КРАТКО О НОВОМ ЗАКОНЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ Канарёв Ф.М.
реклама
КРАТКО О НОВОМ ЗАКОНЕ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ Канарёв Ф.М. kanphil@mail.ru Анонс. Все биологические объекты Природы потребляют электрическую энергию, питающую, например, сердце, импульсами. Это самый экономный процесс её потребления. Все источники электрической энергии, изобретённые человеком, производят её непрерывно. Абсолютное большинство этой энергии также потребляется непрерывно и все приборы, учитывающие её расход, настроены на непрерывное напряжение, генерируемое первичными источниками энергии: генераторами электростанций, аккумуляторами и батареями. В результате такие приборы увеличивают показания реального импульсного расхода электроэнергии в количество раз, равное скважности импульсов напряжения [1], [2]. Количество электрической энергии E, потребляемой непрерывно, зависит от напряжения U , тока I и времени t (рис. 1), а её величина, потребляемая в секунду, называется мощностью [1]. P U I Äæ / ñ Âò (1) Рис. 1. Осциллограмма напряжения и тока на клеммах аккумулятора Если же напряжение и ток потребляются импульсами с длительностью (например, τ=0,0025c, рис. 1, а) значительно меньшей длительности секунды, то мощность, определённая произведением амплитуд импульсов напряжения и тока, уже не соответствует системе СИ, которая требует их непрерывного действия в интервале длительности всей секунды [3]. Чтобы результат перемножения импульсных значений напряжения и тока соответствовал системе СИ, надо действие напряжения и тока растянуть до длительности одной секунды (рис. 1, а) [1]. Для реализации этой операции, давно введено понятие «скважность импульсов». Если импульсы напряжения и тока прямоугольные (рис. 1, а), то их скважность S равна отношению периода T следования импульсов к длительности τ импульса (рис. 1, а) [3]. S=T/ τ . (2) Скважность импульсов напряжения SU может отличаться от скважности импульсов тока SI. Тогда средние величины напряжения UC и тока IC, соответствующие понятию Ватт, определяются по формулам: U (3) UC A ; SU 2 IC IA . SI (4) Из этого следует, что средняя импульсная мощность PC , соответствующая понятию Ватт, определится по формуле [1], [2], [3] PC U C I C UA IA U I ...åñëè...SU S I S ..,..òî ..PC A 2 A . SU S I S (5) Наличие в формуле (5) скважностей импульсов напряжения SU и тока SI, подтверждает, что амплитуды напряжения UA и тока IA растянуты до значений, соответствующих непрерывному их действию в течение всего периода T (рис. 1, а). Значит, эта формула точно отражает физический смысл, заложенный системой СИ в понятие Ватт [3]. Однако, в учебниках по электротехнике и электродинамике уже более 100 лет написано, что средняя импульсная мощность рассчитывается по формуле, содержащей лишь скважность импульсов тока SI и никто не удосужился проверить соответствие физического содержания этой формулы (6) системе СИ. T T 1 1 I PC P(t )dt U (t )dt I (t )dt PC U C A . T0 T0 SI (6) Проверка соответствия формулы (6) системе СИ обусловлена необходимостью получения достоверной информации о правильном переводе электрической энергии в другие виды энергии, например, в тепловую [3]. Чтобы проверка была наглядной, привяжем её к осциллограмме, снятой с клемм аккумулятора, к которому подключена лампочка, потреблявшая энергию импульсами тока с амплитудами IA, и импульсами напряжения с амплитудами UA (рис. 1, а). Когда импульс тока исчезает, то напряжение на клеммах аккумулятора восстанавливается до прежней величины и оно не участвует в формировании мощности, отбираемой у аккумулятора, до появления следующего импульса тока. Наличие в формуле (6) скважности SI импульсов тока IA означает, что его амплитудное значение растянуто до длительности периода T, что полностью соответствует понятию Ватт. Отсутствие скважности SU импульсов напряжения UA в формуле (6) автоматически означает, что величина UA осталась не растянутой до длительности всего периода T и участвует в формировании мощности всей своей величиной UA в течение всего периода, что искажает конечный результат в количество раз, равное скважности импульсов SU напряжения. Это и есть фундаментальная физическая ошибка математиков, введённая ими в формулу (6) более 100 лет назад. На рис. 1, а хорошо видно, что величина напряжения участвовует в формировании мощности только в интервале длительности импульса τ и не участвовует в интервале T-τ, поэтому мы обязаны растянуть амплитуду (UA) её действия на весь интервал T-τ. Делается это путём деления величины UA на скважность импульсов. Отсутствие этой операции в математической модели (6) автоматически делает величину средней мощности PC не соответствующей системе СИ в количество раз равное скважности импульсов напряжения SU. Так как математическая модель (6) заложена в математические программы и принципы работы всех счётчиков электроэнергии, то все они завышают её импульсный расход в количество раз, равное скважности SU импульсов напряжения. В качестве доказательства достоверности нового закона формирования электрической мощности (5) проанализируем баланс мощности мотора – генератора МГ-2, который потребляет энергию из аккумуляторов импульсами напрямую, без каких либо промежуточ- 3 ных электронных устройств. Роль мотора у него выполняет ротор, а роль генератора – статор [4], [5]. Рис. 2. Мотор-генератор МГ-2 и мотоциклетный аккумулятор для его питания В качестве нагрузки возьмём ячейку электролизёра (рис. 2). Проследим за процессом разрядки мотоциклетных аккумуляторов 6МТС-9, питающих мотор – генератор, и сравним с процессом разрядки таких же аккумуляторов, питающих совокупность лампочек с общей мощностью, рассчитанной по формуле (6). Электромотор-генератор МГ-2 работал в режиме поочерёдной разрядки и зарядки аккумуляторов, как автономный источник энергии, одновременно питавший ячейку электролизёра. Осциллограмма на 100-й минуте опыта, длившегося 3 часа 10 минут, представлена на рис. 1, b. Ротор электромотора вращался с частотой 1800об./мин. При этом получено 8,57 литров H2+O2. Падение напряжения на клеммах аккумуляторов представлено в табл. 1 Таблица 1. Падение напряжения на клеммах аккумуляторов за 3 часа 10 минут Номера Начальное напряжение Конечное напряжение аккумуляторов на клеммах на клеммах аккумуляторов, В аккумуляторов, В 1+2 (разрядка) 12,28 12,00 3+4 (разрядка) 12,33 12,00 Из осциллограммы на рис. 1, b следует, что согласно старому закону (6) формирования средней величины импульсной электрической мощности на клеммах ротора МГ-2, подключённого к аккумуляторам, средняя импульсная мощность равна PCC=37,88Вт. Каждая из двух пар 6-ти вольтовых аккумуляторов, соединённых последовательно при импульсной подаче электроэнергии в обмотку возбуждения ротора в течение 3 часов 10 минут снижала напряжения на своих клеммах (табл. 1) в среднем на 0,10В/час. 4 Начальное напряжение на клеммах аккумулятора, к которому были подключены лампочки общей мощностью (21+5+5+5)=36,00Вт, соответствующей мощности PCC=37,88Вт, рассчитанной по формуле (6), равнялось 12,78В. После 1-го часа и 40 минут оно опустилось до 4,86В или на 7,92В. Это в 7,92/0,3=26,00 раз больше скорости падения напряжения на клеммах аккумуляторов, питавших МГ-2, без учета разного времени их работы (табл. 1). Этого вполне достаточно, чтобы сделать однозначный вывод о полной ошибочности старого закона (6) формирования импульсной электрической мощности. Конечно, мы не учли 8,57л смеси водорода и кислорода, полученной путём электролиза воды электрической энергией, вырабатываемой МГ-2. Это, как говорят, дополнительная энергия. Уважаемые математики! Сколько лет скрывалась от нас Ваша фундаментальная физическая ошибка? Пора исправлять её. Для этого обращаем Ваше внимание на самый простой случай – потребление электроэнергии из аккумулятора импульсами напряжения и тока (рис. 1, а). Электронная программа, заложенная в осциллограф, чётко учитывает в каждом периоде количество ординат тока, равных его амплитудному значению IA и количество ординат тока, равных нулю. Затем программа разделяет суммарную величину ординат тока на общее количество ординат, измеренных в интервале периода T, и выдаёт среднюю величину тока IC . Такая же программа, определяющая среднюю величину напряжения (см. рис. 1, а), измерит такое же количество ординат напряжения за период T, сложит эти ординаты и, разделив их сумму на количество ординат, выдаст среднюю величину напряжения UCC (см. рис. 1, а), которое якобы все время участвовало в формировании мощности. Но на рис. 1, а хорошо видно, что величина напряжения UCC участвует в формировании мощности лишь в интервале длительности её импульса τ и не участвует в интервале T-τ. Как же составить математическую программу, обрабатывающую осциллограммы, чтобы она учитывала интервалы T-τ неучастия напряжения в формировании средней импульсной мощности? Для этого надо, чтобы математическая программа, определяющая среднюю величину напряжения, приравнивала нулю ординаты напряжения, соответствующие ординатам тока, равным нулю, и учитывала их количество. Далее, получив сумму ординат напряжения в интервале, например, периода, эта программа, должна делить указанную сумму ординат на общее количество ординат, в которое входило бы и количество ординат, напряжения которых были приравнены нулю. В результате такой операции при определении средней величины напряжения UC автоматически будет учитываться скважность его импульсов, то есть моменты времени, когда напряжение не участвует в формировании мощности. Последующее перемножение средних величин напряжения UC и тока IC, автоматически даст среднюю величину импульсной мощности PC, равной величине, определённой по формуле (5). Если осциллограмма тока оказывается сложной, то математической программе, обрабатывающей осциллограмму тока (рис. 3, а), несложно найти среднюю величину тока IC. Такая математическая программа снимает в секунду десятки тысяч ординат, в том числе и с нулевыми значениями тока (см. рис. 3, а, интервалы 1, 2, 3….14), а потом общую сумму ординат делит на их количество и получает среднюю ординату или среднюю величину тока IC . Тут проблем нет. Они возникают при составлении программы для определения средней величины напряжения (рис. 3, b), участвующего в формировании средней величины мощности PC . Программы, обрабатывающие осциллограммы напряжения и тока должны работать синхронно. Программа, обрабатывающая осциллограмму напряжения, должна приравнивать нулю все его ординаты в моменты времени, когда ординаты тока тоже равны нулю. При этом количество ординат напряжения, величины которых приравнены нулю, должно входить в общее количество ординат, измеренных на осциллограмме напряжения за заданный промежуток времени. В результате такая программа учтёт только те ординаты напряжения, которые реально участвуют в формировании мощности вместе с током, то есть в моменты времени, когда ординаты тока не были равны нулю. Деление общей суммы всех ординат напряжения на их общее количество, в которое входит и количество ординат, соответствую- 5 щих нулевым значениям тока, эквивалентно учёту скважности импульсов напряжения и определению его реальной средней величины UC, участвующей в формировании средней величины импульсной мощности PC , определяемой по формуле (5) [1]. Рис. 3. а) - осциллограмма тока; b) – осциллограмма напряжения Описанная методика обработки осциллограмм даст реальные средние значения напряжения UC и тока IC, участвующие в формировании импульсной мощности, а перемножение их даёт реальную среднюю величину мощности PC (5). Именно эта величина мощности подлежит оплате потребителем, а не мощность, определённая по формуле (6), как это делается сейчас. Более детальная информация по этой проблеме изложена на сайте http://www.micro-world.su/ На рис. 4, а, b. Показаны две бытовые батареи отопления с площадью излучения тепла, равной около 1,5 кв. метра. Рис. 4. а) – батарея со стандартным нагревательным элементом; b) – батарея с тремя экспериментальными ячейками Нагревательным элементом первой батареи (рис. 4) является ТЭН мощностью 1,0кВт, а второй – три последовательно соединённые предплазменные ячейки, которые питаются импульсами напряжения, равными 1000В и импульсами тока, равными 150А. Скважность импульсов напряжения и тока равна S=100 (рис. 5). Это значит, что при длительности эксперимента 5мин.=300с батарея получает энергию 300/100=3с, а 297с не получает её, но существующий счётчик электроэнергии игнорирует это и показывает, что на клеммах батареи средняя величина напряжения в течении 300с была не 1000/100=10В, а 220В, что явно не соответствует реальности. 6 Рис. 5. Импульсы напряжения и тока со скважностью S=100 Выравнивание скорости нагрева батарей осуществлялось путем регулирования напряжения на клеммах батареи со стандартным нагревательным элементом. За 30 минут поверхность обоих батарей нагревалась до 80 град. Мощность на клеммах стандартной батареи бала 880Вт, а средняя мощность на клеммах экспериментальной батареи, определённая по формуле (5), - PC 1000 / 100 150 / 100 15Âò . Столько же потреблял и насос со стиральной машины, прокачивавший жидкость через батарею. Что нужно сделать, чтобы начать коммерциализацию этих батарей? Надо, чтобы российская власть приняла решение о разработке универсальных счётчиков энергии, которые бы правильно учитывали не только непрерывное, но и импульсное её потребление, и срочную программу по разработке импульсных потребителей электроэнергии. Это откроет перспективу прекращения строительства атомных электростанций, так как мощности остальных электростанций будут достаточны в условиях широкого внедрения импульсных потребителей электроэнергии. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Новый закон формирования электрической мощности (5) открывает неограниченные возможности в сокращении расхода электроэнергии путём замены непрерывных потребителей электроэнергии импульсными, при условии замены существующих счётчиков электроэнергии, искажающих учёт её импульсного расхода, новыми, правильно учитывающими величину импульсной электроэнергии. Представленная здесь методика составления математических программ для счётчиков электроэнергии, правильно учитывающих её непрерывное и импульсное потребление, означает, что российская наука уже открыла путь экономной импульсной энергетике. Следующий шаг должна сделать власть. ЛИТЕРАТУРА 1. Канарёв Ф.М. Импульсная энергетика. Том II 15-го издания монографии «Начала физхимии микромира». http://www.micro-world.su/ 2. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. Монография. Том I. 15-е издание. 2010. http://www.micro-world.su/ 3. Бурдун Г.Д. Справочник по международной системе единиц (СИ). М. 1977. Издательство стандартов. 232 с. 4. Канарёв Ф.М. Глобальная физическая ошибка математиков. http://www.sciteclibrary.ru/rus/avtors/k.html http://www.micro-world.su/ http://www.sciteclibrary.ru/rus/catalog/pages/10785.html 5. Канарёв Ф.М. Ближайшие перспективы бытовой энергетики. http://www.micro-world.su/ Папка «Статьи».