Целью исследований является изучение энергетической эффективности применения современных неодимовых магнитов во вращающихся преобразователях постоянного и переменного тока существующей конструкции для получения свободной энергии. В агрегате, состоящем из двигателя постоянного тока и генератора переменного тока, в качестве приводного двигателя был использован двигатель с ферритовыми постоянными магнитами и внешним охлаждением мощностью 2,5 лс, рассчитанный на напряжение до 130 Вольт, ток до 18,3 Ампер и скорость вращения до 6750 об/мин. 

В качестве генератора был использован трехфазный генератор компании TKM Electric Corp. Серии 244-1, модель 5К40028 на 400 Гц, мощность до 5 кВатт при 1714 оборотах в минуту и ток 13,8 Ампер. В роторе генератора были применены неодимовые постоянные магниты. Между двигателем и генератором использовалась клино-ременная механическая передача с передаточным отношением 1/6. Вид испытательного стенда приведен на фото №1.

 

В качестве измерительных приборов напряжения и тока использовались цифровые мультиметры типа DT9205A. Обороты двигателя измерялись инфракрасным цифровым тахометром типа DT – 2234C. Показания приборов снимались для шести значений оборотов вала генератора — 100, 200, 400, 600, 800 и 1000 об/мин. Все значения оборотов, напряжений и токов заносились в таблицы, по которым затем определялись расчетным путем значения мощностей и коэффициентов КПД и КПЭ. Под КПЭ следует понимать коэффициент преобразования, повышения в генераторе механической энергии, прикладываемой к его валу, в электрическую на его выходе. Сила магнитного поля неодимовых постоянных магнитов способна создавать в генераторе не только дополнительную электрическую энергию и повышать КПД всей системы, но и создавать избыточную энергию, превышающую энергию прикладываемую к валу генератора в несколько раз, что и характеризуется коэффициентом КПЭ. Все измерения проводились на постоянном токе, трехфазное напряжение генератора выпрямлялось и фильтровалось. В качестве нагрузок генератора использовались осветительные лампы накаливания мощностью — 7, 15, 25, 60, 75, 150 и 250 Ватт, а также бытовой масляный обогреватель. В системе двигатель-генератор, на данном испытательном стенде, можно выделить три последовательно соединенные части: элекродвигатель, трансмиссию и сам генератор. Сответственно мы можем говорить о потерях энергии в этих трех частях. Для расчетов и оценке КПЭ такой системы нам необходимо знать электрическую мощность, прикладываемую к валу генератора, эквивалентную механической, и его выходную мощность. Мы не можем пренебрегать потерями энергии во всех частях системы. Что касается КПД всей такой системы, то он будет нас интересовать меньше. Рассматривать КПД такой системы, просто как отношение выходной мощности генератора к входной двигателя, будет некорректно из-за суммирования потерь в этих трех частях и получении избыточной мощности в генераторах на постоянных магнитах, поэтому говорить о таком КПД не стоит. Можно говорить только о КПД каждой из частей или о внутреннем КПД, но это непринципиально в данном исследовании.

Электрическая мощность, прикладываемая к валу генератора в такой системе, может быть рассчитана как разность между мощностью, потребляемой двигателем при нагрузке генератора и мощностью потребляемой двигателем на холостом ходу генератора. Источник питания будет при этом покрывать и собственные потери в двигателе, и механические потери в трансмиссии, и потери в генераторе. Поэтому, если пренебречь не столь значительными неэлектрическими потерями в генераторе на его холостом ходу, и из мощности, потребляемой двигателем под нагрузкой генератора, вычесть мощность холостого хода этого двигателя, то мы и получим электрическую мощность на валу генератора. Все электрические измерения проводились на шести скоростях вала генератора — 100, 200, 400, 600, 800 и 1000 об/мин, и сведены в таблицы 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7 приложения. По числовым данным этих замеров были построены графические зависимости напряжения генератора, КПЭ и внутреннего КПД от тока нагрузки генератора, представленные на рисунках №1 и №2. Под внутренним КПД системы будем понимать отношение мощности, потребляемой двигателем на холостом ходу генератора, к мощности, потребляемой им под нагрузкой генератора при данных оборотах. Однако, в таком подходе определения этого КПД возникают тудности. В режиме холостого хода, для точного расчета КПД, нам нужно не учитывать потери энергии до вала двигателя, то есть неэлектрические(механические) потери в генераторе, а в режиме нагрузки надо не учитывать электрические потери в генераторе и трехфазном выпрямителе. Если механические потери в генераторе можно, при данной скорости, считать постоянной величиной, не зависящей от величины нагрузки, то электрические будут уже непостоянны и зависеть от тока нагрузки генератора. До вала генератора, при его загрузке,механические и электрические потери будут складываться и снижать КПД системы больше. Поэтому надо ожидать большого снижения КПД при больших нагрузках. Однако, при очень малых нагрузках генератора, электрическими потерями в нем можно также пренебречь. Поскольку нам не известны ни механические, ни электрические потери в генераторе, то будем пользоваться результатами измерений и расчетов без учета потерь в генераторе вообще. На рисунке № 1 приведены кривые внутреннего КПД системы для 800 и 1000 оборотов в минуту, они близки друг к другу и имеют спадающий характер. По сравнению с внешними характеристиками генератора на том же рисунке они имеют более резкий спадающий характер, что приводит к снижению КПД при максимальных нагрузках до 0,35(35%). Что же касается КПЭ, то он снижается более медленно и практически не зависит от оборотов двигателя. Его кривые идут параллельно кривым внешних характеристик, минимальное значение равно 0,77(77%) при максимальной нагрузке, а по мере её снижения возрастает до 0,96, 0,98(96,98%), приближается к единице, что говорит о поступлении энергии от генератора, доводящем, при совсем малых нагрузках, КПЭ до 0,99(99%). То есть энергия магнитного поля постоянных магнитов подпитывает систему, доводя КПД генератора почти до 100%. Без постоянных магнитов, ни теоретически, ни практически получить такой высокий КПД в генераторах невозможно. Поэтому не следует в таких генераторах путать КПЭ с КПД, внутри обычного генератора энергия только теряется, а при возбуждении от постоянных магнитов она воспроизводится с избытком, покрывает и его внутренние потери, и потери в системе, и может совершать полезную работу в нагрузке. С целью исследования возможности получения значений КПЭ больших единицы были проведены испытания генератора при пагрузках менее 25 Вт и двух значений частоты вращения — 800 и 1000 об/мин. Результаты этих испытаний сведены в таблицу №4, а графики представлены на рисунке №2.

 

Малые нагрузки сказываются как на внешних характеристиках генератора, так и на его КПД, внешние характеристики становятся более жесткими, и выходное напряжение генератора практически не зависит от тока нагрузки. Как при 800 об/мин, так и при 1000 об/мин, КПД близок к единице, а КПЭ возрастает от единицы, почти до четырех, и такое возрастание более резкое и нелинейное при 800 об/мин. Такое поведение системы можно объяснить различными скоростями изменения мощностей потреблямых двигателем и доходящих до вала генератора, и мощностей отдавемых генератором в процессе изменения его нагрузки. Для этого при 800 оборотах в минуту рассчитывались, во всем диапазоне мощностей нагрузок генератора, приращения мощностей как двигателя, так и генератора, которые сведены в таблицу №5. На основании этих приращений, характеризующих скорости изменения мощностей, были построены графики этих приращений как для двигателя, так и для генератора, представленные на рис.№3. Оказалось, что эти нелинейные кривые пересекают друг друга. При малых нагрузках скорость изменения мощности генератора превышает скорость изменения мощности двигателя. В этих пределах КПЭ больше единицы. При больших нагрузках скорость изменения мощности двигателя превышает скорость изменения мощности генератора, в этих пределах КПЭ меньше единицы. Такая разница в скоростях изменения мощностей видимо объясняется разными зависимостями их мощностей от параметров. Так, мощность на валу двигателя линейно зависит от вращающего момента и частоты вращения, а выходная мощность генератора зависит от квадрата его выходного напряжения, о чем и свидетельствуют нелинейные графики на рис. №3. Квадратурная зависимость приращения мощности генератора придает квадратурный характер и линейному приращению мощности двигателя. Поэтому даже в системе с боьшими внутренними потерями и мягкой внешней характеристикой генератора можно получить высокий КПЭ при малых нагрузках, что свидетельствует о получении значительной электрической энергии из магнитного поля постоянных неодимовых магнитов.

На примере данной системы двигатель-генератор с серийными генератором и двигателем можно расчетным путем оценить энергетическую эффективность влияния вносимых изменений в их электрические и механические параметры, что интересно при создании специальных конструкций таких электрических мащин. Поскольку все три части системы соединены последовательно и по разному влияют на систему в целом, то такую энергетическую оценку следует производить отдельно для каждой части. Причем не только с точки зрения потерь энергии, но с учетом её производства в генераторе. Самые большие потери энергии происходят в трансмиссии при передаче механической энергии от вала двигателя к валу генератора. Эти потери можно просчитать по данным холостого хода системы. В режиме холостого хода генератора при 800 об/мин и соединении валов двигателя и генератора с клиноременной передачей, двигатель потребляет от источника питания мощность в 253,12 Вт, а при снятом ремне этой передачи, когда вращается только один двигатель, он потребляет 62.4 Вт. Без учета сравнительно малых механических потерь в генераторе , потери в клиноременной передаче составляют 190,72 Вт. Оценить влияние потерь в двигателе, которые обусловлены в основном электрическими потерями, в двигателе постоянного тока можно по величине его активного сопротивленя якорной цепи (возбуждение от постоянных магнитов). Данный двигатель имеет активное сопротивление этой цепи, равное 1,8 Ом. С целью выяснения влияния потерь в этой цепи на КПЭ и КПД системы, снизим это сопротивление до 1 Ома. В таблице №6 приведены данные расчетов этих величин при 800 об/мин, как для малых, так и для больших нагрузок генератора. На рис.№4 построены кривые зависимостей КПЭ и КПД для всего диапазона нагрузок. Рассмотрение этих кривых показывает, что существенное повышение КПЭ с 3,92 до 7,23 при сопротивлении в 1 Ом происходит только при самой малой нагрузке в 7 Вт, а при больших нагрузках рост КПЭ незначителен. При нагрузках 25 Вт и более КПЭ лежит ниже единицы и практически не зависит от активного сопротивления якорной цепи двигателя. Следует ожидать существенного влияния на КПЭ и КПД характера нагрузочной характеристики самого генератора, как источника внутренней энергии в системе. Настораживает мягкость внешней характеристики данного генератора, изображенной на рис.№1. При 1000 об/мин и токе 4,25 Ампер напряжение генератора падает с 137 Вольт до 106,8 Вольт, то есть снижается на 30,2 Вольта (Табл №3). И это при номинальном токе генератора в 13,8 Ампера, когда следует ожидать еще больших падений напряжения. Внешняя характеристика генератора оказадась не только мягкой, но и существенно нелинейной, особенно при малых токах нагрузки. Так, при нагрузках менее 25Вт напряжение падает с 112 до 104,7 Вольт со скоростью 14,6 B/А, а при больших нагрузках от 25 до 250Вт напряжение падает с 104,7 до 86,8 Вольт со скоростью 5,42 В/А. Ппри малых токах нагрузки напряжение оказывается значительно выше, возрастает с уменьшением нагрузки, и это, из-за более высокого напряжения, объясняет преобладание электрической мощности генератора над мощностью двигателя (механической на его валу) — Рис.№3, что и выражается в повышениях КПЭ до 3,92. Рассчетно оценим влияние на КПЭ и КПД более жесткой внешней характеристики генератора в данной системе, когда напряжение во всем диапазоне нагрузок не будет так падать, а будет выше на 30 — 33,3 % и, соответственно, будет выше и выходная мощность генератора. Расчеты будем вести для 800 об/мин при постоянстве мощности на валу генератора и во всем диапазоне нагрузок от 7 до 250 Ватт. Результаты этих сравнительных повышений жесткости внешней характеристики генератора приведены в таблице №7, а поведение при этом кривых КПЭ и КПД изображено на рис. №5. Внутренний КПД системы остается близким к единице и мало изменяется, а вот КПЭ во всем диапазоне нагрузок, а не только при малых нагрузках, становится большим единицы, хотя при малых нагрузках по прежнему наблюдается его резкое повышение до 5,23. Таким образом мы можем уже говорить о возможности самовращения генератора электродвигателем, питаемым избыточной энергией генератора. По новым значениям мощности генератора и КПЭ была рассчитана и мощность такого приводного двигателя, приведенная также в таблице №7, и мощность на его валу с учетом его КПД=80%. Полезная мощность в нагрузке генератора, как разность между его выходной электрической мощностью и механической на его валу (эквивалентной электрической на валу приводного двигателя) при этом лежит в пределах 6,21 — 67,93 Ватт. Однако опасно, при самовращении данного генератора, превышать мощность нагрузки в 250 Ватт, когда КПЭ очень близок к единице, что приведет к остановке двигателя. Холостой ход системы менее опасен, поскольку полезная мощность, с уменьшением нагрузки, падает, и наступает баланс этой малой полезной мощности, с мощностью механических потерь в системе. Двигатель не пойдет вразнос, но будет продолжать вращаться, покрывая потери энергии в системе.

Теперь рассмотрим нашу систему в целом, как с точки зрения закона сохранения энергии, так и с точки зрения закона её получения в генераторах на постоянных магнитах. Следует отметить, что закон сохранения энергии говорит только об одном источнике энергии, одном потребителе и потерях энергии между ними, поэтому он применим в нашем случае от источника питания двигателя до вала генератора, и от генератора, как источника питания, до его нагрузки. В этих двух частях системы участвуют две электрические машины — двигатель и генератор, в них обеих имеются потери энергии, и если они одинаковы и составляют около 20% от их мощности, то они одинаково уменьшают как мощность на валу генератора, так и его выходную мощность, и влиять на КПЭ не могут. Но в части нашей системы, до вала генератора, имеется существенный источник потерь, это клино-ременная передача. Потери в ней можно уменьшить или вообще устранить, но в любом случае, поскольку система состоит из последовательно соединенных элементов, эти потери можно без нарушения закона сохранения энергии перемещать внутри всей системы. От источника питания двигателя до нагрузки генератора. Тогда будем считать потери энергии в трансмиссии полезными и приплюсуем их к выходной мощности генератора. Тогда при нагрузке 250Вт выходная мощность генератора увеличится, согласна Табл.№3 при 800об/мин, с 174,82Вт до 365,54Вт, а КПЭ станет равным 1,77, а при нагрузке в 25Вт выходная мощность увеличится с 15,7Вт до 206,42Вт, а КПЭ станет равным 12,5. В системе двигатель — генератор выходная мощность генератора, без режима самовращения, расходуется в первую очередь на покрытие потерь в системе, а затем расходуется полезным образом в нагрузке. В режиме же самовращения часть избыточной выходной мощности генератора поступает на приводной электродвигатель. Полезная мощность в нагрузке уменьшается. Согласно таблице №3, при нагрузке в 250 Вт, необходимая для самовращения мощность на валу генератора равна 206,29 Вт, полезная мощность будет 158,84 Вт. Это очень малая полезная мощность для генератора в 5КВт, но она все же существует, и позволяет говорить о возможности самовращения генератора с одновременным питанием и двигателя и нагрузки. При нагрузке более 250Вт, КПЭ станет равным единице, генератор перестанет выдавать избыточную мощность для самовращения и остановится, однако сможет работать как обычный генератор с обмоткой возбуждения, но с повышенным КПД, при питании двигателя от внешнего источника питания.

Мягкость внешней характеристики генератора, сильная зависимость КПЭ от тока нагрузки, и малая выходная мощность генератора, говорят о низкой эффективности получения электрической энергии, в данном генераторе, из сильного магнитного поля неодимовых магнитов. Классическая конструкция генератора не позволяет получить в нем высокую энергетическую эффективность преобразования механической энергии в электрическую. Для повышения такой эффективности и получения высоких КПЭ при больших нагрузках генератора, следует увеличивать в нем потокосцепление между магнитными полями магнитов и обмоток, снижать в магнитной цепи магнитные сопротивления, а в электрической цепи активные и реактивные сопротивления. Во всей системе преобразования следует уменьшать механические потери как в трансмиссии, так и в электрических машинах, то есть создавать специальные электрические машины.

Игорь Васильевич Сурант

Igor V. Surant

Bogchelovek@yahoo.com

Что только не придумает человечество, для своего удобства, а попросту говоря для лени матушки? Теперь и двери за собой закрывать совсем не обязательно, за Вас это сделают дверные доводчики. Дверные доводчики GEZE с доставкой в любой регион Украины Вы найдете на сайте компании ПластМаркет, именно этим и занимающейся.