Баланс мощности электромотора-генератора

Мотор-генератор МГ-1 имеет обычный ротор и обычный статор. Роль мотора у него выполняет ротор, а роль генератора - статор (рис. 167). Потребовалось около 100 лет, чтобы понять, как заставить ротор генератора вращаться без постороннего привода.

Прежде всего, рассмотрим баланс мощности МГ-1 на холостом ходу. Теоретическая структура этого баланса представлена на рис. 168. В момент начала вращения ротора его пусковой момент преодолевает сопротивления в виде моментов механических и рабочих сопротивлений и в виде инерциального момента . Сумма этих сопротивлений равна (рис. 168). Как только ротор начинает вращаться равномерно, то инерциальный момент становится положительным и не сопротивляется вращению ротора, а способствует его равномерному вращению (рис. 168). Равномерному вращению ротора сопротивляются только рабочая нагрузка и механические, и аэродинамические сопротивления - . Осциллограмма импульсов напряжения и тока в момент начала вращения ротора, представленная на рис. 169, убедительно доказывает это. Она записывалась с сопротивлением 0,1Ома. Это значит, что в одном делении осциллограммы 0,5/0,1=5А.Поскольку на ряде осциллограмм присутствуют посторонние импульсы, то все они обрабатывались, так называемым, ручным способом с соответствующей погрешностью.

Рис. 167. Фото мотора-генератора МГ-1

Рис. 168. График изменения вращающих моментов, действующих на ротор МГ-1

при запуске его в работу, и при равномерном вращении

Амплитуда первого импульса тока более 10А. Она больше средней амплитуды почти в 2 раза и это естественно, так как в этот момент вращению ротора сопротивляются не только механические моменты , но и инерциальный момент (рис. 168). Анализ осциллограммы на рис. 169, показывает, что величины амплитуд импульсов тока становятся одинаковыми, примерно, после 5-го импульса. Это значит, что равномерное вращение ротора начинается после 5-го импульса. На рис.168 момент, когда инерциальный момент становится положительным , соответствует точке В. Амплитуда первого импульса напряжения - 100В, а амплитуда первого импульса тока (рис. 169) - 10А. Это значит, что мощность пускового импульса равна 100х10=1000Вт. Она реализуется на преодоление инерциального момента и забирается у первичного источника энергии один раз, в момент пуска ротора в работу, и поэтому не учитывается в балансе мощности МГ-1, которая реализуется в течение многих часов его работы.

Рис. 169. Осциллограмма пусковых значений напряжения и тока

обмотки возбуждения ротора без маховика

Поскольку инерциальный момент ротора участвует в процессе его пуска, то надо знать его величину. Для этого надо, прежде всего, определить кинетическую энергию равномерно вращающегося ротора и механическую мощность на его валу при этом вращении.

Связь между кинетической энергией равномерно движущегося тела и его мощностью следует из работы, совершаемой при его равномерном движении за одну секунду.

. (299)

Связь между кинетической энергией равномерно вращающегося тела и его мощностью также следует из работы, совершаемой им при равномерном вращении за одну секунду

. (300)

Таким образом, численная величина кинетической энергии, равномерно вращающегося ротора, равна механической мощности на его валу. Физическую суть, выполненных нами математических преобразований (300), можно описать кратко так. Поскольку ротор вращается равномерно, то для определения механической мощности , скрытой в его вращении, надо его кинетическую энергию разделить на время . В каждую секунду вращательное движение ротора совершает работу, выражаемую в Джоулях (Дж). Это значит, что его механическая мощность численно равна величине кинетической энергии , делённой на секунду Дж/с=Вт. Она все время присутствует на валу ротора в процессе его вращения с постоянной скоростью. Это присутствие реализуется величиной инерциального момента .

Из первого закона Ньютона следует, что при равномерном вращении тела на него не действуют никакие силы или моменты сил. Это эквивалентно отрицанию инерциального момента на валу ротора при его равномерном вращении. Чтобы убедиться в ошибочности этого отрицания, определим величину инерциального момента на валу ротора МГ-1. При этом надо учесть, что величина энергии, расходуемой на преодоление инерциального момента в момент пуска ротора, равна кинетической энергии его равномерного вращения. Для определения этой энергии необходимо знать массу ротора, момент его инерции и обороты . Тогда кинетическая (механическая) энергия (мощность) ротора, равномерно вращающегося с n=2000 об/мин, равна

(301)

Инерциальный момент , генерирующий кинетическую энергию (301) равномерно вращающегося ротора, равен

. (302)

Мы вычислили величину мощности (301) на валу равномерно вращающегося ротора и инерциальный момент (302), сопровождающий это вращение и не признаваемый динамикой Ньютона. Таким образом, на валу равномерно вращающегося ротора МГ-1, с = 2000об/мин. постоянно присутствует механическая мощность, равная 58,80 Вт (301) и инерциальный момент, генерирующий эту мощность, равный 0,28Н (302).

Напряжение от первичного источника питания подаётся в обмотку возбуждения ротора МГ-1 (рис. 167). Амплитуды импульсов напряжения равны , а их скважность равна (рис. 170). Если импульсы тока привести к прямоугольной форме, то скважности импульсов напряжения и тока будут равны . Тогда средняя величина амплитуды тока будет равна . С учётом этого средние значения импульсов напряжения и тока будут равны:

а)

b)

Рис. 170. Осциллограммы на холостом ходу:

а) на клеммах ротора; b) на клеммах статора

; (303)

, (304)

а средняя электрическая мощность холостого хода на валу ротора (рис. 165) равна

. (305)

А теперь разберёмся с физическим смыслом импульса мощности, представленной в формуле (305). На рис. 168 положительный инерциальный момент, соответствует механической энергии (мощности) равномерно вращающегося ротора. Мощность, соответствующая этому моменту, равна 58,80 Вт (301). Эта мощность присутствует на валу ротора постоянно при его равномерном вращении. Когда в обмотку ротора подаются импульсы напряжения с амплитудой , то одновременно формируется импульс тока с амплитудой (рис. 170). Средние значения этих импульсов равны: (303), (304), а их средняя электрическая мощность равна 3,13 Ватта (305). Это реальная электрическая мощность импульсов, поданных от первичного источника энергии в обмотку ротора. Она складывается с величиной инерциальной механической мощности 58,80 Ватта (301), постоянно присутствующей на его валу при равномерном вращении ротора. Суммарная импульсная мощность на валу ротора, в момент подачи в его обмотку импульса напряжения от первичного источника питания, равна

.(306).

В результате этого постоянный инерциальный момент получает импульсную прибавку (рис. 168), величина которой соответствует импульсу электрической мощности (305). Эта прибавка идёт на преодоление сопротивлений , которые формируются процессами генерации напряжения и тока в обмотке ротора в моменты, когда его цепь замкнута (рис. 168, интервалы и ). Как только цепь ротора размыкается, то сопротивления формирующиеся импульсами электрической мощности, рождающей импульсы инерциальных прибавок к инерциальному моменту , исчезают (рис. 168, интервал D…E), а оставшийся запас инерциального момента продолжает вращать ротор до получения им следующего импульса (рис. 168, точка ). Из этого следует, что ротор забирает из сети импульсы электрической энергии. Их средняя мощность равна 3,13 Ватта (305). Из изложенного следует закон формирования мощности в электрической цепи. Он гласит: средняя мощность в любом сечении электрической цепи равна произведению средних значений напряжения и тока (289).

Мы рассмотрели процесс пуска ротора МГ-1 и процесс его равномерного вращения и нас удивляет мизерная величина электрической мощности 3,13 Вт (305), которая вращает равномерно ротор с массой 2,65 кг и частотой 2000 об./мин на холостом ходу. Это удивление – следствие не учета нашим воображением 58,80Вт мощности, постоянно присутствующей на валу ротора МГ-1 при его равномерном вращении. Этот не учёт сформирован ошибочным первым законом Ньютона. Надо понимать, что мощность 3,13 Вт реализуется только на генерацию импульсов напряжения и тока в обмотке возбуждения ротора, которые формируют импульсные механические инерциальные прибавки к инерциальному моменту , преодолевающему все механические сопротивления.

Таким образом, постоянно присутствующая механическая мощность 58,80 Вт на валу ротора преодолевает все виды постоянных сопротивлений его вращению, а импульсы электрической мощности 3,13Вт (рис. 168, интервалы ), формируя импульсы магнитных моментов при взаимодействии магнитных полюсов ротора и статора, генерируют импульсные инерциальные прибавки инерциальному моменту и одновременно формируют рабочие импульсы ЭДС индукции и ЭДС самоиндукции в обмотке статора.Это очень экономный процесс одновременного генерирования электрических и механических импульсов мощности.

ЭДС самоиндукции, возникающая в момент размыкания электрической цепи, считается вредной и её стремятся нейтрализовать различными способами. Однако, при импульсной подаче электроэнергии источнику потребления, имеющего индуктивность, импульсы ЭДС самоиндукции оказались очень полезными. Поясним эту полезность на примере импульсов ЭДС самоиндукции, возникающих в обмотке возбуждения ротора электромотора - генератора МГ-1 и в обмотке его статора (рис. 167). Они начинают рождаются в обмотке возбуждения ротора, в момент прекращения подачи электроэнергии в неё (рис. 170, а). На холостом ходу это - узкие импульсы S, уходящие вниз. Длительность импульсов очень маленькая, но их рождение сопровождается уменьшающейся величиной тока самоиндукции (рис. 170, а). Вполне естественно, что импульсы ЭДС самоиндукции в обмотке возбуждения ротора автоматически передаются в обмотку статора и имеют такую же форму и, примерно, такую же длительность (рис. 170, b).

На рис. 170, b представлена осциллограмма импульсов ЭДС самоиндукции, генерируемых в обмотке статора МГ-1 на холостом ходу, в момент разрыва электрической цепи, питающей обмотку возбуждения ротора. Амплитуда импульсов ЭДС самоиндукции равна (рис. 170, b), длительность импульсов – 0,50мс, а их скважность S=21,50 при оборотах ротора генератора, равных 2000 об./мин. Средняя величина ЭДС самоиндукции, генерируемая в обмотке статора, равна Uc=44/21,50=2,05B. На рис. 171 – эти же импульсы, трансформированные одной ячейкой классического электролизёра.

Рис. 171.Импульсы ЭДС самоиндукции статора и тока на клеммах

электролизёра

Ячейка электролизёра уменьшает амплитуду импульса с до, примерно, , то есть в количество раз, равное скважности импульсов (S=21,51) ЭДС самоиндукции статора на холостом ходу генератора и увеличивает его длительность во столько же раз (рис. 171).

Чтобы упростить расчёт мощности, генерируемой импульсами ЭДС самоиндукции на клеммах электролизёра (рис. 171) приводим импульсы тока (рис. 171) к прямоугольной форме. Тогда скважности импульсов напряжения и тока будут равны , а амплитуда тока . С учетом этого среднее напряжение, подаваемое в ячейку электролизёра, будет равно

. (307)

Обратим внимание на то, что среднее напряжение импульса , меньше среднего напряжения (рис. 171, около 2-х Вольт) на клеммах ячейки. Обусловлено это тем, что ячейка, зарядившись вначале, постепенно разряжается, а подаваемые импульсы напряжения с амплитудой 2,20 В и со скважностью S=1,72, подзаряжают её. При этом скважность S=1,72 уменьшает амплитуду импульса напряжения до средней величины , используемой для расчёта мощности. Очень важно понять этот момент. Величина 2,20 В принадлежит электролизёру, а не источнику питания. Источнику питания (ЭДС самоиндукции статора) принадлежит средняя величина напряжения 1,28В.

Средняя величина тока равна

, (308)

а мощности –

. (309)

Обратим особое внимание на то, что длительность падения тока самоиндукции в обмотке возбуждения ротора (рис. 170, а), примерно, равна длительности импульса ЭДС самоиндукции (рис. 170, b). При увеличении числа витков в обмотках ротора и статора характеристики импульсов ЭДС в обмотке возбуждения ротора и в обмотке статора изменяются

Осциллограммы импульсов ЭДС индукции и самоиндукции в обмотке возбуждения ротора с увеличенным числом витков представлены на рис. 172.

Рис. 172. Импульсы ЭДС индукции (вверху) и импульсы ЭДС самоиндукции (внизу) в обмотке возбуждения ротора

Как видно (рис. 172), длительности импульсов ЭДС индукции и самоиндукции в обмотке возбуждения ротора почти выровнялись, но амплитуда импульсов ЭДС самоиндукции осталась больше амплитуды импульсов ЭДС индукции . Длительность импульса тока осталась почти прежней, а длительность импульса ЭДС самоиндукции увеличилась (рис. 173, а). На рис. 173, b представлены импульсы напряжения и тока ЭДС самоиндукции статора на клеммах ячейки электролизёра. Явно видно увеличение длительности этих импульсов и уменьшение их скважности по сравнению с аналогичными импульсами, представленными на рис. 171. В табл. 41 приведены результаты испытаний МГ-1 в режиме питания ячеек электролизёра импульсами ЭДС самоиндукции статора (рис. 173, b).

По данным осциллографа (рис. 173, а) среднее напряжение в обмотке ротора равно , а средняя величина тока – 0,70А. Средняя импульсная мощность равна . Среднее напряжение импульсов ЭДС самоиндукции в обмотке статора равно , а средняя величина тока . В результате средняя импульсная мощность ЭДС самоиндукции статора оказывается равной (табл. 41).

а) импульсыЭДС индукции в обмотке ротора

b) импульсы ЭДС самоиндукции в обмотке статора

Рис. 173. Импульсы в обмотках ротора и статора

Таблица 41. Показатели электрических импульсов в обмотках ротора и статора и на клеммах электролизёров

Параметр	1 ячейка	2 ячейки	3 ячейки	4 ячейки	5 ячеек
Частота, об/мин
Ток ячеек , А	19,0	9,6	7,2	6,5	5,5
Кол-во смеси газов Q, л/ч	9,3	11,3	11,7	11,0	9,5
Мощность ЭДС индукции на роторе Вт	38,00	24,16	22,14	16,20	20,21
Мощность ЭДС самоиндукции на статоре , Вт	40,24	37,73	39,67	45,04	46,47
Уд. мощность Pp/Q, Вт/л	4,10	2,14	1,89	1,47	2,13

Нетрудно видеть (табл. 41), что электрическая мощность импульсов ЭДС самоиндукции в обмотке статора больше входной электрической мощности импульсов ЭДС индукции в обмотке возбуждения ротора. Причина – генерация импульсов ЭДС самоиндукции в обмотке статора (рис. 173, b) с длительностью большей длительности импульсов ЭДС самоиндукции в обмотке ротора (рис. 173, а).

Эксперименты показывают, что электрическая мощность на клеммах ротора МГ-1, примерно, равна механической мощности на валу ротора. Поэтому для полной реализации энергетических возможностей МГ-1 надо загружать вал ротора механической нагрузкой. В качестве такой нагрузки использовался генератор с постоянными магнитами, который подсоединялся к валу ротора МГ-1 снизу (рис. 174). Импульсы ЭДС индукции, генерируемые этим генератором, направлялись на клеммы ячейки электролизёра с параметрами, примерно, равными параметрам ячейки, подключаемой к клеммам ЭДС самоиндукции статора. Обе ячейки генерируют, примерно, одинаковое количество смеси газов.

Рис. 174. Электромотор – генератор МГ-1 с дополнительным генератором с постоянными магнитами (внизу)

Рис. 175. Электромотор – генератор МГ-3

Все описанные особенности формирования импульсов ЭДС самоиндукции учтены при проектировании электромотора - генератора МГ-3 (рис. 175), который находится в стадии изготовления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Импульсы ЭДС самоиндукции статора, поданные на клеммы ячейки электролизёра, значительно увеличивают не только свою длительность, но и длительность импульсов тока самоиндукции. В результате генерируется дополнительная электрическая энергия, уменьшающая затраты энергии на электролиз воды. Данные табл. 1 полностью доказывают достоверность этого факта.