Усилитель мощности

(51) 03 7/10 (2006.01) 61 43/00 (2006.01) 03 7/08 (2006.01) 03 3/00 (2006.01) 03 3/06 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Длина рычага равна длине хода противовеса. На ведомом валу редуктора установлены обгонная муфта, маховик и генератор электрической энергии. На пандусе установлены троллеи, автоматически действующий механизм запирания и отпирания пандусов. Транспортное средство - тележка на шасси,оборудован электродвигателем, аккумуляторами,системой автоматического рулевого управления,имеет контакт с троллеями. Энергогенерирующие секции устанавливаются по окружности горизонтально, последовательно и равноудаленно в количестве не менее двух. Электрическая схема генераторов объединена с троллеями. Транспортное средство перемещается по окружности с постоянной скоростью. Комплекс усилителей мощности (не менее двух) образует автономную, локальную энергетическую систему. Конструкция усилителя позволяет усиливать электрическую мощность,затраченную на перемещение с постоянной скоростью по замкнутому кругу транспортного средства (рабочего груза), его периодический подъем на постоянную высоту и падение с этой высоты за счет сил гравитации, аккумулировании энергии гравитации в инерцию вращающихся масс и его преобразовании вновь в электрическую энергию, мощностью количественно превышающую затраченную.(76) Жакибеков Тыштыкбай Бейсембаевич Жакибеков Данияр Тыштыкбаевич(57) Усилитель мощности предназначен для усиления используемой электрической мощности,посредством затраты этой мощности на подъем груза и его падение, далее преобразование механической энергии падающего груза в электрическую с большей мощностью. Устройство содержит энергогенерирующие секции и внутреннее транспортное средство. Энергогенерирующая секция состоит из шарнирно закрепленного наклонного пандуса,вертикальных стоек с блоками, противовеса, рычага с храповым механизмом, редуктора, обгонной муфты, маховика и генератора электрической энергии. Угол наклона пандуса 1-15. На пандусе, на расстоянии 0,5-0,8 от шарнира закреплен трос. Другой конец троса, перекинутого через блок,закреплен на противовесе. Противовес шарнирно соединен с рычагом, который, через храповый механизм, укреплен на ведущем валу редуктора. Изобретение относится к выработке электрической энергии, конкретно к усилению мощности генерирующей системы. Известен способ преобразования энергии движущего транспортного средства в электрическую - Преобразователь энергии /1/. Способ включает наклонную платформу, толкатель,шатун, зубчатый сектор, редуктор, храповый механизм, маховик и генератор. Транспорт наезжает на платформу, под его весом утапливается шток и его усилие через указанный механизм приводит во вращение генератор. Имеется механизм возврата штока в исходное положение. Основным недостаток способа является непостоянный, случайный характер движения транспорта, масса и скорость автомобилей всегда разная, возможен одновременный въезд двух и более автомобилей (длина площадки 40 м), что обуславливает непостоянную нагрузку на генераторы. Главная идея предложенного способа - это использование транспорта в качестве рабочего органа - привода системы. А сама система это способ преобразования механической энергии в электрическую. Также работают тепловые станции(на пару полученной от энергии сжигания топлива уголь, газ, мазут, торф, дрова), гидростанции(энергия падающей воды, наиболее близкий по физике процесса к рассматриваемому способу),ветроэнергетика - где также используется редуктор,маховик и обгонная муфта. Есть бытовые генерирующие приборынапример фонарь Жучок, рычажные телефонные генераторы тока т.д. В предлагаемом способе не отражено одно важное качество механизма преобразования энергии- а именно тот факт, что используемая схема является усилителем потребляемой мощности. Рассмотрим этот вопрос более детально на примере широко известного механизма современного велосипеда. В сущности, по принципу действия, в Преобразователе энергии использован тот же механизм. Совокупная система человеквелосипед, при движении, являются системой усиления мощности. Примем массу велосипедиста 70 кг, длину рычага педали (шатуна) 16 см. Максимальная мощность велосипеда достигается,когда велосипедист собственную массу направляет на рабочую педаль (при разгоне или движении на крутой подъем велосипедист привстает на педаль). Максимальный крутящий момент соответствует горизонтальному положению рычага педали. При вертикальном расположении рычага крутящий момент равен нулю. Примем активный сектор работы рычага педали 30 от горизонтали, (фиг.1). Этот сектор позволяет развивать максимальный крутящий момент /2/- крутящий момент Нм- масса груза кг- ускорение свободного падения м/с 2- плечо м, (2) Отрезок АВ 160 мм ( ОАВ - равносторонний) Рассчитаем мощность развиваемую велосипедистом при перемещении педали с точки А в точку В. Мощность равняется количеству энергии в единицу времени 20,160,18 9,81 Полная энергия равна сумме потенциальной и кинетической энергии массы велосипедиста при перемещении с точки А в точку В в поле земного тяготения.2 пк, (5) 2 где Е П - потенциальная энергия Дж Е К - кинетическая энергия Дж- скорость тела м/с скорость перемещения в точке В составляет 219,74/0,1 81220 (Вт) Это мощность велосипедиста, обусловленная влиянием гравитации (мускульная сила ног, реакция тела и др. факторы в расчете не учитываются). В технике мощность вращающего механизма определяют по формуле где- крутящий момент Нм- количество оборотов вала в мин об/мин количество оборотов рычага педали составит где- число пи- диаметр окружности вращения вала м время перемещения 20,50,32 9,81 скорость перемещения транспорта составит мощность по формуле (7) составит 709,81 0,16 105,8 / 95491,217 (кВт) Расчеты мощности велосипеда двумя различными способами дают одинаковый результат- 1,22 кВт. Известно, что мощность человека составляет 1/10 лошадиной силы или примерно 0,0735 кВт. Отсюда механизм велосипеда в совокупности с действиями велосипедиста есть механизм усиления мощности в 16,6 раза (1,22/0,073516,6). Для подъема велосипедиста на следующую педаль при известных параметрах мощности, веса и высоты подъема (3) необходимо время 709,81 0,16/73,51,49 На практике примерно за такое время реализуется цикл педалирования. Из формулы (3) видно - чем больше время подъема, тем меньше требуемая мощность. Строго говоря, сам механизм велосипеда, без человека, только передает мощность, а усиление мощности обусловлено различным временем притяжения человека в поле земного тяготения (искусственным падением) и большим временем его подъема на ту же высоту(возвращении в исходное положение). Для рассматриваемого случая это время соответственно 0,18 и 1,49 с. Разница составляет 8,27 раза. Сочетание двух факторов - действий человека и механизма велосипеда позволяет усилить мощность этой совокупной системы. Особенностью механизма свободного хода велосипеда является вращение рабочего колеса под действием сил инерции достаточно продолжительное время. За это время велосипедисту необходимо переместиться в верхнее положение. Время выбега, в среднем для велосипеда составляет до 140 секунд. Наиболее эффективным средством подъема груза является использование катков и наклонной площадки - пандуса, эстакады (фигура 2). Этот принцип реализован в рассматриваемом Преобразователе энергии /1/. По такой схеме строились пирамиды в древности (тяжелые каменные блоки на катках поднимали по наклонной эстакаде) /3/, производят загрузку на кузов автомобиля круглой тары (бочек) и т.д. Такая схема позволяет поднять груз на определенную высоту при минимальных затратах мощности в сравнении с вертикальным подъемом того же груза. Проведем расчет(по формулам 4-8) необходимой и вырабатываемой системой мощности в случае с Преобразователем энергии/1/. Примем массу транспортного средства 1000 кг. Если высота подъема составляет 50 см, то согласно фигуре 1 примем длину рычага (шатуна) также 50 см. Мощность, развиваемая падающим грузом,согласно формулам (3-6) составит 9,81 0,323,13( м / с) полная энергия равна 10009,81 0,510003,132 /29810 (Дж) мощность равна 9810/0,3230656,25 (Вт) Расчет мощности по формуле (7) количество оборотов рычага педали составит 10009,810,559,8 / 954930,71 (кВт) Расчет мощности двумя независимыми методами дает результат 30,7 кВт. По данным авторов Преобразователя энергии одна такая установка обеспечивает энергией 108 квартир /4/. Среднее потребление энергии на 1 человека 0,1 квтчас,следовательно, энергией будут обеспечены 307 человек, проживающих соответственно в 108 квартирах. Скорость въезда автомобиля на пандус должна быть ограничена. Оптимально 20 км/час. Для движения транспорта массой 1000 кг на подъем 1,43 (0,5200,0250,0251,43) со скоростью 20 км/час необходимо и достаточно номинальной мощности двигателя 2,61 кВт. Расчет проведен по методике Д. Спицына /5/. (Расчетная пиковая мощность для времени разгона до 20 с составит 4,58 кВт). Расчет показывает, что транспортное средство потребляемое 2,61 кВт, движущее через систему пандус - толкатель - рычаг - редуктор - маховик генератор, позволяет развивать мощность 30,7 кВт т.е. в 11,8 раза больше по номинальной и 6,7 раза по пиковой нагрузке. Если по аналогии провести такой же расчет для механизма велосипеда в предположении, что рабочий груз массой 70 кг въезжает на пандус со скоростью 10 км/час, то для этого случая потребуется номинальная мощность 0,0978 кВт.,пиковая 0,1733 кВт (разгон до 20 с). Механизм велосипеда, при таких же заданных параметрах,развивает мощность 1,22 кВт. Мощность увеличивается от 7,04 до 12,4 раза. Таким образом условиями конструкции системы подъема груза на необходимую высоту ( в данном случае пандус) и в сочетании с механизмом велосипеда установлено, что необходимая и достаточная для подъема груза мощность может быть значительно меньше, чем мощность развиваемая этим же грузом при падении под действием гравитации (в приведенных примерах разность составляет примерно 7 раз). Отсюда энергия генерируемая системой будет также в 7 раз больше энергии затраченной на подъем. Это положение является главной новизной предлагаемого способа усиления мощности энергогенерирующего устройства. Основываясь на этом положении, с целью постоянного равномерного действия устройства,предлагается- несколько таких устройств (более 2 х) расположить по кругу последовательно пандусами,равноудаленно,чтобы дорожки набегания составляли окружность (фигура 3).- по окружности установить собственное,внутреннее транспортное средство движущее с постоянной скоростью.- пандус сделать запирающим, в момент полного подъема противовеса,и автоматически отпирающим.- непосредственным рабочим органом является противовес, срабатывающий в момент отпирания замка пандуса Эти нововведения являются отличительными и существенными признаками, имеют причинноследственную связь и на них распространяется испрашиваемый объект правовой охраны. Устройство - секция усилителя мощности состоит из (фигура 2) пандуса 1, шарнирно закрепленного на опоре 2, груза противовеса 3 соединенного с пандусом 1 тросом 5 перекинутого через блок 4 , рычага (шатун) 6 - шарнирно соединенного с грузом противовесом 3 и через храповый механизм 7 с ведущим валом редуктора 8. Ведомый вал редуктора 8 соединен с обгонной муфтой 9, маховиком 10 и валом электрогенератора 11. Пандус оснащен фиксирующим замком 12 и механизмом отпирания 13, токоподводящими троллеями 14. Рабочий груз - тележка на шасси 15 имеет самостоятельный привод - электродвигатель и автоматическое рулевое управление. Электродвигатель работает от аккумулятора в период набора полной мощности устройства. В установившийся период электродвигатель питается от энергии вырабатываемой самой установкой (по троллеям), а аккумулятор переводится на режим зарядки. Вес груза противовеса 3 составляет вес рабочего груза (полный вес тележки 15) и половину веса пандуса 1 с расчетом, чтобы при пересечении точки центра масс тележки 15 точку крепления троса 5 на пандусе 1, равновесие нарушилось и вес тележки 15 с половиной веса пандуса 1 стал больше веса противовеса 3. С целью обеспечить полный наклон пандуса 1 (и полный подъем противовеса 3) до срабатывания фиксирующего замка 12, точка крепления троса 5 выполняется на 0,5 - 0,8 длины самого пандуса 1. Такое исполнения принимается для эффективной работы системы т.к. в период набора мощности необходимо преодолевать инерцию покоя вращающихся масс и обеспечить синхронизацию скоростей движения тележки 15 со скоростью наклона пандуса 1 и срабатывания фиксирующего замка 12. Длину рычага (шатуна) 6 следует принимать равной длине хода противовеса 3. Соответственно она равна высоте подъема рабочего груза и радиусу окружности движения. Сектор работы при этом составляет 30 (фигура 1). Принципиальная схема конструкции установки из 8 секций представлена на фигуре 3. Установка действует следующим образом - от аккумулятора включается электродвигатель тележки 15. Тележка 15 поднимается по пандусу 1. Когда точка центра масс тележки 15 пересекает точку крепления троса 5, пандус 1 начинает опускаться,противовес 3 поднимается. При достижении горизонтального положения пандуса 1, срабатывает фиксирующий замок 12, одновременно отпирается замок предыдущей секции. Противовес 3 занимает верхнее положение. Когда тележка 15 переместится к следующей секции, срабатывает механизм отпирания замка 13 рассматриваемой секции. Противовес 3, под действием гравитации, давит на рычаг 6 (аналогично педали велосипеда). Сектор перемещения рычага 30 (фигура 1). Рычаг 6 вращает ведущий вал редуктора 8. Включается обгонная муфта 9, крутящий момент передается маховику 10 и ротору генератора 11. При прохождении тележки 15 полного круга цикл повторяется. Противовес 3 при перемещении вверх свободно поднимает рычаг,оборудованный храповым механизмом 7, при этом вал редуктора может вращаться в противоположном направлении. Тележка, совершив 7-10 оборотов, когда все 8 генераторов установки выйдут на рабочий режим,преодолев инерцию покоя вращающихся масс,переключает питание с аккумуляторов на питание собственной энергией, которая передается по троллеям 14. Для остановки установки необходимо выключить питание троллеев. Если парно работают две установки и одна в рабочем состоянии, то запустить вторую выгоднее по троллеям. При постоянной заданной скорости движения рабочей тележки 15 обеспечивается равномерный ритм работы всех секций, вес противовесов одинаковый и все параметры равны, восемь электрогенераторов подключены последовательно. Эти условия обеспечивают постоянное напряжение и мощность в электрической сети. Для выработки большего количества энергии целесообразно иметь комплекс как минимум из двух установок, образующих общую энергетическую систему, или аналогичной мощности или большей. Если в системе использовать комплекс установок одинаковой мощности, то при постоянном действии одной из них, в часы пик включаются соседние, а при снижении потребления отключаются. Если применять установки малой (0,2 МВт) и большой мощности (10 МВт), то малая станет основным источником питания рабочих грузов больших установок. Для каждой конкретной ситуации можно использовать требуемую схему. Такая система,единожды запущенная, будет работать постоянно. Дополнительных затрат энергоносителей - угля,газа, мазута, воды, ветра солнца не требуется. Экологически безопасная (никаких выбросов), 27202 может быть установлена в любой климатической зоне и подобрана таким образом, чтобы обеспечить регион энергией необходимой и достаточной мощности. Таким образом, устраняется главный недостаток способа генерирования энергии Преобразователь энергии /1,4/ - непостоянный характер нагрузок на генератор, однако новое техническое решение качественно изменило суть объекта обновления. Предлагаемый принцип имеет существенные отличия - на основе детального анализа и расчета влияния различных конструктивных факторов на характер потребляемой и вырабатываемой мощности было установлено, что при определенных условиях необходимое и достаточное для полноценной работы системы количество потребляемой мощности может быть значительно меньше, чем система может генерировать. Базируясь на этих выводах предлагается принять за рабочий орган - собственное (внутреннее) транспортное средство. Наличие независимого,постоянно действующего собственного рабочего органа позволяет принять оптимальную конструктивную схему расположить энергогенерирующие секции по окружности и установить постоянный цикл действия. Эти факторы приводят к равномерному,хронологически выверенному, монотонному действию системы установок,что позволяет вырабатывать электрическую энергию с постоянными характеристиками - мощностью, напряжением и силой тока, и, что наиболее важно - больше чем затрачено. В прототипе, основная идея заключается в преобразовании энергии движущего транспорта в электрическую. В предлагаемом способе электрическая энергия, затраченная на движение транспорта (собственно на подъем рабочего груза на требуемую высоту), многократно увеличивается. В целом это так, но следует отметить, что физика процесса другая электричество затрачивается на транспортировку и подъем груза и все безвозвратно теряется. Поднятый груз сбрасывается с поднятой высоты. Теперь механическая энергия падающего тела в генераторе вновь трансформируется в электрическую. Электрическая энергии на входе и выходе имеет разную природу происхождения. Если система потребляет электроэнергию и ее задачей является генерирование энергии в больших количествах, то это уже не преобразователь энергии,а усилитель энергии или правильнее мощности, т.к. по закону сохранения энергии невозможно усиливать энергию (следует отметить, что этот закон распространяется на замкнутую систему, а предлагаемая система открытая и потребляет энергию извне), но ее можно увеличить через усиление мощности, используя предложенный принцип. Итак,предлагаемое решение получения электрической энергии принципиально отличается от прототипа. Новое решение также преобразует энергию падающего тела в электричество. Но это вторично. Первично то, что установка сама использует электроэнергию для движения и подъема собственного транспортного средства. Далее противовес (рабочий груз) под действием сил гравитации падает, эта энергия аккумулируется в маховике и в генераторе преобразуется вновь в электрическую,количественно превышающую затраченную. Получается, что основная задача установки усиливать мощность. А таких машин и механизмов в технике пока неизвестно. Отсюда для предлагаемого изобретения прототип отсутствует. Рассмотренный прототип плавно перешел в подобие. Поэтому в формуле изобретения отсутствует акцент на отличительные признаки и перечисляются основные признаки,характеризующие новый технический объект. Изобретение является новым и промышленно применимым, оно не известно из сведений об уровне техники и не имеет аналогов. ПРИМЕР Принципиальные конструктивные схемы энергогенерирующей секции и усилителя мощности представлены на фиг.2 и 3. Примем- высоту подъема груза (ход- 112 Согласно расчету /5/, для тележки, с принятыми параметрами,номинальная мощность электродвигателя должна составлять 7,0457 кВт(примем 7 квт). Мощность, развиваемая падающим грузом согласно (3-6) составит время перемещения 9,810,454,4294455 (м/с) полная энергия равна Е 10009,81110004,432 /219620 Д жмощность равна 19620/0,4543452,9 (Вт) Расчет мощности по формуле (7) количество оборотов рычага составит 4,43 / 3,14210,704968 (об/с) или 10009,81142,3/954943,45 (кВт) Расчет мощности двумя независимыми методами дает результат 43,45 кВт. Ведущий вал имеет скорость вращения 42,3 об/мин. Крутящий момент составляет 9810 Нм. Примем редуктор с передаточным отношением 40 (редуктор 1 ЦЗУ-160 имеет фактическое передаточное отношение 41,34 и номинальный крутящий момент на выходном валу 1 250 Нм). Ведомый вал имеет скорость вращения М КР 981041,34237,3 Нм По этим значениям принимает генератор электрической энергии мощностью 45 кВт (следует использовать генераторы с немагнитным сердечником или непарным числом полюсов магнита и обмотки для снижения сопротивления и увеличения времени выбега). В качестве маховика примем цельнокатаное колесо железнодорожного состава массой 398 кг и наружным диаметром 957 мм. При заданных параметрах время пробега полного круга тележки 15 составит 1125,5520,16 Это время составляет цикл установки. Имеется 8 генераторов. Каждые 2,52 секунды (20,1682,52) один из генераторов работает в активном режиме испытывает нагрузку, набирает обороты в течении 0,45 с, а 2,07 (2,52-0,45) секунды работает в режиме выбега. (В прототипе это время при скорости 20 км/час составляет 3,6 секунды, время активных нагрузок 0,32 секунды, а время повторного действия транспорта имеет случайный характер.) Это один из 8 генераторов. Остальные в это время работают на выбеге, по инерции. За время выбега генератор,под действием сопротивления трения качения и магнитного поля статора, снизит количество оборотов. Работа установки равнозначно тому, как если бы на один генератор ритмично действовала постоянная нагрузка с периодом 2,52 секунды (как в примере с велосипедом), а остальные 7 генераторов с равномерно убывающей (пропорциональной потерям на трение), пониженной, но постоянной мощностью вырабатывали энергию в общую систему. Примем допущение, что обороты снизятся на 50 (это большое допущение т.к. время выбега маховика плюс масса ротора может составлять десятки минут), отсюда и мощность понизится на 50. Исходя из этого допущения, проведем расчет мощности вырабатываемой установкой из 8 секций с учетом к.п.д. 0,8 43,4580,80,75208,56 (кВт) Примем мощность установки 200 кВт. Итак, предлагаемая установка, при 7 кВт мощности электродвигателя рабочей тележки развивает мощность не менее 200 кВт. Это означает,что при потреблении в час 7 квтчас электроэнергии, устройство вырабатывает не менее 200 квтчасов энергии. В примере, для удобства расчетов, приняты масса тележки 1000 кг, высота подъема 1 м, длина пандуса 14 м и т.д. Можно принять и другие значения - например масса груза 5000, 25000 или 6 100000 кг. Соответственно пропорционально будут расти и другие параметры, мощность станет (при рычаге 1 м) - 1 МВт , 5 МВт и 20 МВт. Другие требования будут предъявлены к генератору,потребуется усиление конструкции пандуса и т.д. Однако это не меняет принципа действия предлагаемой установки. Источники информации, принятые во внимание 1. Патент 2160849, Преобразователь энергии 033/00, 1999 г. (опубл. 12.20.2000 г., бюл.1 9 ) - прототип. 2. Справочник по элементарной физике. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г., М., 1966, 248 с 3. История открытий. Энциклопедия., М., Росмэн,1995 4. //////3465 Новые непатентованные идеи и проекты. Преобразователь энергии, ст. от 13 августа 2002 г 5. //.// - Калькулятор параметров электромобиля ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Усилитель мощности, состоящий из пандуса,храпового механизма, соединенного с рычагом,возвратного механизма, включающего противовес,трос, рычаг, блок, отличающийся тем, что дополнительно включает установленные по окружности горизонтально,последовательно,равноудалено энергогенерирующие секции в количестве не менее двух, состоящие из пандуса,шарнирно закрепленного под углом 1-15,автоматического замкового механизма,запирающего пандус в горизонтальном положении и отпирающего предыдущую секцию при положении под углом,противовеса,кинематически,посредством стального троса перекинутого через блок, связанного с пандусом в точке, составляющем 0,5-0,8 длины пандуса, рычага, длиной равной высоте подъема пандуса и имеющий сектор хода 60, один конец которого шарнирно связан с противовесом, редуктора, ведущий вал которого соосно связан с храповым механизмом, обгонной муфты, установленной на ведомом валу редуктора,маховика, установленного соосно обгонной муфте,генератора электрической энергии, установленного соосно маховику, а также внутреннего автономного транспортного средства, массой равной массе противовеса без учета массы,шарнирно закрепленного пандуса, движущего самостоятельно по пандусам с постоянной скоростью,обеспечивающей опускание пандуса и подъем противовеса под действием массы транспортного средства до горизонтального положения и срабатывания запирающего устройства. 2. Усилитель по п.1 отличающийся тем, что совокупность усилителей мощности, в количестве не менее двух, с различной выходной мощностью,соединенных по мере возрастания мощности,образуют единую энергетическую систему.