Работа асинхронного двигателя в режиме генератора

Асинхронный двигатель в режиме генератора

В случае необходимости, в качестве генератора переменного тока может быть применен трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка».

Это решение удобно в силу широкой доступности асинхронных двигателей, а также благодаря отсутствию в подобных двигателях коллекторно-щеточного узла, что делает такой генератор надежным и долговечным. Если есть удобный способ приводить его ротор во вращение, то для генерации электроэнергии достаточно будет подключить к обмоткам статора три одинаковых конденсатора. Практика показывает, что такие генераторы могут работать годами без необходимости обслуживания.

Поскольку на роторе присутствует остаточная намагниченность, то при его вращении в статорных обмотках возникнет ЭДС индукции, а поскольку к обмоткам подключены конденсаторы, будет иметь место соответствующий емкостный ток, который станет намагничивать ротор. При дальнейшем вращении ротора произойдет самовозбуждение, благодаря чему в обмотках статора установится трехфазный синусоидальный ток.

В генераторном режиме частота вращения ротора должна соответствовать синхронной частоте двигателя, которая выше его рабочей (асинхронной) частоты. Например: у двигателя АИР112МВ8 обмотка статора имеет 4 пары магнитных полюсов, значит, его номинальная синхронная частота составляет 750 об/мин, но при работе под нагрузкой, ротор этого двигателя вращается с частотой 730 об/мин, поскольку это асинхронный двигатель. Значит, в генераторном режиме нужно вращать его ротор с частотой 750 об/мин. Соответственно, для двигателей с двумя парами магнитных полюсов номинальная синхронная частота составляет 1500 об/мин, а с одной парой полюсов – 3000 об/мин.

Конденсаторы подбираются в соответствии с мощностью применяемого асинхронного двигателя и характером нагрузки. Реактивную мощность, которую обеспечивают конденсаторы в таком режиме работы, в зависимости от их емкостей, можно вычислить по формуле:

Например, есть асинхронный двигатель, рассчитанный на номинальную мощность в 3кВт при работе от трехфазной сети с напряжением 380 Вольт и частотой 50 Гц. Значит, конденсаторы при полной нагрузке должны обеспечить всю эту мощность. Поскольку ток трехфазный, то речь здесь идет о емкости каждого конденсатора. Емкость можно найти по формуле:

Следовательно, для данного трехфазного асинхронного двигателя на 3кВт емкость каждого из трех конденсаторов при полной активной нагрузке составит:

Отлично подойдут для этой цели пусковые конденсаторы серий К78-17, К78-36 и им подобные на напряжение 400 Вольт и выше, лучше на 600 Вольт, или металлобумажные конденсаторы аналогичных номиналов.

Говоря о режимах работы генератора из асинхронного двигателя, важно отметить, что на холостом ходу подключенные конденсаторы будут создавать реактивный ток, который станет просто греть статорные обмотки, поэтому имеет смысл сделать конденсаторные блоки составными, и подключать емкости в соответствии с требованиями конкретной нагрузки. Ток холостого хода, при таком решении, будет значительно снижен, что позволит разгрузить систему в целом. Нагрузки же реактивного характера – наоборот потребуют подключения дополнительных конденсаторов, превышающих расчетный номинал из-за характерного для реактивных нагрузок коэффициента мощности.

Допускается соединение статорных обмоток как в звезду, для получения 380 Вольт, так и в треугольник, для получения 220 Вольт. Если нет необходимости в трехфазном токе, можно использовать лишь одну фазу, подключив конденсаторы только к одной из статорных обмоток.

Можно работать и с двумя обмотками. Между тем нужно помнить, что мощность, отдаваемая каждой из обмоток в нагрузку, не должна превышать трети общей мощности генератора. В зависимости от нужд, можно подключить трехфазный выпрямитель, или использовать непосредственно переменный ток. Для удобства контроля, полезно организовать индикаторный стенд с измерительными приборами – вольтметрами, амперметрами, и частотомером. Для переключения конденсаторов отлично подойдут автоматы (автоматические выключатели).

Особое внимание следует уделить технике безопасности, учесть критические значения токов, и соответствующим образом рассчитать сечения всех проводов. Надежная изоляция – также немаловажный фактор безопасности.

Может ли работать асинхронный двигатель как генератор — как его использовать в домашних условиях?

В электротехнике существует так называемый принцип обратимости: любое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может делать и обратную работу. На нем основан принцип действия электрических генераторов, вращение роторов которых вызывает появление электрического тока в обмотках статора.

Теоретически можно переделать и использовать любой асинхронный двигатель в качестве генератора, но для этого надо, во-первых, понять физический принцип, а во-вторых, создать условия, обеспечивающие это превращение.

Вращающееся магнитное поле – основа схемы генератора из асинхронного двигателя

В электрической машине, изначально создающейся как генератор, существуют две активные обмотки: возбуждения, размещенная на якоре, и статорная, в которой и возникает электрический ток. Принцип её работы основан на эффекте электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле порождает в обмотке, которая находится под его воздействием, электрический ток.

Магнитное поле возникает в обмотке якоря от напряжения, обычно подаваемого с аккумулятора, ну а его вращение обеспечивает любое физическое устройство, хотя бы и ваша личная мускульная сила.

Конструкция электродвигателя с короткозамкнутым ротором (это 90 процентов всех исполнительных электрических машин) не предусматривает возможности подачи питающего напряжения на обмотку якоря. Поэтому, сколько бы вы ни вращали вал двигателя, на его питающих клеммах электрического тока не возникнет.
Тем, кто хочет заняться переделкой асинхронного двигателя в генератор, надо создавать вращающееся магнитное поле самостоятельно.

Создаем предусловия для переделки

Двигатели, работающие от переменного тока, называют асинхронными. Все потому, что вращающееся магнитное поле статора чуть опережает скорость вращения ротора, оно как бы тянет его за собой.

Используя тот же принцип обратимости, приходим к выводу, что для начала генерации электрического тока вращающееся магнитное поле статора должно отставать от ротора или даже быть противоположным по направлению. Создать вращающееся магнитное поле, которое отстает от вращения ротора или противоположно ему, можно двумя способами.

Затормозить его реактивной нагрузкой. Для этого в цепь питания электродвигателя, работающего в обычном режиме (не генерации), надо включить, например, мощную конденсаторную батарею. Она способна накапливать реактивную составляющую электрического тока – магнитную энергию. Этим свойством в последнее время широко пользуются те, кто хочет сэкономить киловатт-часы.

Если быть точным, то фактической экономии электроэнергии не происходит, просто потребитель немного обманывает электросчетчик на законной основе.
Накопленный конденсаторной батареей заряд находится в противофазе с тем, что создается питающим напряжением и «подтормаживает» его. В результате электродвигатель начинает генерировать ток и отдавать его обратно в сеть.

Для одновременного подключения потребителей электроэнергии к трех фазам служит специальное электромеханическое устройство — магнитный пускатель, об особенностях правильной установки которых можно прочитать здесь.

На практике этот эффект применяется в транспорте на электрической тяге. Как только электровоз, трамвай или троллейбус идут под уклон, к цепи питания тягового электродвигателя подключается конденсаторная батарея и происходит отдача электрической энергии в сеть (не верьте тем, кто утверждает, что электротранспорт дорог, он почти на 25 процентов обеспечивает энергией сам себя).

Такой способ получения электрической энергии не есть чистая генерация. Чтобы перевести работу асинхронного двигателя в режим генератора, надо использовать метод самовозбуждения.

Самовозбуждение асинхронного двигателя и переход его в режим генерации может возникнуть из-за наличия в якоре (роторе) остаточного магнитного поля. Оно очень мало, но способно породить ЭДС, заряжающее конденсатор. После возникновения эффекта самовозбуждения конденсаторная батарея подпитывается от произведенного электрического тока и процесс генерации становится непрерывным.

Секреты изготовления генератора из асинхронного двигателя

Чтобы превратить электромотор в генератор надо использовать неполярные конденсаторные батареи. Электролитические конденсаторы для этого не годятся. В трехфазных двигателях конденсаторы включаются звездой или треугольником. Соединение «звездой» позволяет начать генерацию на меньших оборотах ротора, но величина напряжения на выходе будет несколько ниже, чем при соединении «треугольником».

Также можно сделать генератор из однофазного асинхронного двигателя. Но для этого годятся лишь те, которые имеют короткозамкнутый ротор, а для запуска используют фазосдвигающий конденсатор. Коллекторные однофазные двигатели для переделки в генератор не годятся.

Рассчитать в бытовых условиях величину потребной емкости конденсаторной батареи не представляется возможным. Поэтому домашний мастер должен исходить из простого соображения: общий вес конденсаторной батареи должен быть равен или немного превышать вес самого электродвигателя.
На практике это приводит к тому, что создать достаточно мощный асинхронный генератор почти невозможно, поскольку чем меньше номинальные обороты двигателя, тем он больше весит.

Оцениваем уровень эффективности — выгодно ли это?

Как видите, заставить электродвигатель генерировать ток можно не только в теоретических измышлениях. Теперь надо разобраться, насколько оправданы усилия по «изменению пола» электрической машины.

Во многих теоретических изданиях главным преимуществом асинхронных генераторов представляют их простоту. Честно говоря, это лукавство. Устройство двигателя ничуть не проще устройства синхронного генератора. Конечно, в асинхронном генераторе нет электрической цепи возбуждения, но она заменена на конденсаторную батарею, которая сама по себе является сложным техническим устройством.

Зато конденсаторы не надо обслуживать, а энергию они получают как бы даром – сначала от остаточного магнитного поля ротора, а потом – от вырабатываемого электрического тока. Вот в этом и есть главный, да и практически единственный плюс асинхронных генераторных машин – их можно не обслуживать. Такие источники электрической энергии применяются в домашних автономных электростанциях, приводимых в действие силой ветра или падающей воды.

Еще одним преимуществом таких электрических машин является то, что генерируемый ими ток почти лишен высших гармоник. Этот эффект называется «клирфактор». Для людей далеких от теории электротехники его можно объяснить так: чем ниже клирфактор, тем меньше тратится электроэнергии на бесполезный нагрев, магнитные поля и прочее электротехническое «безобразие».

Читайте также:  Трансформатор Тесла на качере Бровина своими руками и съем энергии

У генераторов из трехфазного асинхронного двигателя клирфактор обычно находится в пределах 2%, когда традиционные синхронные машины выдают минимум 15. Однако учет клирфактора в бытовых условиях, когда к сети подключены разные типы электроприборов (стиральные машины имеют большую индуктивную нагрузку), практически невозможен.

Все остальные свойства асинхронных генераторов являются отрицательными. К ним относится, например, практическая невозможность обеспечить номинальную промышленную частоту вырабатываемого тока. Поэтому их почти всегда сопрягают с выпрямительными устройствами и используют для зарядки аккумуляторных батарей.

Кроме того, такие электрические машины очень чувствительны к перепадам нагрузки. Если в традиционных генераторах для возбуждения используется аккумулятор, имеющий большой запас электрической мощности, то конденсаторная батарея сама забирает из вырабатываемого тока часть энергии.

Если нагрузка на самодельный генератор из асинхронного двигателя превышает номинал, то ей не хватит электричества для подзарядки и генерация прекратится. Иногда используют емкостные батареи, объем которых динамически меняется в зависимости от величины нагрузки. Однако при этом полностью теряется преимущество «простоты схемы».

Нестабильность частоты вырабатываемого тока, изменения которой почти всегда носят случайный характер, не поддаются научному объяснению, а потому не могут быть учтены и компенсированы, предопределило малую распространенность асинхронных генераторов в быту и народном хозяйстве.

Функционирование асинхронного двигателя как генератора на видео

Проверка возможностей автомобильного генератора в качестве электродвигателя.

Решил провести эксперимент, по возможности использования генератора от легкового автомобиля, как тягового двигателя с прямым приводом на колесо, для велосипеда или что-либо подобного.
У меня как раз есть исправный генератор, но использовать его в автомобиль я не могу, как и некоторые другие вещи, но зато попробую провести этот эксперимент сам. В интернете на специализированных форумах есть размышления, что так не делают, что и в конструкции генератора специально особым образом подобраны формы ротора и статора, для работы его как генератора. Да и наличие отдельной катушки возбуждения усложняет конструкцию. Но из достоинств – генератор не создает практически никаких сопротивлений вращению, если на него не подан ток, и он есть за бесплатно. Заниматься самому математическим анализом реализации такой возможности, нет достаточного опыта и данных, пока (если кто разложит все по полочкам — буду признателен).
Схема подключения генератора:

Генератор был аккуратно разобран:

Из него был удален диодный мост и схема регулятора напряжения, подключены провода к обмоткам генератора, и щеточному узлу катушки возбуждения:

Затем все было собрано аккуратно и стало иметь такой вид:

Скрепка – торчащая из задней крышки генератора, фиксирует подпружиненные щетки в заглубленном состоянии, что позволяет правильно установить заднюю крышку, ничего не сломав. Затем скрепка вытягивается, и щетки упираются в коллектор.

Далее, из имеющегося блока электроусилителя руля, работающего на трехфазный мотор, изымаем блок силовых транзисторов. К сожалению, использовать его как полноценный блок управления трехфазным мотором (BLDC) нельзя.

Поэтому подключим блок силовых транзисторов к имеющейся плате 2CAN (описано ранее), через самодельную плату с драйверами управления транзисторами. А так как лето у нас короткое, то плата сделана самым простым и быстрым проверенным способом лазерной печати и утюга:

Общая схема получилась примерно такая:

Так как на плате 2CAN разведены не все выводы платы и микроконтроллера, пришлось добавить соединений навесным монтажом:

Написана простая программа управления трехфазным двигателем, используя таймер №1.Пока решил не использовать датчики положения ротора, ограничившись только регулировкой частоты вращения и заполнением ШИМ (амплитуду синусоид). Если генератор покажет оптимистичные характеристики, то тогда и усложню схему и программу. Форму напряжения выбрал синусоидальную, коэффициенты для таймера рассчитал простой программой на javascript, (позволяет писать программы в любом текстовом редакторе и запускать на выполнение любым браузером), файл sine.html (в zip) прилагаю ниже.

При открытии его браузером, можно просмотреть значения, и скопировать в буфер обмена:

Такая конструкция получилось в итоге:

Форма результирующего напряжения двух фаз такая (осциллограф двухлучевой к сожалению):

(после простого R-C фильтра для щупа осциллографа), а так без фильтра на прямую:

В качестве источника питания был выбран аккумулятор 12В 7А, через предохранитель 30 Ампер питание подавалось на схему. Обороты генератора, которые меня интересовали, были в пределах от 0 до 420 оборотов в минуту. Исходя из того, что если на шкив генератора надеть колесо диаметром 20 см, и при этом скорость максимальную ограничить в 16км/час. Подключим генератор:

Примитивным способом оценить крутящий момент, развиваемый генератором, решили с помощью поднятия груза, подвешенного за веревку к шкиву генератора.

Далее все расчеты довольно примитивны, и возможно есть ошибки. В качестве груза выбрал две 5-литровых емкости с водой. При диаметре шкива 5,5см, генератор с уверенно поднимал этот груз при 50 % заполнении ШИМ таймера на высоту 50 см за 3 секунды. Ток от аккумулятора составлял порядка 16 Ампер, но и напряжение на нем падало до 11 Вольт (слабоват аккумулятор). Получается, гарантирован крутящий момент примерно 2,75 ньютона на метр, при 3 оборотах в секунду. Сила тяги генератора с колесом диаметром 20см, одетого напрямую на вал, составила бы 12,5 ньютона (условная скорость составила бы примерно 7км/час). Для ребёнка, стоящего на роликах может быть и хватит. Для реализации полной мощности потребовался бы аккумулятор большей емкости, и более толстые провода. Без нагрузки, генератор вращается без подачи тока на катушку возбуждения (как несинхронный трехфазный электродвигатель). По идее, учитывая, что при потребляемой мощности в 176 ватт, получаем мощность на совершение работы, очень примерно оцененной в 16 Ватт, КПД полученного устройства не радует. Даже если удастся увеличить КПД использованием датчиков положения ротора в два -три раза, тяга маловата все таки для взрослого человека. Значительная часть тока тратится на катушку возбуждения, при этом, в зависимости от нагрузки, оборотов и температуры генератора составляет это порядка 5 — 12 Ампер. Да и генератор в родном рабочем режиме крутится на горазбо более высоких оборотах (2100 — 18000 об/мин). Выходить на рабочие токи больше 30 Ампер в схеме посчитал нецелесообразным. Конечно, используя мотор с постоянными магнитами, можно значительно поднять КПД устройства. Но все равно, значительные токи в узлах схемы, при напряжении питания в 12 Вольт, не позволяют добиться приемлемых параметров при длительной работе мотора в тяговом режиме. А перематывать катушки статора генератора под другое напряжение, количество оборотов, делать ротор с неодимовыми магнитами — это уже надо быть сильно мотивированным на это. Практичнее переходить на готовые, относительно легко доступные BLDC моторы для велосипедов, скутеров и т.д. с напряжением 36 Вольт и более. Также был подключен оригинальный двигатель, и это совсем другая тема и возможности:

В автомобильных вентиляторах охлаждения, часто применяются двухфазные электродвигатели с постоянными магнитами, выдавая мощность под 300ватт (но коррозия и большие токи зачастую выводят из строя компактную схему управления, встроенную в мотор).

Других целей больше не было, остался удовлетворенным полученным отрицательным результатом 🙂

Приведу настройки таймера:

А табличные значения получаем как написано выше (редактируем имя распечатываемого на экран массива ) 🙂 Плохо что видео нельзя тут приложить, довольно забавно. Если есть вопросы – без проблем задавайте, пишите 🙂

С уважением, Астанин Сергей, ICQ 164487932.

Добавил сам проект, правда внутри много лишнего осталось от проекта общения по CAN, но мотору не мешает.

Самодельный асинхронный генератор

Для питания бытовых устройств и промышленного оборудования необходим источник электроэнергии. Выработать электрический ток возможно несколькими способами. Но наиболее перспективным и экономически выгодным, на сегодняшний день, является генерация тока электрическими машинами. Самым простым в изготовлении, дешёвым и надёжным в эксплуатации оказался асинхронный генератор, вырабатывающий львиную долю потребляемой нами электроэнергии.

Применение электрических машин этого типа продиктовано их преимуществами. Асинхронные электрогенераторы, в отличие от синхронных генераторов, обеспечивают:

  • более высокую степень надёжности;
  • длительный срок эксплуатации;
  • экономичность;
  • минимальные затраты на обслуживание.

Эти и другие свойства асинхронных генераторов заложены в их конструкции.

Устройство и принцип работы

Главными рабочими частями асинхронного генератора является ротор (подвижная деталь) и статор (неподвижный). На рисунке 1 ротор расположен справа, а статор слева. Обратите внимание на устройство ротора. На нём не видно обмоток из медной проволоки. На самом деле обмотки существуют, но они состоят из алюминиевых стержней короткозамкнутых на кольца, расположенные с двух сторон. На фото стержни видны в виде косых линий.

Конструкция короткозамкнутых обмоток образует, так называемую, «беличью клетку». Пространство внутри этой клетки заполнено стальными пластинами. Если быть точным, то алюминиевые стержни впрессовываются в пазы, проделанные в сердечнике ротора.

Рис. 1. Ротор и статор асинхронного генератора

Асинхронная машина, устройство которой описано выше, называется генератором с короткозамкнутым ротором. Тот, кто знаком с конструкцией асинхронного электродвигателя наверняка заметил схожесть в строении этих двух машин. По сути дела они ничем не отличаются, так как асинхронный генератор и короткозамкнутый электродвигатель практически идентичны, за исключением дополнительных конденсаторов возбуждения, используемых в генераторном режиме.

Ротор расположен на валу, который сидит на подшипниках, зажимаемых с двух сторон крышками. Вся конструкция защищена металлическим корпусом. Генераторы средней и большой мощности требуют охлаждения, поэтому на валу дополнительно устанавливается вентилятор, а сам корпус делают ребристым (см. рис. 2).

Читайте также:  Параметрический домкрат

Рис. 2. Асинхронный генератор в сборе

Принцип действия

По определению, генератором является устройство, преобразующее механическую энергию в электрический ток. При этом не имеет значения, какая энергия используется для вращения ротора: ветровая, потенциальная энергия воды или же внутренняя энергия, преобразуемая турбиной либо ДВС в механическую.

В результате вращения ротора магнитные силовые линии, образованные остаточной намагниченностью стальных пластин, пересекают обмотки статора. В катушках образуется ЭДС, которая, при подсоединении активных нагрузок, приводит к образованию тока в их цепях.

При этом важно, чтобы синхронная скорость вращения вала немного (примерно на 2 – 10%) превышала синхронную частоту переменного тока (задаётся количеством полюсов статора). Другими словами, необходимо обеспечить асинхронность (несовпадение) частоты вращения на величину скольжения ротора.

Следует заметить, что полученный таким образом ток будет небольшим. Чтобы повысить выходную мощность необходимо увеличить магнитную индукцию. Добиваются повышения КПД устройства путём подключения конденсаторов к выводам катушек статора.

На рисунке 3 изображена схема сварочного асинхронного альтернатора с конденсаторным возбуждением (левая часть схемы). Обратите внимание на то, что конденсаторы возбуждения подключены по схеме треугольника. Правая часть рисунка – собственно схема самого инверторного сварочного аппарата.

Рис. 3. Схема сварочного асинхронного генератора

Существуют и другие, более сложные схемы возбуждения, например, с применением катушек индуктивности и батареи конденсаторов. Пример такой схемы показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема устройства с индуктивностями

Отличие от синхронного генератора

Главное отличие синхронного альтернатора от асинхронного генератора в конструкции ротора. В синхронной машине ротор состоит из проволочных обмоток. Для создания магнитной индукции используется автономный источник питания (часто дополнительный маломощный генератор постоянного тока, расположенный на одной оси с ротором).

Преимущество синхронного генератора в том, что он генерирует более качественный ток и легко синхронизируется с другими альтернаторами подобного типа. Однако синхронные альтернаторы более чувствительны к перегрузкам и КЗ. Они дороже от своих асинхронных собратьев и требовательнее в обслуживании – необходимо следить за состоянием щёток.

Коэффициент гармоник или клирфактор асинхронных генераторов ниже, чем у синхронных альтернаторов. То есть они вырабатывают практически чистую электроэнергию. На таких токах устойчивее работают:

  • ИБП;
  • регулируемые зарядные устройства;
  • современные телевизионные приёмники.

Асинхронные генераторы обеспечивают уверенный запуск электромоторов, требующих больших пусковых токов. По этому показателю они, фактически, не уступают синхронным машинам. У них меньше реактивных нагрузок, что положительно сказывается на тепловом режиме, так как меньше энергии расходуется на реактивную мощность. У асинхронного альтернатора лучшая стабильность выходной частоты на разных скоростях вращения ротора.

Классификация

Генераторы короткозамкнутого типа получили наибольшее распространение, ввиду простоты их конструкции. Однако существуют и другие типы асинхронных машин: альтернаторы с фазным ротором и устройства, с применением постоянных магнитов, образующих цепь возбуждения.

На рисунке 5 для сравнения показаны два типа генераторов: слева на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, а справа – асинхронная машина на базе АД с фазным ротором. Даже при беглом взгляде на схематические изображения видно усложнённую конструкцию фазного ротора. Привлекает внимание наличие контактных колец (4) и механизма щёткодержателей (5). Цифрой 3 обозначены пазы для проволочной обмотки, на которую необходимо подать ток для её возбуждения.

Рис. 5. Типы асинхронных генераторов

Наличие обмоток возбуждения в роторе асинхронного генератора повышает качество генерируемого электрического тока, однако при этом теряются такие достоинства как простота и надёжность. Поэтому такие устройства используются в качестве источника автономного питания только в тех сферах, где без них трудно обойтись. Постоянные магниты в роторах применяют в основном для производства маломощных генераторов.

Область применения

Наиболее часто встречается применение генераторных установок с короткозамкнутым ротором. Они недорогие, практически не нуждаются в обслуживании. Устройства, оборудованные пусковыми конденсаторами, обладают приличными показателями КПД.

Асинхронные альтернаторы часто используют в качестве автономного или резервного источника питания. С ними работают переносные бензиновые генераторы, их используют для мощных мобильных и стационарных дизельных генераторов.

Альтернаторы с трёхфазной обмоткой уверенно запускают трехфазный электродвигатель, поэтому часто используются в промышленных энергоустановках. Они также могут питать оборудование в однофазных сетях. Двухфазный режим позволяет экономить топливо ДВС, так как незадействованные обмотки находятся в режиме холостого хода.

Сфера применения довольно обширная:

  • транспортная промышленность;
  • сельское хозяйство;
  • бытовая сфера;
  • медицинские учреждения;

Асинхронные альтернаторы удобны для сооружения локальных ветровых и гидравлических электростанций.

Асинхронный генератор своими руками

Оговоримся сразу: речь пойдёт не об изготовлении генератора с нуля, а о переделывании асинхронного двигателя в альтернатор. Некоторые умельцы используют готовый статор от мотора и экспериментируют с ротором. Идея состоит в том, чтобы с помощью неодимовых магнитов сделать полюса ротора. Примерно так может выглядеть заготовка с наклеенными магнитиками (см. рис. 6):

Рис. 6. Заготовка с наклеенными магнитами

Вы наклеиваете магниты на специально выточенную заготовку, посаженную на валу электродвигателя, соблюдая их полярность и угол сдвига. Для этого потребуется не менее 128 магнитиков.

Готовую конструкцию необходимо подогнать к статору и при этом обеспечить минимальный зазор между зубцами и магнитными полюсами изготовленного ротора. Поскольку магнитики плоские, придётся их шлифовать или обтачивать, при этом постоянно охлаждая конструкцию, так как неодим теряет свои магнитные свойства при высокой температуре. Если вы сделаете всё правильно – генератор заработает.

Проблема состоит в том, что в кустарных условиях очень сложно изготовить идеальный ротор. Но если у вас есть токарный станок и вы готовы потратить несколько недель на подгонку и доработки – можете поэкспериментировать.

Я предлагаю более практичный вариант – превращение асинхронного двигателя в генератор (смотрите видео ниже). Для этого вам понадобится электромотор с подходящей мощностью и приемлемой частотой вращения ротора. Мощность двигателя должна быть минимум на 50% выше от требуемой мощности альтернатора. Если такой электромотор есть в вашем распоряжении – приступайте к переработке. В противном случае лучше купить готовый генератор.

Для переработки вам потребуется 3 конденсатора марки КБГ-МН, МБГО, МБГТ (можно брать другие марки, но не электролитические). Конденсаторы подбирайте на напряжение не менее 600 В (для трёхфазного двигателя). Реактивная мощность генератора Q связанная с емкостью конденсатора следующей зависимостью: Q = 0,314·U 2 ·C·10 -6 .

При увеличении нагрузки возрастает реактивная мощность, а значит, для поддержания стабильного напряжения U необходимо увеличивать ёмкость конденсаторов, добавляя новые ёмкости путём коммутации.

Видео: делаем асинхронный генератор из однофазного двигателя – Часть 1

Асинхронный генератор

Все известные виды генераторных устройств по особенностям своей работы делятся на синхронные и асинхронные машины, причем наибольшее распространение получила именно последняя разновидность. Их конструкция и принцип действия аналогичны асинхронным двигателям, но преобразование энергии в генераторе происходит в обратном направлении (из механической в электрический её вид). С тем, как выглядит асинхронный генератор в натуре, можно ознакомиться на рисунке ниже.

Подобно двигателям асинхронного типа, включённым в реверсном режиме (на торможение), при генерации энергии наблюдается примерно тот же эффект, приводящий к её частичному рассеиванию в виде тепла. Из этого следует, что КПД такого устройства сравнительно невелико.

Принцип работы

Хорошо усвоить принцип работы асинхронного механизма поможет предварительное ознакомление с основами функционирования генераторных машин синхронного типа. Дело в том, что синхронные и асинхронные генераторы по своему устройству и способу действия очень схожи и отличаются лишь небольшими деталями (конструкцией вращающегося ротора, в частности).

В механизмах первого класса используется ротор с размещёнными на нем постоянными магнитами. При его вращении от механического привода магнитные элементы наводят в статоре меняющееся по величине и направлению э/м поле, обеспечивающее протекание переменного тока в подключённой к его зажимам нагрузке. При этом сам ротор вращается без рассогласования с создаваемой им в катушках ЭДС (синфазно с ней).

В отличие от синхронных машин, асинхронный генератор характеризуется наличием небольшого отставания вращения роторного элемента устройства по отношению к наводимому в статоре электромагнитному полю. Последнее как бы тормозит его движение, что принято называть «эффектом скольжения».

Обратите внимание! Указанное явление объясняется особенностью конструкции ротора АГ, изготавливаемого в виде короткозамкнутой цельной решётки (так называемого «беличьего колеса»). Её внешний вид приводится на фото ниже.

При вращении приводного вала под воздействием внешнего механического импульса (от двигателя внутреннего сгорания, например) за счёт остаточного магнетизма статора в решётке такого ротора наводится собственная ЭДС. Вследствие этого оба поля (и подвижное, и неподвижное) начинают взаимодействовать друг с другом в динамическом режиме.

Поскольку поле в обмотках ротора наводится с задержкой относительно неподвижного статора генератора, он несколько отстаёт от наводимого в ней э/м поля (то есть вращается асинхронно).

Возможность управления

Ещё одной особенностью синхронного генератора (как, впрочем, и асинхронного) является то, что частота и амплитуда наводимой на зажимах статора ЭДС существенно зависит от скорости вращения ротора.

Важно! С изменением подключённой к генератору активной нагрузки пропорционально ей меняется и частота вращения вала генератора, что приводит к изменению характеристик создаваемой в статоре ЭДС.

Указанный недостаток вынуждает устанавливать в устройствах синхронного и асинхронного типа электронный регулятор напряжения и частоты, обеспечивающий поддержание этих параметров на должном уровне (схема регулятора приводится ниже).

Поскольку асинхронный генератор работает по принципу рассогласованного вращения полей подвижной и неподвижной части, обеспечить регулирование выходных параметров внутри системы не удаётся. Это объясняется невозможностью организовать мгновенную обратную связь по напряжению путём подачи части выходного сигнала со статора на ротор (в АГ могут применяться лишь внешние стабилизаторы напряжения).

Читайте также:  Дом питает солнце. Монтаж солнечных батарей

В этом заключается ещё одно отличие асинхронных агрегатов от их синхронных аналогов, которые по всем остальным характеристикам очень схожи с первыми.

Преимущества и области применения

К числу достоинств асинхронных генераторов относят следующие их свойства:

  • АГ устойчивы к перегрузкам и КЗ, а также имеют сравнительно простую конструкцию (этим они отличаются от более сложных в исполнении синхронных машин);
  • Показатель нелинейных искажений синусоиды у них не превышает 2-х процентов (сравните 15 % у их синхронных аналогов);
  • Благодаря низкому значению клирфактора, асинхронные устройства гарантируют высокую устойчивость работы подключённых к ним БИП и ТВ приёмников;
  • При электропитании сварочного оборудования они обеспечивают существенное улучшение качества сварки;
  • Для стабилизации выходного напряжения в них могут применяться внешние устройства автоматического регулирования;
  • Роторы АГ при вращении выделяют ограниченное количество тепла, для компенсации которого не требуется мощных вентиляторных устройств.

Последнее свойство позволяет надёжно герметизировать внутреннюю полость агрегата, то есть защитить её от проникновения пыли и грязи. Благодаря этому обстоятельству существенно расширяется сфера применения асинхронных машин, способных работать в условиях большой запыленности и повышенной влажности.

Возможность герметизации способствует тому, что электрогенераторы асинхронного типа имеют больший показатель по сроку службы и могут эксплуатироваться при пониженных температурах. Добавим к этому, что к каждой из фазных обмоток этих агрегатов допускается подключать нагрузки различной мощности.

Дополнительная информация. Допустимый показатель неравномерности фазных нагрузок (разница потребляемых ими токов) составляет для АГ порядка 70%, что невозможно реализовать при работе с синхронными агрегатами.

К легко устранимому в процессе эксплуатации недостатку следует отнести довольно «тяжелые» пусковые характеристики генератора, что удаётся исправить за счёт установки в них специальных стартовых усилителей (рисунок далее по тексту).

Указанные устройства обеспечивают возможность плавного вывода генератора в рабочий режим даже при значительных по величине пусковых токах.

Во всём остальном АГ обладают бесспорными преимуществами над синхронными машинами, некоторые различия с которыми были рассмотрены ранее. Благодаря этим достоинствам, они широко применяются в качестве источников электроэнергии в следующих хозяйственных областях:

  • Для энергоснабжения оборудования с реостатным или рекуперативным режимом торможения (подъёмные краны, транспортёры и тому подобное);
  • В промышленном оборудовании, не нуждающемся в компенсации паразитной реактивной мощности и к которому не предъявляют высоких требований по качеству поставляемой энергии;
  • В бытовых и полевых условиях, где требуются источники дешёвой электроэнергии с механическим приводом от дизельного двигателя;
  • В качестве мощного зарядного устройства, обеспечивающего подзарядку АКБ в автомастерских, например.

Помимо этого, они могут использоваться как источники электроснабжения, к которым подключаются сварочные агрегаты, а также для обеспечения бесперебойного питания особо важных объектов здравоохранения.

Виды асинхронных машин

Различные виды АГ могут отличаться по следующим рабочим характеристикам:

  • Типом вращающейся части генерирующего устройства – его ротора;
  • Количеством выходных или статорных обмоток в генераторе (числом рабочих фаз);
  • Схемой включения катушек трехфазного генератора – треугольником или звездой, а также способом их размещения и укладки на полюсах статора (фото ниже);

  • Наличием или отсутствием отдельной обмотки возбуждения.

В соответствие с первым из этих признаков, все известные разновидности АГ оснащаются короткозамкнутым или фазным ротором. Первый из них изготавливается в виде цельной конструкции цилиндрической формы, состоящей из отдельных штырей с двумя замыкающими их кольцами (типа «беличье колесо»).

Фазный ротор, в отличие от своего короткозамкнутого аналога, имеет индуктивную обмотку из изолированного провода, обеспечивающую создание динамического электромагнитного поля. Из-за особенностей своей конструкции такой ротор имеет высокую стоимость изготовления и нуждается в специализированном обслуживании.

Выходные обмотки статора, как и весь генератор, могут быть однофазными или трехфазными, что определяется непосредственным назначением данного агрегата (когда требуется источник напряжения 220 или 380 Вольт). Относительно первого из этих исполнений всё достаточно ясно, а вот у трехфазной модификации АГ имеется ещё одна особенность, касающаяся электрической схемы включения обмоток.

Известно, что для формирования любой трехфазной питающей сети в электротехнике применяются два вида включения обмоток, смещённых в векторном представлении одна относительно другой на 120 градусов. Это:

  • Включение звездой, когда начала катушек соединены в одной точке, где формируется нулевая жила, а их концы расходятся по трём линиям питания (вместе с нулевым проводом их получается четыре, как это указано на фото ниже);

  • Подсоединение по схеме «треугольник», при котором конец одной катушки соединяется с началом второй и так далее до полного замыкания цепочки. Второй вариант включения используется в 3-х проводных линиях энергоснабжения, поскольку в этой схеме отсутствует нулевой провод.

В каждом изделии АГ подключение по той или иной схеме реализуется вполне конкретными способами, позволяющими поместить провода всех обмоток статора между полюсами его сердечника. Они наматываются таким образом, чтобы каждая секция фазных катушек A, B и C была сдвинута по окружности одна относительно другой точно на 120 градусов.

В заключение обзора генераторных устройств обратим внимание на возможность изготовления АГ из асинхронного двигателя. Подобная перспектива появляется, благодаря известному принципу обратимости действия электрических машин, согласно которому направление преобразования энергии может выбираться произвольно.

Видео

Описание генераторного режима асинхронного двигателя

Устройство представляет собой модель, которая с помощью переменного напряжения может воспроизводить электроэнергию. Генераторный режим асинхронного двигателя включает в себя две активные обмотки, благодаря которым запускается функционал устройства. Это обмотка возбуждения и статорный вариант.

Схема работы

Асинхронный генератор считается одним из наиболее простых и надёжных в плане эксплуатации. Процесс работы выглядит следующим образом:

  • В якорной обмотке с помощью напряжения, что идёт от аккумулятора, создаётся магнитное поле.
  • Вращение элементов поля можно организовать своими руками или же автоматизировать процесс с помощью использования реле.
  • Скорость магнитного поля позволяет вырабатывать электромагнитную индукцию, что провоцирует возникновение электричества.

Из-за наличия внутри оборудования короткозамкнутого ротора не все схемы имеют возможность обеспечивать обмотку напряжением. Поэтому даже в случае активного вращения вала клемы будут обесточены.

Составляющие элементы

Генератор из асинхронного двигателя своими руками 220 В создать несложно, но предварительно нужно понять, какие детали входят в механизм. Даже простые модели требуют нужных элементов для воссоздания электричества. Стандартный асинхронный двигатель включает в себя:

  • Статор из сетевой обмотки на три фазы. Они размещаются по его рабочей поверхности в виде намотки.
  • Обмотку, напоминающую звезду и состоящую из контактных колец, что имеют выход к ротору.
  • Щётки, которые не совершают по факту никакой работы, но способствуют включению реостата. Такое приспособление влияет на функциональность обмотки и изменяет параметры её сопротивления.
  • Иногда в механизме может быть встроен специальный автоматический короткозамыкатель, который может закоротить обмотку и остановить элемент реостата, даже если деталь пребывает в работе.

В стадии замыкания щёток и контактных колец могут включаться дополнительно элементы для их разводки. Не все генераторы оснащены такими деталями, приспособление можно увидеть у новых моделей.

Секреты и тонкости

Чтобы сделать асинхронный двигатель в режиме генератора нужно не только изучить модель устройства, но и подобрать нужные элементы. Специалисты советуют использовать неполярные батареи конденсаторного типа, поскольку электролитические элементы в данную схему не вписываются.

Трёхфазный тип запускает детали конденсаторов с помощью звезды. Это даёт возможность запустить генеративный процесс с небольшими оборотами ротора, но такой способ негативно сказывается на выходе напряжения.

Можно создать генератор, используя и однофазный механизм, но это только в случае, если имеются короткозамкнутые роторы. Нельзя использовать для переделки под генератор коллекторный тип двигателей, поскольку их мощность слишком высока для такого механизма. В домашних условиях узнать о ёмкости батареи конденсаторного типа нельзя. Это стоит учитывать в процессе переделки.

Узнать, подходит ли батарея для генератора можно исходя из её веса. Тяжесть детали должна быть равной электродвигателю.

Процесс изготовления

Для этой цели может использоваться механизм из бытовой техники, например, со стиральной машинки. Сначала снимается верхний слой из сердечника двигателя, чтобы открылся доступ ко всем составляющим элементам. После этого по всему сердечнику нужно проделать дополнительные отверстия и сделать небольшое углубление.

Из ротора снимаются размеры и создаётся шаблон в виде полосы, соответствующий реальным параметрам механизма. На каждый полюс образовавшегося пространства нужно прикрепить неодимовой магнит. Для процесса может потребоваться от 8 до 10 магнитов.

Зафиксировать магниты лучше суперклеем, но можно применять и другие варианты из доступных подручных средств. Для герметизации устройства ротор можно обернуть бумагой и залепить торцовую часть пластилином.

Свободные места между магнитами нужно обработать используя эпоксидную смолу. Поле того, как заливка высохнет, можно снять бумажную оболочку, в которую и заливалась смесь. После этого начинается этап шлифовки поверхности ротора. Деталь нужно зафиксировать в тиски. Далее, определяется состояние проводов и происходит тестирование созданного генератора.

Процесс преобразования асинхронного двигателя в генератор такого же типа завершён. Применять устройство можно в разных вариантах работ.

Что касается оценки уровня эффективности, то генератор из трёхфазного двигателя в этом плане ничем не отличается от асинхронного типа. Одним из плюсов первого варианта является наличие конденсаторной батареи, улучшающей процесс работы генератора и по своей структуре считающейся одним из наиболее сложных технических элементов устройства.

Ссылка на основную публикацию