В этой статье предлагается в порядке обсуждения идеи рассмотреть проблемы энергетики с позиции нового открытия и старых разработок.
На мой взгляд, мы имеем скрытые резервы использования мощностей наших электростанций, если посмотреть на проблемы энергетики с позиции радиотехники. В статье [1] я уже описывал суть открытия "Эффект трансгенерации энергии" российского изобретателя А. Мельниченко. Но для лучшего понимания дальнейшего материала кратко изложу суть дела. Обмотку двигателя переменного тока включают последовательно с конденсатором в сеть (рис1).
Величину емкости конденсатора С рассчитывают примерно из условий резонанса с обмоткой двигателя Lм как катушки индуктивности. Тогда вся система представляет собой последовательный колебательный контор. Как известно, при резонансе общее сопротивление цепи минимально и в пределе равно только активному сопротивлению R. Поэтому ток в конторе I будет максимальным напряжение на обмотке двигателя тоже увеличится. То есть двигатель получит как бы дополнительное напряжение даже при меньшем напряжении источника питания. Как видим применение эффекта достаточно просто по исполнению. Здесь происходит компенсация индуктивного сопротивления мотора X с помощью другого реактивного элемента - емкости С. В этом и есть суть нового открытия.
Я проделал такие опыты с различными двигателями переменного тока и свидетельствую, что эффект действительно есть. Добротность такого контура не очень велика (в пределах 2-3), но она есть. Подробнее обэтом можно прочитать в [2].
А теперь предлагаю с учетом этого открытия взглянуть на обратный процесс - генерирование электрического тока генератором. Перевернем проблему наоборот (это, кстати, стандартный изобретательский прием). Применим также принцип обратимости электрических машин, сформулированный еще Э. Ленцем в 1834 г. Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать как генератор, так и двигатель. Тогда синхронный генератор электростанции можно представить как источник электродвижущей силы Е0 и последовательную катушку индуктивности с индуктивным сопротивлением Хсн, которое обязательно есть в любом электрогенераторе.
Далее я прямо приведу эквивалентную схему генератора из учебника по электрическим машинам [3] - рис.2, а также векторную диаграмму этой схемы - рисЗ. Это упрощенная "диаграмма Потье", которая наглядно показывает соотношения величин в этой цепи и используется для анализа работы синхронных генераторов в энергетике. На этих рисунках ЕО - ЭДС холостого хода генератора, когда он работает без нагрузки. На диаграмме из вектора Е вычитается вектор падения напряжения V = IаХсн, и в сумме получится напряжение генератора V. Ток Iа, протекающий в цепи статора генератора, как и положено в индуктивной цепи, отстает от напряжения на угол φ,- этот угол φ фигурирует в электротехнике в качестве соsφ. Сопротивление Zн - индуктивно-активное сопротивление нагрузки генератора.
Рассматривая рис 1 и рис.2, мы видим определенное сходство обеих систем. Можно сказать, что в схеме рис.2 ЭДС работает на нагрузку Zн и преодолевает индуктивное сопротивление Хсн, которое называется в курсах электрических машин "синхронным сопротивлением генератора". На этом сопротивлении теряется часть ЭДС и вектор V напряжения на нагрузке на диаграмме меньше вектора ЭДС Е0 на величину падения напряжения V = IаХсн. В случае с двигателем ЭДС преодолевает сопротивление обмотки двигателя, а в случае с генератором ЭДС преодолевает собственное сопротивление генератора Хсн. Величина падения напряжения реальных турбогенераторов [3] около 20-25% от величины ЭДС. Много это или мало покажем дальше.
После краткого пояснения процессов приступаем к главному. Исходя из эквивалентности процессов для компенсации падения напряжения в схеме генератора также включим конденсатор и получим схему рис.4, где Ск - мощная батарея конденсаторов компенсации, рассчитанная на резонанс напряжений в цепи.
Для проверки такого включения нагрузки в цепь генератора автор проводил в 1999 г. опыты по такой схем: генератор низкой частоты включался на трансформатор Тр, с вторичной обмотки которого снималось напряжение на нагрузку Rн (рис.5). В экспериментах выбиралась повышенная частота 20...30 кГц для приближения этой электрической модели к соотношениям сопротивлений Хсн/R в мощных генераторах. Ведь в турбогенераторе витки обмотки статора - это буквально "медные бревна" с очень низким сопротивлением. Поэтому электрическая модель на высокой частоте более близка к реальности, чем на 50 Гц.
Вторичная обмотка трансформатора с индуктивным сопротивлением Хт и ее ЭДС Е2 имитировала генератор, работающий на нагрузку Rн. Емкость компенсации Ск рассчитывалась из условий резонанса с обмоткой трансформатора. Тогда цепь вторичной обмотки принципиально не отличается от эквивалентной схемы рис4.
Опыт показал, что включение конденсатора Ск повышает напряжение на нагрузке примерно но 15-20% по сравнению с напряжением без конденсатора, т.е. получились близкие к нужным результаты. Если в качестве нагрузки ставилась лампочка накаливания, то было наглядно видно, что лампочка горит с конденсатором более ярко, - это значит, что эффект компенсации есть даже в плохом контуре с большим активным сопротивлением Rн, что и требовалось проверить.
Рассмотрим как связаны электрические параметры в схеме рис.4 с мощностью турбогенератора. Активная мощность генератора Ра [3] выражается простым уравнением для трехфазного генератора:
Ра = 3E0Vsinθ/Xcп,
где Е0 и V - ЭДС и напряжение генератора, θ - угол на диаграмме (рис.З) между E0 и V. Из этого уравнения видно, что компенсация Хсн или эквивалентное уменьшение его величины приведет к росту мощности генератора или, оставив ту же мощность генератора, можно уменьшить потребляемую механическую мощность от турбины, так как Ра почти равна механической мощности. Тогда получим экономию топлива для той же мощности.
Эту идею, опыты и реальную работу турбогенератора с электрической системой автор обсуждал с опытным специалистом-практиком в энергетике В.И. Товстухой (бывший энергетик КМК в Сибири в 50-е годы, а затем гл. энергетик ряда предприятий в Чернигове). Идею и опыт он оценил как интересные и полезные, а также одобрил идею публикации в печати.
Разумеется, работы по компенсации на турбогенераторе мощностью 1 миллион киловатт - сложнейшая техническая проблема, нужны подробные расчеты и сложные испытания. Но опыт применения резонансных систем в мощной энергетике у нас уже есть.
В начале 70-х годов в Новосибирске шли работы по "настроенным линиям электропередач". Работа велась на кафедре электрических систем и сетей НЭТИ под руководством заслуженного деятеля науки и техники д.т.н. Щербакова. Я тогда был студентом радиотехнического факультета и подрабатывал на этой кафедре, но интересовался и главными задачами кафедры. Работы велись также и в ряде институтов Москвы. Цель работ - передача энергии на сверхдальнее расстояние из Сибири в центр страны с максимальным КПД и мощностью ЛЭП.
"Настроенные линии" - такие ЛЭП, настройка которых проводится с помощью катушек и конденсаторов в режиме компенсации реактивных параметров и приведение "'электрической длины" ЛЭП к половине длины волны на частоте 50 Гц. Это фактически прямое применение радиотехники в мощной энергетике только на низких частотах. Такая линия обладает гораздо большей дальностью передачи, пропускной способностью по мощности, чем обычная. Эти работы имели завершение: в 70-х годах была построена ЛЭП Волгоград-Донбосс на напряжение 750 кВ и успешно эксплуатировалась. Был реальный опыт решения, пожалуй, более сложной задачи, чем та, о которой я пишу.
В заключение посмотрим, что можно получить от такой системы. Допустим, что нам удалось с помощью установки конденсаторной батареи скомпенсировать 20% падения напряжения на турбогенераторе мощностью 1 млн. кВт, - это значит, что мы имеем резерв в 200 тыс. кВт только на одном энергоблоке. Либо, оставив уровень мощности тем же, сэкономим столько угля или газа, сколько нужно потратить на генерацию этих 200 тыс. кВт. А ведь этой мощности вполне достаточно для такого города как Чернигов. А в масштабах Украины можно теоретически получить примерно 4-5 млн. кВт "даровой" мощности, а это 4-5 блоков ЧАЭС. Стоимость научно-исследовательских работ и сооружение батарей конденсаторов неизмеримо дешевле, чем добыча топлива и сооружение энергоблоков. Так что "игра стоит свеч!"
О.Л. Архипов
Литература
1 . Архипов О.Л. Штурм перпетуум-мобиле продолжается//Радioаматор-Конструктор. - 2000. - №5.
2. Журнал "Изобретатель и рационализатор". - 1997. - №1.
3. Врускин Д.Э., Хвостов B.C. Электрические машины и микромашины. -М.: 1990.
Читайте также: Резонансный усилитель мощности тока промышленной частоты
Добавить комментарий