Для обеспечения бесперебойного электроснабжения дома используют генераторы переменного тока, приводимые во вращение дизельными или карбюраторными двигателями внутреннего сгорания. Но из курса электротехники известно, что любой электродвигатель обратим: он также способен и вырабатывать электроэнергию. Можно ли сделать генератор из асинхронного двигателя своими руками, если он и двигатель внутреннего сгорания уже имеются? Ведь тогда не потребуется покупка дорогой электростанции, а можно будет обойтись подручными средствами.
Асинхронный электродвигатель включает в себя две основные детали: неподвижный статор и вращающегося внутри него ротор. Ротор вращается на подшипниках, закрепленных в съемных торцевых частях. Ротор и статор содержат электрические обмотки, витки которых уложены в пазы.
Статорная обмотка подключается к сети переменного тока, однофазной или трехфазной. Металлическая часть статора, куда она уложена, называется магнитопроводом. Он выполнен из отдельных тонких пластин с покрытием, изолирующих их друг от друга. Этим исключается появление вихревых токов, делающих работу электродвигателя невозможной из-за возникновения чрезмерных потерь на нагрев магнитопровода.
Выводы от обмоток всех трех фаз располагаются в специальном боксе на корпусе электродвигателя. Его называют барно, в нем выводы обмоток соединяются между собой. В зависимости от питающего напряжения и технических данных мотора выводы объединяются либо в звезду, либо в треугольник.
Обмотка ротора любого асинхронного электродвигателя похожа на «беличью клетку», так ее и называют. Она выполнена в виде ряда токопроводящих алюминиевых стержней, рассредоточенных по наружной поверхности ротора. Концы стержней замкнуты, поэтому такой ротор называют короткозамкнутым.
Обмотка, как и статорная, расположена внутри магнитопровода, также набранного из изолированных металлических пластин.
При подключении питающего напряжения к статору по виткам обмотки протекает ток. Он создает внутри магнитное поле. Поскольку ток переменный, то поле изменяется в соответствии с формой питающего напряжения. Расположение обмоток в пространстве выполнено так, что поле внутри него оказывается вращающимся.
В обмотке ротора вращающееся поле наводит ЭДС. А раз витки обмотки накоротко замкнуты, то в них появляется ток. Он взаимодействует с полем статора, это приводит к появлению вращения вала электродвигателя.
Электродвигатель называют асинхронным, потому что поле статора и ротор вертятся с разными скоростями. Эта разница скоростей называется скольжением (S).
где:
n – частота магнитного поля;
nr – частота вращения ротора.
Чтобы регулировать скорость вала в широких пределах, асинхронные электродвигатели выполняют с фазным ротором. На таком роторе намотаны смещенные в пространстве обмотки, такие же, как и на статоре. Концы от них выведены на кольца, с помощью щеточного аппарата к ним подключаются резисторы. Чем большее сопротивление подключить к фазному ротору, тем меньше будет скорость его вращения.
А что будет, если ротор асинхронного электродвигателя вращать? Сможет ли он вырабатывать электроэнергию, и как сделать генератор из асинхронного двигателя?
Оказывается, это возможно. Для того, чтобы на обмотке статора появилось напряжение, изначально необходимо создать вращающееся магнитное поле. Оно появляется за счет остаточной намагниченности ротора электрической машины. В дальнейшем, при появлении тока нагрузки, сила магнитного поля ротора достигает требуемой величины и стабилизируется.
Для облегчения процесса появления напряжения на выходе используется батарея конденсаторов, подключаемая к статору асинхронного генератора на момент запуска (конденсаторное возбуждение).
Но остается неизменным параметр, свойственный асинхронному электродвигателю: величина скольжения. Из-за него частота выходного напряжения асинхронного генератора будет меньшей, чем частота вращения вала.
Кстати, вал асинхронного генератора необходимо вращать с такой скоростью, чтобы была достигнута номинальная частота вращения поля статора электродвигателя. Для этого нужно узнать скорость вращения вала из таблички, расположенной на корпусе. Округлив ее значение до ближайшего целого числа, получают скорость вращения для ротора переделываемого в генератор электродвигателя.
Например, для электродвигателя, табличка которого изображена на фото, скорость вращения вала равна 950 оборотов в минуту. Значит, скорость вращения вала должна быть 1000 оборотов в минуту.
Насколько хорош будет самодельный генератор из асинхронного двигателя? Чем он будет отличаться от синхронного генератора?
Для ответа на эти вопросы кратко напомним принцип работы синхронного генератора. Через контактные кольца к обмотке ротора подводится постоянный ток, величина которого регулируется. Вращающееся поле ротора создает в обмотке статора ЭДС. Для получения требуемой величины напряжения генерации автоматическая система регулировки возбуждения изменит ток в роторе. Поскольку за напряжением на выходе генератора следит автоматика, то в результате непрерывного процесса регулирования напряжение всегда остается неизменным и не зависит от величины тока нагрузки.
Для запуска и работы синхронных генераторов используются независимые источники питания (аккумуляторные батареи). Поэтому начало его работы не зависит ни от появления тока нагрузки на выходе, ни от достижения требуемой скорости вращения. От скорости вращения зависит только частота выходного напряжения.
Но даже при получении тока возбуждения от генераторного напряжения все сказанное выше остается справедливым.
Синхронный генератор имеет еще одну особенность: он способен генерировать не только активную, но и реактивную мощность. Это очень важно при питании потребляющих ее электродвигателей, трансформаторов и прочих агрегатов. Недостаток реактивной мощности в сети приводит к росту потерь на нагрев проводников, обмоток электрических машин, снижении величины напряжения у потребителей относительно генерируемой величины.
Для возбуждения же асинхронного генератора используется остаточная намагниченность его ротора, что само по себе является величиной случайной. Регулирование параметров, влияющих на величину его выходного напряжения, в процессе работы не представляется возможным.
К тому же асинхронный генератор не вырабатывает, а потребляет реактивную мощность. Она необходима ему для создания тока возбуждения в роторе. Вспомним про конденсаторное возбуждение: за счет подключения батареи конденсаторов при запуске создается реактивная мощность, требуемая генератору для начала работы.
В результате напряжение на выходе асинхронного генератора не стабильно и изменяется в зависимости от характера нагрузки. При подключении к нему большого числа потребителей реактивной мощности обмотка статора может перегреваться, что скажется на сроке службы ее изоляции.
Поэтому применение асинхронного генератора ограничено. Он может работать в условиях, близким к «парниковым»: никаких перегрузок, пусковых токов нагрузки, мощных потребителей реактива. И при этом электроприемники, подключенные к нему, не должны быть критичными к изменению величины и частоты напряжения питания.
Идеальным местом для применения асинхронного генератора являются системы альтернативной энергетики, работающие от энергии воды или ветра. В этих устройствах генератор не снабжает потребителя напрямую, а заряжает аккумуляторную батарею. От нее уже, через преобразователь постоянного тока в переменный, питается нагрузка.
Поэтому, если нужно собрать ветряк или небольшую гидроэлектростанцию, лучшим выходом из положения является именно асинхронный генератор. Здесь работает его главное и единственное достоинство – простота конструкции. Отсутствие колец на роторе и щеточного аппарата приводит к тому, что в процессе эксплуатации его не нужно постоянно обслуживать: чистить кольца, менять щетки, удалять графитовую пыль от них. Ведь, чтобы сделать ветрогенератор из асинхронного двигателя своими руками, вал генератора напрямую нужно соединить с лопастями ветряка. Значит – конструкция будет находиться на большой высоте. Снимать ее оттуда хлопотно.
А почему магнитное поле нужно обязательно создавать с помощью электрического тока? Ведь есть же мощные его источники – неодимовые магниты.
Для переделки асинхронного двигателя в генератор потребуются цилиндрические неодимовые магниты, которые будут установлены на место штатных проводников обмотки ротора. Сначала нужно подсчитать необходимое количество магнитов. Для этого извлекают ротор из переделываемого в генератор двигателя. На нем четко видны места, в которых уложена обмотка «беличьего колеса». Размеры (диаметр) магнитов выбирается таким, чтобы при установке строго по центру проводников короткозамкнутой обмотки они не соприкасались с магнитами следующего ряда. Между рядами должен остаться зазор не менее, чем диаметр применяемого магнита.
Определившись с диаметром, вычисляют, сколько магнитов поместится по длине проводника обмотки от одного края ротора до другого. Между ними при этом оставляют зазор не менее одного – двух миллиметров. Умножая количество магнитов в ряду, на число рядов (проводников обмотки ротора), получают требуемое их количество. Высоту магнитов не стоит выбирать очень большой.
Для установки магнитов на ротор асинхронного электродвигателя его потребуется доработать: снять на токарном станке слой металла на глубину, соответствующую высоте магнита. При этом ротор обязательно нужно тщательно отцентровать в станке, чтобы не сбить его балансировку. Иначе у него появится смещение центра масс, которое приведет к биению в работе.
Затем приступают к установке магнитов на поверхность ротора. Для фиксации используют клей. У любого магнита есть два полюса, условно называемые северным и южным. В пределах одного ряда полюса, расположенные в сторону от ротора, должны быть одинаковыми. Чтобы не ошибиться в установке, магниты сначала сцепляют между собой в гирлянду. Они сцепятся строго определенным образом, так как притягиваются они друг к другу только разноименными полюсами. Теперь остается только отметить одноименные полюса маркером.
В каждом последующем ряду полюс, находящийся снаружи, изменяется. То есть, если вы выложили ряд магнитов с отмеченным маркером полюсом, расположенным наружу от ротора, то следующий выкладывается магнитами, развернутыми наоборот. И так далее.
После приклеивания магнитов их нужно зафиксировать эпоксидной смолой, Для этого вокруг получившийся конструкции из картона или плотной бумаги делают шаблон, в который зальется смола. Бумагу оборачивают вокруг ротора, обматывают скотчем или изолентой. Одну из торцевых частей замазывают пластилином или также заклеивают. Затем устанавливают ротор вертикально и заливают в полость между бумагой и металлом эпоксидную смолу. После ее отвердевания приспособления удаляют.
Теперь снова зажимаем ротор в токарный станок, центруем, и шлифуем поверхность, залитую эпоксидкой. Это необходимо не из эстетических соображений, а для минимизации влияния возможной разбалансировки, образовавшейся из-за дополнительных деталей, установленных на ротор.
Шлифовку производят сначала крупнозернистой наждачной бумагой. Ее крепят на деревянном бруске, который затем равномерно перемещают по вращающейся поверхности. Затем можно применить наждачную бумагу с более мелким зерном.
(АГ) является наиболее распространенной электрической машиной переменного тока, применяемой преимущественно в качестве двигателя. 
Только низковольтные АГ (до 500 В питающего напряжения) мощностью от 0,12 до 400 кВт потребляют более 40% всей вырабатываемой в мире электроэнергии, а годовой их выпуск составляет сотни миллионов, покрывая самые разнообразные потребности промышленного и сельскохозяйственного производства, судовых, авиационных и транспортных систем, систем автоматики, военной и специальной техники.
Эти двигатели сравнительно просты по конструкции, весьма надежны в эксплуатации, имеют достаточно высокие энергетические показатели и невысокую стоимость. Именно поэтому непрерывно расширяется сфера использования асинхронных двигателей как в новых областях техники, так и взамен более сложных электрических машин различных конструкций.
Например, значительный интерес в последние годы вызывает применение асинхронных двигателей в генераторном режиме для обеспечения питанием как потребителей трехфазного тока, так и потребителей постоянного тока через выпрямительные устройства. В системах автоматического управления, в следящем электроприводе, в вычислительных устройствах широко применяются асинхронные тахогенераторы с короткозамкнутым ротором для преобразования угловой скорости в электрический сигнал.
В определенных условиях эксплуатации автономных источников электроэнергии применение асинхронный режим генератора
оказывается предпочтительным или даже единственно возможным решением, как, например, в высокоскоростных передвижных электростанциях с безредукторным газотурбинным приводом с частотой вращения п = (9…15)10 3 об/мин. В работе описан АГ с массивным ферромагнитным ротором мощностью 1500 кВт при п = =12000 об/мин, предназначенный для автономного сварочного комплекса «Север». В данном случае массивный ротор с продольными пазами прямоугольного сечения не содержит обмоток и выполняется из цельной стальной поковки, что дает возможность непосредственного сочленения ротора двигателя в генераторном режиме с газотурбинным приводом при окружной скорости на поверхности ротора до 400 м/с. Для ротора с шихтованным сердечником и к.з. обмоткой типа «беличья клетка» допустимая окружная скорость не превышает 200 - 220 м/с.
Другим примером эффективного применения асинхронного двигателя в генераторном режиме является давнее их использование в мини-ГЭС при устойчивом режиме нагрузки.
Отличаются простотой эксплуатации и обслуживания, легко включаются на параллельную работу, а форма кривой выходного напряжения у них ближе к синусоидальной, чем у СГ при работе на одну и ту же нагрузку. Кроме того, масса АГ мощностью 5-100 кВт примерно в 1,3 — 1,5 раза меньше массы СГ такой же мощности и они несут меньший объем обмоточных материалов. При этом в конструктивном отношении они ничем не отличаются от обычных АД и возможно их серийное производство на электромашиностроительных заводах, выпускающих асинхронные машины.
Один из недостатков АД - это то, что они являются потребителями значительной реактивной мощности (50% и более от полной мощности), необходимой для создания магнитного поля в машине, которая должна поступать из при параллельной работе асинхронного двигателя в генераторном режиме с сетью или от другого источника реактивной мощности (батарея конденсаторов (БК) или синхронный компенсатор (СК)) при автономной работе АГ. В последнем случае наиболее эффективно включение батареи конденсаторов в цепь статора параллельно нагрузке хотя в принципе возможно ее включение в цепь ротора. Для улучшения эксплуатационных свойств асинхронного режима генератора в цепь статора дополнительно могут включаться конденсаторы последовательно или параллельно с нагрузкой.
Во всех случаях автономной работы асинхронного двигателя в генераторном режиме источники реактивной мощности (БК или СК) должны обеспечивать реактивной мощностью как АГ, так и нагрузку, имеющую, как правило, реактивную (индуктивную) составляющую (соsφ н < 1, соsφ н > 0).
Масса и размеры конденсаторной батареи или синхронного компенсатора могут превосходить массу асинхронного генератора и только при соsφ н =1 (чисто активная нагрузка) размеры СК и масса БК сопоставимы с размером и массой АГ.
Другой, наиболее сложной проблемой является проблема стабилизации напряжения и частоты автономно работающего АГ, имеющего «мягкую» внешнюю характеристику.
При использовании асинхронного режима генератора в составе автономной эта проблема осложняется еще и нестабильностью частоты вращения ротора. Возможные и применяемые в настоящее способы регулирования напряжения асинхронном режиме генератора.
При проектировании АГ для оптимизационные расчеты следует вести по максимуму КПД в широком диапазоне изменения частоты вращения и нагрузки, а также по минимуму затрат с учетом всей схемы управления и регулирования. Конструкция генераторов должна учитывать климатические условия работы ВЭУ, постоянно действующие механические усилия на элементы конструкции и особенно — мощные электродинамические и термические воздействия при переходных процессах, которые возникают при пусках, перерывах питания, выпадении из синхронизма, коротких замыканиях и других, а также при значительных порывах ветра.
Устройство асинхронной машины с короткозамкнутым ротором показано на примере двигателя серии АМ (рис. 5.1).
Основными частями АД являются неподвижный статор 10 и вращающийся внутри него ротор, отделенный от статора воздушным зазором. Для уменьшения вихревых токов сердечники ротора и статора набираются из отдельных листов, отштампованных из электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Листы оксидируются (подвергаются термической обработке), что увеличивает их поверхностное сопротивление.
Сердечник статора встраивается в станину 12, являющуюся внешней частью машины. На внутренней поверхности сердечника имеются пазы, в которых уложена обмотка 14. Статорную обмотку чаще всего делают трехфазной двухслойной из отдельных катушек с укороченным шагом из изолированного медного провода. Начала и концы фаз обмотки выводят на зажимы коробки выводов и обозначают так:
начала - СС2, С 3 ;
концы - С 4, С5, Сб.
Обмотку статора можно соединить звездой (У) или треугольником (Д). Это дает возможность применять один и тот же двигатель при двух различных линейных напряжениях, находящихся в отношении например, 127/220 В или 220/380 В. При этом соединению У соответствует включение АД на высшее напряжение.
Сердечник ротора в собранном виде запрессовывается на вал 15 горячей посадкой и предохраняется от проворачивания при помощи шпонки. На внешней поверхности сердечник ротора имеет пазы для укладки обмотки 13. Обмотка ротора в наиболее распространенных АД представляет собой ряд медных или алюминиевых стержней, расположенных в пазах и замкнутых по торцам кольцами. В двигателях мощностью до 100 кВт и более обмотка ротора выполняется заливкой пазов расплавленным алюминием под давлением. Одновременно с обмоткой отливаются и замыкающие кольца вместе с вентиляционными крылатками 9. По форме такая обмотка напоминает «беличью клетку».
Для специальных асинхронных двигателях обмотка ротора может выполняться подобно статорной. Ротор с такой обмоткой помимо указанных частей имеет три укрепленных на валу контактных кольца, предназначенных для соединения обмотки с внешней цепью. АД в этом случае называется двигателем с фазным ротором или с контактными кольцами.
Вал ротора 15 объединяет все элементы ротора и служит для соединения асинхронного двигателя с исполнительным механизмом.
Воздушный зазор между ротором и статором составляет от 0,4 — 0,6 мм для машин малой мощности и до 1,5 мм у машин большой мощности. Подшипниковые щиты 4 и 16 двигателя служат опорой для подшипников ротора. Охлаждение асинхронного двигателя осуществляется по принципу самообдува вентилятором 5. Подшипники 2 и 3 закрыты снаружи крышками 1 , имеющими лабиринтовые уплотнения. На корпусе статора устанавливается коробка 21с выводами 20 обмотки статора. На корпусе укрепляется табличка 17, на которой указываются основные данные АД. На рис.5.1 обозначено также: 6 — посадочное гнездо щита; 7 — кожух; 8 — корпус; 18 — лапа; 19 - вентиляционный канал.
Не всегда покупка заводского генератора является целесообразной. Иногда проще использовать подручные материалы и инструменты, чтобы сделать его самостоятельно. Устройства мощностью до 1 кВт будет достаточно для подключения уличного освещения на даче или любых других бытовых приборов. Можно соорудить такой генератор из асинхронного двигателя.
Изготовление асинхронного генератора своими руками дает множество преимуществ. Это бесплатный источник электричества, который можно использовать в разных целях. К тому же сделать такую работу может даже начинающий мастер.
Конструктивно схема электрогенератора будет состоять из нескольких ключевых элементов:
Принцип работы самодельных генераторов переменного тока на 220 В ничем не отличается от устройств, которые применяются в промышленных целях. И те и другие перерабатывают кинетическую энергию в электрическую.
В конструкциях, изготовленных своими руками, сила ветра крутит ветряк, который закреплён на роторе. Таким образом, кинетическая энергия передаётся генератору. Он и производит электроэнергию. В качестве генератора зачастую используется переделанный асинхронный двигатель.
Вырабатываемая генератором электроэнергия передаётся в аккумуляторы. Последние должны оснащаться модулем контроля заряда. Из аккумуляторов электроэнергия поступает в инвертор постоянного напряжения. Таким образом, можно создать переменное напряжение. Оно будет подходить для использования в бытовых целях, то есть с параметрами 220 В и 50 Гц.
Чтобы преобразовать переменное напряжение в постоянное, необходимо установить специальный контроллер. Именно благодаря ему аккумуляторы заряжаются. Иногда инверторы могут выполнять функцию источника бесперебойного питания. То есть в случае отсутствия централизованного электричества или перебоев в его работе асинхронный генератор переменного тока можно использовать для бытовых целей, питания различных приборов, работающих на 220 В.
Для изготовления мотора-генератора своими руками достаточно иметь антисинхронный двигатель. Остальные материалы можно найти в хозяйстве или на специализированных рынках радиотехники.
Могут понадобиться такие инструменты и материалы:
Сначала необходимо определиться с желаемым итоговым результатом. Характеристики электродвигателя, выполняющего роль генератора, могут быть разными, и от этого зависит, сколько электроэнергии устройство будет вырабатывать за единицу времени.
Для производства среднего количества энергии генератор должен иметь приблизительно такие характеристики:
Как правило, для изготовления ветро генератора из асинхронного двигателя своими руками применяется ветряк с тремя лопастями , которые в диаметре достигают двух метров. Если увеличить количество лопастей или их длину, то улучшение характеристик не произойдёт. Перед тем как выбирать модификацию устройства, тип, характеристики, габариты, необходимо осуществить правильный расчёт.
Подключать к электросети каждый из приборов нужно в определённом порядке. Сначала идут аккумуляторы, а потом уже и ветрогенератор. Вращаться вал электромотора может либо горизонтально, либо вертикально. Как правило, устанавливают в вертикальном положении, это связано с конструктивными особенностями. Для обеспечения защиты от влаги генератор оборудуют прокладками или колпаком.
Для установки мачты необходимо выбрать открытое место, где будет максимальное количество ветров. Высота монтажа генераторного устройства должна быть достаточно большой. Переделанный асинхронник в идеальном варианте устанавливается на высоте 15 метров, но на практике мачты более 7 метров никто не использует.
В качестве основного источника электрического питания дома устройство лучше не использовать. Такое тихоходное устройство следует устанавливать для страховки от ситуаций с перебоями в электричестве или для экономии семейного бюджета, поскольку счёт за централизованную подачу существенно уменьшается.
Стоит отметить, что установки подобного типа можно использовать не во всех регионах. Минимальная скорость ветра для целесообразности использования должна постоянно держаться на отметке 7 метров за секунду. Если этот показатель меньше, то и электроэнергии будет вырабатываться очень мало.
Перед установкой проводятся необходимые расчёты. В некоторых ситуациях могут возникнуть сложности с обработкой узлов асинхронного движка. Ветряк нельзя изготовить без соответствующих модулей, а также проведения предварительных испытаний устройства. Подключение такого оборудования осуществить невозможно.
Конечно, можно купить асинхронный генератор заводского производства, но вариант самостоятельного изготовления значительно экономнее и не занимает много времени. В процессе не должно возникнуть никаких сложностей даже у неопытного человека.
Для переделки коллекторного двигателя переменного тока необходимо подготовить некоторые инструменты. Выполнять работу нужно с учётом определённых правил:
Генератор можно взять и с других устройств, к примеру, от автомобиля ВАЗ. После этого требуется переходить к его монтажу на мачту. Следует помнить, что в случае использования ротора, работающего в короткозамкнутом режиме, устройство будет вырабатывать ток с высоким напряжением.
Для получения 220 вольт следует оснастить устройство понижающим трансформатором. Устройство не нужно подключать к электросети, поскольку оно работает по методу самозапитки.
Таким образом, сделать генератор из асинхронного двигателя не является сложной задачей даже для начинающего мастера. Если учесть все возможности устройства, то можно сделать вывод, что в определённых ситуациях оно поможет с перебоями электричества, а при установлении очень мощного ветрогенератора будет основным источником энергии в доме.
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 , обеспечивают:
Эти и другие свойства асинхронных генераторов заложены в их конструкции.
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).
Рис. 2. Асинхронный генератор в сборе
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
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:
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.
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 , 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.
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 , их используют для мощных мобильных и .
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:
Асинхронные альтернаторы удобны для сооружения локальных ветровых и гидравлических электростанций.
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
Часть 2
На практике, обычно выбирают среднее значение, предполагая, что нагрузка не будет максимальной.
Подобрав параметры конденсаторов, подключите их к выводам обмоток статора так, как показано на схеме (рис. 7). Генератор готов.
Рис. 7. Схема подключения конденсаторов
Асинхронный генератор не требует особого ухода. Его обслуживание заключается в контроле состояния подшипников. На номинальных режимах устройство способно работать годами без вмешательства оператора.
Слабое звено – конденсаторы. Они могут выходить из строя, особенно тогда, когда их номиналы неправильно подобраны.
При работе генератор нагревается. Если вы часто подключаете повышенные нагрузки – следите за температурой устройства или позаботьтесь о дополнительном охлаждении.
Для нужд строительства частного жилого дома или дачи домашнему мастеру может понадобиться автономный источник электрической энергии, который можно купить в магазине или собрать своими руками из доступных деталей.
Самодельный генератор способен работать от энергии бензинового, газового или дизельного топлива. Для этого его надо подключить к двигателю через амортизирующую муфту, обеспечивающую плавность вращения ротора.
Если позволяют местные природные условия, например, дуют частые ветры или близко расположен источник проточной воды, то можно создать ветряную или гидравлическую турбину и подключить ее к асинхронному трехфазному двигателю для выработки электроэнергии.
За счет подобного устройства у вас будет постоянно работающий альтернативный источник электричества. Он снизить потребление энергии от государственных сетей и позволить экономить на ее оплате.
В отдельных случаях допустимо использовать однофазное напряжение для вращения электрического двигателя и передачи им крутящего момента на самодельный генератор для создания собственной трехфазной симметричной сети.
Основу самодельного генератора составляет асинхронный электродвигатель трехфазного тока с:
Магнитопроводы статора и ротора изготавливают из изолированных пластин электротехнической стали, в которых созданы пазы для размещения проводов обмотки.
Три отдельные обмотки статора могут быть соединены на заводе по схеме:
Их выводы подключают внутри клеммной коробки и соединяют перемычками. Сюда же монтируют кабель питания.
В отдельных случаях может выполняться подключение проводов и кабеля другими способами.
К каждой фазе асинхронного двигателя подводятся симметричные напряжения, сдвинутые по углу на треть окружности. Они формируют токи в обмотках.
Эти величины удобно выражать в векторной форме.
Их снабжают обмоткой, выполненной по образцу статорной, а выводы от каждой соединяют с контактными кольцами, которые обеспечивают электрический контакт со схемой запуска и регулировки через прижимные щетки.
Такая конструкция довольно сложная в изготовлении, дорогая по стоимости. Она требует периодического наблюдения за работой и квалифицированного обслуживания. По этим причинам для самодельного генератора применять ее в таком исполнении нет смысла.
Однако, если имеется подобный двигатель и ему нет другого применения, то можно выводы каждой обмотки (те концы, которые подключаются к кольцам) закоротить между собой. Таким способом фазный ротор превратится в короткозамкнутый. Его можно подключать по любой рассматриваемой ниже схеме.
Внутри пазов магнитопровода ротора залит алюминий. Обмотка выполнена в виде вращающейся беличьей клетки (за что и получила такое дополнительное название) с замкнутыми накоротко по концам кольцами-перемычками.
Это самая простая схема двигателя, которая лишена подвижных контактов. За счет этого она длительно работает без вмешательства электриков, отличается повышенной надежностью. Ее и рекомендуется применять для создания самодельного генератора.
Чтобы самодельный генератор надежно работал необходимо обращать внимание на:
В основу его воплощения заложен метод обратимости электрической машины. Если у отключенного от напряжения сети двигателя начать принудительно вращать ротор с расчетной скоростью, то в обмотке статора будет наводиться ЭДС за счет наличия остаточной энергии магнитного поля.
Остается только подключить к обмоткам конденсаторную батарею соответствующего номинала и по ним станет протекать емкостной опережающий ток, имеющий характер намагничивающего.
Чтобы происходило самовозбуждение генератора, а на обмотках формировалась симметричная система трехфазных напряжений, необходимо подобрать емкость конденсаторов, большую определенной, критической величины. Кроме ее значения на выходную мощность, естественно, влияет конструкция двигателя.
Для нормальной выработки трехфазной энергии с частотой 50 Гц необходимо поддерживать скорость вращения ротора, превышающую асинхронную составляющую на величину скольжения S, которая лежит в пределах S=2÷10%. Ее требуется поддерживать на уровне синхронной частоты.
Отход синусоиды от стандартного значения по частоте отрицательно повлияет на работу оборудования с электрическими двигателями: пилами, рубанками, различными станками и трансформаторами. На резистивных нагрузках с ТЭН и лампами накаливания это практически не сказывается.
На практике используются все распространенные способы соединения обмоток статора асинхронного двигателя. Выбирая одну из них создают различные условия для работы оборудования и вырабатывают напряжение определённых значений.
Схема подключения асинхронного двигателя с обмотками, соединенными звездой, для работы в качестве генератора трехфазной сети имеет стандартный вид.
Этот вариант довольно популярен. Он позволяет питать от двух обмоток три группы потребителей:
Рабочий и пусковой конденсаторы подключаются в схему отдельными выключателями.
На основе этой же схемы можно создать самодельный генератор с подключением конденсаторов к одной обмотке асинхронного двигателя.
При сборке обмоток статора по схеме звезды генератор будет выдавать трехфазное напряжение 380 вольт. Если осуществить их переключение на треугольник, то - 220.
Приведенные выше на картинках три схемы являются базовыми, но не единственными. На их основе могут создаваться другие способы подключения.
Для создания нормальных условий работы электрической машины необходимо соблюсти равенство ее номинального напряжения и мощности в режимах генератора и электродвигателя.
С этой целью подбирают емкость конденсаторов с учетом вырабатываемой ими реактивной мощности Q при различных нагрузках. Ее величину рассчитывают по выражению:
Q=2π∙f∙C∙U 2
Из этой формулы, зная мощность двигателя, для обеспечения полной нагрузки можно рассчитать емкость батареи конденсаторов:
С=Q/2π∙f∙U 2
Однако, следует учесть режим работы генератора. На холостом ходу конденсаторы станут излишне нагружать обмотки и нагревать их. Это приводит к большим потерям энергии, перегреву конструкции.
Для устранения подобного явления конденсаторы подключают ступенчато, определяя их количество в зависимости от приложенной нагрузки. Чтобы упростить подбор конденсаторов для запуска асинхронного двигателя в режиме генератора, создана специальная таблица.
| Мощность генератора (кВА) | Режим полной нагрузки | Режим холостого хода | ||||
| cos φ=0.8 | cos φ=1 | Q (кВАр) | С (мкф) | |||
| Q (кВАр) | С (мкф) | Q (кВАр) | С (мкф) | |||
| 15 | 15,5 | 342 | 7,8 | 172 | 5,44 | 120 |
| 10 | 11,1 | 245 | 5,9 | 130 | 4,18 | 92 |
| 7 | 8,25 | 182 | 4,44 | 98 | 3,36 | 74 |
| 5 | 6,25 | 138 | 3,4 | 75 | 2,72 | 60 |
| 3,5 | 4,53 | 100 | 2,54 | 56 | 2,04 | 45 |
| 2 | 2,72 | 60 | 1,63 | 36 | 1,27 | 28 |
Для использования в составе емкостной батареи хорошо подходят пусковые конденсаторы серии K78-17 и им подобные с рабочим напряжением от 400 вольт и больше. Вполне допустимо заменить их металлобумажными аналогами с соответствующими номиналами. Собирать их придется параллельным подключением.
Использовать модели электролитических конденсаторов для работы в цепях асинхронного самодельного генератора не стоит. Они предназначены для цепей постоянного тока, а при прохождении синусоиды, меняющейся по направлению, быстро выходят из строя.
Существует специальная схема их подключения для подобных целей, когда каждая полуволна направляется диодами на свою сборку. Но она довольно сложная.
Автономное устройство электростанции должно в полной мере обеспечивать работающего оборудования и выполняться единым модулем, включающим навесной электрощит с приборами:
Создавая самодельный генератор необходимо предусмотреть его совместимость со схемой заземления рабочего оборудования, а при автономной работе – надежно подключать к .
Если электростанция создается для резервного питания приборов, работающих от государственной сети, то использовать ее следует при отключении напряжения с линии, а при восстановлении - останавливать. С этой целью достаточно установить рубильник, управляющий всеми фазами одновременно или подключить сложную систему автоматики включения резервного питания.
Схема на 380 вольт обладает повышенной опасностью поражения человека. Ее используют в крайних случаях, когда фазной величиной на 220 обойтись нет возможности.
Такие режимы создают излишний нагрев обмоток с последующим разрушением изоляции. Они возникают при превышении токов, проходящих по обмоткам из-за:
В первом случае необходимо тщательно следить за тепловым режимом во время холостого хода. При излишнем нагреве требуется корректировать емкость конденсаторов.
Общая мощность трехфазного генератора состоит из трех частей, вырабатываемых в каждой фазе, которая составляет 1/3 от общей. Ток, проходящий по одной обмотке, не должен превышать номинальную величину. Это надо учитывать при подключении потребителей, распределять их равномерно по фазам.
Когда самодельный генератор создан для работы от двух фаз, то он не может безопасно выработать электроэнергии больше, чем на 2/3 от общей величины, а если задействована всего одна фаза, то - только 1/3.
Следить за этим показателем позволяет частотомер. Когда его в конструкцию самодельного генератора не установили, то можно пользоваться косвенным методом: на холостом ходу выходное напряжение превышает номинальное 380/220 на 4÷6% при частоте 50 Гц.
Один из вариантов изготовления самодельного генератора из асинхронного двигателя и его возможности показывают в своем видеоролике владельцы канала Мария с Александром Костенко.
(13 голосов, в среднем: 4.5 из 5)
