Пост ДВД на матриксе о вечняке

Пост DWD на матриксе-резонанс №36+
Есть некоторые мысли по поводу Мельниченковской коробочки и его ноу-хау в целом. До конца проверить всё не получается (не успеваю), но кое
что есть. А так как намечаются выходные, то пока выкладываю это как версию.
В одной из Мельниченковских заявок есть одна, в которой он предлагает подключать последовательно с первичной обмоткой трансформатора
дроссель. Причём, дроссель имеет индуктивность, в несколько раз большую чем индуктивность первичной обмотки трансформатора. Нагрузка
подключена на вторичную обмотку трансформатора.
Так вот, я как то высказался против того, что индуктивность дросселя должна быть большой и, даже, привёл "доказательство".
Нет, тот вариант, то же, подходит, но как отдельный вариант. Его смысл был в другом.
Теперь я соглашаюсь с тем, что индуктивность дросселя может быть больше индуктивности трансформатора. И нужно это, как раз, для того, что
бы получить реактивную, потреблемую от источника, мощность при активной мощности в нагрузке. Судите сами.
Если к источнику переменного напряжения подключить одну индуктивность, то напряжение и ток источника будут сдвинуты по фазе на 90
градусов. В цепи будет течь ток, но потребляемая мощность будет чисто реактивная. Стоит включить последовательно с индуктивностью
активную нагрузку, как сдвиг по фазе уменьшится, и в потребляемой от источника мощности появится активная составляющая. Но при малой
величине сопротивления нагрузки фазы сдвинутся незначительно.
Мельниченко предлагает последовательно с нагруженным трансформатором включить большую индуктивность. В результате, получится то же практически реактивное потребление при активной нагрузке. Ведь, основное сопротивление цепи будет определяться большой индуктивностью
дросселя. Правда, при этом упадёт напряжение на трансфоматоре и нагрузке. Но, ведь, трансформатор можно выполнить повышающим.
В общем, вариант Мельниченковской идеи, думаю, заключается в следующем (схему я уже обрисовал).
Напряжение сети проходит через дроссель на первичку трансформатора. При этом напряжение уменьшиться. Ставим параллельно первичке
конденсатор и загоняем первичку в резонанс. Вторичка повышающая - до напряжения, равного напряжению сети. При увеличении напряжения,
пропорционально уменьшается ток. Но первичка в резонансе а трансформатор рассчитываем так, что бы даже нагруженный трансформатор имел
добротность, численно равную коэффициенту трансформации трансформатора.
Получается следующий баланс.
Ток источника имеет некоторую величину, определяемую индуктивностями дросселя и трансформатора. Но в первичке трансформатора ток
больше благодаря резонансу (пропорционально добротности). После трансформации, напряжение на вторичке стало таким же как у источника, но
ток уменьшился. То есть, запас тока трансформатора, полученный благодаря добротности, расходовали на получение повышенного напряжения.
Но он стал равен току источника. В результате, напряжение и ток на нагрузке численно равны напяжению и току источника. При этом, на
нагрузке выделяется акивная мощность, а от источника потребляется рективная, так как фазы напряжения и тока источника сдвинуты почти на
90 градусов.
Конечно, это в идеале, так как тот же дроссель имеет активное сопротивление, которое не даёт возможности получить сдвиг ровно 90 градусов
даже на нём одном. Но, тем не менее, сдвиг может быть существенным.
С утра пробовал это смоделировать и был на грани отчаяния, так как ничего не получалось... пока не уменьшил связь между первичкой и
вторичкой трансформатора. И всё пошло! На вскидку не получалось вычислить номиналы (не давали), по этому брал, приблизительно.
К стати, в Мельниченковской заявке указан и конденсатор, включаемый последовательно с дросселем. Он компенсирует реативное сопротивление
цепи, в результате, ток первички и выходное напряжение увеличиваются.
Но если трансформатор с хорошей связью между обмотками, то пропадает сдвиг по фазе в цепи источника.
В итоге, получается следующая схема.
Первичка трансформатора, дроссель и конденсатор включены последовательно, и подключены к источнику. Параллельно первичке включен ещё
один конденсатор. Но, в принципе, его можно подключить и параллельно вторичке. Нагрузка вешается на вторичную обмотку.
Конденсатор, подключенный параллельно трансформатору загоняет его в параллельный резонанс. А конденсатор, включенный последовательно с
дросселем, обеспечивает последовательный резонанс в цепи источника. Оба резонанса не мешают друг другу, так как разделены дросселем.
При этом, главным условием является слабая связь между обмотками трансформатора. Уже при коэффициенте связи 0.8 фазы напряжения и тока
источника были сдвинуты, практически, на 90 градусов. И этот угол можно менять, меняя связь между обмотками. Так что, есть возможность
выставить сдвиг точно 90 градусов, и скомпенсировать активные сопротивления как в перичной, так и во вторичной цепи.
Интересно, что конструкция Ф-трансформатора имеет слабую связь по определению... Интересно, будет всё это попробовать в реале.
Правда, я не успел пока всё проверить. И получилось так, что моделирование проводилось при напряжении источника 22 вольта. В расчёте на то,
что потом будет подано 220 и через дроссель. На трансформаторе станет снова 22, вторичка увеличит его до 220 при расчётной добротности 10
единиц.
Но я столкнулся с тем, что ничего не выходит, если связь между обмотками трансформатора хорошая. А когда уменьшил её (от фонаря) до 0.8, то
получилось, что на входе и выходе по 22 вольта, на нагрузке активная мощность, а в цепи источника сдвиг по фазе (да же на глаз видно) 90
градусов.
В общем, нужно ещё проверять.
Самое интересное то, что прога, работающая по принятым физическим канонам, даже не матюкнулась, выдавая результат. :-) Так что, есть
надежда, что это работает. По крайней мере, теоретически.
Продолжение
А я снова подниму вопрос о способе получения активной мощности в нагрузке при только реактивной потребляемой.
То что я раньше говорил, верно с одной поправкой – совсем не обязательно уменьшать связь между обмотками, для получения сдвига фазы
между напряжением и током источника на 90 градусов. Просто, нужно было рассчитывать схему, а не брать номиналы от фонаря.
Хотя, фаза очень сильно зависит от связи между обмотками.
Правда, непотнятка с током. Я предположил, что напряжение на нагрузке увеличится за счёт добротности трансформатора, но оно и так
выросло... правда, за счёт увеличения потребляемого тока. Впрочем, так и должно быть, просто, это не совсем то, что хотелось.
В общем, нужно ещё думать, считать и пробовать, но пока, выходит, всё описанное можно получить без всяких премудростей – нужно, просто,
рассчитать схему.
Схема рассчитывалась следующим образом.
Предположим, есть переменное напряжение 220В частотой 50Гц. Требуется получить на нагрузке такое же напряжение. Предположим, нагрузка
имеет сопротивление 1кОм. То есть, ток в нагрузке будет 220В/1кОм=220мА, соответственно, мощность в нагрузке
220мА*220В=48400мВт=48,4Вт.
Трансформатор будет повышающим, например, в 10 раз. То есть, на первичной обмотке будет 22В, а на вторичной (нагрузке) – 22*10=220В.
Нужно вычислить сопротивление нагрузки, приведенное к первичной обмотке трансформатора. Сопротивление трансформируется
пропорционально квадрату коэффициента трансформации. Если у нас трансформация напряжений в 10 раз, то сопротивление будет
трансформировано в 10^2=100 раз. В результате, сопротивление нагрузки, приведенное к первичной обмотке, будет иметь величину
1кОм/100=0,01кОм=10Ом.
Теперь рассчитывается всё остальное.
Индуктивность первичной обмотки трансформатора должна быть такой, что бы её реактивное сопротивление было равно так же 10Ом.
Конденсатор, подключенный параллельно первичной обмотке трансформатора, то же, должен иметь реактивное сопротивление 10Ом.
Получается, что индуктивность первички вычисляем по формуле:
L1=R/(2*3.14*f)=10/(2*3,14*50)=0,03185Гн=31,85мГн,
а ёмкость конденсатора по похожей формуле:
C1=(1/R)/(2*3.14*f)=(1/10)/(2*3,14*50)=3,1847Е-4Ф=318,47мкФ.
Так как индуктивности обмоток трансформатора соотносятся так же как и сопротивления – пропорционально квадрату коэффициента
трансформации, то индуктивность вторичной повышающей обмотки будет равна L2=31,85мГн*100=3185мГн=3,185Гн.
Осталось найти индуктивность дросселя, включенной последовательно с первичкой трансформатора. Мельниченко не указывал конкретную
цифру, но сказал, что индуктивность дросселя много больше индуктивности трансформатора. Думаю, в 10 раз – это «много больше», по этому,
индуктивность дросселя выбираем, просто, в 10 раз больше индуктивности первичной обмотки трансформатора. Получается
31,85мГн*10=318,5мГн.
Вот и весь расчёт.
Схема приведена в файле “chema.djvu”.
На схеме, так же учтены активные сопротивления обмоток: R1 – дросселя, R2 – первичной обмотки, R3 – вторичной обмотки.
В файле “ACH.djvu” приведена амплитудно-частотная характеристика схемы.
Видно, что резонанс находится не точно на частоте 50Гц, а на частоте 35,7Гц, но это потому, что я сохранил не тот файл… на графике приведена
характеристика схемы с конденсатором ёмкостью 350мкФ. Это я, просто, смотрел, что на что влияет и взял не те данные.
Характеристика приведенной схемы имеет резонанс ровно на частоте 50Гц, и имеет такой же вид.
На характеристике красным обозначено входное напряжение, а зелёным – напряжение на нагрузке.
Видно, что напряжение на выходе, практически, равно входному напряжению (даже чуть больше – 232В вместо 220В).
Теперь смотрим “осциллограммы” напряжений и токов на входе и выходе – файл “Faza.djvu”.
Верхний график это напряжения на входе и выходе схемы, а нижний – токи.
Зелёным обозначены напряжение и ток источника, а красным – напряжение и ток нагрузки.
Курсорами на графике отмечены переход через ноль напряжения источника (верхний зелёный график) и переход через ноль тока источника
(нижний зелёный график).
Видно, что напряжение и ток нагрузки, а так же, ток источника синфазны. Но напряжение и ток источника сдвинуты между собой по фазе на
5,2659мс (временнОе расстояние между курсорами указано в табличке).
Вывод.
Так как нагрузка активная, то на ней фазы тока и напряжения совпадают и на ней выделяется активная мощность. При этом, фазы напряжения и
тока источника сдвинуты по отношению друг к другу почти на 90 градусов, по этому, от источника потребляется, практически, только реактивная
мощность.
На амплитудно-частотной характеристике схемы (файл “ACH.djvu”) курсорами отмечены две частоты: резонанса – 35,7Гц и требуемой - 50Гц.
Видно, что выходное напряжение меняется при изменении частоты в указанных пределах, а примерно по середине - пересекает напряжение
источника. Так вот, меняя частоту источника в этих пределах можно менять фазу между напряжением и током источника в пределах плюс-минус
90 градусов. Получается, что в конкретной схеме, меняя номиналы элементов или частоту источника, можно будет получить точно 90 градусов.
Это всё результаты моделирования, и нужно ещё «поиграть» номиналами для полной проверки всех зависимостей. Но даже первые результаты
показывают, что получение активной мощности в нагрузке, в принципе, возможно при реактивной потребляемой мощности.
Дальше, делаем следующее.
Берём аккумулятор на 12В и подключаем к нему преобразователь 12В=>220В. Выход преобразователя подключаем ко входу полученной схемы
(вместо указанного источника V1). На выход схемы вешаем активную нагрузку, например, лампу.
В результате, окажется, что преобразователь работает на реактивную нагрузку – в данном случае на индуктивную. А так как реактивная нагрузка
не вызывает увеличение потребляемого тока преобразователя, то от аккумулятора будет потребляться мощность, меньше мощности в нагрузке.
Реально, преобразователь будет потреблять только ток холостого хода, хотя и должен быть рассчитан на полную мощность… а, может, и нет.
Вполне вероятно, что преобразователь достаточно рассчитать только на реально потребляемую мощность. А эта мощность будет включать две
составляющие – собственно, мощность холостого хода (зависит от схемы преобразователя), и мощность, затрачиваемую на получение более
высокого напряжения, чем напряжение аккумулятора.
То есть, если преобразователь не нагружать ничем, то он потребляет один ток. Если же подключить к нему понижающий трансформатор, то
потребляемый ток немного увеличится за счёт внесения дополнительных потерь в обмотках и железе трансформатора. Если же к
преобразователю подключить повышающий трансформатор, то потребляемый ток увеличится ещё больше. В этом случае сказываются не только
потери в обмотках и сердечнике, но и на повышенной межвитковой ёмкости вторичной обмотки.
Но всё равно, это будет, в принципе, только ток холостого хода.
Но теперь получается, что при запитке активной нагрузки некоторой мощности, от аккумулятора будет потребляться только мощность холостого
хода, которая, по идее, много меньше мощности в нагрузке…
Просматривается некоторая закономерность.
Помните, Мельниченко в своём интервью сетовал на то, что его устройство тяжёлое, громоздко и занимает большой объём?
Так вот, при анализе приведенной схемы получается, что при выходной мощности в десятки ватт, габаритная мощность элементов должна иметь
сотни ватт! Если, просто, привязаться к полной мощности, то получалось, что она превышает мощность в нагрузке в 15 раз. То есть, при
выходной мощности в 50Вт, трансформатор, дроссель и конденсатор нужно рассчитывать на мощность 50*15=750Вт.
Если учесть, что ёмкость конденсатора получается довольно большой, то, действительно, получаются большие габариты.
В случае с конденсатором радует одно – напряжение у него низкое. В данном случае не более 30В.
Ну а если это всё будет работать, то схему и преобразователь можно рассчитать на более высокую частоту, что уменьшит и вес и габариты.
Схема:
АСН:
Фаза:
Продолжение:
Не стоит сильно обольщаться, так как пока ни кто ещё не запряг реактивную мощность для выполнения полезной работы... :-)
Но проверить, думаю, стоит.
Уверенности добавляет одно обстоятельство.
Имея какой то сдвиг по фазе между напряжением и током источника, имеем, так же, некоторую мощность в нагрузке. При этом, имеем полную
потребляемую мощность, а так же активную и рективную её составляющие. Из за реактивной составляющей, общий КПД небольшой. Естественно,
КПД вычисляем как мощность в нагрузке, делённую на активную потребляемую мощность. То есть, полную мощность с учётом COSФ.
В данном случае, КПД получается меньше, чем если бы потребление было чисто активным. Но стоит изменить параметры элементов или частоту
источника так, что бы сдвиг по фазе в цепи источника стал больше, то активная потребляемая мощность (вычисленная через COSФ) уменьшается.
Мощность в нагрузке, то же, уменьшается, но не так быстро. В результате, КПД становится больше.
Получается, чем больше сдвиг (больше реактивная составляющая потребляемого тока), тем меньше её активная составляющая. Активная
мощность в нагрузке, так же, уменьшается. Как я уже говорил, устройство, расчитанное на сотни ватт, выдаёт полезной мощности на десятки
ватт. Но, как ни страннно, КПД при этом хороший - можно получить и 80%, и 90%.
И основным тормозом в этом случае являются элементы фазосдвигающего контура - именно в них больше всего потери.
Если, хотя бы, индуктивности выполнить с малыми активными сопротивлениями, то КПД резко увеличивается.
То есть, пока, такое устройство явлется нецелесообразным только с экономической точки зрения. Но мы, ведь, не собираемся использовать это
устройство для передачи энергии на большие расстояния по проводам...
Таким образом, уже получается небольшой парадокс. Как известно, лучший КПД передачи энергии получается в случае только активной
потребляемой мощности, то есть, без реактивной составляющей. Тем не менее, правильно рассчитав схему, и получив значительную реактивную
составляющую потребляемой мощности, без труда имеем такой же КПД.
Скорее всего, это, да же, не парадокс. Требование уменьшать рективную мощность вызвано только лишь целесообразностью.
Продолжая оптимизировать схему, видим, что при увеличении реактивной составляющей мощности, уменьшается активная составляющая, при
незначительном уменьшении мощности в нагрузке. КПД становится ещё больше. То есть, внешне это выглядит, как увеличение КПД при
уменьшении активной составляющей потребляемой мощности на фоне роста реактивной составляющей и слабом изменении мощности в нагрузке.
Почему бы не предположить, что при некоторых параметрах схемы, в нагрузке будет активная мощность при полностью рективной потребляемой
(сдвиг 90 градусов) и, при этом, КПД будет 100%?..
Проблема в том, что при приближении к этим заветным 90 градусам, схема становится слишком чувствительна к параметрам элементов и частоте
источника. Малейшее несоответствие - и КПД проваливается до десятков процентов.
QUOTE(fort @ 27.04.2005 - 08:50)
Вы также писали, что при изменении частоты, меняется и фазовый сдвиг (это естественно). Но он у Вас менялся в пределах до (почти) 90
градусов? Или, при моделировании, он был и более? (Хотя это кажется весьма мало вероятным). Если угол будет больше, чем 90 градусов, тогда
возникнет не только реактивная мощность, но и появится активная - отрицательная, т.е. она будет потребляться уже не нагрузкой, а источником
питания, как бы нагрузка тогда будет оттдавать больше мощности назад в источник, чем брать с него.
Естественно, можно получить сдвиг и более 90 градусов. И это не является парадоксом. При углах от нуля до 90 градусов, величина COSФ
меняется от 1 до нуля. При углах от 90 до 180 градусов, COSф меняется от нуля до минус единицы. Ну и так далее, по кругу. То есть, углы в 80 и
100 градусов имеют динаковое значение COSф, но разный знак. Но это не означает, что появилась отрицательная активная мощность, это, всего
лишь, значит, что если до 90 градусов ток отставал от напряжения, то уменьшалась активная составляющая потребляемого тока. При 90 градусах
она равна нулю. А при углах больше 90 - она снова увеличивается. Просто, до 90 градусов, мощность возвращается в источник,
преимущественно, в том же периоде, а при углах выше 90 градусов - преимущественно, в следующем. А при 90 гардусах, мощность, полученная в
одном полупериоде, полностью возвращается в источник в следующем полупериоде.
Дополнительной уверенности добавляет и тот факт, что фазу можно менять изменением коэффициента связи между обмотками трансформатора.
Таким образом, комбинируя параметрами схемы и коэффициентом связи между обмотками трансформатора, возможно, получится требуемое
соотношение - только реактивная потребляемая мощность при активной нагрузке.
В этом случае, значение COSФ будет равно нулю, значит, будет равна нулю активная потребляемая мощность.