Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ И УЧЁТА РАСХОДА ЭНЕРГИИ И СЧЁТЧИК ЯРИМОВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)

Изобретения относятся к измерительной технике и могут быть использованы в системах измерения, учета расхода общей энергии электромеханических двигателей.

Известен способ измерения электрической мощности и энергии участков электрической цепи, которые определяются произведением напряжения на силу тока, замеренных на данном участке цепи [1].

Известен способ учета расхода электрической энергии путем измерения электрической мощности, преобразования сигнала электрической мощности в импульсный сигнал с частотой следования импульсов, пропорциональной электрической мощности, а также подсчета и регистрации количества этих импульсов [2]. Известно устройство для реализации этого способа, содержит перемножитель входного напряжения и тока нагрузки, преобразователь выходного сигнала перемножителя в частоту, а также отсчетное устройство, включающее шаговый двигатель и роликовый счетный механизм [2].

В известных технических решениях измерение и регистрация расхода электрической энергии осуществляется по фактическому показанию известных электрических счетчиков при установившемся режиме работы электрических двигателей после завершения разгона, в зависимости от продолжительности их работы, в том числе под нагрузкой от выполняемой работы. Но существующие счетчики электрической энергии не учитывают механической составляющей энергии вращающихся частей электрических двигателей и вращающихся частей устройств, приводимых этими электродвигателями. В известных технических решениях не заложена возможность измерения общей потребляемой и расходуемой электромеханической энергии или электродинамической энергии. Существующие способы работы электродвигателя или электрических машин и устройства для его осуществления [1] и [3- 7] не предусматривают в полном объеме работу механических составляющих движущихся или вращающихся масс, к примеру, ротора, что противоречит фундаментальному закону природы, закону сохранения энергии. По этой причине указанные способы и устройства имеют низкий КПД [1] и [3-7] и эффективность, физические процессы в них не соответствуют практическим опытам и реальным показателям измеряемых величин работа, мощность, и являются отвлеченными. Не соответствуют сути и содержанию физической величине работа международно установленной единице ее измерения ньютон на метр (Н⋅м) или килограмм на метр (кг⋅м) [8]. Препятствуют широкому применению в народном хозяйстве с расширенными и нетрадиционными их новыми функциональными и энергетическими возможностями. Не предусматривают выполнение законов механики и сохранения энергии. Задачей предложенных изобретений является, расширение функциональных и энергетических возможностей по учету расхода всех составляющих от энергии, развиваемой и потребляемой электромеханическими двигателями. Как следствие - существенная экономия энергетических ресурсов через их учет, экологическая совместимость в части, зависящей от деятельности человека.

Целью изобретений является создание новых ранее не известных способов измерения и учета расхода электрической, электромеханической энергии и счетчиков для всех видов составляющих энергий при работе электрических двигателей или электрических машин и устройств, для их осуществления, с высокими показателями КПД и эффективности преобразования электрической энергии в электромеханическую энергию. Наглядное обеспечение выполнения всех основных законов механики Ньютона, закона сохранения энергии, а также приведение в соответствие с Международной единицей измерения физической величины работа, при работе электрических машин. Расширение функциональных возможностей и вывод на рынок новых товаров и услуг с новыми потребительскими качествами, на новых принципах действия и на основе существующих законов физики, и сохранения энергии для электрических машин и приборов.

1. Технический результат достигается тем, что способ измерения и учета расхода общей энергии электромеханического двигателя осуществляют следующим образом, для этого измеряют величины электрических напряжений и сил тока по двум составляющим энергии: первой - повышенной части электрической энергии при пуске и разгоне ротора или статора отдельно, которую аккумулируют в механическую энергию W_д, сохраняют по всему промежутку времени работы, и второй - электрической энергии в установившемся режиме W_э, перемножают напряжения с токами, затем получают их выражения, а электромеханическую энергию или суммарную развиваемую мощность W двигателя на протяжении всего времени его работы измеряют и учитывают, как сумму составляющих механической и электрической мощности, по математическому выражению:

где W - общая развиваемая электромеханическая мощность двигателя;

W_д. - динамическая или механическая мощность двигателя, которая после аккумулирования сохраняется в установившемся режиме;

W_э. - электрическая мощность, расходуемая электродвигателем в установившемся режиме после его разгона, тем самым определяют и устанавливают как показатель, общей энергии или суммарной мощности, через счетное устройство фиксируют и далее выносят показания этого Wрасхода общей энергии для визуального слежения или на автоматический самописец.

По определению, электродвигатель - это устройство для преобразования электрической энергии в механическую энергию. Преобразование электрической энергии в механическую энергию осуществляется двигателями или широко известными электродвигателями [1] и [3-7]. С эпохи изобретения электродвигателей [3] до нынешних времен [4-7] считается, что не существует параллельной с электрической энергией и механическая энергия, чем нарушается закон сохранения энергии для известных электрических двигателей. По содержанию, широко известные электродвигатели это конструкции, на основе которых, вращающееся электромагнитное поле, в то время как предлагаемый способ работы электромеханического двигателя автора предполагает электромагнитную составляющую и плюс количественную механическую или динамическую составляющую [1]. Правда много говорят и пишут о вращении ротора или статора электродвигателей, но механическая или общая энергия не учитывается с помощью известных электрических счетчиков, а также не существует в виде отдельной составляющей в известных математических формулах по описанию работы электродвигателей, в том числе в выражениях по определению КПД [1] и [3-7]. Таким образом, известные электрические счетчики производят учет расхода только чисто электрической части потребленной энергии, и складывается неправильное и минимальное, с точки зрения общей энергии электродвигателя, представление. Однако общая электромеханическая энергия известных электрических двигателей гораздо больше, чем представляет нам современная наука, а следом и практика. Для достоверности утверждений автора обратимся к единице измерения работы с принципиальной точки зрения килограмм на метр (кг⋅м) или ньютон на метр (Н⋅м). По общепринятому определению работы А (кг⋅м) или (Н⋅м) не представляется возможным доказать позицию автора для значения работы нового способа работы электромеханического двигателя, при взаимодействии электрических токов с магнитными полями, по математическому выражению [1]. Но в источнике [8] из серии «Знаете ли вы Физику?» стр. 116, 117 неотразимо приведена суть самого понятия работы, которая по определению содержит часть пути перемещения массы по инерции, в противном случае не происходит соблюдение закона сохранения энергии. Для вращательного движения в механике единица измерения работы имеет ту же размерность (кг⋅м) или (Н⋅м), как в [8], и также содержит часть движения по инерции. В случае, предлагаемом автором, W=W_д.+W_э, [1] - мощность или работа, по Фиг энергетической диаграмме автора, производимая электрическим током двигателя, которая получается после умножения обеих частей равенства [1] на время t,

;

где А_общ. - общая работа электродвигателя;

А_э. - работа электродвигателя от действия электрических токов при взаимодействии с магнитными полями для вращения ротора;

|А_д.| - работа вращательного движения ротора с массой m и моментом инерции J, по абсолютной величине, где полностью соблюдается закон сохранения энергии, а также соблюдаются основные законы механики Ньютона. Предлагаемый способ работы электродвигателя и двигатель соответствуют полной размерности выполняемой работы или развиваемой мощности, и соответствует величине международной единице измерения работы килограмм на метр (кг⋅м), ньютон на метр (Н⋅м) или килограмм на метр в секунду (кг⋅м/сек) или ньютон на метр в секунду (н⋅м/сек).

Принцип действия широко известных электродвигателей и всех существующих электрических машин основан и описывается уравнением движения [5.20] на стр. 195 из [5], без слагаемой работы движения ротора, что не может быть объяснено и описано по энергетической диаграмме автора из графического материала описания. По источнику информации [6] на стр. 267, 271, к примеру, энергетическая диаграмма не может показать, куда девается подаваемая повышенная электрическая энергия во время разгона электродвигателя? Где та часть энергии в которую превратилась она в дальнейшем? Ведь по закону сохранения энергии она никуда бесследно не исчезает. Не показана работа |А_д.| или мощность |W_д.|=|A_д.|/t двигателя, которая постоянно присутствует и не исчезает бесследно. В то же время известный электросчетчик мощности потребляемой электродвигателем в установившемся режиме после разгона замеряет только W_э.=А_э./t, равную значению W_oбщ.=U⋅I⋅cosϕ для переменного тока, в широко известных системах измерения. Широко известный электросчетчик не измеряет мощность |W_д.| движения ротора электродвигателя, несмотря на то, что эта составляющая присутствует постоянно и только благодаря работе этой составляющей обеспечивается установившийся режим работы по энергетической диаграмме автора, по предложенной Фиг.

По источнику [7], стр. 213, КПД известных способов работы электродвигателя или электрической машины определяется примерно так же, как эффективность электрических трансформаторов, которые вообще не имеют вращающихся роторов. Этот факт подтверждает, что принцип работы и действия известных электродвигателей с вращающимся ротором мало чем отличается от электрических трансформаторов, у которых вообще отсутствует механическая составляющая работы движения ротора и в конструкции не предусмотрена в принципе. Это не приемлемо, изначально они являются принципиально различными устройствами.

Уравнение движения электрического двигателя или электрических машин в целом [5.20] на стр. 195 из [5] не отражает все электромеханические процессы, происходящие в существующих способах работы электродвигателей и в самих устройствах. К примеру, по Фиг на чертеже с энергетической диаграммой работы электродвигателя автора, если отключить от электрического питания, работающий электродвигатель А_э.=0, то его ротор продолжит вращение по инерции длительное время t_д. пока не остановится под воздействием трения и различных потерь. Это однозначно доказывает и подтверждает, что наравне с работой А_э. - сил вращения ротора, вызванная взаимодействием электрического тока в обмотках с магнитным полем электрического двигателя одновременно присутствует постоянно работа |А_д.| - движения ротора с массой m и моментом инерции J, по абсолютной величине. При пуске электродвигателя на Фиг в начальный tn. момент времени |А_д.|=0, работа вращательного движения ротора с массой m равна нулю, но в то же время работа А_э.=max, сил вращения ротора, вызванная взаимодействием электрического тока в обмотках с магнитным полем электрического двигателя и в процессе разгона ротора на много больше, в некоторых случаях превышает в два и более раз. Далее по энергетической диаграмме автора происходит постепенный переход и преобразование, превышающей части от установившейся после разгона, электрической энергии в механическую, которая сохраняется и аккумулируется в виде части движения ротора в промежутке времени t_п.. По завершении этого времени электродвигатель работает в установившемся режиме в промежутке времени t_p.. Этот факт также подтверждает, что соблюдается закон сохранения энергии и происходит превращение повышенной части работы А_э. - сил вращения ротора, вызванная взаимодействием электрического тока или пусковой части этой работы, в разгон ротора, чтобы в дальнейшем в установившемся режиме использовать |Ад.| как дополнительную и основную работу вращательного движения ротора с массой m и с моментом инерции J. Таким образом, на Фиг., по энергетической диаграмме автора, в предлагаемом способе работы электродвигателя на протяжении времени t_p. - «в режиме» установившегося режима электромеханического двигателя одновременно работают две составляющие, это работа А_э. - сил вращения ротора, вызванная протеканием электрического тока в обмотках при взаимодействии с магнитным полем электрического двигателя и |А_д.| - работа, предварительно аккумулированного вращательного движения ротора с массой m и моментом инерции J, которые в сумме дают общую электромеханическую работу предлагаемой электрической машины. На основании энергетической диаграммы автора по Фиг. графического материала наглядно показан способ измерения и учета расхода общей энергии электромеханического двигателя, который осуществляют следующим образом, для этого измеряют величины электрического напряжения U и сил тока I для первой пусковой части составляющей энергии движения ротора и второй установившейся составляющей, перемножают замеренные параметры между собой, суммируют составляющие, и получают общую развиваемую мощность W двигателя на протяжении всего времени его работы по выражению [1], тем самым определяют и устанавливают этот показатель, как общую энергию или суммарную измеряемую мощность, которую развивает электромеханический двигатель автора. Является показательным и не отвергаемым фактом, что превышенная электрическая энергия при пуске и разгоне ротора превратилась в кинетическую энергию его вращения и не исчезла, как в широко известных электродвигателях. Отсюда следует, что общая энергия системы с электромеханическим двигателем или развиваемая мощность суммируется по математическому выражению [1]. Это означает измеримость вращающихся механических процессов через электрические параметры. Таким образом, происходит измерение и учет расхода общей энергии или суммарной развиваемой мощности электромеханического двигателя.

Осуществление изобретения. Способ измерения и учета расхода общей энергии электромеханического двигателя осуществляют следующим образом, для этого измеряют величины электрических напряжений и сил тока по двум составляющим энергии: первой, W_д - при пуске, разгоне ротора в пусковое время t_п., и второй, W_э - электрической энергии в установившемся режиме, по Фиг, перемножают замеренные параметры между собой в отдельности и после сложения составляющих, получают суммарную или общую расходуемую и развиваемую мощность W двигателя на протяжении всего времени его работы, тем самым определяют и устанавливают этот показатель, как общую энергию или суммарную мощность по математическому выражению [1].

2. Технический и технологический результат достигается тем, что способ по п. 1 осуществляют следующим образом, составляющую величину механической W_д мощности преобразуют и формируют в первый импульсный сигнал с частотой следования импульсов, пропорциональных энергии при пуске и разгоне ротора и распределенных по всему промежутку времени его работы на основе первоначального замера, а значение составляющей электрической установившейся мощности W_э преобразуют и формируют во второй импульсный сигнал с частотой следования импульсов, пропорциональных установившейся после разгона потребляемой мощности двигателя, далее подсчитывают количество импульсов по каждой из составляющих мощностей, затем их суммируют между собой в виде общей мощности двигателя по всему промежутку времени его работы, регистрируют количество этих импульсов, фиксируют и выносят показания этого расхода общей энергии для визуального слежения или на автоматический самописец, тем самым определяют и устанавливают этот показатель как общую электромеханическую энергию или суммарную мощность по математическому выражению [1].

Основой для технологии учета расхода общей энергии двигателя является энергетическая диаграмма автора по Фиг чертежа для нового принципа его действия. Достаточно замерить каждую из двух составляющих мощностей электромеханического двигателя, далее преобразовать и сформировать эти мощности в импульсные сигналы с соответствующими частотами следования импульсов, пропорциональных каждой из составляющих мощностей двигателя на основе первоначального замера по всему промежутку времени его работы, далее подсчитывают количество импульсов от общей продолжительности работы двигателя, регистрируют количество этих импульсов, фиксируют и выносят показания этого расхода общей энергии для визуального слежения. Это будет являться общей энергией или мощностью [1] электромеханического двигателя согласно закону сохранения энергии для электромеханических двигателей по Фиг.

Осуществление изобретения по п. 2, составляющую механической W_д мощности преобразуют и формируют в первый импульсный сигнал с частотой следования импульсов, пропорциональных энергии при пуске и разгоне ротора и распределенных по всему промежутку времени его работы на основе первоначального замера, а значение составляющей электрической установившейся мощности W_э преобразуют и формируют во второй импульсный сигнал с частотой следования импульсов, пропорциональных установившейся после разгона потребляемой мощности двигателя, далее подсчитывают количество импульсов по каждой из составляющих мощностей, затем их суммируют между собой в виде общей мощности двигателя по всему промежутку времени его работы, регистрируют количество этих импульсов, фиксируют и выносят показания этого расхода общей энергии для визуального слежения или на автоматический самописец, тем самым определяют и устанавливают этот показатель, как общую электромеханическую энергию или суммарную мощность по математическому выражению [1].

3. Технический результат достигается тем, что электронный счетчик для реализации способа учета расхода общей или суммарной энергии электромеханического двигателя по п. 1, выполнен содержащим измерительный преобразователь, отсчетный блок, включающий в себя счетные устройства первых импульсных сигналов с частотой следования импульсов, пропорциональных механической составляющей мощности, сохраненных по всему промежутку времени его работы, и вторых импульсных сигналов с частотой следования импульсов, пропорциональных электрической установившейся мощности, сумматор количества первых и вторых импульсных сигналов в общую расходуемую энергию с наглядным изображением параметров измеряемой общей энергии и ее суммарного расхода, с электрическими разъемами или клеммами для соединения к питающей цепи двигателя.

Осуществление электронного счетчика для реализации учета расхода общей или суммарной энергии электромеханического двигателя происходит следующим образом. Электронный счетчик выполняют содержащим по п. 2 измерительный преобразователь, отсчетный блок, включающий в себя счетные устройства первых импульсных сигналов с частотой следования импульсов, пропорциональных механической составляющей мощности и вторых импульсных сигналов с частотой следования импульсов, пропорциональных электрической установившейся мощности, сумматор количества первых и вторых импульсных сигналов в общую расходуемую энергию с наглядным изображением параметров измеряемой общей энергии и ее суммарного расхода, с наглядным изображением измеряемых параметров для общей энергии и с электрическими разъемами или клеммами для соединения к питающей электрической цепи двигателя. Показания электронного счетчика являются величиной общей электромеханической энергии потребляемой, одновременно развиваемой двигателем. Эта величина всегда больше показаний известных электронных счетчиков, которые измеряют только установившийся после разгона режим электродвигателей.

4. Технический результат достигается тем, что электрический счетчик для реализации способа учета расхода общей энергии электромеханического двигателя по п. 1 выполнен содержащим измерительный преобразователь, отсчетный блок, счетное устройство с наглядным изображением измеряемых параметров для общей суммарной расходуемой энергии по выражению [1] с электрическими разъемами или клеммами для соединения к питающей цепи двигателя. Энергетическая диаграммы автора наглядно отражает предложенный измеряемый параметр для реализации способа учета расхода общей энергии или развиваемой мощности электромеханического двигателя, которая описывается математической формулой [1], после введения работы, для электрического счетчика.

Осуществление электрического счетчика для реализации учета расхода общей или суммарной энергии электромеханического двигателя происходит следующим образом. Электрический счетчик выполняют содержащим измерительный преобразователь, отсчетный блок, счетное устройство с наглядным изображением измеряемых параметров для общей суммарной расходуемой энергии по выражению [1] с электрическими разъемами или клеммами для соединения к питающей цепи двигателя. Показания электрического счетчика являются величиной общей электромеханической энергии потребляемой и развиваемой электромеханическим двигателем. Эта величина всегда больше показаний известных электрических счетчиков, которые измеряют только установившийся после разгона режим работы электродвигателей.

Краткое описание чертежа.

На графическом материале представлена энергетическая диаграмма автора, где наглядно показан предложенный способ работы электродвигателя и электродвигатель, на основе которой однозначно изложены и объяснены предлагаемые способы измерения и учета расхода всех видов энергии электромеханических двигателей и счетчики для их осуществления. На Фиг диаграмма имеет три вертикальные зоны работы, сверху разделенные по видам энергии, Э - электрическая, в середине ЭМ - электромеханическая и М - чисто механическая. Для упрощенного понимания графического материала работы электромеханического двигателя принято понятие работы или энергии, но существующие электрические счетчики измеряют мощность. Именно оперирование физической величиной мощности привело к исторически ошибочному пониманию и представлению о наличии чисто электрических процессах в известных электродвигателях. Перевод параметров мощности в работу или энергию производится известным равенством механическая или динамическая составляющая Wд.= А_д./t, общая или суммарная W=А_общ./t, электрическая составляющая Wэ.=А_э./t. Слева показаны три периода времени или режима работы электродвигателя, t_п. - время пуска, t_p. - время установившегося режима, t_д. - время остановки электродвигателя после отключения электропитания. Каждому периоду времени, справа диаграммы, показаны интервалы значения работы: пусковому периоду соответствует разгон вращения массы ротора до установившейся работы энергии движения его от А_д.=0 до А_д.=max, от нуля до максимальной, при обеспечении суммарного баланса энергии А_общ.=А_э.+|А_д.|. Далее в установившемся режиме t_p. также работа равна суммарному значению А_общ.=А_э.+|А_д.|, и после отключения напряжения t_д. работа определяется в интервале от А_д.=max до А_д.=0. В нижней части диаграммы наглядно показано, трансформированное от мощности в работу, равенство [1], как сумма работ или энергии предложенного способа. По середине диаграммы сверху вниз двухсторонней стрелкой показаны потери при работе способа, которые имеют влияние на каждую из составляющих А_э. и |А_д.|, в зависимости от периодов времени или режимов работы. В пусковой период t_п., в начале потери чисто зависящие от работы больших электрических пусковых токов, а механическое трение равно нулю, и в конце, уже при установившемся t_p. режиме потери выравниваются и равномерно ложатся на каждую электромеханическую А_э. и чисто механическую работу |А_д.| от движения ротора. После отключения электрического напряжения, питающего предлагаемый электромеханический двигатель, существуют только механические потери, которые убывают по мере уменьшения скорости движения ротора, показано в нижней части диаграммы. По середине пунктирной линией сверху вниз ограничены и показаны потери, которые в отдельности и суммарно обозначены стрелками, где А_{пот.общ.}=А_пот..э.+А_пот.д.. В чисто механической зоне работы на диаграмме показана математическая формула |А_д.|=J⋅ω²/2 и наглядно подчеркивает, что это зона кинетической энергии движения ротора, эта работа постоянно присутствует после перехода из чисто электрической энергии из зоны в период t_п., пуска электромеханического двигателя. На верху энергетической диаграммы в начале пускового времени t_п., общая работа А_общ. имеет чисто электрический характер и содержание, только по мере разгона ротора уменьшается и превращается, в чисто механическую работу вращательного движения ротора, сдвигаясь в правую механическую зону диаграммы. На чертеже наглядно изображен масштаб составляющих электромеханической и механической частей работы предлагаемого способа работы электромеханического двигателя, который, для данного примера, в два раза превышает, чем в существующих способах работы по источникам [1], стр. 267 энергетической диаграммы, а также [3, 4].

Предлагаемые изобретения способ измерения и учета расхода энергии и счетчик Яримова для его осуществления (варианты) электромеханических двигателей являются новыми, имеют изобретательский уровень и промышленно применимы, а также соответствуют необходимым критериям, установленным существующим законодательством.

Источники информации

1. В.Е. Китаев, Л.Х. Шляпинтох. Электротехника с основами промышленной электроники. Стр. 193, 194, издание второе, переработанное и дополненное, издательство «Высшая школа», Москва, 1968 год.

2. Б.И. Грубер, В.А. Коровин, А.Г. Тишунов. Патент на изобретение №2140654 от 30.10.1996 года, «Способ учета расхода электрической энергии на подвижном составе электрического транспорта и устройство для реализации этого способа».

3. Ф.А. Брокгауз, И.А. Ефрон. Энциклопедический словарь, 1890 год, репринтно воспроизведенное издание к 100-летию выхода в свет 1-го издания 1890-1990, «Терра» - TERRA, том 80, 1994 г., стр. 469, «Электродвигатели».

4. ГОСТ 25941 - 83, «Методы определения потерь и КПД электрических машин».

5. И.П. Копылов, Б.К. Клюков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев. Проектирование электрических машин. Учебник, 4-е издание, переработанное и дополненное, допущено Минобр РФ для электромеханических и электроэнергетических специальностей вузов, Москва, 2011 год.

6. В.С. Попов, С.А. Николаев. Общая электротехника с основами электроники. Издание второе, переработанное и дополненное. М.: Энергия, 1976 год. Стр. 267-271.

7. А.Е. Зорохович, В.К. Калинин. Электротехника с основами промышленной электроники», Издание второе, переработанное и дополненное. М,: Высшая школа. 1975 год, стр. 213 и др..

8. Я.И. Перельман. Занимательная механика. Домодедово издательство ВАП, 1994 год.

9. И. Ньютон. Математические начала натуральной философии. Перевод с латинского с примечаниями и пояснениями А.Н. Крылова, Л., Издательство АН СССР, 1936 год.