108914 (Радикальная экономия электроэнергии переменного тока)

Радикальная экономия электроэнергии переменного тока

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 . .

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

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.