Высоковольтный генератор постоянного тока Менде-Дубровина

[Фёдор Менде]

Менде Ф. Ф.  Дубровин А. С.   Высоковольтный генератор постоянного тока Менде-Дубровина. Инжененрная физика,  №5, 2017, с. 34-39

Аннотация

   С энергетической точки зрения самым выгодным способом передачи больших объёмов электроэнергии на большие расстояния является передача её на постоянном токе. Однако до настоящего времени не существует таких генераторов постоянного тока, которые способны генерировать необходимый уровень мощности при заданных напряжениях. В статье эта проблема решена. В основу решения проблемы положен закон ёмкостной параметрической индукции.

      Ключевые слова: ток, напряжение, ёмкость, ёмкостная параметрическая индукция, генератор постоянного тока, трансформатор постоянного напряжения,  водяной насос.


1. Введение

   Энергетические электрические системы включают генератор электрической энергии (далее генератор) и линию электропередачи (ЛЕП). Поскольку передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют при помощи высоковольтных ЛЭП, а генераторы имеют низкое выходное напряжение,  промежуточным звеном между генератором и ЛЭП является высоковольтный повышающий трансформатор. Все указанные элементы имеют энергетические потери, и их учёт показывает, что в эти потери могут доходить до 30% процентов. Следовательно, очень важным является вопрос снижения этих потерь.
   В основном, ЛЭП служат для передачи переменного тока, однако линии постоянного тока имеют меньшие потери на ёмкостную и индуктивную составляющие. Поэтому ЛЭП на постоянном токе строят в том случае, когда нужно предавать особо большие объёмы электроэнергии. В СССР было построено несколько линий электропередачи постоянного тока: Высоковольтная линия постоянного тока Москва-Кашира - Проект «Эльба»; Высоковольтная линия постоянного тока Волгоград-Донбасс; Высоковольтная линия постоянного тока Экибастуз-Центр и др.
   Существенной проблемой создания энергетических систем на постоянном токе является отсутствие генераторов, которые непосредственно генерируют постоянное напряжение заданной величины с необходимым уровнем мощности. Поэтому приходится вначале вырабатывать электроэнергию на переменном токе при низких напряжениях,  затем, используя высоковольтные трансформаторы, повышать напряжение и далее при помощи высоковольтных выпрямителей вырабатывать постоянный ток. Все эти промежуточные звенья имеют энергетические потери, что является основной проблемой таких систем.
   Из сказанного следует, что важной проблемой современной электроэнергетики является создание высоковольтных генераторов постоянного тока, которые сразу могут генерировать напряжение заданной величины при необходимых уровнях мощности. До настоящего времени такие генераторы не созданы.

[Фёдор Менде]

2. Принцип действия высоковольтного генератора постоянного тока

     Если имеется конденсатор, емкость которого \(C\) , и этот конденсатор заряжен  до разности потенциалов \(U\) , то энергия, накопленная в нём, определяется соотношением
\({W_C} = \frac{1}{2}C{U^2}\) .   (2.1)
А заряд \(Q\) , накопленный в емкости, равен  
\({Q_{C,U}} = CU\) .   (2.2)                                      
Из соотношения (2.2) видно, что если в уединённой ёмкости заряд оставить неизменным, то напряжение на ней можно изменять путем изменения самой ёмкости. В этом случае выполняется  соотношение
\({Q_{C,U}} = CU = {C_0}{U_0} = const\) ,
где \(C\)  и  \(U\) - текущие значения, а \({C_0}\)  и \({U_0}\) - начальные значения этих параметров.
   Напряжение на емкости и энергия, накопленная в ней, будут при этом  определяться соотношениями [1-4]:
\(U = \frac{{{C_0}{U_0}}}{C} = K{U_0}\) ,   (2.3)
\({W_C} = {\frac{1}{2}_{}}\frac{{{{\left( {{C_0}{U_0}} \right)}^2}}}{C}\)  .   (2.4)
Коэффициент
\(K = \frac{{{C_0}}}{C}\)  (2.5)
Может быть назван  коэффициентом умножения (трансформации) постоянного  напряжения.
   Схема трансформатора напряжения , реализующая рассмотренный принцип, представлена на рис. 1

 


Рис. 1. Схема трансформатора  постоянного напряжения

[Фёдор Менде]

В данной схеме к переменному конденсатору посредством диода подключён источник постоянного напряжения \({U_0}\)
Приращение напряжения, которое может обеспечить такой трансформатор, определяется из соотношения
\(\Delta {U_C} = \left( {\frac{{{C_0}}}{C} - 1} \right){U_0}\)  (2.6)
Как следует из соотношений (2.3) и (2.4) при уменьшении ёмкости конденсатора на нём увеличивается не только напряжение, но и энергия, накопленная в нём.
    Следует отметить, что такой трансформатор может работать только в режиме повышения напряжения, т.к. при попытке получить уменьшение напряжения на конденсаторе это сделать не удастся по той причине, что диод  обеспечивает прямое подключение источника напряжения к конденсатору и поэтому напряжение на конденсаторе уменьшиться не может.
    Приращение энергии, накопленной в конденсаторе, при изменении его ёмкости определяется из соотношения
\(\Delta {W_C} = \frac{1}{2}{\left( {{C_0}{U_0}} \right)^2}\left( {\frac{1}{C} - \frac{1}{{{C_0}}}} \right) \)  (2.7)                                               
При механическом изменении ёмкости конденсатора, указанное приращение энергии обеспечивает вешний механический источник энергии,
     Свойства трансформатора постоянного напряжения  можно использовать для создания высоковольтного источника постоянного тока, схема которого приведена на Рис. 2.

 


Рис. 2. Схема высоковольтного источника постоянного тока.
 

   В данной схеме присутствует ещё один диод, дополнительный компенсирующий источник напряжения и нагрузочное сопротивление $R$ .  Сразу  укажем, что в качестве дополнительного источника напряжения следует использовать аккумулятор с малым внутренним сопротивлением. Рассмотрим циклы работы такого источника.
    В исходном состоянии ёмкость конденсатора равна \({C_0}\) , а напряжение на нём равно \({U_0}\) . При этом энергия, полученная конденсатором от правого источника напряжения, составляет
\({W_0} = \frac{1}{2}{C_0}U_0^2\) .    (2.8)

[Фёдор Менде]

В этом состоянии схема сбалансирована, и ток во всех её контурах отсутствует. Но как только ёмкость конденсатора начнёт уменьшаться, на нём появится дополнительное напряжение, заданное соотношением  (2.5). Полярность этого напряжения будет обратна полярности правого источника. Это дополнительное напряжение через правый диод поступает в цепь, состоящую из источника напряжения \({U_0}\) , а также нагрузочного сопротивления \(R\)  и через нагрузочное сопротивление потечёт ток. Этот ток будет течь до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не сравняется с напряжением на правом источнике. Энергия, выделенная при этом на нагрузочном сопротивлении, определяется соотношением (2.7). Для расчёта КПД (EFF) такого процесса, нужно сравнить энергию,израсходованную правым источником напряжения на зарядку конденсатора и энергию, выделенную на нагрузочном сопротивлении. В данном случае КПД определяется как отношение соотношений (2.8) и (2.7).
\(EFF = \frac{{\Delta {W_C}}}{{{W_0}}} = \left( {\frac{{{C_0}}}{C} - 1} \right)100\% \) .    (2.9)
    В следующем цикле происходит увеличение ёмкости конденсатора от значений \(C\)  до значений \({C_0}\) .  Но напряжение на нём не может быть меньше чем \({U_0}\) , поэтому левый источник напряжения начинает заряжать увеличивающуюся ёмкость. И к моменту, когда величина ёмкости достигнет значения \({C_0}\) , напряжение на ней будет равно \({U_0}\) . Во время этого цикла левый источник напряжения повторно израсходует энергию,  определяемую соотношением (2.8). При этом полный цикл завершиться и система вернётся в исходное состояние.
   Следует отметить, что генератор успешно работает и без правого компенсирующего источника напряжения. При этом ток правого источника напряжения течёт через нагрузочное сопротивление и при обратном цикле,  однако это на коэффициент полезного действия генератора практически не сказывается, поскольку напряжение указанного источника значительно меньше, чем напряжение, генерируемое генератором.
    Принцип действия рассмотренного генератора подобен принципу действия клапанного водяного насоса, схема которого представлена на рис. 3.
 
 


Рис. 3. Схема клапанного водяного насоса

[Фёдор Менде]

    При перемещении поршня вниз левый выпускной клапан открывается, и вода засасывается в полость насоса. При перемещении поршня вверх вода через правый выпускной клапан выбрасывается наружу.
  Роль клапанов в схеме описанного генератора играют диоды, а роль цилиндра с двигающимся поршнем выполняет переменный конденсатор.
     Из этого следует, что основной проблемой создания предлагаемого генератора является разработка механически управляемого конденсатора с переменной ёмкостью, большим значениями начальной и конечной ёмкости и с большим коэффициентом перекрытия этих значений. Этот вопрос можно решить путём использования технологии создания керамических конденсаторов, когда в качестве диэлектрика между обкладками конденсатора используется титанат бария, имеющий очень большую диэлектрическую проницаемость. Конструкция такого конденсатора изображена на рис. 4.

 

   
Рис.4. Конструкция конденсатора

Конденсатор состоит из двух металлических секторов круга, насаженных на ось. Одина пара секторов неподвижна, а вторая вращающаяся. На сектора неподвижной пары нанесён слой титаната бария (чёрная полоса на правой паре). Зазор между слоем титаната бария и сопредельной парой секторов должен составлять несколько микрон. При такой конструкции конденсатора отношение максимальной и минимальной ёмкости может составлять величину порядка 100. Генератор может быть и многосекционным, как показано на рис. 5.

 


Рис. 5. Секционный генератор.

   Рассчитаем практическую конструкцию генератора со следующими  параметрами: напряжение источника напряжения \({U_0} = 1000_{}^{}V\) ; диаметр вращающихся секторов  \(D = 1_{}^{}m\) ; зазор между слоем титаната бария и сопредельным сектором \(d = 1\mu m\) ; количество секций   \(N = 50\) , скорость вращения ротора  \(n = 1000_{}^{}\frac{1}{s}\)  (такая скорость вращения соответствует скорости 60000 об/мин). Если считать, что одна секция, включающая сектор статора и ротора занимает 5 см, то длина такого генератора буде около 2.5  м.

[Фёдор Менде]

    Ёмкость между секторами ротора и статора будем рассчитывать по формуле для плоского конденсатора
\({C_S} = \varepsilon \frac{S}{d}\)   (2.10)
где \(S\)  - площадь пластин, \(\varepsilon \)  - диэлектрическая проницаемость воздуха, \(d\)  - расстояние между пластинами конденсатора.
   В соотношении (2.10) в качестве диэлектрической проницаемости может быть взята диэлектрическая проницаемость вакуума, т.к. этот параметр для воздуха и вакуума близки по величине. В качестве расстояния между пластинами следует взять расстояние между слоем титаната бария и сопредельным вращающимся сектором. Такое допущения оправдано, поскольку диэлектрическая проницаемость бария на несколько порядков превышает диэлектрическую проницаемость воздуха.
    Учитывая (2.10), находим максимальную суммарную ёмкость между статором и ротором генератора:
\({C_0} = \varepsilon \frac{{\pi N{D^2}}}{{4d}}\)    (2.11)
В данном соотношении взято удвоенное количество секций, поскольку в каждой секции слой титаната бария расположен по обе стороны сектора ротора. Учитывая (2.4), (2.5), (2.8) и (2,11), находим энергию, которую вырабатывает генератор за один оборот ротора
\(W = \frac{{\pi \varepsilon KN{D^2}U_0^2}}{{8d}}\)  (2.12)
Умножая соотношение (2.12) на удвоенное количество оборотов ротора за секунду, получаем значение мощности генератора
\(P = \frac{{\pi \varepsilon nKN{D^2}U_0^2}}{{4d}} = 2.8 \times {10^6}_{}^{}W = 2.8_{}^{}MW\) .  (2.13)
В приведенной формуле взято удвоенное количество оборотов, поскольку перекрытие секторов статора и ротора происходит дважды за один оборот.
   КПД генератор, вычисленное по формуле (2.9), составляет 10000%, т.е вырабатываемая генератором мощность несоизмеримо больше, чем мощность, потребляемая от источника постоянного напряжения.
   Выходное напряжение, которое вырабатывает такой генератор, вычисленное по формуле (2.3)  равно 100 кВ. Именно такое напряжение будет развиваться между статорными и роторными секторами, когда ёмкость между ними будет минимальна. Чтобы при этом избежать электрического пробоя между ротором и статором, желательно во внутреннюю полость генератора нагнетать  воздух или другой газом под высоким давлением.
    Рассмотренный тип генератора обладает ещё и тем преимуществом, что он может непосредственно сопрягаться с осью газовых турбин, не требуя редуктора, что упрощает систему и увеличивает  КПД.
      Проведенные расчёты показывают принципиальную возможность создания высокоэффективного генератора постоянного тока. Однако на пути создания генератора такой конструкции имеются существенные технологические трудности. Они связаны с тем, что при последовательной сборке секций генератора трудно обеспечить микронные точности. Более рациональной в этом отношении является цилиндрическая конструкция генератора, механическая схема которого приведенная на рис. 6.

 

Рис. 6. Механическая  схема цилиндрического генератора

[Фёдор Менде]

    Конструкция генератора состоит из цилиндрического статора, во внутренней части которого имеются углубления. На цилиндрическую часть ротора нанесены слои титаната бария. Толщина этих слоёв такова, что они образуют очень малый зазор между ротором и статором. При обработке ротора, его диаметр, включая слои титаната бария, выполняется с небольшим припуском.  После последующей притирки  зазор между слоями титаната бария и статором может быть практически нулевым. В такой конструкции коэффициент перекрытия может достигать значений порядка 10000. Этот коэффициент рассчитывается как отношение двух расстояний. Первым из них является  максимального расстояния между статором и ротором, когда тело статора, не покрытое титанатом бария, находится напротив углубления в статоре. Вторым расстоянием является минимальный зазор между слоем титаната бария и телом статора. Для получения коэффициента перекрытия, равного 10000, необходимо, чтобы глубина углубления в теле статора составляла не менее 10 мм.
    Рассчитаем практическую конструкцию генератора со следующими параметрами: напряжение источника напряжения \({U_0} = 100_{}^{}V\) ; диаметр ротора  \(D = 0.5_{}^{}m\) ; зазор между  слоем титаната бария и статором \(d = 1\mu m\) ; скорость вращения ротора  \(n = 500_{}^{}\frac{1}{s}\)  (такая скорость вращения соответствует скорости 30000 об/мин); длина генератора  .
При указанных параметрах энергия, вырабатываемая генератором за один оборот, составит  
\(W = \frac{{\pi \varepsilon KDLU_0^2}}{{4d}}\) .
   А мощность генератора составит
\(P = \frac{{\pi \varepsilon nKDLU_0^2}}{{2d}}\) .    (2.14)
При записи этой формулы учтён тот факт, что за один оборот ротора происходит два цикла изменения ёмкости между ротором и статором.
   Подстановка заданных параметров в формулу (2.14) даёт мощность 1.48 МВт.
    КПД генератор, вычисленное по формуле (2.9), составляет 10000%. Это означает, что практически вся механическая энергия, затраченная на вращение ротора генератора, превращается в механическую энергию.
   Выходное напряжение, которое вырабатывает такой генератор, вычисленное по формуле (2.3) равно 100 кВ. Такое напряжение будет развиваться между статором и ротором, когда ёмкость между ними будет минимальна. Чтобы при этом избежать электрического пробоя, внутренняя полость генератора должна быть заполнена воздухом или другим газом под высоким давлением.
    Ни один из существующих генераторов не может обеспечить такую мощность при заданных габаритах и такой высокий КПД.
   Механическая схема генератора, приведенная на рис. 6, имеет тот недостаток, что слои титаната бария расположены на вращающемся роторе. Поскольку скорость его вращения велика, то под воздействием центробежной силы может произойти их отслоение от поверхности ротора. Более рациональной с этой точки зрения является конструкция, в которой слои титаната бария расположены на статоре (рис. 7)

 

Рис. 7. Механическая схема генератора, в которой вкладки из титаната бария расположены на статоре.

  В такой конструкции вкладки могут быть предварительно сформованы на оправках, а затем приклеены к статору.

[Фёдор Менде]

3. Заключение

   С энергетической точки зрения самым выгодным способом передачи больших объёмов электроэнергии на большие расстояния является передача её на постоянном токе. Однако до настоящего времени не существует таких генераторов, которые способны генерировать необходимый уровень мощности при заданных напряжениях, что тормозит развитие указанного направления.  В предлагаемой статье эта проблема решена. В основу её решения положен закон ёмкостной параметрической индукции. Решение указанной проблемы может привести к революционным изменениям в электроэнергетике, поскольку могут быть пересмотрены способы создания высоковольтных генераторов,  обеспечивающих высокий уровень мощности на постоянном токе. Ранее решение этой проблемы требовало в обязательном порядке использование низковольтного генератора и высоковольтного трансформатора. Предлагаемое решение обладает большой простотой и высоким КПД. Более того, рассмотренный генератор допускает прямую стыковку с газовой турбиной, минуя редуктор. Всё это даёт возможность практически всю затрачиваемую механическую работу использовать для выработки электроэнергии.


  Литература

1.  Ф. Ф. Менде,  А. С.  Дубровин.  Особые свойства реактивных элементов и потоков заряженных частиц. Инжененрная физика, №11, 2016, с. 13-21.
2.  F. F. Mende, New Properties of Reactive Elements and the Problem of Propagation of Electrical Signals in Long Lines, American Journal of Electrical and Electronic Engineering,  Vol. 2, No. 5, (2014), р.141-145.
3. F. F. Mende. Induction and Parametric Properties of Radio-Technical Elements and Lines and Property of Charges and Their Flows, AASCIT Journal of Physics
Vol.1 , No. 3, Publication Date: May 21, 2015, р. 124-134
4. Ф. Ф. Менде,  А. С.  Дубровин. Альтернативная идеология электродинамики. М.: Перо, 2016. - 198 с.

[Фёдор Менде]

Продолжение следует.

[Ltlekz49]

Описал работу школьной электрофорной машины.

[Фёдор Менде]

Описал работу школьной электрофорной машины.

Где в электрофорной машине спрятаны диоды?

[Ltlekz49]

Где в электрофорной машине спрятаны диоды?

Там механическая коммутация при том же самом принципе параметрической накачки ёмкости: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0

[Фёдор Менде]

Там механическая коммутация при том же самом принципе параметрической накачки ёмкости: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D1%84%D0%BE%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D1%88%D0%B8%D0%BD%D0%B0

Согласен, но никто, нигде до сих пор не привёл математического описания этого процесса и не указал, что это результат параметрической ёмкостной самоиндукции. И кто мог подумать, что на основе этого принципа могут быть созданы электрические генераторы с мегаватными мощностями. Если бы до этого додумались раньше, то вся электроэнергетика пошла бы по другому пути, т.к. по своей простоте предлагаемый генератор ни в какое сравнение не идёт с существующими.

[Ltlekz49]

Согласен, но никто, нигде до сих пор не привёл математического описания этого процесса и не указал, что это результат параметрической ёмкостной самоиндукции. И кто мог подумать, что на основе этого принципа могут быть созданы электрические генераторы с мегаватными мощностями. Если бы до этого додумались раньше, то вся электроэнергетика пошла бы по другому пути, т.к. по своей простоте предлагаемый генератор ни в какое сравнение не идёт с существующими.

О параметрической накачке в электрофорной машине давно и прямо сказано: "их потенциалы растут за счёт работы, выполняемой против силы их электростатического притяжения!.
И насчёт мегаваттных мощностей вы слегка поторопились - это ещё надо воплотить, а вращающиеся изоляторы должны обладать достаточной прочностью, что может превратить такой генератор в монстра.

[Фёдор Менде]

О параметрической накачке в электрофорной машине давно и прямо сказано: "их потенциалы растут за счёт работы, выполняемой против силы их электростатического притяжения!.

Это только слова, ничего не значащие. Ясно, что для производства электрической энергии необходимо затратить механическую энергию. До сих пор физика электрофорной машины была не ясна.

И насчёт мегаваттных мощностей вы слегка поторопились - это ещё надо воплотить, а вращающиеся изоляторы должны обладать достаточной прочностью, что может превратить такой генератор в монстра.

Ничего подобного напряжениев 100000 В выдерживает слой стекла толщиной в 1 см. А вращающиеся изоляторы здесь вообще не нужны, нужна только футеровка обычных подшипников.

[al132]

Это только слова, ничего не значащие. Ясно, что для производства электрической энергии необходимо затратить механическую энергию. До сих пор физика электрофорной машины была не ясна.

Ничего подобного напряжениев 100000 В выдерживает слой стекла толщиной в 1 см. А вращающиеся изоляторы здесь вообще не нужны, нужна только футеровка обычных подшипников.

rl=http://radikal.ru][/url]
Только в Украине выдерживают стеклянные изоляторы 1 см. 100 кВ.
rl=http://radikal.ru][/url]

[Фёдор Менде]

Не путайте божий дар с яичницей. На мачтах ЛЕП стоят изоляторы, которые в любом режиме, в том числе и во время дождя, должны не допустить пробоя. Толщина стеклянных стаканов лейденских банок в электрофорной машине не более 5 мм, в то время как напряжение, которое вырабатывает такая машина, порядка 100-300 кВ.

[Rudnik-vs]

     Уважаемые авторы, а чем Ваш  генератор отличается от параметрического генератора переменного тока, который был предложен Мандельштамом  ещё в тридцатых годах прошлого века?   Разве что наличием диодов.

[Фёдор Менде]

     Уважаемые авторы, а чем Ваш  генератор отличается от параметрического генератора переменного тока, который был предложен Мандельштамом  ещё в тридцатых годах прошлого века?   Разве что наличием диодов.

Генератор переменного и постоянного тока это большая разница.

[Ltlekz49]

Это только слова, ничего не значащие. Ясно, что для производства электрической энергии необходимо затратить механическую энергию. До сих пор физика электрофорной машины была не ясна.

Ничего подобного напряжениев 100000 В выдерживает слой стекла толщиной в 1 см. А вращающиеся изоляторы здесь вообще не нужны, нужна только футеровка обычных подшипников.

"Неясная физика" электрофорной машины ясно описана в ВИКЕ.
Слой стекла, слой стекла.... Изолятор должен вращаться, а во избежание утечек по воздуху генератор должен быть заполнен сухим, трудно ионизируемым газом и загерметизирован. И 100кВ маловато, линии на дальние расстояния делают и на переменке в 500 кВ.