Чему равна мощность на клеммах счётчика электроэнергии?

Этот детский, если можно так сказать, вопрос имеет элементарный ответ. Мощность на клеммах электросчётчика равна произведению величины напряжения на величину тока .

68. Чему равна мощность на клеммах импульсного потребителя электроэнергии? Специалист потребует уточнения и спросит: при каком косинусе фи? Не будем пояснять суть этой тонкости, но ответим специалисту, что импульсы напряжения и тока не имеют сдвига по времени и меняются синхронно. Тогда специалист ответит: мощность на клеммах такого потребителя электроэнергии будет равна произведению импульсов напряжения и тока , делённому на скважность импульсов, то есть . Так написано во всех учебниках по электротехнике и импульсной технике и такой результат даёт счётчик электроэнергии.

Конечно, с этим можно было бы согласиться, если бы отсутствовали противоречия в показаниях различных проборов, которые игнорировались более 100 лет. Поэтому мы были вынуждены искать причины этих противоречий. В чем их суть? Для ответа на этот вопрос формулируем встречный вопрос.

69. Что такое скважность импульсов? На рис. 64, b показана осциллограмма импульсов напряжения. Видно, что импульсы занимают незначительную часть площади осциллограммы. Если мы проведём горизонтальную линию по средней величине импульсов, то получим прямоугольник. Сразу ясно, что этот прямоугольник соответствует постоянному напряжению, а отношение площади этого прямоугольника к площади, занимаемой импульсами, и будет называться скважностью S импульсов. В данном случае она близка к 100. Формулируем следующие вопросы.

Рис. 64: а) – экспериментальная батарея отопления с энергетический эффективностью более 2000%; b) осциллограмма напряжения со скважностью импульсов S=100.

 

70. Чему равно среднее напряжение импульсов? Учебники подсказывают нам:среднее напряжение равно средней амплитуде импульсов , делённой на скважность импульсов, то есть . Вольтметр, (рис. 65, с), стоящий перед потребителем таких импульсов, подтверждает это.

 

 

Рис. 65: а) схема длительности подачи напряжения на клеммы импульсного потребителя электроэнергии, работавшего 300 сек; b) схема трех секундного генерирования тока потребителем импульсного напряжения, работавшего непрерывно 300сек; с) схема к анализу генерирования импульсов напряжения и тока на клеммах потребителя (1-ячейка, 2 – осциллограф, 3- условная схема электронного генератора импульсов выпрямленного напряжения, 4 – выпрямленное сетевое напряжение, 5 – импульс напряжения, выделенный электронным генератором импульсов и направленный ячейке 1)

 

71. Чему равен средний ток импульсов, если они меняются синхронно с напряжением? Учебник отвечает нам: средняя величина тока равна средней величине амплитуды тока , делённой на скважность S импульсов, то есть . Амперметр подтвердит этот результат (рис. 65, с).

72. Чему равна мощность на клеммах импульсного потребителя электрической энергии? Показания вольтметра и амперметра и законы физики обязывают нас определить среднюю мощность , как произведение средних значений напряжения и тока, то есть . Ваттметр, установленный на клеммах потребителя импульсов, подтвердит наш расчёт. Главная его особенность заключается в том, что произведение средних значений импульсов напряжения и тока мы разделили на скважность импульсов не один раз, как этого требуют учебники по электротехнике и импульсной технике, а дважды (). Удивительным является то, что счётчик электроэнергии, стоящий на входе в систему, покажет результат, соответствующий делению произведения средних значений напряжения и тока на скважность не два раза, а один раз (). Где же выход из этих противоречий?

73. Как представить противоречия в оценке энергетики импульсов наглядно? Мы попытались сделать это так, как показано на рис. 65, а. Большую часть лабораторных опытов мы проводили в течение 5 мин (300с). Это значит, что при скважности импульсов равной 100, время непрерывной подачи напряжения (рис. 186, а) составляло 300/100= 3 сек. 297 секунд напряжение не подавалось потребителю. Средняя величина напряжения равнялась средней величине амплитуды импульсов (300 V), деленной на скважность импульсов равной 100, то есть 300/100=3V. Вольтметр (рис. 65, с) наивысшего класса точности показывал эту же величину.

Величина тока изменялась синхронно с изменением напряжения, поэтому при амплитуде импульсов тока 50А и скважности импульсов 100, средняя величина тока должна быть равна 0,5А. Амперметр наивысшего класса точности (рис. 65, с) полностью подтверждал это. Вполне естественно, что ток на клеммах потребителя был не 300 секунд, равных продолжительности экспериментов, а всего 300/3=3 сек. (рис. 65, а, b).

Эти измерения явно показывают, что средняя величина напряжения на клеммах потребителя равнялась 3 V, а средняя величина тока 0,5 A. Средняя мощность на клеммах потребителя оказывается равной 3х0,5=1,5 Ватт. Эту же величину показывает и электронный ваттметр, установленный перед потребителем импульсной энергии. Счетчик же, установленный на входе показывал 150 Ватт.

74. Почему же так велика разность в показаниях приборов? Обратим внимание на то, что мы разделили произведение амплитуд напряжения и тока на скважность дважды . А учебники по электротехнике указывают на то, что произведение амплитуд импульсов напряжения и тока надо делить на скважность один раз [(300х50)/100=150 Ватт] и счётчик электроэнергии, установленный на входе в систему, подтвердит это. Обосновывается это тем, что мощность генерируется одновременно напряжением и током. Однако, однократное деление произведения амплитудных значений напряжения и тока на скважность означает, что ток на клеммах потребителя имел величину 50А не в течение 3 сек, а в течение 300 сек. Это явный абсурд (рис. 65, b). Так в чём же дело?

Обратим внимание на показания амперметра (рис. 65, с). Он учитывал нагрузку электронного генератора импульсов и поэтому показывал несколько больше амперметра , а именно - 0,7А. Эти 0,7А оказывались перед счётчиком электроэнергии, на клеммах которого сетевое напряжение 220 Вольт. Вполне естественно, что произведение 220х0,7=154 Ватта.

Итак, главная причина разных показаний приборов - разная величина среднего напряжения в различных сечениях электрической сети. Это даёт нам основание сформулировать закон формирования мощности в электрической цепи.

75. Как звучит закон формирования мощности в электрической цепи, по которому определяется мощность в любом её сечении? Электрическая мощность в любом сечении электрической цепи равна произведению средней величины напряжения в этом сечении на среднюю величину тока.

76. Почему закон формирования мощности в электрической цепи открыт лишь в начале ХХI века? Это удивительный вопрос и на него трудно дать исчерпывающий ответ. Но главную причину назвать можно: игнорирование противоречий в показаниях всей совокупности приборов, участвующих в определении мощности в любом сечении электрической цепи.

77. В чём заключается физическая сущность закона формирования мощности в электрической цепи? В любой электрической цепи исходный источник электрической энергии (аккумулятор, генератор электростанции) генерирует постоянное или переменное напряжение непрерывно. В электрической цепи могут быть устройства, которые выделяют, если можно так сказать, из непрерывного потока напряжения, идущего от первичного источника, импульсы напряжения разной длительности и скважности. Потребитель таких импульсов напряжения формирует импульсы тока.

В соответствии с законом формирования мощности в электрической цепи средние величины напряжения и тока на клеммах такого потребителя определяются путем деления их амплитудных значений на скважность импульсов. Тогда мощность на клеммах потребителя будет равна произведению средних значений напряжения и тока.

В это же самое время мощность на клеммах первичного источника питания будет равна величине непрерывно генерируемого напряжения (которое нельзя делить на скважность импульсов) на среднюю величину тока, которая незначительно отличается от средней величины тока на клеммах импульсного потребления электрической энергии. Таким образом, при скважности импульсов, равной 100, мощность на клеммах потребителя и первичного источника напряжения будет отличаться, примерно, в 100 раз.

Из описанной модели процесса генерирования мощности в разных сечениях электрической цепи и родился закон формирования мощности в электрической цепи. Стало ясно, что энергетическую эффективность водоэлектрической ячейки невозможно реализовать с помощью любого генератора импульсов, преобразующего непрерывный процесс генерирования напряжения первичным источником в импульсы напряжения.

Чтобы реализовать энергетическую эффективность водоэлектрической ячейки, необходимо иметь такой первичный источник напряжения, который генерировал бы точно такие импульсы напряжения, какие потребляет ячейка. Тогда, в соответствии с законом формирования мощности электрической цепи, на клеммах первичного источника питания и потребителя будет одна и та же электрическая мощность, если не учитывать электромеханические потери, которые составляют около 30%, в то время как общая экономия энергии достигает 10000% (100 раз).

78. Если импульсы напряжения имеют треугольную или прямоугольную форму то, как определяется средняя величина напряжения? Средняя величина напряжения определяется современными измерительными электронными системами автоматически путем определения средней амплитуды напряжения с любой точностью при любой форме и скважности импульсов. На этом принципе работают электронные вольтметры.

79. Если импульсы тока имеют треугольную или прямоугольную форму, то, как определяется средняя величина тока? Средняя величина тока определяется современными измерительными электронными системами автоматически путем определения средней амплитуды тока с любой точностью при любой форме и скважности импульсов тока. На этом принципе работают электронные амперметры.

80. Во сколько раз мощность на клеммах потребителя энергии в виде синхронно меняющихся импульсов напряжения и тока со скважностью 100 меньше мощности на клеммах первичного источника питания с постоянным процессом генерирования напряжения? В сто раз.

81. Если при использовании электронного генератора импульсов электрическая мощность на клеммах потребителя, в соответствии с законом формирования мощности электрической цепи в 30 раз меньше тепловой мощности, генерируемой потребителем импульсной энергии, то означает ли это тридцатикратную энергетическую эффективность процесса генерирования тепла? Конечно, означает, но она не реализуется по описанным причинам. Доступны ли эти причины для понимания? Опыт общения с электриками и электронщиками показал, что это не доступно для понимания их абсолютного большинства, поэтому повторим ещё раз.

Если использовать импульсы напряжения, генерируемые электронным генератором импульсов, включенным в электрическую сеть, то амплитуды напряжения нельзя делить на скважность, так как энергия на генерирование напряжения расходуется по всему контуру генератора, установленного на электростанции. Суть в том, что первичный генератор напряжения (генератор электростанции) загружен процессом генерирования напряжения по всему контуру окружности ротора и на этот процесс расходуется энергия, вырабатывающая напряжение. Когда к генератору приходит ток от потребителя, то он нагружает его обмотку по всему контуру окружности ротора. В результате и приводящий рабочий механический момент на валу ротора также присутствует по всему контуру окружности ротора.

Таким образом, если мы загружаем этот же генератор импульсами тока, то мощность определяется средней величиной тока потребителя и напряжением, генерируемым по всему контуру окружности ротора генератора. Тут очень важно понимать, что в формировании мощности на валу первичного генератора участвуют не импульсы напряжения, поданные на клеммы потребителя, а всё напряжение на клеммах генератора. Мощность же на клеммах потребителя формируется средней величиной импульсного напряжения и средней величиной импульсного тока.

Рис. 66:а) схема электромеханического генератора импульсов напряжения и тока: 1 - магнит; 2 – ротор; 3 - магнитопровод; 4 – статор; b) электрическая схема системы: 1 – тепловая ячейка; 2 - электромотор; 3 - магнето; 4 – муфта, соединяющая вал мотора с валом магнето;

5 – счетчик электроэнергии; 6 - осциллограф Nektronix TDS 2014; с) осциллограмма, снятая с клемм магнето

 

82. Что нужно сделать, чтобы мощность на клеммах импульсного потребителя электроэнергии равнялась мощности на клеммах исходного источника питания? Для этого необходимо, чтобы исходный (самый начальный) источник питания генерировал напряжение не непрерывно, а в виде импульсов напряжения точно таких, какие нужны потребителю.

83. Если исходный источник питания производит напряжение импульсами, соответствующими импульсам напряжения на клеммах потребителя, то в соответствии с законом формирования мощности электрической цепи, мощности на клеммах источника питания и потребителя будут равны. Доступно ли это для понимания? Опыт общения с электриками и электронщиками показал, что возможность такого решения этой проблемы воспринимается ими с трудом.

84. Какой источник питания реализует энергетическую эффективность импульсного воздействия на ионы и кластеры воды при её нагревании? Только тот первичный источник питания, который генерирует такие же импульсы напряжения, какие нужны потребителю.

85. Существует ли возможность наглядно представить вариант экономного процесса реализации закона формирования электрической мощности? Представим, что изготовлен электромеханический генератор, который генерирует треугольные импульсы напряжения со скважностью 100 (рис. 66, а). Учитывая наличие двух магнитных полюсов 1, имеем рабочий сектор 7,2 град. Это значит, что на валу такого генератора будет энергия холостого хода в секторе (360 – 7,2) градусов, а рабочего - лишь в секторе 7,2 град. Из этого следует, что при генерировании таких импульсов напряжения вал генератора будет загружен рабочей нагрузкой 7,2/360=0,02 времени одного оборота ротора или, проще говоря, прямоугольные импульсы напряжения будут генерироваться со скважностью 1/0,02=50, а треугольные – со скважностью 100. Следовательно, среднее напряжение, генерируемое за один оборот ротора, будет равно амплитудному значению напряжения, деленному на скважность.

Аналогичным образом определится и средняя величина тока путём деления его импульсного значения на скважность. Таким образом, при определении средней величины мощности на валу генератора необходимо произведение амплитудных значений напряжения и тока разделит на скважность импульсов дважды.

Повторим ещё раз. При импульсном потреблении электроэнергии средняя мощность равна произведению среднего напряжения на клеммах потребителя на среднюю величину тока или – произведению амплитудных значений напряжения и тока, делённому на скважность импульсов не один раз, как написано в учебниках, а дважды.

Таким образом, электромеханический генератор импульсов генерирует такие же импульсы напряжения, какие нужны потребителю. Из этого следует также, что мощности на клеммах потребителя и на валу электромеханического генератора импульсов будут отличаться на величину механических и электрических потерь, которые составляют не более 30%. В результате на привод электромеханического генератора импульсов будет затрачиваться, примерно, в 100 раз меньше энергии, чем на питание электронного генератора импульсов с такими же параметрами импульсов.

86. Каким образом было доказано экспериментально существование закона формирования электрической мощности? Для экспериментального доказательства достоверности этого закона было использовано магнето трактора Т-130. Оно приводилось во вращение электродвигателем (рис. 66, b) и генерировало импульсы напряжения, далекие по всем показателям (рис. 66, с) от тех импульсов, которые генерировал электронный генератор импульсов. И, тем не менее, водоэлектрическая ячейка показала явную энергетическую эффективность.

Так как мощности магнето и электродвигателя для его привода не были оптимизированы, то мощность на холостой привод магнето не учитывалась. Измерения с помощью счетчика электроэнергии, ваттметра, вольтметра и амперметра наивысших классов точности, а также с помощью осциллографа дали близкие результаты, показавшие прямую энергетическую эффективность водоэлектрической ячейки от 150 до 300% при использовании магнето, как первичного источника электрической энергии.

87. Как велики амплитуды напряжения и тока, которые генерировало магнето? Средняя амплитуда напряжения была около 45 В, а тока – 1,5А при скважности импульсов, равной 4,5.

88. Как определялась мощность с помощью счётчика электроэнергии? Диск счётчика электроэнергии имеет две метки: узкую и широкую. Время начала и конца опыта засекалось по узкой метке с точностью 0,02с. Мощность рабочего и холостого ходов определялась по количеству целых оборотов диска и времени опыта. Такие показания счётчика были близки к показаниям ваттметра, вольтметра, амперметра и осциллографа.

89. Какой главный параметр сдерживает повышение эффективности электромеханического генератора импульсов? Напряжённость магнитного поля постоянного магнита.

90. Существует ли возможность создания высокоэффективных электромеханических генераторов импульсов напряжения и тока разной мощности? Существует.

91. Как велика напряженность магнитных полей постоянных магнитов, выпускаемых разными фирмами мира? Она колеблется от 1 до 2 Тесла.

92. Достаточна ли сила таких магнитов для изготовления электромеханических генераторов импульсов? Для тепловых ячеек явно недостаточна.

93. Разработаны ли постоянные магниты с большей напряженностью магнитного поля? Постоянных магнитов с большой напряжённостью магнитного поля пока нет, а электромагниты есть. Напряжённость их магнитных полей превышает 50 Тесла.

94. Главное условие равенства мощности на клеммах первичного источника питания и потребителя - синхронность формирования и потребления импульсной электрической энергии. Как велики в этом балансе мощности механические потери на привод электромеханического генератора импульсов? Они близки к механическим потерям обычных электродвигателей и составляют 5-10%.

95. Как велики общие потери в электромеханическом генераторе импульсов? Механические потери составляют 5-10%. Электрические потери тоже небольшие, но их точная величина пока неизвестна.

96. Закон формирования электрической мощности формулируется так: средняя мощность в любом сечении электрической цепи равна произведению средней величины напряжения на среднюю величину тока. Какие энергетические следствия вытекают из этого закона? Из этого закона вытекает важное энергетическое следствие: существуют импульсные потребители электрической энергии, которые расходуют на свои процессы в десятки раз меньше электрической энергии, чем считалось до сих пор. Для реализации этого эффекта необходима разработка специальных первичных источников импульсной электрической энергии. Здесь скрыты значительные резервы экономии электрической энергии.

97. Можно ли импульсную энергетическую эффективность нагревания раствора воды реализовать с помощью электронного генератора импульсов? Испытано более 5 вариантов электронных генераторов импульсов и все они дали отрицательный результат.

 

Рис. 67. Схемы формирования кластеров воды с молекулами водорода

 

Существующая теория низковольтного электролиза воды предсказывает отделение атомов водорода от молекул воды и последующий синтез молекул водорода. В этом случае атомы водорода проходят фазу свободного состояния, при которой обязательно формируется плазма атомарного водорода, но в реальных низковольтных процессах электролиза воды никакая плазма не формируется. Почему?

Это один из главных вопросов, требующих ответа для понимания процесса электролиза воды. Если в воде нет ионов, то это эквивалентно разрыву электрической цепи и отсутствию движения электронов по проводам от анода к катоду. Когда же ионы появляются в растворе, то они формируют электрическую цепь и в зоне катода накапливаются электроны.

Вполне естественно, что протоны атомов водорода молекул воды взаимодействуют с электронами (рис. 67, а) испущенными катодом, присоединяя их к молекулам воды. Далее, молекула, получившая один электрон от катода, соединяется в кластер с другой, обычной (рис. 67, b) молекулой воды. В результате в кластере из двух молекул воды образуется молекула пароводорода. Энергии связи, распределяясь между осевыми электронами и протонами кластера из двух молекул воды, уменьшаются, и сформировавшаяся молекула пароводорода выделяется из кластера (рис. 67, с).

Возможен и другой вариант. Протоны атомов водорода двух молекул воды получают по электрону , испущенному катодом, и, соединяясь, формируют кластер из двух молекул воды, в центре которого – сформировавшаяся молекула ортоводорода (рис. 67, d, e). Энергии связи между линейными электронами и протонами распределяются так, что оказываются наименьшими у протонов. В результате молекула водорода выделяется из кластера в сформировавшемся состоянии (рис. 67, f). Ионы , выделившиеся из кластеров, уходят к аноду.

Таким образом, при образовании молекул ортоводорода и пароводорода отсутствует фаза атомарного состояния водорода. Это – главная причина отсутствия плазмы при обычном электролизе воды. Описанный процесс даёт однозначный ответ на вопрос: почему при стандартном электролизе воды отсутствует плазма атомарного водорода?

99. Почему теоретический расчет энергии синтеза молекул водорода при низковольтном электролизе воды показывает наличие дополнительной тепловой энергии, а в реальных экспериментах и производственных циклах получения водорода она отсутствует? В одном кубическом метре водорода содержится 1000/22,4=44,64 моля молекулярного водорода. При его синтезе выделяется энергия:

Современные электролизеры расходуют на получение одного кубического метра водорода около 4 кВтч электроэнергии или (3600х4) = 14400 кДж. Учитывая энергию (19463,0 кДж) синтеза одного кубического метра водорода и энергию (14400 кДж), затрачиваемую на его получение, находим показатель тепловой энергетической эффективности низковольтного процесса электролиза воды .

Таким образом, простой и строгий расчет показывает, что процесс низковольтного электролиза воды должен сопровождаться выделением 35% дополнительной тепловой энергии только в зоне катода.

Причину отсутствия дополнительной энергии мы уже объяснили – отсутствие процесса свободного синтеза молекул водорода из атомов. Молекулы водорода выделяются из кластерной цепочки в синтезированном состоянии.