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).
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.
Читайте также: Как поменять двигатель на авто
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
Способ 1
В Интернете нашел статью о том, как переделать генератор автомобиля на генератор с постоянными магнитами. Можно ли использовать этот принцип и переделать генератор своими руками из асинхронного электродвигателя? Возможно, что будут большие потери энергии, не такое расположение катушек.
Двигатель асинхронного типа у меня на напряжение 110 вольт, обороты – 1450, 2,2 ампера, однофазный. При помощи емкостей я не берусь делать самодельный генератор, так как будут большие потери.
Читайте также: Почему дергается мазда 6
Предлагается пользоваться простыми двигателями по такой схеме.
Если изменять двигатель или генератор с магнитами округлой формы от динамиков, то надо их устанавливать в крабы? Крабы – это две металлические детали, стоят на якоре снаружи катушек возбуждения.
Если магниты надевать на вал, то вал будет шунтировать магнитные силовые линии. Как тогда будет возбуждение? Катушка тоже расположена на валу из металла.
Если поменять подсоединение обмоток и сделать параллельное соединение, разогнать до оборотов выше нормальных значений, то получается 70 вольт. Где взять механизм для таких оборотов? Если перематывать его на уменьшение оборотов и ниже питание, то слишком упадет мощность.
Двигатель асинхронного типа с замкнутым ротором – это железо, которое залито алюминием. Можно взять самодельный генератор от автомобиля, у которого напряжение 14 вольт, сила тока 80 ампер. Это неплохие данные. Двигатель с коллектором на переменный ток от пылесоса или стиральной машины можно применить для генератора. На статор установить подмагничивание, напряжение постоянного тока снимать со щеток. По наибольшему ЭДС поменять угол щеток. Коэффициент полезного действия стремится к нулю. Но, лучше, чем генератор синхронного типа, не изобрели.
Решил испытать самодельный генератор. Однофазный асинхронный мотор от стиралки малютки крутил дрелью. Подключил к нему емкость 4 мкФ, получилось 5 вольт 30 герц и ток 1,5 миллиампера на короткое замыкание.
Не каждый электромотор можно использовать в качестве генератора таким методом. Есть моторы со стальным ротором, имеющие малую степень намагниченности на остатке.
Необходимо знать разницу между преобразованием электрической энергии и генерацией энергии. Преобразовать 1 фазу в 3 можно несколькими способами. Один из них – это механическая энергия. Если электростанцию отсоединить от розетки, то пропадает все преобразование.
Откуда возьмется движение провода с повышением скорости, ясно. Откуда магнитное поле будет для получения ЭДС в проводе – не понятно.
Объяснить это просто. Из-за механизма магнетизма, который остался, образуется ЭДС в якоре. Возникает ток в статорной обмотке, который замкнут на емкости.
Ток возник, значит, дает усиление на электродвижущую силу на катушках роторного вала. Появившийся ток дает усиление электродвижущей силы. Электроток статорный образует электродвижущую силу намного больше. Это идет до установления равновесия статорных магнитных потоков и ротора, а также дополнительные потери.
Размер конденсаторов рассчитывают так, что на выводах напряжение достигает номинального значения. Если оно маленькое, то снижают емкость, то повышают. Были сомнения по поводу старых моторов, которые якобы не возбуждаются. После разгона ротора мотора или генератора надо ткнуть быстро в любую фазу малым количеством вольт. Все придет в нормальное состояние. Зарядить конденсатор до напряжения равному половину емкости. Включение производить выключателем с тремя полюсами. Это относится с 3-фазному мотору. Такая схема используется для генераторов вагонов пассажирского транспорта, так как у них ротор короткозамкнутый.
Способ 2
Самодельный генератор сделать можно и по-другому. Статор имеет хитрую конструкцию (имеет специальное конструкторское решение), имеется возможность регулировки напряжения выхода. Я сделал генератор своими руками такого вида на строительстве. Двигатель брал мощностью 7 кВт на 900 оборотов. Обмотку возбуждения я подключил по схеме треугольника на 220 В. Запустил его на 1600 оборотов, конденсаторы были на 3 на 120 мкФ. Включались они контактором с тремя полюсами. Генератор действовал как выпрямитель с тремя фазами. С этого выпрямителя питалась электрическая дрель с коллектором на 1000 ватт, и пила дисковая на 2200 ватт, 220 В, болгарка 2000 ватт.
Приходилось изготавливать систему мягкого пуска, другой резистор с закороченной фазой через 3 секунды.
Для моторов с коллекторами это неправильно. Если в два раза повысить вращающую частоту, то уменьшится и емкость.
Также повысится и частота. Схема емкостей отключалась в автоматическом режиме, чтобы не использовать тор реактивности, не расходовать горючее.
Во время работы надо нажать на статор контактора. Три фазы разобрал их по ненужности. Причина кроется в высоком зазоре и увеличенном рассеивании поля полюсов.
Специальные механизмы с двойной клеткой для белки и косыми глазами для белки. Все-таки я получил с моторчика стиралки 100 вольт и частоту 30 герц, лампа на 15 ватт не хочет гореть. Очень слабая мощность. Надо мотор брать сильнее, или конденсаторов больше ставить.
Читайте также: Коаксиальные динамики 16 см
Под вагонами используется генератор с ротором короткозамкнутым. Его механизм приходит от редуктора и на ременную передачу. Обороты вращения 300 оборотов. Он находится как дополнительный генератор нагрузки.
Способ 3
Можно сконструировать самодельный генератор, электростанцию на бензине.
Вместо генератора использовать 3-фазный асинхронный мотор на 1,5 кВт на 900 оборотов. Электродвигатель итальянский, подключаться может треугольником и звездой. Сначала я поставил мотор на основание с мотором постоянного тока, присоединил к муфте. Стал крутить двигатель на 1100 оборотов. Появилось напряжение 250 вольт на фазах. Подключил лампочку на 1000 ватт, напряжение сразу упало до 150 вольт. Наверное, это от фазного перекоса. На каждую фазу надо включать отдельную нагрузку. Три лампочки по 300 ватт не смогут снизить напряжение до 200 вольт, теоретически. Можно конденсатор поставить больше.
Обороты двигателя надо делать больше, при нагрузке не снижать, тогда питание сети будет постоянным.
Необходима значительная мощность, автогенератор такую мощность не даст. Если перемотать большой камазовский, то с него не выйдет 220 В, так как магнитопровод будет перенасыщен. Он был сконструирован на 24 вольта.
Сегодня собирался пробовать подсоединить нагрузку через 3-фазный блок питания (выпрямитель). В гаражах свет отключили, не получилось. В городе энергетиков систематически отключают свет, поэтому надо делать источник постоянного питания электричеством. Для электросварки есть навеска, подцепляется к трактору. Для подключения электрического инструмента нужен постоянный источник напряжения на 220 В. Была мысль сконструировать самодельный генератор своими руками, и инвертор к нему, но, на аккумуляторных батареях не долго можно проработать.
Недавно включили электричество. Подключал двигатель асинхронный из Италии. Поставил его с мотором бензопилы на раму, скрутил вместе валы, поставил муфту резиновую. Катушки соединил по схеме звезды, конденсаторы треугольником, по 15 мкФ. Когда запустил моторы, то на выходе питания не получилось. Присоединял конденсатор, заряженный к фазам, напряжение появилось. Свою мощность в 1,5 кВт двигатель выдал. При этом питающее напряжение снизилось до 240 вольт, на холостых оборотах было 255 вольт. Шлифмашинка от него нормально работала на 950 ватт.
Пробовал повысить обороты двигателя, но не получается возбуждение. После контакта конденсатора с фазой напряжение возникает сразу. Буду пробовать ставить другой двигатель.
Какие конструкции систем за границей производятся для электростанций? На 1-фазных понятно, что ротор владеет обмоткой, перекоса фаз нет, потому что одна фаза. В 3-фазных имеется система, которая дает регулировку мощности при подсоединении к ней моторов с наибольшей нагрузкой. Еще можно подсоединить инвертор для сварки.
В выходные хотел сделать самодельный генератор своими руками с подключением асинхронного двигателя. Удачной попыткой сделать самодельный генератор оказалось подключение старого двигателя с корпусом из чугуна на 1 кВт и на 950 оборотов. Мотор возбуждается нормально, с одной емкостью на 40 мкФ. А я установил три емкости и подключил их звездой. Этого хватило для запуска электродрели, болгарки. Хотел, чтобы получилась выдача напряжения на одной фазе. Для этого подключал три диода, полумост. Сгорели лампы люминесцентные для освещения, и подгорели пакетники в гараже. Буду наматывать трансформатор на три фазы.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на карту сайта , буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.
В создании этой статьи участвовала наша опытная команда редакторов и исследователей, которые проверили ее на точность и полноту.
Количество источников, использованных в этой статье: 10. Вы найдете их список внизу страницы.
Команда контент-менеджеров wikiHow тщательно следит за работой редакторов, чтобы гарантировать соответствие каждой статьи нашим высоким стандартам качества.
Электрический генератор – устройство, которое использует колебания магнитных полей для выработки электричества и его подачи в провода. Несмотря на то, что полноразмерные модели генераторов могут быть очень сложными и дорогостоящими, вы без труда можете создать простейший электрический генератор. Все, что для этого нужно – это создать каркас, который будет удерживать проволоку и магниты, намотать на него проволоку и подсоединить ее к электрическому устройству, а также приклеить магниты на вращающуюся ось. Этот эксперимент также неплохо подойдет для изучения свойств электромагнетизма или станет отличным научным проектом для школы.
Источник:
