Способ генерирования электрической энергии высокого напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах генерирования электрической энергии высокого напряжения, преимущественно в импульсном режиме. Способ включает вращение ротора электрического генератора, накопление на периферии ротора электрического заряда, съем накопленного электрического заряда на статор генератора и передачу его для внешнего потребления. В качестве ротора генератора используют металлический диск с выпуклой рабочей поверхностью. Электрический заряд накапливают порциями в дискретных зонах на периферии ротора с увеличенным градиентом электрического поля в зоне накопленного электрического заряда, периодически снимают накопленные порции электрического заряда на статор, аккумулируют их в конденсаторе и периодически импульсно разряжают аккумулированный в конденсаторе электрический заряд через индуктивный преобразователь с получением на выходе преобразователя высоковольтных импульсов постоянного или переменного тока для внешнего потребления. Технический результат - обеспечение более стабильной характеристики производимой электрической энергии с меньшей зависимостью ее от внешнего потребления. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах генерирования электрической энергии высокого напряжения, преимущественно в импульсном режиме.

Известен способ генерирования электрической энергии с высокой мощностью в импульсе, реализуемый в униполярных электрических генераторах и включающий вращение ротора генератора в магнитном поле с возбуждением в проводниках ротора электродвижущей силы и передачу генерируемого электрического тока потребителю (см. Политехнический словарь. /Гл. ред. Акад. А.Ю. Ишлинский. - П 50 2-е изд. - М.: Советская Энциклопедия, 1980, с. 550). Данный способ позволяет генерировать мощный импульс электрической энергии с большой силой тока (до 10 кА), но относительно малым напряжением (до 10 В), что сужает область его применения.

Известен также способ генерирования электрической энергии высокого напряжения с использованием электростатического генератора, включающий вращение ротора электростатического генератора, выполненного из диэлектрического материала, накопление на периферии ротора электрического заряда от внешнего источника, например с катушек или иных разрядников, съем накопленного электрического заряда на статор генератора и передачу его для внешнего потребления (см. авторское свидетельство СССР 1785068 A1, H 02 N 1/08, 30.12.1992). Данный способ является наиболее близким к настоящему изобретению по схеме преобразования механической энергии в электрическую и выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного способа является сложность преобразования механической энергии в электрический импульс, так как требуется большое количество вспомогательных агрегатов в системе возбуждения электрического заряда и токосъема. Другим недостатком способов генерирования электрической энергии высокого напряжения с помощью электростатических генераторов является нерегулируемое накопление электрического заряда на периферии ротора, что может привести к появлению на роторе сверхвысокого напряжения с последующим неконтролируемым электрическим разрядом, которое может привести к повреждению генератора или подсоединенного к нему потребителя. Нерегулируемое накопление электрического заряда может привести к нестабильности характеристик питания потребителя.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа генерирования электрической энергии высокого напряжения, обеспечивающего более стабильные характеристики производимой электрической энергии с меньшей зависимостью их от внешнего потребления. Другой задачей изобретения является разработка способа генерирования электрической энергии высокого напряжения, обеспечивающего повышенную безопасность системы генерирования электроэнергии за счет исключения сверхвысокого напряжения на выходе при любых условиях эксплуатации. Дополнительной задачей изобретения является разработка способа генерирования электрической энергии высокого напряжения, обеспечивающего совместимость с промышленными потребителями электрической энергии. Еще одной задачей изобретения является разработка способа генерирования электрической энергии высокого напряжения с более эффективным преобразованием механической энергии в электрическую.

Поставленные технические задачи решаются тем, что в способе генерирования электрической энергии высокого напряжения, включающем вращение ротора электрического генератора, накопление на периферии ротора электрического заряда, съем накопленного электрического заряда на статор генератора и передачу его для внешнего потребления, согласно изобретению в качестве ротора генератора используют металлический диск с выпуклой рабочей поверхностью, электрический заряд накапливают порциями в дискретных зонах на периферии ротора с увеличенным градиентом электрического поля в зоне накопленного электрического заряда, периодически снимают накопленные порции электрического заряда на статор, аккумулируют их в конденсаторе и периодически импульсно разряжают аккумулированный в конденсаторе электрический заряд через индуктивный преобразователь с получением на выходе преобразователя высоковольтных импульсов постоянного или переменного тока для внешнего потребления.

При этом импульсную разрядку аккумулированного электрического заряда ведут с частотой 50-60 Гц.

Кроме того, избыток генерируемой в высоковольтном импульсе мощности передают в систему питания привода металлического ротора.

В основу изобретения положено подтвержденное российскими и американскими физиками (Л.И. Мандельштам, Н.Д. Папалекси, Т. Стюарт и Р. Толмен) наличие в металлах свободных электронов, поведение которых подобно молекулам газа (Кабардин О. Ф. Физика: Учебное пособие для общеобразовательных учреждений. /О. Ф. Кабардин. -М. : ООО "Издательство Астрель": ООО "Издательство ACT", 2001.-381 c., [3]: ил. - (Справочные материалы), с. 155).

Учитывая описанное выше свойство электронов, использование в генераторе вращающегося металлического диска дает возможность получить на периферии вращающегося металлического диска повышенную концентрацию электронов, возникающих как результат воздействия на электроны "центробежных" сил, подобно увеличению плотности газа в центробежных компрессорах, с накоплением на периферии вращающегося металлического диска электрического заряда. (Данный факт подтвержден автором в экспериментах с плоским медным диском, при раскрутке которого до скорости на периферии диска 50 м/сек наблюдалось искрение между поверхностью диска и приближенным к нему на расстояние 1 мм игольчатым электродом). Накапливание электрического заряда на периферии металлического ротора за счет смещения свободных электронов к периферии металлического диска в поле действия "центробежных" сил приводит к появлению разности потенциалов между периферией диска и его центром, при этом максимальная разность потенциалов (напряжение) определяется работой, затрачиваемой на перемещение свободных электронов в поле "центробежных" сил, и при фиксированной скорости вращения металлического диска по достижении определенной разности потенциалов радиальное перемещение свободных электронов к периферийной кромке диска прекращается, фиксируя предельный уровень накопленного электрического заряда на периферии металлического диска, который не может быть превышен, что исключает появление сверхвысокого напряжения на диске и повышает безопасность способа генерирования электроэнергии. Накопление электрического заряда порциями в дискретных зонах на периферии ротора с увеличенным градиентом электрического поля в зоне накопленного электрического заряда упрощает съем электрического заряда на статор, так как в зонах с увеличенным градиентом электрического поля (например, на игольчатых электродах) легче осуществить передачу электрического заряда на статор. Периодический съем накопленных порций электрического заряда на статор уменьшает максимальное напряжение на роторе, что повышает безопасность способа генерирования электроэнергии и обеспечивает независимость генерирования электрического заряда на роторе от потребителя. Аккумулирование порций электрического заряда в конденсаторе позволяет генерировать импульсы электрической энергии любой мощности, пределы которой зависят только от емкости конденсатора. Импульсная периодическая разрядка аккумулированного в конденсаторе электрического заряда через индуктивный преобразователь с получением на выходе преобразователя высоковольтных импульсов постоянного или переменного тока для внешнего потребления дает возможность подбором характеристик индуктивного преобразователя генерировать на выходе электрические импульсы с любыми необходимыми для потребителя характеристиками по напряжению и силе тока.

Импульсная разрядка аккумулированного электрического заряда с частотой 50-60 Гц упрощает совместимость предложенного способа генерирования электрической энергии с промышленными потребителями.

Передача избытка генерируемой в высоковольтном импульсе мощности в систему питания привода металлического ротора обеспечивает утилизацию избытка мощности, что повышает эффективность предложенного способа.

На фиг. 1 показана блок-схема устройства, реализующего предложенный способ генерирования электрической энергии высокого напряжения; на фиг.2 представлен в увеличенном масштабе периферийный участок электрического генератора с диаграммой распределения напряжения на периферии ротора.

Устройство для генерирования электрической энергии высокого напряжения имеет электрический генератор 1, ротор которого представляет собой металлический диск 2 с выпуклой рабочей поверхностью. Ротор соединен с приводом 3, в качестве которого могут использоваться электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, турбины и пр. Корпус привода 3 заземлен. Статор электрогенератора представляет собой изолированное от земли неподвижное металлическое кольцо 4. Периферийная кромка металлического диска 2 оснащена концентраторами 5, выполненными, например, в виде треугольных призм, как это показано на фиг.2. На металлическом кольце 4 дискретно размещены съемники 6 электрического заряда, размещенные с зазором 1-2 мм относительно металлического диска 2. Расстояние между съемниками 6 не менее чем в 2 раза превышает расстояние между концентраторами 5 на периферийной кромке металлического диска 2. Кольцо 4 статора подключено к накопительным обкладкам заземленного блока 7 конденсаторов. Накопительные обкладки блока 7 конденсаторов подключены через управляемый вентиль 8 к индуктивному преобразователю 9. Электрические импульсы с выхода индуктивного преобразователя 9 используются для внешнего потребления. Управляемый вход вентиля 8 подключен к выходу генератора импульсов 10.

При использовании в качестве привода 3 ротора электродвигателя устройство имеет собственный источник 11 питания. Генератор 10 импульсов может иметь собственный источник питания или подключается к источнику 11 питания, как это показано на фиг. 1. Источник 11 питания может быть подключен к выходу индуктивного преобразователя 9 через соответствующий преобразователь 12, например выпрямитель.

Импульсы электрической энергии для внешнего потребления формируются следующим образом.

С помощью привода 3 металлический диск 2 раскручивают до номинальных оборотов с получением на периферийной кромке ротора окружной скорости не менее 100 м/с. Во вращающемся металлическом диске 2 свободные электроны смещаются к периферийной кромке. При этом возникает разность потенциалов U_p между периферийной кромкой и центром диска. U_p фактически является рабочим напряжением на роторе электрического генератора. При наличии на периферийной кромке металлического диска 2 концентраторов 5 свободные электроны распределяются на периферии диска неравномерно и электрический заряд накапливается в основном в зоне заостренной вершины концентратора 5 и формирует вокруг вершины концентратора высокоградиентное электрическое поле. Концентратор 5 с накопленной порцией электрического заряда перемещается по окружности и проходит мимо съемника 6 статора, потенциал которого U_c равен текущему напряжению на накопительных обкладках блока 7 конденсаторов. При приближении концентратора 5 к съемнику 6 на расстояние, меньшее величины пробоя (точка "а"), между концентратором 5 и съемником 6 формируется электрический разряд, по которому электрический заряд с концентратора 5 перетекает на съемник 6 и напряжение на вершине концентратора 5 резко падает. Не учитывая сопротивление разряда, можно считать, что напряжение на заостренной вершине концентратора 5 падает до U_c - напряжения на съемнике 6. При дальнейшем перемещении концентратора 5 расстояние между ним и съемником 6 увеличивается, электрический разряд гаснет (точка "b"), на концентраторе 5 восстанавливается напряжение U_p (точка "с") и накапливается новая порция электрического заряда, которая передается на следующий съемник 6, обеспечивая порционное поступление заряда на статор и блок 7 конденсаторов. Переданный на статор электрический заряд компенсируется поступлением электронов в центр металлического диска 2 через заземленный привод и вал. Возможны также любые другие схемы электрической связи центральной части металлического диска с землей. Накопленный электрический заряд и напряжение U_c блока 7 конденсаторов возрастают. Накопленный в блоке 7 конденсаторов электрический заряд через управляемый вентиль 8 периодически передают на индуктивный преобразователь 9. Импульсы электрической энергии с выхода индуктивного преобразователя 9 передают для внешнего потребления. Для использования в сети промышленного тока управляемый вентиль 8 открывают с частотой 50-60 Гц, преобразуя ток разряда в переменный ток промышленной частоты. При наличии избытка мощности избыточную мощность возвращают в источник питания электродвигателя, что позволяет работать электрическому генератору в наиболее экономичном режиме.

При отключении внешнего потребителя запирают управляющий вентиль 8 и продолжают поддерживать рабочие обороты ротора. Порционный съем электрического заряда с металлического диска 2 на статор продолжают до тех пор, пока напряжение U_c не возрастет до величины, при которой разность между U_p и U_c становится меньше величины пробоя, что приводит к автоматическому прекращению передачи электрического заряда с ротора на статор и исключает появление на блоке 7 конденсаторов сверхвысокого напряжения, поддерживая его в постоянной готовности к выдаче импульса электрической энергии для внешнего потребления.

Предлагаемый способ может быть реализован в любых системах генерирования электрической энергии. Все агрегаты и электронные компоненты, необходимые для реализации предложенного способа, могут быть изготовлены как отечественной, так и зарубежной промышленностью. Эффективность предложенного способа генерирования электрической энергии высокого напряжения можно повысить, используя при импульсном преобразовании электрической энергии, накопленной в блоке конденсаторов, способа промышленного производства электрической энергии, защищенного Попковым М.И. патентом Российской Федерации 2141718, Н 02 N 11/00, 20.11.1999.

Формула изобретения

1. Способ генерирования электрической энергии высокого напряжения, включающий вращение ротора электрического генератора, накопление на периферии ротора электрического заряда, съем накопленного электрического заряда на статор генератора и передачу его для внешнего потребления, отличающийся тем, что в качестве ротора генератора используют металлический диск с выпуклой рабочей поверхностью, электрический заряд накапливают порциями в дискретных зонах на периферии ротора с увеличенным градиентом электрического поля в зоне накопленного электрического заряда, периодически снимают накопленные порции электрического заряда на статор, аккумулируют их в конденсаторе и периодически импульсно разряжают аккумулированный в конденсаторе электрический заряд через индуктивный преобразователь с получением на выходе преобразователя высоковольтных импульсов постоянного или переменного тока для внешнего потребления.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что импульсную разрядку аккумулированного электрического заряда ведут с частотой 50-60 Гц.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что избыток генерируемой в высоковольтном импульсе мощности передают в систему питания привода металлического ротора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2