началах обмоток двигателя за один период показана на Рис 3.
Рис 3
Оба условия пытаюсь выполнить путем переключения обмоток L1, L2 и L3 относительно фаз сети А, В, С и нейтрали N после раскрутки двигателя до номинальных оборотов в штатном (или любом удобном) режиме.
Одновременно и как можно быстро:
начала обмотки L1, L2 и отключаются от сети;
конец обмотки L3 отключается от общей точки;
фаза С подключается к концу обмотки L3;
нейтраль N подключается к началу L3.
Схема после переключения показана на Рис 4.
Рис 4
Важные условия работы АЭМ в совмещенном мотор- генераторном режиме:
Обмотки L1 и L2 стали генераторными – поле вращающегося ротора наводит в них ЭДС превышающую напряжение сети;
Вектор Г (фаза генератора), равный векторной сумме векторов Г1(на L1) и Г2 (на L2), равен по величине (в идеале) длине вектора С умноженной на корень из трех (1,73).
В обмотке L3 переключена “полярность” на противоположную. Вектор фазы в L3 изменил направление на 180 градусов и стал однонаправленным с вектором Г.
Результат – фаза напряжения Г снимаемого с генераторных обмоток L1+ L2 совпадает с фазой напряжения сети С на двигательной обмотке L3.
Если после переключения двигатель загудит и резко остановится (режим торможения - фаза напряжения сети на двигательной обмотке L3 не совпала с фазой вращения ротора) необходимо изменить направление вращения ротора при раскрутке (поменять местами фазы А и В на обмотках двигателя).
Круговая векторная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора показана на Рис 5.
Рис 5
Временная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора и напряжения генератора показана на Рис 6.
Непременное условие – ротор двигателя должен иметь большой момент инерции (большую маховую массу), так как импульс вращения он получает (грубо) только треть периода, а расходует энергию - на генератор две трети периода и на потери полный период.
Рис 6.
Поэтому электродвигатель должен иметь не нагрузку, а именно относительно большой момент инерции на валу. Отсюда вывод - для экспериментов годятся асинхронные двигатели любой мощности. Проще всего повесить на вал двигателя маховик, учитывая его ограничения по массе. Ограничение сверху – ток в обмотках двигателя при пуске (раскрутке) не должен превышать предельно допустимых значений значительное время. Это одна из причин возможного перегрева обмоток и выгорания изоляции. В зависимости от типа, двигатели при пуске допускают до семикратной и более перегрузки по току. Пуск и раскрутку двигателя желательно производить в облегченном режиме, возможно, применять плавный или ступенчатый пуск или с помощью другого двигателя с последующим его механическим и электрическим отключением.
Ограничение снизу - момент инерции ротора двигателя должен гарантированно обеспечить устойчивый (без вибрации) режим работы двигателя при питании от однофазной сети только одной обмотки (L3).
При выполнении этих условий после раскрутки и переключения 3х-фазный двигатель с кз ротором устойчиво работает от однофазной сети 220В подключенной к одной обмотке. С двух генераторных обмоток снимается электрическая мощность.
Эти факты, проверенны практикой!
Теперь двигатель можно загонять в последовательный резонанс, обманывать счетчик и т.д., кому что нравится…
На рис 7 показана схема, которая, в принципе, может быть реализована на комплектации элементной базы 80х годов.
Рис.7
Номиналы силовых элементов зависят от мощности и типа применяемого двигателя и поэтому не указаны.
Схема содержит:
Резонансный колебательный контур – L1, L2, C1, RС;
Д9, Д10 – тиристоры, подключающие нагрузку L3 (при подключенной сети) к колебательному контуру два раза за период в заданные моменты времени относительно начала периода;
Времязадающие цепочки - Д1, R1, R2, Д4, С3 для положительной и Д2, R1, R2, Д3, С2 для отрицательной плуволн генератора – элементарные управляемые интегрирующие цепочки;
Д6, Д7 – динисторы, пороговые ключевые элементы с напряжением пробоя от 6 до 15В типа КН102 с буквой определяющей высоту порога.
R3, R4 – резисторы, ограничивающие ток через управляющие электроды тиристоров;
Д5, Д8 – диоды, позволяющие обойти запертые тиристоры при обратной полуволне.
Время заряда С2, С3 до напряжения пробоя Д6, Д7 определяет угол открытия тиристоров – величину мощности возвращаемую с генератора в сеть и в двигатель.
Для симметричной работы схемы необходимо стремиться выполнить два условия: емкости С2 и С3 равны по величине и пороги пробоя динисторов Д6 и Д7 должны быть на одном уровне напряжения. Из практики – пара Д6, Д7 всегда требует подбора.
Исходное положение перед переключением:
Движок переменного резистора RС должен находиться в крайнем верхнем положении – максимальное сопротивление в цепи перезаряда емкости С1. Иначе, во время накопления энергии в колебательном контуре L1, L2, C1 двигателю не хватает энергии, и он останавливается – факт, проверенный практикой.
Движок резистора R2 в крайнем правом положении - максимальное сопротивление в цепи заряда емкостей С2, С3. Установлен максимальный угол открытия тиристоров Д9, Д10, чтобы минимизировать нагрузку на колебательный контур L1, L2, C1 во время переходных процессов после переключения.
Итак, схема включена, ротор двигателя устойчиво вращается на номинальных оборотах.
При идеальных параметрах элементов и без учета скольжения:
на зажимах L3 (двигателя) напряжение сети 220В, из сети потребляется ток Iхх;
сопротивление резистора RС равно бесконечности – емкость С1 не перезаряжается, на зажимах генератора Г1-Г2 напряжение порядка 380В;
сопротивление резистора R2 равно бесконечности – связь генератора с нагрузкой L3 отсутствует.
Вводим контур L1, L2, C1 в резонансный режим медленным перемещением ползунка реостата вниз по схеме движка резистора RС. Энергия, запасаемая в контуре, потребляется из сети, ток в двигателе (L3) кратковременно растет, затем возвращается к прежнему уровню.
Наступает второй критический момент – с одной стороны необходимо генератор загнать в резонанс, для чего следует поднимать напряжение, с другой – ограничение по электрической прочности изоляции обмоток генератора.
В это время необходимо следить за напряжением на зажимах генератора Г1-Г2 и не допускать его до напряжения пробоя изоляции в L1, L2.
Пробой изоляции обмоток в резонансном режиме – вторая причина вывода двигателей из строя. Здесь надо копать и искать решение, удовлетворяющее обоим условиям. Один из перспективных, на мой взгляд, путей – повышение рабочее частоты.
en.coolreferat.com
Согласно закону сохранения энергии, любой современный эл. привод не может иметь КПД выше 100%, потому как часть энергии нужно потратить на собственные нужды. Решить этот вечный вопрос призван двигатель на постоянных магнитах (униполярный, линейный, роторный, гравитационный и т. п), в котором механическое перемещение компонентов происходит за счет их взаимодействия на уровне магнитных свойств.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Большинство современных эл. двигателей используют принцип трансформации эл. тока в механическое вращение ротора, а вместе с ним и приводного вала. Это значит, что любой расчет покажет КПД меньше 100%, а сам агрегат является зависимым, а не автономным. Та же ситуация наблюдается в случае генерирующего устройства. Здесь уже момент вращения вала, которое происходит за счет тепловой, ядерной, кинетической или потенциальной энергии движения среды, приводит к выработке электрического тока на коллекторных пластинах.
Двигатель на постоянных магнитах использует совершенно иной подход к работе, который нивелирует или сводит к минимуму необходимость в сторонних источниках энергии. Описать принцип работы такого двигателя можно на примере «беличьего колеса». Для изготовления демонстративной модели не требуются особые чертежи или расчет надежности. Необходимо взять один постоянный магнит тарельчатого (дискового) типа, полюса которого располагаются на верхней и нижней плоскостях пластин. Он будет служить основой конструкции, к которой нужно добавить два кольцевых барьера (внутренний, внешний) из немагнитных, экранирующих материалов. В промежуток (дорожку) между ними помещается стальной шарик, который будет играть роль ротора. В силу свойств магнитного поля, он сразу же прилипнет к диску разноименным полюсом, положение которого не будет меняться при движении.
Статор представляет собой условно пластину из экранируемого материала, на которую по кольцевой траектории крепят постоянные магниты, например, неодимовые. Их полюса расположены перпендикулярно по отношению к полюсам дискового магнита и ротора. В результате, когда статор приближается к ротору на определенное расстояние, возникает поочередное притяжение, отталкивание в магнитном поле, которое формирует момент затем перерастает во вращение шарика по кольцевой траектории (дорожке). Пуск и остановка происходят за счет приближения или отдаления статора с магнитами. Этот вечный двигатель на постоянных магнитах будет работать до тех пор, пока они не размагнитятся. Расчет ведется относительно размера коридора, диаметров шарика, пластины статора, а также цепи управления на реле или катушках индуктивности.
На подобном принципе действия было разработано немало моделей действующих образцов, например, синхронных двигателей, генераторов. Наиболее известными среди них являются двигатели на магнитной тяге Тесла, Минато, Перендев, Говарда Джонсона, Лазарева, а также линейные, униполярные, роторные, цилиндровые и т. д.
Рассмотрим каждый из примеров подробнее.
Выдающийся ученый, ставший в свое время пионером в области снабжения эл. током, асинхронных электродвигателей на переменном токе, не обделил своим вниманием и расчетом вопрос вечного источника энергии. В научной среде это изобретение именуется иначе, как униполярный генератор Тесла.
Первоначально расчет данного типа устройства вел Фарадей, но его прототип при сходном принципе действия не обладал должной эффективностью, стабильностью работы, то есть не достиг цели. Термин «униполярный» означает, что в схеме агрегата кольцевой, дисковый (пластина) или цилиндровый проводник расположен в цепи между полюсами постоянного магнита.
Магнитный двигатель Тесла и его схема
На схеме, которая была представлена в оригинальном патенте, есть конструкция с двумя валами, на которых размещаются две пары магнитов: В, В’ создают условно положительное поле, а С, С’ – отрицательное. Между ними располагаются униполярные диски с отбортовкой, используемые в качестве генерирующих проводников. Оба униполярных диска связаны между собой тонкой металлической лентой, которая может быть в принципе использована, как проводник (в оригинале) или для вращения диска.
Еще одним ярким примером использования энергии магнетизма для самовозбуждения и автономной работы является сегодня уже серийный образец, разработанный более тридцати лет назад японцем Кохеи Минато. Его отличают бесшумность и высокая эффективность. По собственным заявлениям Минато, самовращающийся магнитный двигатель подобной конструкции имеет КПД выше 300%.
Наши читатели рекомендуют! Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют "Экономитель энергии Electricity Saving Box". Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.загрузка...
Двигатель Минато
Ротор имеет форму диска или колеса, на котором под определенным углом располагаются магниты. Когда к ним подводится статор с большим магнитом, возникает момент и колесо Минато начинает вращаться, используя попеременное сближение и отталкивание полюсов. Чем ближе статор к ротору, тем выше момент и скорость вращения. Питание осуществляется через цепь реле прерывателя.
Для предотвращения импульсов и биения при вращении колеса Минато, используют реле стабилизаторы и сводят к минимуму потребление тока управляющего эл. магнита. Недостатком можно считать отсутствие данных по нагрузочным характеристикам, тяге, используемых реле цепи управления, а также необходимость периодического намагничивания, о которой, кстати, тоже от Минато информации нет.
Может быть собран, как и остальные прототипы, экспериментально, из подручных средств, например, деталей конструктора, реле, эл. магнитов и т. п.
Устройство двигателя Лазарева
Отечественный разработчик Николай Лазарев создал работающий и довольно простой вариант агрегата, использующего магнитную тягу. Его двигатель или роторный кольцар, состоит из емкости, разделенной пористой перегородкой потока на верхнюю и нижнюю части. Они сообщаются между собой за счет трубки, по которой из нижней камеры в верхнюю идет поток воды/жидкости. В свою очередь поры обеспечивают гравитационное перетекание вниз. Если под потоком жидкости поместить колесико, на лопастях которого будут закреплены магниты, то получиться добиться цели потока – вращения и создания постоянного магнитного поля. Схема роторного двигателя Николая Лазарева используется для расчета и сборки простейших самовращающихся устройств.
Магнитный мотор Говарда Джонсона
В своей работе и следующем за ней патенте на изобретение, Говард Джонсон использовал энергию, генерируемую потоком непарных электронов, присутствующих в магнитах для организации цепи питания мотора. Статор Джонсона представляет собой совокупность множества магнитов, дорожка расположения и движения которых будет зависеть от конструктивной компоновки агрегата Говарда Джонсона (линейной или роторной). Они закрепляются на специальной пластине с высокой степенью магнитной проницаемости. Одноименные полюса статорных магнитов направляются в сторону ротора. Это обеспечивает поочередное притяжение и отталкивание полюсов, а вместе с ними, момент и физическое смещение элементов статора и ротора относительно друг друга.
Организованный Говардом Джонсоном расчет воздушного зазора между ними позволяет корректировать магнитную концентрацию и силу взаимодействия в большую или меньшую сторону.
Генератор Перендева
Еще одним неоднозначным примером действия магнитных сил является самовращающийся магнитный двигатель Перендев. Его создатель Майк Брэди, до того, как в его отношении начали уголовное производство, даже успел обзавестись патентом, создать одноименную фирму (Перендев) и поставить дело на поток. Если анализировать представленную в патенте схему и принцип, или чертежи самодельных эл. двигателей, то ротор и статор имеют форму диска и внешнего кольца. На них по кольцевой траектории размещают отдельные магниты, соблюдая определенный угол относительно центральной оси. За счет взаимодействия поля отдельных магнитов статора и ротора Перендев, возникает момент и происходит их взаимное перемещение (вращение). Расчет цепи магнитов сводится к определению угла расхождения.
Устройство синхронного двигателя на магнитах
Одним из основных видов электродвигателей является синхронный, частота вращения магнитных полей статора и ротора которого равны. У обычного электромагнитного мотора обе эти части состоят из обмоток на пластинах. Но если конструкцию якоря поменять и вместо катушки поставить постоянные магниты, то можно получить интересную, эффективную, действующую модель синхронного двигателя. Статор имеет привычную компоновку магнитопровода из пластин и обмоток, в которых способно генерироваться вращающееся магнитное поле от электрического тока. Ротор создает постоянное поле, которое взаимодействует с предыдущим, и создает крутящий момент.
Также следует отметить, что в зависимости от схемы, относительное расположение статора и якоря могут меняться, например, последний будет выполнен в форме внешней оболочки. Для пуска мотора от тока из сети используется цепь из магнитного пускателя (реле, контактора) и теплового защитного реле.
electricvdele.ru
электрических машин переменного тока
Дудышев В.Д.
Самарский технический университет
В статье сформулирована проблема радикального снижения электропотребления основных электроприемников переменного тока – трансформаторов и асинхронных электрических машин(АЭМ). Рассматриваются методы и устройства их энергетического совершенствования на основе принципа циркуляции реактивной мощности и др.
Предложены и обсуждаются оригинальные управляемые трансформаторы с единичным входным коэффициентом мощности(косинус фи). Предложены и анализируются электрические схемы АЭМ с единичным входным коэффициентом мощности.
Предложено конструктивное совмещение обмоток асинхронных электрических машин, обеспечивающих одновременно двигательно-генераторный режим АЭМ. Рассмотрены и иные варианты экономичных АЭМ в частности по схемам резонансных конденсаторных АЭМ с регуляторами и вентильных асинхронных электрических машин, позволяющих работать электрической машине с минимальным электротреблением из сети, одновременно в режиме двигателя и генератора, и в режиме «вечного двигателя«(ВД). Предложена самовращающаяся асинхронная вентильная электромашина, работающая одновременно в режиме мотора и генератора, с самовозбуждением и самообеспечением электроэнергией и механической энергией.
Такой необычный совмещенный режим работы АЭМ в режиме «ВД» достигается посредством конструктивного совмещения электродвигателя и электрогенератора в одном электромеханическом устройстве на основе совмещения многофазных статорных обмоток с разным числом пар полюсов. Рассмотрен вариант экономичной резонансной многообмоточной асинхронной электрической машины с введением резонансных конденсаторов между статорными обмотками. Определены условия, при которых одна из ее обмоток работает в генераторном режиме Рассмотрены и прочие оригинальные варианты экономичных трансформаторов и электрических машин (АЭМ) на основе асинхронных электрических вентильных машин.. Предложен оригинальный коммутатор в статорных индуктивных обмотках, обеспечивающий самогенерацию электроэнергии Предлагаемые революционные технические новшества позволяют значительно экономить электроэнергию и в пределе обеспечить 100% экономию электроэнергии в режиме автономного самоэлектрообеспечения этих известных устройств посредством кольцевания энергии в обмотках за счет полезного использования явления самоиндукции при разрыве индуктивностей с электрическим током в моменты его максимума . .
Введение
Электроэнергия повсеместно дорожает, а ее потребление в мире непрерывно увеличивается . Более 80 % электроэнергии потребляется в мире именно на переменном токе.Поэтому актуальной проблемой мировой энергетики является снижение электропотребления и повышение коэффициента полезного действия кпд всех электроприемников переменного тока. Практически все эти электроприемники обладают индуктивностями .Трансформаторы и асинхронные электрические машины переменного тока –это самые массовые индуктивные электроприемники. Их применяют повсеместно от бытовой электротехники, компьютеров, городской электросети до тягового ж/д электропривода и электропривода прокатных станов. Все они потребляет излишнюю электроэнергию. Асинхронные электрические машины наиболее распространены в мире благодаря простоте конструкции и хорошим регулировочным свойствам.
Основные определения
Трансформатор переменного тока - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
Асинхронная электрическая машина(АЭМ.)-это электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора . АЭМ в основном служат двигателями, но благодаря обратимости может работать и генератором с выработкой электроэнергии. В этом случае ее вал вращают иным приводным двигателем . А. э. м. может также работать в режиме тормоза, если её ротор вращать против направления вращения магнитного поля; это свойство А. э. м. используется, например, в системах электрической тяги на переменном токе.
Принцип работы АЭМ основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля (см. Вращающееся магнитное поле), возникающего при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n1 .Ротор АЭМ совершает асинхронное вращение со скольжением по отношению к вращающемуся магнитному полю.
Явление электромагнитной самоидукции состоит в том что: при всяком изменении магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока.
О СУЩНОСТИ И ФИЗИКЕ ЭНЕРГОПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Несмотря на широчайшее распространение трансформаторов и асинхронных электрических машин переменного тока, (АЭМ) до сих пор еще физика и энергетика их работы таят много неразгаданных тайн В чем истинный смысл физики преобразования энергии и работы трансформатора и асинхронной электрической машины? Как электрические машины преобразует подводимую к статорным обмоткам электроэнергию в механическую энергию вращения ротора - в режиме двигателя и -напротив –как она преобразует механическую энергию принудительного вращения ее вала в электроэнергию в режиме генератора? Почему трансформатор не вращается ? Сколько по минимум нужно им потребляемой электроэнергии для совершения прежней полезной работы и на что она расходуется? Куда и как она поступает и во что преобразуется эта входная электроэнергия и где она запасается ? Действительно ли нужен в установившемся режиме асинхронной электрической машине работы внешний источник энергии? И если да- то какова должна быть его минимальная мощность и потребляемая энергия от внешнего источника -из сети? Можно ли сделать на статорных обмотках малозатратным «вечный»индуктивно- транзисторный автогенератор электрических колебаний? И если да -то снизит ли он потребляемую от внешнего источника электроэнергию ? Можно ли синхронизировать частоту электрических колебаний такого электромеханического автогенератора с частотой вращения ротора АЭМ ? Что будет с энергетикой и электромеханикой АЭМ, если вращающееся электромагнитное поле создавать в ее статорных обмотках маломощным задающим многофазным электронным устройством и им же возбуждать электромагнитные колебания в рабочих статорных обмотках по принципу магнитного усилителя? Можно ли сделать необычный трансформатор вообще без электропитания с кпд, равным 1Можно ли совместить в одной электрической машине переменного тока(АЭМ) и мотор и генератор одновременно ? И если можно- то как ? Можно ли вообще сделать самовращающийся электрический мотор- генератор? Как использовать эдс самоиндукции с пользой в индуктивных нагрузках – для экономии электроэнергии ? На этот далеко не полный перечень «простых» вопросы пока точного физического ответа еще нет .И в силу этого все трансформаторы и все АЭМ , применяемые повсеместно –от вентиляторов до тяговых электроприводов на железной дороге - до сих пор в работе весьма энергозатратны. Правда, резонансные опыты Мельниченко с его экономичными резонансными режимами таких асинхронных электрических машин несколько приоткрыли завесу тайны – и указали направление исследования малозатратных АЭМ , но по- существу, не позволяют АЭМ работать в широком диапазоне скоростей и нагрузок на валу . И, по- существу пока многое в энергетике АЭМ остается неясным и заданные вопросы ждут своего разрешения И это время ясных ответов на них- настало!
Варианты реализации экономичной и как частный случай
самовращающейся резонансной асинхронной электрической машины
Постановка задачи:
В данной электрической схеме АЭМ для простоты не показаны ротор и некоторые элементы коммутации обмоток .Прежде всего, необходимо для реализации совмещенного мотор- генераторного режима обычной асинхронной эл машины (АЭМ) необходимо выполнить два важных условия:
На Рис 1 показана классическая схема включения “звездой” 3х-фазного двигателя с кз ротором в 3х-фазную сеть с общей электрической нейтралью (нулем).
Начала обмоток подключены к фазам А, В и С.
Концы обмоток соединены межу собой и подключены к нейтрали.
Рис 1
Вращение кз ротора (создание вращающегося электромагнитного поля) обеспечивается относительным сдвигом во времени фаз А, В и С на 120 градусов (за период сети равный 360 градусов) и заданной геометрией расположения обмоток L1, L2 и L3 (через 120 градусов) на кольце статора.
Круговая векторная диаграмма фаз напряжений на обмотках двигателя показана на Рис 2.
Рис 2
Временная диаграмма напряжений на началах обмоток двигателя за один период показана на Рис 3.
Рис 3
Оба условия пытаюсь выполнить путем переключения обмоток L1, L2 и L3 относительно фаз сети А, В, С и нейтрали N после раскрутки двигателя до номинальных оборотов в штатном (или любом удобном) режиме.
О
дновременно и как можно быстро:
Рис 4
Важные условия работы АЭМ в совмещенном мотор- генераторном режиме:
Если после переключения двигатель загудит и резко остановится (режим торможения - фаза напряжения сети на двигательной обмотке L3 не совпала с фазой вращения ротора) необходимо изменить направление вращения ротора при раскрутке (поменять местами фазы А и В на обмотках двигателя).
Г1
К
С
Г
руговая векторная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора показана на Рис 5.
Г2
Рис 5
В
ременная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора и напряжения генератора показана на Рис 6.
Непременное условие – ротор двигателя должен иметь большой момент инерции (большую маховую массу), так как импульс вращения он получает (грубо) только треть периода, а расходует энергию - на генератор две трети периода и на потери полный период.
Рис 6.
Поэтому электродвигатель должен иметь не нагрузку, а именно относительно большой момент инерции на валу. Отсюда вывод - для экспериментов годятся асинхронные двигатели любой мощности. Проще всего повесить на вал двигателя маховик, учитывая его ограничения по массе. Ограничение сверху – ток в обмотках двигателя при пуске (раскрутке) не должен превышать предельно допустимых значений значительное время. Это одна из причин возможного перегрева обмоток и выгорания изоляции. В зависимости от типа, двигатели при пуске допускают до семикратной и более перегрузки по току. Пуск и раскрутку двигателя желательно производить в облегченном режиме, возможно, применять плавный или ступенчатый пуск или с помощью другого двигателя с последующим его механическим и электрическим отключением.
Ограничение снизу - момент инерции ротора двигателя должен гарантированно обеспечить устойчивый (без вибрации) режим работы двигателя при питании от однофазной сети только одной обмотки (L3).
При выполнении этих условий после раскрутки и переключения 3х-фазный двигатель с кз ротором устойчиво работает от однофазной сети 220В подключенной к одной обмотке. С двух генераторных обмоток снимается электрическая мощность.
Эти факты, проверенны практикой!
Теперь двигатель можно загонять в последовательный резонанс, обманывать счетчик и т.д., кому что нравится…
На рис 7 показана схема, которая, в принципе, может быть реализована на комплектации элементной базы 80х годов.
Рис 7
Рис.7
Номиналы силовых элементов зависят от мощности и типа применяемого двигателя и поэтому не указаны.
Схема содержит:
Для симметричной работы схемы необходимо стремиться выполнить два условия: емкости С2 и С3 равны по величине и пороги пробоя динисторов Д6 и Д7 должны быть на одном уровне напряжения. Из практики – пара Д6, Д7 всегда требует подбора.
Исходное положение перед переключением:
При идеальных параметрах элементов и без учета скольжения:
Наступает второй критический момент – с одной стороны необходимо генератор загнать в резонанс, для чего следует поднимать напряжение, с другой – ограничение по электрической прочности изоляции обмоток генератора.
В это время необходимо следить за напряжением на зажимах генератора Г1-Г2 и не допускать его до напряжения пробоя изоляции в L1, L2.
Пробой изоляции обмоток в резонансном режиме – вторая причина вывода двигателей из строя. Здесь надо копать и искать решение, удовлетворяющее обоим условиям. Один из перспективных, на мой взгляд, путей – повышение рабочее частоты.
При рабочей частоте 50 герц величина емкости С1 должна быть подобрана такой, чтобы при закороченном резисторе RС напряжение на зажимах генератора Г1-Г2 не поднималось выше определенного порога.
Возможно, напряжение на емкости С1 и измерял дядя Вася перед подключением нагрузки. Видимо, с учетом различных гармоник, не стоит поднимать напряжение на генераторе выше 1000В. Емкости на такое напряжение тоже не везде валяются, хотя емкости для увеличения напряжения соединяют последовательно.
Скорее всего, при различных ограничениях, колебательный контур войдет в “околорезонансный” режим. Какую то энергию контур запас, да и напряжение на нем в несколько раз превышает напряжение на двигателе (в сети).
Теперь, самое интересное – начинаем загонять энергию, запасенную в колебательном L-C контуре, обратно в двигатель и в питающую сеть.
Рассматриваем положительный полупериод, при этом помним, что генератор и двигатель сфазированы.. Медленно двигаем влево движок резистора R2, уменьшая сопротивление цепочки Г1-Д1-R1-R2-Д4-С3-Г2.
Если емкость С3 успевает зарядиться до конца полупериода до напряжения пробоя динистора Д7, она разрядится по цепочке R4–Д7- управляющий электрод тиристора Д10. Тиристор Д10 откроется и произойдет импульсный сброс энергии контура в сеть (и в двигатель) по силовой цепи Г1-Д5-сеть II (L3)-Д10-Г2.
Напряжение импульса сброса в первый момент будет равно разнице амплитуд на контуре (на С1) и на L3. Напряжение в сети должно несколько повыситься.
Ток импульса определится параметрами силовой цепи, величиной заряда С1 и мощностью генератора.
Длительность импульса – до конца полупериода и обратно пропорциональна времени заряда С3 от начала полупериода до напряжения пробоя динистора Д7.
Обратной (отрицательной) полуволной тиристор Д10 закроется и процесс симметрично повторится на времязадающей R1-R2-С2, динисторе Д6 и тиристоре Д9.
Процесс пошел… При этом RС должен быть полностью закорочен .
Внимательно следим за работой асинхронного электрического мотор-генератора и медленно перемещаем движок потенциометра R2 влево по схеме до попытки срыва устойчивого режима работы. Возвращаем движок потенциометра R2 в зону устойчивой работы, засекаем время
Если нагрузка электрической машины является параметром колебательного контура, тогда контур в этой электрической асинхронной машине нужен параметрический. Причем , согласно принципу - в контуре -параметр синхронизации меняется два раза за период
Интересны и изобретения А. Мельниченко по экономичным резонансным моторам переменного тока (см.приложение)
Привожу в качестве примера реферат одного из них ниже
Резонансный асинхронный двигатель, отличающийся тем, что с целью устранения индуктивного сопротивления в обмотках статора и увеличения мощности асинхронного двигателя, электрическая цепь обмотки статора работает в режиме резонанса напряжений, и содержит последовательно соединенные конденсаторы, обмотку статора и дополнительную индуктивность - для увеличения добротности и компенсации изменения индуктивности обмоток статора при работе асинхронного двигателя с нагрузкой
lib.znate.ru
электрических машин переменного тока
Дудышев В.Д.
Самарский технический университет
В статье сформулирована проблема радикального снижения электропотребления основных электроприемников переменного тока – трансформаторов и асинхронных электрических машин(АЭМ). Рассматриваются методы и устройства их энергетического совершенствования на основе принципа циркуляции реактивной мощности и др.
Предложены и обсуждаются оригинальные управляемые трансформаторы с единичным входным коэффициентом мощности(косинус фи). Предложены и анализируются электрические схемы АЭМ с единичным входным коэффициентом мощности.
Предложено конструктивное совмещение обмоток асинхронных электрических машин, обеспечивающих одновременно двигательно-генераторный режим АЭМ. Рассмотрены и иные варианты экономичных АЭМ в частности по схемам резонансных конденсаторных АЭМ с регуляторами и вентильных асинхронных электрических машин, позволяющих работать электрической машине с минимальным электротреблением из сети, одновременно в режиме двигателя и генератора, и в режиме «вечного двигателя«(ВД). Предложена самовращающаяся асинхронная вентильная электромашина, работающая одновременно в режиме мотора и генератора, с самовозбуждением и самообеспечением электроэнергией и механической энергией.
Такой необычный совмещенный режим работы АЭМ в режиме «ВД» достигается посредством конструктивного совмещения электродвигателя и электрогенератора в одном электромеханическом устройстве на основе совмещения многофазных статорных обмоток с разным числом пар полюсов. Рассмотрен вариант экономичной резонансной многообмоточной асинхронной электрической машины с введением резонансных конденсаторов между статорными обмотками. Определены условия, при которых одна из ее обмоток работает в генераторном режиме Рассмотрены и прочие оригинальные варианты экономичных трансформаторов и электрических машин (АЭМ) на основе асинхронных электрических вентильных машин.. Предложен оригинальный коммутатор в статорных индуктивных обмотках, обеспечивающий самогенерацию электроэнергии Предлагаемые революционные технические новшества позволяют значительно экономить электроэнергию и в пределе обеспечить 100% экономию электроэнергии в режиме автономного самоэлектрообеспечения этих известных устройств посредством кольцевания энергии в обмотках за счет полезного использования явления самоиндукции при разрыве индуктивностей с электрическим током в моменты его максимума . .
Введение
Электроэнергия повсеместно дорожает, а ее потребление в мире непрерывно увеличивается . Более 80 % электроэнергии потребляется в мире именно на переменном токе.Поэтому актуальной проблемой мировой энергетики является снижение электропотребления и повышение коэффициента полезного действия кпд всех электроприемников переменного тока. Практически все эти электроприемники обладают индуктивностями .Трансформаторы и асинхронные электрические машины переменного тока –это самые массовые индуктивные электроприемники. Их применяют повсеместно от бытовой электротехники, компьютеров, городской электросети до тягового ж/д электропривода и электропривода прокатных станов. Все они потребляет излишнюю электроэнергию. Асинхронные электрические машины наиболее распространены в мире благодаря простоте конструкции и хорошим регулировочным свойствам.
^
Трансформатор переменного тока - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
^ электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора . АЭМ в основном служат двигателями, но благодаря обратимости может работать и генератором с выработкой электроэнергии. В этом случае ее вал вращают иным приводным двигателем . А. э. м. может также работать в режиме тормоза, если её ротор вращать против направления вращения магнитного поля; это свойство А. э. м. используется, например, в системах электрической тяги на переменном токе.
Принцип работы АЭМ основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля (см. Вращающееся магнитное поле), возникающего при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n1 .Ротор АЭМ совершает асинхронное вращение со скольжением по отношению к вращающемуся магнитному полю.
^ состоит в том что: при всяком изменении магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур в последнем возникает индукционный ток такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока.
^
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Несмотря на широчайшее распространение трансформаторов и асинхронных электрических машин переменного тока, (АЭМ) до сих пор еще физика и энергетика их работы таят много неразгаданных тайн В чем истинный смысл физики преобразования энергии и работы трансформатора и асинхронной электрической машины? Как электрические машины преобразует подводимую к статорным обмоткам электроэнергию в механическую энергию вращения ротора - в режиме двигателя и -напротив –как она преобразует механическую энергию принудительного вращения ее вала в электроэнергию в режиме генератора? Почему трансформатор не вращается ? Сколько по минимум нужно им потребляемой электроэнергии для совершения прежней полезной работы и на что она расходуется? Куда и как она поступает и во что преобразуется эта входная электроэнергия и где она запасается ? Действительно ли нужен в установившемся режиме асинхронной электрической машине работы внешний источник энергии? И если да- то какова должна быть его минимальная мощность и потребляемая энергия от внешнего источника -из сети? Можно ли сделать на статорных обмотках малозатратным «вечный»индуктивно- транзисторный автогенератор электрических колебаний? И если да -то снизит ли он потребляемую от внешнего источника электроэнергию ? Можно ли синхронизировать частоту электрических колебаний такого электромеханического автогенератора с частотой вращения ротора АЭМ ? Что будет с энергетикой и электромеханикой АЭМ, если вращающееся электромагнитное поле создавать в ее статорных обмотках маломощным задающим многофазным электронным устройством и им же возбуждать электромагнитные колебания в рабочих статорных обмотках по принципу магнитного усилителя? Можно ли сделать необычный трансформатор вообще без электропитания с кпд, равным 1Можно ли совместить в одной электрической машине переменного тока(АЭМ) и мотор и генератор одновременно ? И если можно- то как ? Можно ли вообще сделать самовращающийся электрический мотор- генератор? Как использовать эдс самоиндукции с пользой в индуктивных нагрузках – для экономии электроэнергии ? На этот далеко не полный перечень «простых» вопросы пока точного физического ответа еще нет .И в силу этого все трансформаторы и все АЭМ , применяемые повсеместно –от вентиляторов до тяговых электроприводов на железной дороге - до сих пор в работе весьма энергозатратны. Правда, резонансные опыты Мельниченко с его экономичными резонансными режимами таких асинхронных электрических машин несколько приоткрыли завесу тайны – и указали направление исследования малозатратных АЭМ , но по- существу, не позволяют АЭМ работать в широком диапазоне скоростей и нагрузок на валу . И, по- существу пока многое в энергетике АЭМ остается неясным и заданные вопросы ждут своего разрешения И это время ясных ответов на них- настало!
^
самовращающейся резонансной асинхронной электрической машины
Постановка задачи:
В данной электрической схеме АЭМ для простоты не показаны ротор и некоторые элементы коммутации обмоток .Прежде всего, необходимо для реализации совмещенного мотор- генераторного режима обычной асинхронной эл машины (АЭМ) необходимо выполнить два важных условия:
На Рис 1 показана классическая схема включения “звездой” 3х-фазного двигателя с кз ротором в 3х-фазную сеть с общей электрической нейтралью (нулем).
Начала обмоток подключены к фазам А, В и С.
Концы обмоток соединены межу собой и подключены к нейтрали.
Рис 1
Вращение кз ротора (создание вращающегося электромагнитного поля) обеспечивается относительным сдвигом во времени фаз А, В и С на 120 градусов (за период сети равный 360 градусов) и заданной геометрией расположения обмоток L1, L2 и L3 (через 120 градусов) на кольце статора.
Круговая векторная диаграмма фаз напряжений на обмотках двигателя показана на Рис 2.
Рис 2
Временная диаграмма напряжений на началах обмоток двигателя за один период показана на Рис 3.
Рис 3
Оба условия пытаюсь выполнить путем переключения обмоток L1, L2 и L3 относительно фаз сети А, В, С и нейтрали N после раскрутки двигателя до номинальных оборотов в штатном (или любом удобном) режиме.
О
дновременно и как можно быстро:
Рис 4
Важные условия работы АЭМ в совмещенном мотор- генераторном режиме:
Если после переключения двигатель загудит и резко остановится (режим торможения - фаза напряжения сети на двигательной обмотке L3 не совпала с фазой вращения ротора) необходимо изменить направление вращения ротора при раскрутке (поменять местами фазы А и В на обмотках двигателя).
Г1
К
С
Г
руговая векторная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора показана на Рис 5.
Г2
Рис 5
В
ременная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора и напряжения генератора показана на Рис 6.
Непременное условие – ротор двигателя должен иметь большой момент инерции (большую маховую массу), так как импульс вращения он получает (грубо) только треть периода, а расходует энергию - на генератор две трети периода и на потери полный период.
^
Поэтому электродвигатель должен иметь не нагрузку, а именно относительно большой момент инерции на валу. Отсюда вывод - для экспериментов годятся асинхронные двигатели любой мощности. Проще всего повесить на вал двигателя маховик, учитывая его ограничения по массе. Ограничение сверху – ток в обмотках двигателя при пуске (раскрутке) не должен превышать предельно допустимых значений значительное время. Это одна из причин возможного перегрева обмоток и выгорания изоляции. В зависимости от типа, двигатели при пуске допускают до семикратной и более перегрузки по току. Пуск и раскрутку двигателя желательно производить в облегченном режиме, возможно, применять плавный или ступенчатый пуск или с помощью другого двигателя с последующим его механическим и электрическим отключением.
Ограничение снизу - момент инерции ротора двигателя должен гарантированно обеспечить устойчивый (без вибрации) режим работы двигателя при питании от однофазной сети только одной обмотки (L3).
При выполнении этих условий после раскрутки и переключения 3х-фазный двигатель с кз ротором устойчиво работает от однофазной сети 220В подключенной к одной обмотке. С двух генераторных обмоток снимается электрическая мощность.
Эти факты, проверенны практикой!
Теперь двигатель можно загонять в последовательный резонанс, обманывать счетчик и т.д., кому что нравится…
На рис 7 показана схема, которая, в принципе, может быть реализована на комплектации элементной базы 80х годов.
Рис 7
Рис.7
Номиналы силовых элементов зависят от мощности и типа применяемого двигателя и поэтому не указаны.
Схема содержит:
Для симметричной работы схемы необходимо стремиться выполнить два условия: емкости С2 и С3 равны по величине и пороги пробоя динисторов Д6 и Д7 должны быть на одном уровне напряжения. Из практики – пара Д6, Д7 всегда требует подбора.
Исходное положение перед переключением:
При идеальных параметрах элементов и без учета скольжения:
Наступает второй критический момент – с одной стороны необходимо генератор загнать в резонанс, для чего следует поднимать напряжение, с другой – ограничение по электрической прочности изоляции обмоток генератора.
В это время необходимо следить за напряжением на зажимах генератора Г1-Г2 и не допускать его до напряжения пробоя изоляции в L1, L2.
Пробой изоляции обмоток в резонансном режиме – вторая причина вывода двигателей из строя. Здесь надо копать и искать решение, удовлетворяющее обоим условиям. Один из перспективных, на мой взгляд, путей – повышение рабочее частоты.
При рабочей частоте 50 герц величина емкости С1 должна быть подобрана такой, чтобы при закороченном резисторе RС напряжение на зажимах генератора Г1-Г2 не поднималось выше определенного порога.
Возможно, напряжение на емкости С1 и измерял дядя Вася перед подключением нагрузки. Видимо, с учетом различных гармоник, не стоит поднимать напряжение на генераторе выше 1000В. Емкости на такое напряжение тоже не везде валяются, хотя емкости для увеличения напряжения соединяют последовательно.
Скорее всего, при различных ограничениях, колебательный контур войдет в “околорезонансный” режим. Какую то энергию контур запас, да и напряжение на нем в несколько раз превышает напряжение на двигателе (в сети).
Теперь, самое интересное – начинаем загонять энергию, запасенную в колебательном L-C контуре, обратно в двигатель и в питающую сеть.
Рассматриваем положительный полупериод, при этом помним, что генератор и двигатель сфазированы.. Медленно двигаем влево движок резистора R2, уменьшая сопротивление цепочки Г1-Д1-R1-R2-Д4-С3-Г2.
Если емкость С3 успевает зарядиться до конца полупериода до напряжения пробоя динистора Д7, она разрядится по цепочке R4–Д7- управляющий электрод тиристора Д10. Тиристор Д10 откроется и произойдет импульсный сброс энергии контура в сеть (и в двигатель) по силовой цепи Г1-Д5-сеть II (L3)-Д10-Г2.
Напряжение импульса сброса в первый момент будет равно разнице амплитуд на контуре (на С1) и на L3. Напряжение в сети должно несколько повыситься.
Ток импульса определится параметрами силовой цепи, величиной заряда С1 и мощностью генератора.
Длительность импульса – до конца полупериода и обратно пропорциональна времени заряда С3 от начала полупериода до напряжения пробоя динистора Д7.
Обратной (отрицательной) полуволной тиристор Д10 закроется и процесс симметрично повторится на времязадающей R1-R2-С2, динисторе Д6 и тиристоре Д9.
Процесс пошел… При этом RС должен быть полностью закорочен .
Внимательно следим за работой асинхронного электрического мотор-генератора и медленно перемещаем движок потенциометра R2 влево по схеме до попытки срыва устойчивого режима работы. Возвращаем движок потенциометра R2 в зону устойчивой работы, засекаем время
Если нагрузка электрической машины является параметром колебательного контура, тогда контур в этой электрической асинхронной машине нужен параметрический. Причем , согласно принципу - в контуре -параметр синхронизации меняется два раза за период
Интересны и изобретения А. Мельниченко по экономичным резонансным моторам переменного тока (см.приложение)
Привожу в качестве примера реферат одного из них ниже
Резонансный асинхронный двигатель, отличающийся тем, что с целью устранения индуктивного сопротивления в обмотках статора и увеличения мощности асинхронного двигателя, электрическая цепь обмотки статора работает в режиме резонанса напряжений, и содержит последовательно соединенные конденсаторы, обмотку статора и дополнительную индуктивность - для увеличения добротности и компенсации изменения индуктивности обмоток статора при работе асинхронного двигателя с нагрузкой
do.gendocs.ru
трансформаторов и электрических машин переменного токаДудышев В.Д.
Самарский технический университетВ статье сформулирована проблема и намечены пути радикального снижения электропотребления основных электроприемников переменного тока – трансформаторов и асинхронных электрических машин(АЭМ). Рассматриваются методы и устройства их энергетического совершенствования на основе принципа циркуляции реактивной мощности и др.
Предложены и обсуждаются оригинальные управляемые трансформаторы с единичным входным коэффициентом мощности(косинус фи). Предложены и анализируются электрические схемы АЭМ с единичным входным коэффициентом мощности.
Предложено конструктивное совмещение обмоток асинхронных электрических машин, обеспечивающих одновременно двигательно-генераторный режим АЭМ. Рассмотрены и иные варианты экономичных АЭМ в частности по схемам резонансных конденсаторных АЭМ с регуляторами и вентильных асинхронных электрических машин, позволяющих работать электрической машине с минимальным электропотреблением из сети, одновременно в режиме двигателя и генератора, и в режиме «вечного двигателя«(ВД). Предложена самовращающаяся асинхронная вентильная электромашина, работающая одновременно в режиме мотора и генератора, с самовозбуждением и самообеспечением электроэнергией и механической энергией.
Такой необычный совмещенный режим работы АЭМ в режиме «ВД» достигается посредством конструктивного совмещения электродвигателя и электрогенератора в одном электромеханическом устройстве на основе совмещения многофазных статорных обмоток с разным числом пар полюсов. Рассмотрен вариант экономичной резонансной многообмоточной асинхронной электрической машины с введением резонансных конденсаторов между статорными обмотками. Определены условия, при которых одна из ее обмоток работает в генераторном режиме Рассмотрены и прочие оригинальные варианты экономичных трансформаторов и электрических машин (АЭМ) на основе асинхронных электрических вентильных машин.. Предложен оригинальный коммутатор в статорных индуктивных обмотках, обеспечивающий самогенерацию электроэнергии Предлагаемые революционные технические новшества позволяют значительно экономить электроэнергию и в пределе обеспечить 100% экономию электроэнергии в режиме автономного самоэлектрообеспечения этих известных устройств посредством кольцевания энергии в обмотках за счет полезного использования явления самоиндукции при разрыве индуктивностей с электрическим током в моменты его максимума . .
Введение
Электроэнергия повсеместно дорожает, а ее потребление в мире непрерывно увеличивается . Более 80 % электроэнергии потребляется в мире именно на переменном токе. Поэтому актуальной проблемой мировой энергетики является снижение электропотребления и повышение коэффициента полезного действия кпд всех электроприемников переменного тока. Практически все эти электроприемники обладают индуктивностями .Трансформаторы и асинхронные электрические машины переменного тока –это самые массовые индуктивные электроприемники. Их применяют повсеместно от бытовой электротехники, компьютеров, городской электросети до тягового ж/д электропривода и электропривода прокатных станов. Все они потребляет излишнюю электроэнергию. Асинхронные электрические машины наиболее распространены в мире благодаря простоте конструкции и хорошим регулировочным свойствам.
^
Трансформатор переменного тока - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно- связанных обмоток, предназначенный чаще всего для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяются при передаче электрической энергии на большие расстояния, распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах.
^ электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля статора . АЭМ в основном служат двигателями, но благодаря обратимости может работать и генератором с выработкой электроэнергии. В этом случае ее вал вращают иным приводным двигателем . А. э. м. может также работать в режиме тормоза, если её ротор вращать против направления вращения магнитного поля; это свойство А. э. м. используется, например, в системах электрической тяги на переменном токе.
Принцип работы АЭМ основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля (см. Вращающееся магнитное поле),возникающего при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n1 .Ротор АЭМ совершает асинхронное вращение со скольжением по отношению к вращающемуся магнитному полю.
^
Явление состоит в том что: всякое изменение внешнего магнитного потока сквозь замкнутый проводящий контур приводит к возникновению в последнем электродвижущей силы и вторичного индукционного тока такого направления, что его магнитное поле противодействует изменению внешнего магнитного потока.
^
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Несмотря на широчайшее распространение трансформаторов и асинхронных электрических машин переменного тока, (АЭМ) до сих пор еще физика и энергетика их работы таят много неразгаданных тайн В чем истинный смысл физики преобразования энергии и работы трансформатора и асинхронной электрической машины? Как электрические машины преобразует подводимую к статорным обмоткам электроэнергию в механическую энергию вращения ротора - в режиме двигателя и -напротив –как она преобразует механическую энергию принудительного вращения ее вала в электроэнергию в режиме генератора? Почему трансформатор не вращается ? Сколько по минимум нужно им потребляемой электроэнергии для совершения прежней полезной работы и на что она расходуется? Куда и как она поступает и во что преобразуется эта входная электроэнергия и где она запасается ? Действительно ли нужен в установившемся режиме асинхронной электрической машине работы внешний источник энергии? И если да- то какова должна быть его минимальная мощность и потребляемая энергия от внешнего источника -из сети? Можно ли сделать на статорных обмотках малозатратным «вечный»индуктивно- транзисторный автогенератор электрических колебаний? И если да -то снизит ли он потребляемую от внешнего источника электроэнергию ? Можно ли синхронизировать частоту электрических колебаний такого электромеханического автогенератора с частотой вращения ротора АЭМ ? Что будет с энергетикой и электромеханикой АЭМ, если вращающееся электромагнитное поле создавать в ее статорных обмотках маломощным задающим многофазным электронным устройством и им же возбуждать электромагнитные колебания в рабочих статорных обмотках по принципу магнитного усилителя? Можно ли сделать необычный трансформатор вообще без электропитания с кпд, равным 1? Можно ли совместить в одной электрической машине переменного тока(АЭМ) и мотор и генератор одновременно ? И если можно- то как ? Можно ли вообще сделать самовращающийся электрический мотор- генератор? Как использовать эдс самоиндукции с пользой в индуктивных нагрузках – для экономии электроэнергии ? На этот далеко не полный перечень «простых» вопросов пока точного физического ответа еще нет .И в силу этого все трансформаторы и все АЭМ , применяемые повсеместно –от вентиляторов до тяговых электроприводов на железной дороге - до сих пор в работе весьма энергозатратны. Правда, резонансные опыты Мельниченко с его экономичными резонансными режимами таких асинхронных электрических машин несколько приоткрыли завесу тайны – и указали направление исследования малозатратных АЭМ , но по- существу, не позволяют АЭМ работать в широком диапазоне скоростей и нагрузок на валу . И, по- существу пока многое в энергетике АЭМ остается неясным и заданные вопросы ждут своего разрешения И это время ясных ответов на них- настало!
^
самовращающейся резонансной асинхронной электрической машины
Постановка задачи:
В данной электрической схеме АЭМ для простоты не показаны ротор и некоторые элементы коммутации обмоток .Прежде всего, необходимо для реализации совмещенного мотор- генераторного режима обычной асинхронной эл машины (АЭМ) необходимо выполнить два важных условия:
На Рис 1 показана классическая схема включения “звездой” 3х-фазного двигателя с кз ротором в 3х-фазную сеть с общей электрической нейтралью (нулем).
Начала обмоток подключены к фазам А, В и С.
Концы обмоток соединены межу собой и подключены к нейтрали.Рис 1
Вращение кз ротора (создание вращающегося электромагнитного поля) обеспечивается относительным сдвигом во времени фаз А, В и С на 120 градусов (за период сети равный 360 градусов) и заданной геометрией расположения обмоток L1, L2 и L3 (через 120 градусов) на кольце статора.
Круговая векторная диаграмма фаз напряжений на обмотках двигателя показана на Рис 2.
Рис 2
Временная диаграмма напряжений на началах обмоток двигателя за один период показана на Рис 3.Рис 3
Оба условия пытаюсь выполнить путем переключения обмоток L1, L2 и L3 относительно фаз сети А, В, С и нейтрали N после раскрутки двигателя до номинальных оборотов в штатном (или любом удобном) режиме.
О
дновременно и как можно быстро:
Рис 4 Важные условия работы АЭМ в совмещенном мотор- генераторном режиме:
Если после переключения двигатель загудит и резко остановится (режим торможения - фаза напряжения сети на двигательной обмотке L3 не совпала с фазой вращения ротора) необходимо изменить направление вращения ротора при раскрутке (поменять местами фазы А и В на обмотках двигателя).
Г1
К
С
Г
руговая векторная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора показана на Рис 5.
Г2
Рис 5 В
ременная диаграмма напряжений на обмотках двигателя-генератора и напряжения генератора показана на Рис 6.
Непременное условие – ротор двигателя должен иметь большой момент инерции (большую маховую массу), так как импульс вращения он получает (грубо) только треть периода, а расходует энергию - на генератор две трети периода и на потери полный период.
^ Поэтому электродвигатель должен иметь не нагрузку, а именно относительно большой момент инерции на валу. Отсюда вывод - для экспериментов годятся асинхронные двигатели любой мощности. Проще всего повесить на вал двигателя маховик, учитывая его ограничения по массе. Ограничение сверху – ток в обмотках двигателя при пуске (раскрутке) не должен превышать предельно допустимых значений значительное время. Это одна из причин возможного перегрева обмоток и выгорания изоляции. В зависимости от типа, двигатели при пуске допускают до семикратной и более перегрузки по току. Пуск и раскрутку двигателя желательно производить в облегченном режиме, возможно, применять плавный или ступенчатый пуск или с помощью другого двигателя с последующим его механическим и электрическим отключением.
Ограничение снизу - момент инерции ротора двигателя должен гарантированно обеспечить устойчивый (без вибрации) режим работы двигателя при питании от однофазной сети только одной обмотки (L3).
При выполнении этих условий после раскрутки и переключения 3х-фазный двигатель с кз ротором устойчиво работает от однофазной сети 220В подключенной к одной обмотке. С двух генераторных обмоток снимается электрическая мощность.
Эти факты, проверенны практикой!
Теперь двигатель можно загонять в последовательный резонанс, обманывать счетчик и т.д., кому что нравится…
На рис 7 показана схема, которая, в принципе, может быть реализована на комплектации элементной базы 80х годов.
Рис 7
Рис.7
Номиналы силовых элементов зависят от мощности и типа применяемого двигателя и поэтому не указаны.
Схема содержит:
Для симметричной работы схемы необходимо стремиться выполнить два условия: емкости С2 и С3 равны по величине и пороги пробоя динисторов Д6 и Д7 должны быть на одном уровне напряжения. Из практики – пара Д6, Д7 всегда требует подбора.
Исходное положение перед переключением:
При идеальных параметрах элементов и без учета скольжения:
Наступает второй критический момент – с одной стороны необходимо генератор загнать в резонанс, для чего следует поднимать напряжение, с другой – ограничение по электрической прочности изоляции обмоток генератора.
В это время необходимо следить за напряжением на зажимах генератора Г1-Г2 и не допускать его до напряжения пробоя изоляции в L1, L2.
Пробой изоляции обмоток в резонансном режиме – вторая причина вывода двигателей из строя. Здесь надо копать и искать решение, удовлетворяющее обоим условиям. Один из перспективных, на мой взгляд, путей – повышение рабочее частоты.
При рабочей частоте 50 герц величина емкости С1 должна быть подобрана такой, чтобы при закороченном резисторе RС напряжение на зажимах генератора Г1-Г2 не поднималось выше определенного порога.
Возможно, напряжение на емкости С1 и измерял дядя Вася перед подключением нагрузки. Видимо, с учетом различных гармоник, не стоит поднимать напряжение на генераторе выше 1000В. Емкости на такое напряжение тоже не везде валяются, хотя емкости для увеличения напряжения соединяют последовательно.
Скорее всего, при различных ограничениях, колебательный контур войдет в “околорезонансный” режим. Какую то энергию контур запас, да и напряжение на нем в несколько раз превышает напряжение на двигателе (в сети).
Теперь, самое интересное – начинаем загонять энергию, запасенную в колебательном L-C контуре, обратно в двигатель и в питающую сеть.
Рассматриваем положительный полупериод, при этом помним, что генератор и двигатель сфазированы.. Медленно двигаем влево движок резистора R2, уменьшая сопротивление цепочки Г1-Д1-R1-R2-Д4-С3-Г2.
Если емкость С3 успевает зарядиться до конца полупериода до напряжения пробоя динистора Д7, она разрядится по цепочке R4–Д7- управляющий электрод тиристора Д10. Тиристор Д10 откроется и произойдет импульсный сброс энергии контура в сеть (и в двигатель) по силовой цепи Г1-Д5-сеть II (L3)-Д10-Г2.
Напряжение импульса сброса в первый момент будет равно разнице амплитуд на контуре (на С1) и на L3. Напряжение в сети должно несколько повыситься.
Ток импульса определится параметрами силовой цепи, величиной заряда С1 и мощностью генератора.
Длительность импульса – до конца полупериода и обратно пропорциональна времени заряда С3 от начала полупериода до напряжения пробоя динистора Д7.
Обратной (отрицательной) полуволной тиристор Д10 закроется и процесс симметрично повторится на времязадающей R1-R2-С2, динисторе Д6 и тиристоре Д9.
Процесс пошел… При этом RС должен быть полностью закорочен .
Внимательно следим за работой асинхронного электрического мотор-генератора и медленно перемещаем движок потенциометра R2 влево по схеме до попытки срыва устойчивого режима работы. Возвращаем движок потенциометра R2 в зону устойчивой работы, засекаем время
Если нагрузка электрической машины является параметром колебательного контура, тогда контур в этой электрической асинхронной машине нужен параметрический. Причем , согласно принципу - в контуре -параметр синхронизации меняется два раза за период
Интересны и изобретения А. Мельниченко по экономичным резонансным моторам переменного тока (см.приложение)
Привожу в качестве примера реферат одного из них ниже
Резонансный асинхронный двигатель, отличающийся тем, что с целью устранения индуктивного сопротивления в обмотках статора и увеличения мощности асинхронного двигателя, электрическая цепь обмотки статора работает в режиме резонанса напряжений, и содержит последовательно соединенные конденсаторы, обмотку статора и дополнительную индуктивность - для увеличения добротности и компенсации изменения индуктивности обмоток статора при работе асинхронного двигателя с нагрузкой
uchebilka.ru
