一种功率倍增发电系统的制作方法

本发明涉及自由能源及环保领域，具体涉及串联谐振耐压试验仪的制造技术领域。

背景技术：

以传统能源的观点看来，电能只能通过可燃物产生的热能、机械能及核能的转换产生，而且转换的效率不可能大于1，即“能量放大”或“功率倍增”是不可能的，否则就违反了能量守恒定律。而实际上，系统在共振状态下是可以获得额外的能量添加的，也可以称“能量放大”。例如，拨动琴箱上的琴弦，琴箱产生共鸣(振)，发出的声音要比没有琴箱凭空拨动琴弦的音量大数十倍。激光器的原理是“受激、辐射、放大”，也是在谐(共)振腔内，激光在同频同相的条件下来回反复振荡，发生共振，能量不断加强，才能发射出大功率的激光。

通过共振激发系统内部蕴藏的能量并将其释放出来，是自由能源的主要途径。任何物体都有一个固有频率，当外部输入能量的频率与固有频率相同时，物体内部会产生共振，物体振动的幅度会越来越大，逐步释放出巨大的内部能量，这种能量明显大于外部输入的能量，出现“能量放大”或“功率倍增”的现象。

万物都是由微观粒子组成。从电磁波谱看，微观世界中的原子核、电子、光子等物质运动的能量都是以波动的形式传递的。电子、光子和其它的基本粒子都具备波粒二象性，区别就在于它们拥有不同的振动频率。由这些基本粒子组成的原子、分子以及物体根据不同的结构或外形拥有不同的固有频率。一旦外界输入的能量频率和物质的固有频率一致，内部能量就会被激发，源源不断地释放出来。红宝石激光器就是一个典型的例子，利用氙灯照射红宝石，红宝石分子发光，并在谐(共)振腔内来回反射，反复“撞击”在红宝石上产生更多的光子；由于谐(共)振腔的长度为特定红光波长(红宝石分子的固有频率)的整数倍，只有频率与红宝石分子固有频率相等的红光才能满足同频同相的共振条件，这种单一频率的红光，能量被不断放大，功率倍增。

共振会产生强大的能量，造成系统的破坏。持续发出的某种频率的声音会使玻璃杯破碎；高山上的一声大喊，可引起山顶的积雪的共振，顷刻之间造成一场大雪崩。19世纪初，一队拿破仑士兵在指挥官的口令下，迈着威武雄壮、整齐划一的步伐，通过法国昂热市一座大桥。快走到桥中间时，桥梁突然发生强烈的颤动并且最终断裂坍塌，造成许多官兵和市民落入水中丧生。后经调查，造成这次惨剧的罪魁祸首，正是共振。1940年，美国的全长860米的塔柯姆大桥因大风引起的共振而塌毁，尽管当时的风速还不到设计风速限值的1/3，可是因为这座大桥的实际的抗共振强度没有过关，所以导致事故的发生。

但是，到了现代，随着科技的发展和对共振研究的更加深入，共振在社会和生活中的应用变得更为频繁和紧密了。

弦乐器中的共鸣箱、无线电中的电谐振等，就是使系统固有频率与驱动力的频率相同，发生共振。电台通过天线发射出短波/长波信号，收音机通过将天线频率调至和电台电波信号相同频率来引起共振，电波信号将被放大，然后天线将放大后的信号经过过滤后传至喇叭发声。

在粒子物理的基本小宇宙中，每一种粒子都有对应的波动频率。粒子加速器就是运用了这样的共振原理，把许多小小的“波纹”迭加起来，结果变成很大的“波峰”，把电子或质子推到近乎光速，在高速的相撞下产生新的粒子。

约翰.威乐尔.科利，出生于1837年9月3日，自由能源的先驱。他最擅长利用共振，制造各种设备，能使物体的重量加重或减轻，有可以随着音乐的频率而转动的音乐球，用驻波来分开物质(现在已经用于把塑料分成很小的球形微粒)，水中会产生光(现在叫声控致发光现象)，用声音悬浮物体(科学家已经做到用声波悬浮一定体积和重量的物体)，科利认为几何结构能够增强声音的压力而不需要添加额外的能量(现在这种方式已经用于强声学中)，科利发现在一定声波频率上会出现冷的现象(热声冷却效应，现在已经用于声学冰箱中)。

继科利之后的自由能源创立者是旷世奇才nikolatesla(尼古拉-特斯拉)。1891年，nikolatesla发明了特斯拉线圈。这是一种串联谐振变压器，可以获得上百万伏的高频电压，实际上就是一个人工闪电制造器。他演示了“无线点灯”和其它关于高频电流的奇迹，并建造了沃登克里夫高塔，实现了电力无线传输。

由于nikolatesla的设想和计划过于超前，投资巨大，在受到爱迪生、摩根等实业家的强烈反对和压制下，不得不拆除了沃登克里夫高塔。此举标志着传统能源获得了胜利，统治世界长达100多年。

自由能源虽然在学术界尚未得到正名，实际上却早已在许多领域中应用，如利用磁能的汽车点火线圈，还有利用电感和电容串联谐振-共振产生高压的串联谐振耐压试验仪。

目前，自由能源发展迅速，各种发明层出不穷。根据能量产生方式和应用领域，大致可分为磁能系统、动脉冲系统、静脉冲系统、重力脉冲系统、脉冲能量激发系统、脉冲充电电池系统、天线系统、无燃油引擎、无源系统、汽车系统和其它装置。所有发明除了具有环保清洁的特点之外，都有一个共同点，就是效率即输出能量与输入能量之比cop＞100％。

与自由能源相比，传统的能源如石油、煤炭、天然气，都是以燃烧矿物质以产生动力或发电，必然带来污染问题，而且能量的转换效率偏低，如内燃机的效率不超过40％。而风电、太阳能和天气关系密切，不能保证稳定的能量供应；核能、水电的开发则存在施工周期长、投资规模大、见效慢、破坏生态环境等诸多问题；核电站存在核安全和核废料的隐忧；水电还存在一个明显问题：发出来的电不能储存，做不到随用随发。

自由能源虽然具有传统能源无法比拟的优势，现实中却存在不少问题：或者功率较小，或者设备复杂昂贵，或者调试困难，或者效率较低，或者存在高压危险，或者使用不便，不能大规模生产应用。例如，利用压缩空气驱动的发动机，效率虽然达到500％，用在汽车上却很不方便；自由能源爱好者成功复制的卡帕发电机，功率只有5kw；被视为高功率的唐.史密斯设备，很难调试成功；奥列格·格里兹格维奇博士cop＝100的1.5兆瓦自供电发电机，需要大量的电力输入来使设备启动。

2015年7月1日，国家知识产权局公开的“一种电能放大装置”的发明，是基于对串联谐振耐压试验仪的改造，虽然具备功率大、效率高的优点，却也存在设备庞大复杂、手工调谐困难、电抗器昂贵、工作时间短的缺点，应用范围受到极大限制。

技术实现要素：

针对自由能源存在的上述问题，本发明提供一种功率倍增发电系统。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种功率倍增发电系统，该系统是对最新式的串联谐振耐压试验仪的全面改造，用隔离变压器代替了电抗器，作为磁场能输出的设备；用高频变频器代替了工频变频器，以提高品质因数。系统由变频调谐电源、激励变压器、隔离变压器、电容分压器、电容器和整流器组成；隔离变压器的初级线圈作为原来的电抗器，次级线圈作为功率的输出端口；变频器采用高频信号电压输出，并通过自动调整频率实现电路的谐振，代替了原来的手工调整磁芯位置来调谐的做法；电容器代替原来被测试的电容，与电容分压器并联，一起构成lc串联谐振电路中的电容，并作为高频高压交流电的输出端口；整流器将隔离变压器和电容器输出的高频交流电变为直流电。

上述系统的工作原理是根据lc串联谐振的理论，当电源的频率与lc串联电路的固有频率一致时，电路发生谐振-共振，整个电路呈纯电阻性，电流达到最大；电抗器l和电容c上的电压都达到最大，数值相等，相位却相反；电感两端的电压ul或电容两端的电压uc比电源的电压e还大，是电源电压的q倍，ul＝uc＝qe，q的值可以达到几十到上百，从而实现了电压的放大，用来测试电容的耐压。

测试电容c可代表任何需要测试耐压的物体，如输送特高压直流电的电缆，需要耐压500kv以上。

由于电源的有用功率完全消耗在电阻r上，无功功率总和为零，因此，电抗器l储存和电容c储存的无功功率分别达到最大，属性却相反。

品质因数q，也可称为功率倍增系数，为电抗器储存的无功功率与有功功率之比，q＝ωli²/ri²＝ωl/r，ω＝2πf，f为lc串联电路的固有频率，若电抗器为空心线圈，则电感l＝0.01dn²/(1/d+0.44)，d为线圈的直径，1为线圈的长度；电阻r实际上是线圈本身的电阻，r＝ρπdn/s，πdn为线圈漆包线的总长，s为漆包线的截面积，ρ为电阻率。

取(1/d+0.44)值为5，l＝0.002dn²，q＝0.004fns/ρ。

q值与谐振频率f、线圈匝数n和漆包线的截面积s成正比，与电阻率ρ成反比。

注：上述频率范围的划分是根据国际电工协会iec581标准：30-150hz为低频段，150-500hz为中频段，500-5000hz为中高频段，5000-16000hz为高频段。目前，市场上已经出现6000hz的高频变频器。

在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，所需的电源功率只有电抗器或电容器储能的1/q。换言之，电抗器储存的功率是电源提供的功率的q倍，由此可以实现功率倍增发电。

功率倍增发电系统没有违反能量守恒定律，电抗器和电容器都是储能元件，不消耗电源的功率。在交流电的一个周期内，当电容器吸收正功率时，电抗器则吸收负功率，反之亦然；储存在电容里的电场能和储存在电抗器中的磁场能属性相反，数值相等，相加为零。

当电路处于谐振状态时，电源供给的功率完全消耗在电阻r上发热，热功率p＝e²/r，电阻r越小，发热功率越大，越容易损坏线圈；q＝2πfl/r，电阻r越小，功率倍增系数越大，q被p制约，故电阻r存在一个最小值；电阻r越大，线圈越长，l越大，q值就越高，电阻r存在一个最大值；电阻r的取值将根据实际需要，在最小值与最大值之间折衷选择。

由于热功率p＝e²/r，e为激励变压器的输出电压，e越大，p越大，发热量越高，影响系统的工作寿命，一般测量耐压试验只有10秒多的时间；电抗器l和电容c储存的功率又和热功率p成正比，pl＝pc＝qp，因此，对激励变压器的升压系数需要重新选择，并需要采取冷却措施。

所述的变频调谐电源由一个高频变频器和交流电源组成，通过采样信号线与电容分压器连接，扫描获得lc电路的固有频率，经过自动调整后，输出电压的频率与其保持一致。

所述的交流电源可用单相220v工频50hz的市电，也可采用蓄电池+逆变器，输出相同的交流电。

所述的激励变压器原为一个升压变压器，由此获得较高的电压e，供给lc谐振电路，以提高电容cx上的测试电压uc，适用于高压输出；当需要低压输出时，采用一个1∶1隔离变压器代替，可以大幅度降低电抗器的发热功率，延长工作寿命。

所述的隔离变压器，初级线圈为谐振电路中的电抗器，匝数较多，电感l的值保持不变，与被试品电容cx在较高的频率上发生谐振；次级线圈的匝数或者与初级线圈相同，或者比初级线圈少得多，用来输出高压或低压的交流电；根据谐振频率的高低，采用不同的铁芯或磁芯。

所述的电容分压器由两个相同的电容串联，与被试品电容cx并联，用于测量被试品上的谐振电压，并作过压保护信号。

所述的电容器为一个耐高压的交流电容，与电容分压器并联，代替原来的被试品电容cx，可以根据情况选择不同的容量。

所述的整流器是一个大功率交直流变换设备，或者将高频高压交流电变成±500kv的直流高压电，通过直流高压电网送到换流站，再变成三相380v、50hz的交流电；或者将高频低压的交流电变成低压的直流电，经过大功率逆变器变成三相380v、50hz的交流电，也可以连接直流电动机驱动交流发电机，发出三相380v、50hz的交流电。

本发明是对“一种电能放大装置”发明的改进，实现了功率倍增发电，比后者具有如下的优势：

(1)采用高频变频器，能够显著提高功率倍增系数q、电压ul和uc的数值，输出的交流电经整流后可并入国家的高压直流输电网。

(2)频率f越大，倍增系数q越高，f与成反比，q越大，所需的电感和电容越小，从而实现电抗器及整个设备的小型化，扩大系统的应用范围。

(3)用频率自动调谐代替了铁芯手工调谐，操作更加容易、方便、安全。

(4)调整激励变压器的输出电压，减少原电抗器的发热功率，延长了工作时间和使用寿命。

(5)电容器储存的电能得到了充分利用，发电效率又提高一倍。

(6)用途广泛，可以安装在任何设备上发电，特别是需要消耗大功率电能的地方，如电炉炼钢厂、电解铝厂、污水处理厂和海水淡化厂，航空母舰上的电磁弹射器、激光炮和电磁炮的电源等。

(7)制造技术成熟，设备现成，成本低。

附图说明

图1为原串联谐振耐压试验仪的电路原理图。

图2为本发明实施例一的电路图。

图3为本发明实施例二的电路图。

图4为隔离变压器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为原串联谐振耐压试验仪的电路原理图，如图所示，电路由交流电源ac220、变频器、激励变压器、电抗器、电容分压器、采样信号线、避雷器和电容器组成。

图2为本发明实施例一的电路图，如图所示，电路由交流电源ac220、高频变频器2001、高压整流器2002(两个)、激励变压器2003、避雷器2004、隔离变压器2005、电容分压器2006、电容2007、采样信号线2008组成。

图3为本发明实施例二的电路图，如图所示，电路由蓄电池3001、逆变器3002、高频变频器2001、换流器3003、避雷器2004、低压整流器3004、直流电动机3005、交流发电机3006、高压整流器2002、隔离变压器3007、激励变压器2003、电容阵列3008、采样信号线2008组成。

图4为本发明的隔离变压器的结构示意图，如图所示，隔离变压器主要由初级线圈4001、铁芯4002与次级线圈4003组成。

上述的本实施例一为一个独立的发电站，利用最新的串联谐振耐压设备(能够对直流高压500kv输电电缆的耐压测试)，通过更新改造，形成一个发电站，可以输出500kv的直流电，并入国家电网。

所述的交流电源ac220可以来源于任何电能，如太阳能、风力、内燃机等小型低功率设备。

所述的高频变频器2001，采用最新的高频变频器，可自动调谐；系统自动调谐时，从30-6000hz自动扫频，显示扫频曲线，可以直观地看到系统调谐；系统支持“自动调谐+手动调压”，“自动调谐+自动调压”，“手动调谐+手动调压”等工作模式。

所述的高压整流器2002是两个，一个用于隔离变压器2005，一个用于电容2007，其功用是通过整流和滤波，将高压高频交流电转换成直流高压电，并入±500kv直流输电网，同时也具有将负载和系统隔离的作用，防止出现互感，破坏谐振状态的情况出现。

所述的激励变压器2003，其功用是将变频调谐电源输出的电压升压，同时隔离高压和低压。

所述的避雷器2004，用于保护电气设备免受高瞬态过电压危害并限制续流时间，在正常系统工作电压下，呈现高电阻状态，仅有微安级电流通过；在过电压大电流作用下它便呈现低电阻。

所述的隔离变压器2005为1∶1隔离变压器，初级线圈4001与次级线圈4003的匝数完全相同；初级线圈4001和原来串联谐振耐压试验仪上的电抗器功用相同，发生谐振时，两端的电压达到最大；次级线圈4003的输出电压也和初级线圈4001相同。

所述的电容分压器2006，和原来串联谐振耐压试验仪上的不同，容量明显变小。

所述的电容器2007有若干个，容量比原来小，可以在调试过程中选择，然后与电容分压器2006并联，共同组成串联谐振电路的电容c。

所述的采样信号线2008，用于连接变频器2003的检测单元和电容分压器2009，根据采集的谐振电压的信号，变频器自动调整电源的输出频率，使之与电路的固有频率保持一致。

上述的本实施例二为一个移动电站，可用于城市无轨电车，完全取代为无轨电车提供电源的电网。

所述的蓄电池3001为汽车电瓶，电压为12v～24v，用于野外或移动的场所。

所述的逆变器3002为小型低功率逆变器，其功用是将蓄电池2001的直流电转换为220v的交流电。

所述的换流器3003为一个直流变交流的逆变器，其功用是将低压整流器3004输出的直流电变为三相交流电。

所述的低压整流器3004为一个交流变直流的整流器，其功用是将隔离变压器3008输出的高频低压交流电转换为低压直流电，并使负载和系统隔离，互不影响。

所述的直流电动机3005为无轨电车使用的直流电动机，其功用是将低压整流器3004输出的直流电转换成机械动力，或者驱动交流发电机3006发电，或者驱动汽车、机车行驶。

所述的交流发电机3006为一个三相同步交流发电机，和直流电动机3005同轴联接，其功用是被直流电动机3005驱动，将直流电转换为交流电。

所述的隔离变压器3007是一个n：1降压变压器，初级线圈4001与次级线圈4003的匝数之比n远大于1，从而实现降压；根据i1u1＝i2u2的变压定理，初级线圈4001上的初级高压u1降为次级4003的低压u2，初级的小电流i1变为次级的大电流i2，储存在初级线圈4001中的功率得以输出。

所述的激励变压器2003，为一个1∶1隔离变压器，其功用是将高压和低压隔离；与原来的升压相比，可以大幅度降低lc谐振电路中电阻r产生的热功率，p＝e²/r，从而延长系统的工作时间和使用寿命。

所述的电容阵列3008，由50～100只高压电容(2000v左右)再加若干个24v的大容量电容串联组成，总的耐压之和须大于所施加的直流电压，其作用是储存高压整流器2002输出的直流高压电能，然后将其中的一只大容量电容和蓄电池3001并联，为后者充电；其余的大容量电容也可为车上的各种设备提供直流电源。

所述的初级线圈4001，其材料为细的铜漆包线，匝数达50000以上，在谐振状态下，能够产生高频高压的交流电，并耐受一定温度的热功率。

所述的铁芯4002，材料采用铁氧体或坡莫合金，适用于高频交流电，而传统的硅钢片只适用于低频变压器。

所述的次级线圈4003为电能输出装置，或者与初级线圈4001完全相同，输出高压交流电，或者匝数少、线径粗，输出低压交流电。

本发明实施例一的工作过程是：

1.为获得高压直流电，估算系统的功率倍增系数q，选择变频器的工作频率范围；频率太高，电感l太小，储存的功率越小，故需要综合平衡q、f、l、c、r和变压器功率，可选用中高频的变频器，工作频率f选择在500～2000hz范围内。

2.根据变频器的工作频率范围，计算隔离变压器的初级线圈电感l和电容c，并根据隔离变压器的耐热功率选择线圈的匝数、直径和漆包线的截面积。

3.开始调试设备：变频器2001根据采样信号线2008反馈的信号，不断扫描，自动调整工作频率，使电路发生谐振，信号电压不断上升达到最高。

4.显示隔离变压器2005和电容器2007的输出电压，据此选择高压整流器2002。

5.测量高压整流器2002输出的直流电压，达到500kv。

6.通过高压开关将输出的电力并入±500kv的高压直流电网。

本发明实施例二的工作过程是：

1.选择变频器的工作频率f在5000～10000hz的高频范围内，使电感l和电容c变得更小。

2.选择隔离变压器3007的初级线圈4001，包括线圈的匝数、直径和漆包线的截面积。

3.根据所估算的功率倍增系数q，预测隔离变压器的初级电压。

4.根据降压比例，选择隔离变压器3007的次级线圈4003的匝数和线径。

5.开始调试设备，变频器2001根据采样信号线2008反馈的信号，不断扫描，自动调整工作频率，使电路发生谐振。

6.测量次级线圈4003的输出电压和电容器2007的输出电压，分别选择不同的整流器3004和2002。

7.根据高压整流器2002的输出电压，选择电容阵列3008的电容型号和数量。

8.低压整流器3004输出的直流电压为无轨电车直流电动机3005的工作电压，为600v左右，通过一个直流调速器控制电机3005的转速，驱动同轴的交流发电机3006发出三相380v的交流电；或者通过换流器3003，将低压整流器3004输出的直流电转换为三相380v的交流电。

9.电容阵列3008中的24v低压大电容为蓄电池充电，并为其它设备提供直流电源。

10.如果系统用作运输车辆的动力源，则不需要如上所述的换流器3003和交流发电机3006，以直流电机3005输出动力，直接驱动无轨电车、地铁机车或高铁机车运行。