13-8. Некоторые особенности статического и динамического запасания энергии
И чаша Тантала, и гидравлический таран преобразуют малую, но длительно действующую мощность в кратковременные импульсы большой мощности. В обоих устройствах происходит запасание энергии в течение относительно длительного промежутка времени, а затем разрядка — отдача запасенной энергии в более короткое время.
В чаше высокая импульсная мощность получается за счет большого расхода воды во время разряда, в таране — за счет высокого давления во время импульса.
В чаше происходит статическое запасание энергии, запасается энергия положения — потенциальная энергия, повышается уровень воды. В таране происходит динамическое запасание энергии, запасается энергия движения водяного потока — кинетическая энергия.
И в электрических системах различают статическое запасание зарядов в конденсаторе и динамическое запасание энергии движения зарядов (токов) в индуктивностях.
Статическое запасание энергии обычно более пригодно для длительного хранения. Вода, поднятая на высокий уровень, закрученная пружина, электрический конденсатор, заряженный до высокого напряжения, способны сохранять запас потенциальной энергии сравнительно долгий срок.
Движение всегда связано с силами трения. Во вращающемся маховике запас кинетической энергии расходуется на нагревание подшипников и окружающей среды. Электрический ток в индуктивности расходует энергию на нагрев проводников.
Иногда выбор типа запасителя энергии однозначно диктуется типом устройства, в котором этот запаситель применен. Например, в прокатном стане в момент входа прокатываемого металла в валки требуется значительно большая мощность, чем в то время, когда валки вращаются вхолостую. Естественно снабдить электрический приводной двигатель прокатного стана тяжелым маховиком, который накапливает энергию, пока валки вращаются вхолостую, и отдает энергию, когда в валки входит прокатываемый металл. В ружье боек движется за счет энергии, запасенной в пружине.
Когда между запасанием энергии и ее расходованием должно пройти некоторое время, то лучше применять статическое запасание. Но часто энергия расходуется сразу же после ее накопления. В этом случае разные методы запасания можно сравнивать не с точки зрения потерь, а по весу, объему, стоимости устройств, запасающих энергию.
Для электрических устройств необходимо сравнивать запасание энергии в емкостях (конденсаторах) и индуктивностях (катушках).
Запас энергии в заряженном конденсаторе CU2/2 пропорционален квадрату напряженности Е электрического поля в диэлектрике конденсатора, умноженному на объем этого диэлектрика. С увеличением размеров конденсатора l запас энергии в нем растет как третья степень линейных размеров l3.
Запас энергии в индуктивности LI2/2 пропорционален произведению квадрата плотности тока в обмотке на квадрат сечения этой обмотки и на индуктивность обмотки. Если индуктивность выполнена без ферромагнитного сердечника, то величина индуктивности растет линейно с размерами катушки. Поэтому при данной допустимой плотности тока в обмотке катушки запасаемая в катушке энергия растет как пятая степень l5 ее линейных размеров.
При малых запасаемых энергиях конденсатор получается дешевле катушки. Но когда требуется запасти энергии более миллиона джоулей, то оказывается выгоднее применять катушку. Ее объем, вес и стоимость оказываются меньше, чем у соответствующей конденсаторной батареи. Но применение катушек для запасания электромагнитной энергии влечет за собой дополнительные трудности. Чтобы разрядить конденсатор, достаточно его подключить к цепи потребления, а чтобы разрядить катушку индуктивности, необходимо резко прервать ток в катушке. Получить резкий обрыв большого тока — трудная задача. Иногда в качестве быстродействующего выключателя применяют плавкий предохранитель, который перегорает, когда ток через индуктивность достигает заданного значения.
И в механических системах приходится сравнивать относительные качества статических и динамических запасителей энергии. Небольшие количества энергии (единицы килограммометров) удобно запасать в пружинах. Пружины хороши для привода механических игрушек, в звукозаписывающих и звуковоспроизводящих аппаратах с временем работы в несколько минут; но заводная пружина не смогла бы провести пассажирский или грузовой автомобиль хотя бы на один километр.
Быстровращающийся маховик может запасти на единицу веса во много раз больше энергии, нежели пружина. Строятся повозки с маховичными аккумуляторами с запасом хода на несколько километров.
13-9. Маховичные аккумуляторы
С маховиком соединяют электрическую машину, которая может работать и как двигатель, и как генератор. Когда электроэнергия подводится к этой машине, она является двигателем, раскручивает маховик, накапливает в нем энергию. Иногда маховик помещают в кожух, из которого выкачан воздух: это уменьшает потери на трение. Раскрученный маховик может сохранять свой запас энергии несколько часов. Предел повышению скорости вращения маховика ставится разрывающими напряжениями, возникающими в ободе под действием центробежных сил. Если маховик выполнен из высокопрочной стали, то при предельно допустимой скорости вращения на единицу веса маховика запасается в несколько раз больше энергии, чем на единицу веса обычных электрохимических аккумуляторов (кислотных, щелочных).
Построен ряд опытных конструкций маховозов (более научно их называют гиробусы) для грузовых и пассажирских перевозок. После того как маховик раскручен, заряжен, соединенная с ним машина работает как генератор электроэнергии, питая тяговые электродвигатели. Важнейший среди немногочисленных, вообще говоря, недостатков маховичного аккумулятора тот, что при аварии запасенная в маховике энергия может внезапно высвободиться и усилить разрушения.
13-10. Плазменный маховик
Маховик — инертная масса — может сочетаться с различным типом электрической машины: коллекторной, бесколлекторной, с посторонним возбуждением, с самовозбуждением и т. д. Маховик может представлять собой не только твердое тело, но быть и жидким или газообразным, точнее — плазменным. Любой газ при прохождении через него электрического тока (при высоких температурах и высоких скоростях движения его частиц) ионизируется: атомы газа разбиваются на электрически заряженные осколки — электроны и ионы. Смесь заряженных атомных частиц — так называемая газоразрядная плазма — электропроводка. Под действием электрических токов и электромагнитных полей плазма приходит в движение. Специальная дисциплина — магнитная гидродинамика (МГД) — изучает закономерности движения плазмы в электромагнитных полях.
Плазменный вихрь можно рассматривать как ротор электрической машины. Скорость движения плазменного вихря может быть во много раз выше скорости металлического ротора обычной электрической машины (металлические роторы движутся со скоростью, лишь в несколько раз выше звуковой — в сотни тысяч раз меньше скорости света; плазменный сгусток может в принципе достигать скоростей, составляющих значительную долю от световой). Запасенная в любом движущемся теле кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Удельная энергоемкость (запас энергии на единицу веса) плазменного ротора не только во много раз больше энергоемкости любых мыслимых роторов, но превышает даже энергоемкость химических горючих и взрывчатых веществ, приближаясь к энергоемкости ядерных реакций.
Одна из конструкций плазменного запасителя энергии имеет коаксиальные электроды (два находящихся один внутри другого цилиндра), к которым прикладывается электрическое напряжение. Линии электрических сил направлены по радиусам. Между электродами образуется газообразная плазма. Вдоль оси электродов направлены линии постоянного магнитного поля. Под совместным действием скрещенных электрического и магнитного полей плазма приходит во вращение вокруг оси электродов. Эта машина с плазменным ротором относится к классу униполярных машин. В движущейся плазме благодаря электромагнитной индукции возникает постоянная противоэлектродвижущая сила (противо-э. д. с.). В некотором отношении описанное устройство ведет себя как заряженный конденсатор — поэтому применяется еще термин плазменный конденсатор. Необходимо подчеркнуть, что от обычных конденсаторов с твердым, жидким или газообразным диэлектриком плазменный конденсатор отличается огромной удельной энергоемкостью. Если электроды плазменного конденсатора отключить от источника питания и замкнуть между собой, то энергия плазменного вихря пойдет на создание толчка тока в цепи.
13-11. Шаровая молния
В природных условиях при мощных разрядах линейных молний иногда образуются плазменные вихри с большим запасом энергии — шаровые молнии. Они имеют вид огненных комков диаметром от нескольких сантиметров до метра. Внутри плазменного вихря шаровой молнии магнитные и электрические силы взаимно уравновешены; вне плазменного вихря ни электрические, ни магнитные силы не проявляются. Шаровая молния может устойчиво существовать до нескольких минут. Потоки воздуха могут переносить плазменный комок шаровой молнии подобно тому, как иногда, не разрушаясь, может переноситься в воздухе дымовое кольцо, Выпущенное искусным курильщиком. Шаровую молнию может втянуть в печную трубу, в открытое окно, форточку. При столкновении с окружающими предметами и потере части запасенной энергии нарушается равновесие электромагнитных сил в плазменном вихре и энергия шаровой молнии высвобождается взрывом, подобно тому, как это происходит при разрушении стального маховика в аварии с гиробусом.
13-12. Запасание энергии в колебательных системах
В § 13-2 упоминалось о колебательных системах с гармоническими колебаниями. В такой системе энергия может запасаться в двух видах: в виде энергии движения — кинетической энергии — и в виде энергии положения — потенциальной энергии. Запас энергии, введенный в колебательную систему, не остается в покое, а непрерывно переходит из одного вида в другой — совершает колебания.
Маятник — пример механической колебательной системы. Конденсатор, соединенный с катушкой индуктивности, — электрическая колебательная система. В процессе свободных колебаний начальный запас энергии, введенный в систему, постепенно расходуется, колебания загасают. Если же колебательной системе сообщать последовательные толчки, совпадающие с собственными колебаниями системы, то можно накопить энергию. Так раскачивают колокол, качели.
Если электрическую цепь из последовательно соединенных емкости С и индуктивности L подключить к сети переменного тока, частота которого совпадает с собственной частотой цепи CL, то амплитуда переменного тока, идущего через эту электрическую цепь, начнет нарастать, будут расти и амплитуды напряжения на конденсаторе С и индуктивности L. В цепи будет накапливаться энергия. Она может в десятки и даже сотни раз превысить приток энергии за один период переменного тока. После определенного числа периодов можно разрядить конденсатор, использовать накопленную в нем энергию. Так, при соударении колокола с языком используется накопленная при раскачивании этой механической системы энергия.
13-13. Усреднение толчков
Все устройства, которые рассматривались до сих пор в этой главе, — от сантехнического смывного бачка и до импульсного ускорителя заряженных атомных частиц — предназначались для того, чтобы малую, но длительно действующую мощность превратить — трансформировать — в большую мощность с малым временем действия.
Часто требуется решать обратную задачу: мощные короткие толчки превратить в длительное неизменное усилие.
В поршневом четырехтактном двигателе внутреннего сгорания в каждом цилиндре один рабочий ход приходится на три холостых, при которых данный цилиндр не отдает, а, наоборот, потребляет энергию. В одноцилиндровом двигателе маховик запасает энергию во время рабочего хода поршня, а затем за счет этой запасенной энергии маховик движет поршень во время последующих за рабочим ходом выхлопа, засасывания, сжатия.
Сходные задачи иногда приходиться решать в электрических схемах для выпрямления ’переменного тока в постоянный. Через вентили выпрямительной схемы проходят отдельные импульсы тока, их энергия запасается, а затем усредняется, размазывается при помощи конденсаторов и (или) катушек индуктивности.
Можно бы предложить называть упомянутые устройства трансформаторами, увеличивающими время действия и снижающими мощность. Но давно известны иная трактовка, иной подход. Устройства, которые усредняют толчки, сглаживают пульсирующую мощность, принято называть фильтрами низких частот. Всякий импульс или последовательность повторяющихся импульсов можно представить как сумму постоянной составляющей и ряда периодических синусоидальных колебаний разных частот.
Маховик в автомобиле — это пример простейшего механического фильтра низких частот; он выполняет задачу: пропустить от двигателя к ведущим колесам постоянную составляющую вращающего момента и задержать пульсации — крутильные колебания.
В электрическом выпрямителе применяется фильтр низких частот из последовательно включенных в цепь катушек и параллельно включенных конденсаторов. Такая электрическая цепь пропускает от вентилей к нагрузке постоянную составляющую и задерживает пульсации — гармоники.
На фильтрах низких частот и прекратим рассмотрение различных устройств с точки зрения трансформации сил, путей, мощностей. Никакое семейство, в том числе и семейство трансформаторов, нельзя расширять беспредельно.
13-14. Заключение
В трамваях, троллейбусах, электропоездах потребляемая энергия в конце концов превращается в тепло: нагреваются колеса, рельсы, покрытие дороги, окружающий воздух. Во всевозможных станках (например, токарных, сверлильных, ткацких) энергия, потребляемая электроприводом, в конечном счете также переходит в тепло.
Но никак нельзя электрическую тягу, электрический привод свести к электротермии.
К трансформаторам были отнесены устройства, которые преобразуют параметры энергии: силы, скорости, мощности и времена действия. Обширный класс устройств современной техники не может быть отнесен к энергетическим, а должен рассматриваться с точки зрения передачи и переработки информации. Здесь иные методы анализа, иные, чем в энергетической технике, обобщения, иная и терминология.
Сделана попытка объединить в одном семействе рычаги, линзы, катушки, молоты, импульсные источники питания радиолокаторов и ускорителей атомных частиц. Хочется повторить высказанные в начале предыдущей главы слова надежды, что такой подход не только заинтересует читателя, но и поможет в практической работе тем, кто призван конструировать и производить различные типы трансформаторов энергии.
