Как сделать генератор переменного тока своими руками из асинхронного электродвигателя

Желание разработать автономный источник по производству электроэнергии позволил соорудить генератор из обычного асинхронного мотора. Разработка отличается надежность и относительной простотой.

Виды и описание асинхронного двигателя

Существует два вида моторов:      

  1. Короткозамкнутый ротор. Он включает в себя статор (недвижимый элемент) и ротор (вращающийся элемент), движущийся за счет работы подшипников, прикрепленных к двум щиткам мотора. Сердечники изготовлены из стали, а также они изолированы друг от друга. По пазам статорного сердечника расположен изолированный провод, а по пазам роторного устанавливается стержневая обмотка либо льется растопленный алюминий. Специальные кольца-перемычки играют роль замыкающего элемента роторной обмотки. Самостоятельные разработки преобразовывают механические движения мотора и создают электроэнергию переменного напряжения. Их преимущество – нет в наличии коллекторно-щелочного механизма, что делает их более надежными и долговечными.
  2. Фазный ротор – дорогой прибор, требующий специализированного сервиса. Состав такой же, как и у ротора с коротким замыканием. Единственное исключение роторная и статорная обмотка сердечника выполнена из заизолированного провода, а ее концы подсоединяют к кольцам, прикрепленным к валу. По ним проходят специальные щетки, которые объединяют провода с регулировочным либо пусковым реостатом. Из-за низкого уровня надежности его используют лишь для тех отраслей производства, для которых он предназначен.

Область применения

Устройство используется в разных отраслях:

  1. Как обычный двигатель для электростанций, работающих от ветра.
  2. Для собственного независимого питания квартиры либо дома.
  3. Как небольшие ГЭС-станции.
  4. Как альтернативный инверторный тип генератора (сварочный).
  5. Для создания бесперебойной системы питания от переменного тока.

Преимущества и недостатки генератора

К положительным качествам разработки принадлежат:

  1. Простая и быстрая сборка с возможностью избежать разборки электродвигателя и перемотки обмотки.
  2. Способность осуществлять вращение электротока с помощью ветряной либо гидротурбины.
  3. Применение устройства в системах мотор-генератор, чтобы преобразовать однофазную сеть (220В) на трехфазную (380 В).
  4. Способность использовать разработку в местах отсутствия электричества, применяя для раскрутки двигатель внутреннего сгорания.

Минусы:

  1. Проблематичность расчета емкости конденсата, который присоединяется к обмоткам.
  2. Сложно достичь максимальной отметки мощности, на которую способна самостоятельная разработка.

Самодельный генератор из асинхронного двигателя

Принцип работы

Генератор вырабатывает электрическую энергию при условии, что количество оборотов ротора несколько выше синхронной скорости. Самый простой тип вырабатывает порядка 2019 об/мин., учитывая, что уровень его синхронной скорости становится 2019 оборотов.

Его принцип действия основывается на переработке механической энергии в электроэнергию. Заставить ротор вращаться, и производить электричество можно с помощью сильного крутящегося момента. В идеальном варианте – постоянный холостой ход, который способен поддерживать одинаковую скорость движения.

Все виды моторов, работающие от силы непостоянного тока, называются асинхронными. У них магнитное поле статора кружится скорее, чем поле ротора, соответственно направляя его в сторону своего движения. Чтобы изменить электромотор на функционирующий генератор понадобится повысить скорость передвижения ротора, чтобы он не следовал за магнитным полем статора, а начал двигаться в другую сторону.

Получить подобный результат можно, подключив прибор к электросети, конденсатор с большой емкостью или целую группу конденсаторов. Они заряжаются и скапливают энергию от магнитных полей. Фаза конденсатора имеет заряд, который противоположен источнику тока мотора, из-за чего происходит замедление работы ротора, и начинается выработка тока статорной обмоткой.

Схема генератора

Схема очень простая и не нуждается в наличии специальных знаний и умений. Если запустить разработку не подключая ее к сети, начнется вращение и, после выхода на синхронную частоту, статорная обмотка станет образовывать электрическую энергию.

Прикрепив к ее зажимам специальную батарею из нескольких конденсаторов (С) можно получить опережающий емкостный ток, который будет создавать намагничивание. Емкость конденсаторов должна быть выше критического обозначения С0, которое зависит от габаритов и характеристик генератора.

В данной ситуации происходит процесс самостоятельного запуска, а на статорной обмотке монтируется система с симметричным трехфазным напряжением. Показатель создаваемого тока напрямую зависит от емкости для конденсаторов, а также характеристики машины.

Простейшая схема включения асинхронного двигателя

Делаем своими руками

Чтобы преобразовать электромотор в работоспособный генератор понадобиться применять неполярные конденсаторные батареи, поэтому электролитические конденсаторы лучше не использовать.

В трехфазном моторе подключить конденсатор можно по таким схемам:

  • «Звезда» – дает возможность провести генерацию при меньшем количестве оборотов, но с более низким выходным напряжением;
  • «Треугольник» – вступает в работу при большом количестве оборотов, соответственно вырабатывает больше напряжения.

Можно создать собственное устройство из однофазного мотора, но при условии, что он оборудован ротором с коротким замыканием. Чтобы запустить разработку следует воспользоваться фазосдвигающим конденсатором. Однофазный мотор коллекторного типа для переделки не подходит.

Внешний вид простейшего ветрогенератора с применением асинхронного двигателя

Необходимые инструменты

Создать собственный генератор несложно, главное иметь все необходимые элементы:

  1. Асинхронный мотор.
  2. Тахогенератор (прибор для измерения тока) или же тахометр.
  3. Емкость под конденсаторы.
  4. Конденсатор.
  5. Инструменты.

Пошаговое руководство

  1. Поскольку понадобится перенастроить генератор таки образом, чтобы скорость вращений превышала обороты мотора, первоначально необходимо подсоединить двигатель к электросети и завести. Затем с помощью тахометра определить скорость его вращений.
  2. Узнав скорость, следует к полученному обозначению прибавить еще 10%. Например, технический показатель мотора 2019 об/мин, то у генератора должно быть порядка 2019 об/мин (1000*0,1%=100, 1000+100=1100 об/мин).
  3. Следует подобрать емкость под конденсаторы. Чтобы определиться с размерами используйте данные таблицы.

Таблица конденсаторных емкостей

Мощность генератора КВ А Холостой ход Полная нагрузка
ЕмкостьМкф Реактивная мощность Квар COS=1 COS=0.8
Емкость Мкф Реактивная мощность Квар Емкость Мкф Реактивная мощность Квар
2,0 28 1,27 36 1,63 60 2,72
3,5 45 2,04 56 2,54 100 4,53
5,0 60 2,72 75 3,4 138 6,25
7,0 74 3,36 98 4,44 182 8,25
10,0 92 4,18 130 5,9 245 11,1
15,0 120 5,44 172 7,8 342 15,5

Важно! Если емкость будет большой, то генератор начнет нагреваться.

Подберите соответствующие конденсаторы, которые смогут обеспечить требуемую скорость вращений. Будьте осторожны при установке.

Важно! Все конденсаторы должны быть заизолированы специальным покрытием.

Устройство готово и может использоваться в качестве источника электроэнергии.

Важно! Прибор с короткозамкнутым ротором создает высокое напряжение, поэтому если необходим показатель в 220В, следует дополнительно установить понижающий трансформатор.

Генератор на магнитах

Магнитный генератор имеет несколько отличий. Например, он не нуждается в установке конденсаторных батарей. Магнитное поле, которое будет создавать электричество в обмотке статора, создается за счет ниодимовых магнитов.

Особенности создания генератора:

  1. Необходимо открутить обе крышки двигателя.
  2. Понадобится устранить ротор.
  3. Ротор необходимо проточить, сняв верхний слой нужной толщины (толщина магнита + 2мм). Самостоятельно выполнить данную процедуру без токарного оборудования крайне сложно, поэтому следует обратиться в токарный сервис.
  4. Сделайте шаблон для круглых магнитиков на листе бумаги, исходя из параметров диаметр 10-20 мм, толщина около 10 мм, а присягающая сила порядка 5-9 кг на см2. Подбирать размер следует в зависимости от габаритов ротора. Затем прикрепите созданный шаблон на ротор и разместите магнитики полюсами и под углом 15-200 к оси ротора. Ориентировочное количество магнитов в одной полоске около 8 штук.
  5. У вас должно выйти 4 группы полос, каждая по 5 полосок. Между группами должно сохраняться расстояние величиной в 2 диаметра магнита, а между полосками в группе – 0,5-1 диаметр магнита. Благодаря данному расположению ротор не будет залипать к статору.
  6. Установив все магниты, следует залить ротор специальной эпоксидной смолой. Как только она высохнет, покройте цилиндрический элемент стекловолокном и снова пропитайте смолой. Такое крепление позволит избежать вылету магнитов в момент движения. Следите, чтобы диаметр у ротора был таким же, как до проточки, чтобы при установке он не терся об статорную обмотку.
  7. Просушив ротор, его можно установить на место и прикрутить обе крышки двигателя.
  8. Провести испытания. Для запуска генератора понадобится поворачивать ротор с помощью электродрели, а на выходе вымерять полученный ток тахометром.

Переделывать или нет

Чтобы определить, эффективна ли работа самостоятельно сделанного генератора, следует просчитать, насколько оправданы усилия по преобразованию устройства.

Нельзя сказать, что устройство очень простое. Двигатель асинхронного двигателя не уступает по сложности синхронному генератору. Единственное отличие отсутствие электрической цепи для возбуждения работы, но она заменяется батареей конденсаторов, что ничем не упрощает устройство.

Преимущество конденсаторов в том, что они не требуют дополнительного обслуживания, а энергию получают от магнитного поля ротора или производимого электрического тока. Из этого можно сказать, что единственный плюс от этой разработки – отсутствие необходимости в обслуживании.

Еще одно положительное качество – эффект клирфактора. Он заключается в отсутствии высших гармоник в генерируемом токе, то есть чем ниже его показатель, тем меньше расходуется энергии на обогрев, магнитное поле и иные моменты. У трехфазного электромотора этот показатель составляет около 2%, в то время когда у синхронных машин он минимум 15%. К сожалению, учет показателя в быту, когда в сеть включены разнотипные электроприборы, нереален.

Другие показатели и свойства разработки отрицательные. Он не способен обеспечивать номинальную промышленную частоту производимого напряжения. Поэтому устройства применяют вместе с выпрямительными машинами, а также для зарядки аккумулятора.

Генератор чувствителен к малейшим перепадам электричества. В промышленных разработках для возбуждения применяется аккумулятор, а в самодельном варианте часть энергии уходит на батарею конденсаторов. В случае, когда нагрузка на генератор выше номинала, ему не достаточно электричества для подзарядки, и он останавливается. В некоторых случаях применяют емкостные батареи, которые меняют свой динамический объем в зависимости от нагрузки.

Просчитать, учесть и компенсировать изменения тока, которые происходят случайно, к сожалению, нереально, поэтому устройству характерна нестабильная работа.

Блиц-советы

  1. Устройство очень опасно, поэтому не рекомендуется использовать напряжение в 380 В, разве что при крайней необходимости.
  2. Согласно с мерами предосторожности и техникой безопасности необходимо дополнительно установить заземление.
  3. Следите за тепловым режимом разработки. Ему не присуще работать при холостом ходу. Чтобы уменьшить тепловое воздействие следует хорошо подобрать конденсаторную емкость.
  4. Правильно просчитайте мощность производимого электрического напряжения. Например, когда в трехфазном генераторе функционирует лишь одна фаза, значит, мощь составляет 1/3 от общей, а если работает две фазы соответственно 2/3.
  5. Есть возможность косвенным образом контролировать частоту непостоянного тока. Когда прибор работает вхолостую выходящее напряжение начинает увеличиваться, и превышает показатели промышленного (220/380В) на 4-6%.
  6. Лучше всего изолировать разработку.
  7. Следует оснастить самодельное изобретение тахометром и вольтметром, чтобы фиксировать его работу.
  8. Желательно предусмотреть специальные кнопки для включения и выключения механизма.
  9. Уровень КПД будет понижаться на 30-50%, данное явление неизбежно.

В статье рассказано о том, как построить трёхфазный (однофазный) генератор 220/380 В на базе асинхронного электродвигателя переменного тока. Трехфазный асинхронный электродвигатель, изобретённый в конце 19-го века русским учёным-электротехником М.О. Доливо-Добровольским, получил в настоящее время преимущественное распространение и в промышленности, и в сельском хозяйстве, а также в быту.

Асинхронные электродвигатели – самые простые и надёжные в эксплуатации. Поэтому во всех случаях, когда это допустимо по условиям электропривода и нет необходимости в компенсации реактивной мощности, следует применять асинхронные электродвигатели переменного тока.

Различают два основных вида асинхронных двигателей: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель состоит из неподвижной части — статора и подвижной части — ротора, вращающегося в подшипниках, укреплённых в двух щитах двигателя. Сердечники статора и ротора набраны из отдельных изолированных один от другого листов электротехнической стали. В пазы сердечника статора уложена обмотка, выполненная из изолированного провода. В пазы сердечника ротора укладывают стержневую обмотку или заливают расплавленный алюминий. Кольца-перемычки накоротко замыкают обмотку ротора по концам (отсюда и название — короткозамкнутый). В отличие от короткозамкнутого ротора, в пазах фазного ротора размещают обмотку, выполненную по типу обмотки статора. Концы обмотки подводят к контактным кольцам, укреплённым на валу. По кольцам скользят щетки, соединяя обмотку с пусковым или регулировочным реостатом.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором являются более дорогостоящими устройствами, требуют квалифицированного обслуживания, менее надёжны, а потому применяются только в тех отраслях производства, в которых без них обойтись нельзя. По этой причине они мало распространены, и мы их в дальнейшем рассматривать не будем.

По обмотке статора, включенной в трехфазную цепь, протекает ток, создающий вращающее магнитное поле. Магнитные силовые линии вращающегося поля статора пересекают стержни обмотки ротора и индуктируют в них электродвижущую силу (ЭДС). Под действием этой ЭДС в замкнутых накоротко стержнях ротора протекает ток. Вокруг стержней возникают магнитные потоки, создающие общее магнитное поле ротора, которое, взаимодействуя с вращающим магнитным полем статора, создает усилие, заставляющее ротор вращаться в направлении вращения магнитного поля статора.

Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Этот показатель характеризуется скольжением S и находиться для большинства двигателей в пределах от 2 до 10%.

В промышленных установках наиболее часто используются трёхфазные асинхронные электродвигатели, которые выпускают в виде унифицированных серий. К ним относится единая серия 4А с диапазоном номинальной мощности от 0,06 до 400 кВт, машины которой отличаются большой надёжностью, хорошими эксплуатационными качествами и соответствуют уровню мировых стандартов.

Автономные асинхронные генераторы — трёхфазные машины, преобразующие механическую энергию первичного двигателя в электрическую энергию переменного тока. Их несомненным достоинством перед другими видами генераторов являются отсутствие коллекторно-щеточного механизма и, как следствие этого, большая долговечность и надежность.

Работа асинхронного электродвигателя в генераторном режиме

Если отключенный от сети асинхронный двигатель привести во вращение от какого-либо первичного двигателя, то в соответствии с принципом обратимости электрических машин при достижении синхронной частоты вращения, на зажимах статорной обмотки под действием остаточного магнитного поля образуется некоторая ЭДС. Если теперь к зажимам статорной обмотки подключить батарею конденсаторов С, то в обмотках статора потечёт опережающий ёмкостный ток, являющийся в данном случае намагничивающим.

Ёмкость батареи С должна превышать некоторое критическое значение С0, зависящее от параметров автономного асинхронного генератора: только в этом случае происходит самовозбуждение генератора и на обмотках статора устанавливается трёхфазная симметричная система напряжений. Значение напряжения зависит, в конечном счёте, от характеристики машины и ёмкости конденсаторов. Таким образом, асинхронный короткозамкнутый электродвигатель может быть превращен в асинхронный генератор.

Стандартная схема включения асинхронного электродвигателя в качестве генератора.

Можно подобрать емкость так, чтобы номинальное напряжение и мощность асинхронного генератора равнялись соответственно напряжению и мощности при работе его в качестве электродвигателя.

В таблице 1 приведены емкости конденсаторов для возбуждения асинхронных генераторов (U=380 В, 750….1500 об/мин). Здесь реактивная мощность Q определена по формуле:

Q = 0,314·U2·C·10-6,

где С — ёмкость конденсаторов, мкФ.

Мощность генератора,кВ·А Холостой ход Полная нагрузка
ёмкость, мкФ реактивная мощность, квар cos = 1 cos = 0,8
ёмкость, мкФ реактивная мощность, квар ёмкость, мкФ реактивная мощность, квар
2,0
3,5
5,0
7,0
10,0
15,0
28
45
60
74
92
120
1,27
2,04
2,72
3,36
4,18
5,44
36
56
75
98
130
172
1,63
2,54
3,40
4,44
5,90
7,80
60
100
138
182
245
342
2,72
4,53
6,25
8,25
11,1
15,5

Таблица1

Как видно из приведённых данных, индуктивная нагрузка на асинхронный генератор, понижающая коэффициент мощности, вызывает резкое увеличение потребной ёмкости. Для поддержания напряжения постоянным с увеличением нагрузки необходимо увеличивать и ёмкость конденсаторов, то есть подключать дополнительные конденсаторы. Это обстоятельство необходимо рассматривать как недостаток асинхронного генератора.

Частота вращения асинхронного генератора в нормальном режиме должна превышать асинхронную на величину скольжения S = 2…10%, и соответствовать синхронной частоте. Не выполнение данного условия приведёт к тому, что частота генерируемого напряжения может отличаться от промышленной частоты 50 Гц, что приведёт к неустойчивой работе частото-зависимых потребителей электроэнергии: электронасосов, стиральных машин, устройств с трансформаторным входом.

Особенно опасно снижение генерируемой частоты, так как в этом случае понижается индуктивное сопротивление обмоток электродвигателей, трансформаторов, что может стать причиной их повышенного нагрева и преждевременного выхода из строя.

В качестве асинхронного генератора может быть использован обычный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель соответствующей мощности без каких-либо переделок. Мощность электродвигателя-генератора определяется мощностью подключаемых устройств. Наиболее энергоёмкими из них являются:

  • бытовые сварочные трансформаторы;
  • электропилы, электрофуганки, зернодробилки (мощность 0,3…3 кВт);
  • электропечи типа «Россиянка», «Мечта» мощностью до 2 кВт;
  • электроутюги (мощность 850…1000 Вт).

Особо хочу остановиться на эксплуатации бытовых сварочных трансформаторов. Их подключение к автономному источнику электроэнергии наиболее желательно, т.к. при работе от промышленной сети они создают целый ряд неудобств для других потребителей электроэнергии.

Если бытовой сварочный трансформатор рассчитан на работу с электродами диаметром 2…3 мм, то его полная мощность составляет примерно 4…6 кВт, мощность асинхронного генератора для его питания должна быть в пределах 5…7 кВт. Если бытовой сварочный трансформатор допускает работу с электродами диаметром 4 мм, то в самом тяжелом режиме — «резки» металла, потребляемая им полная мощность может достигать 10…12 кВт, соответственно мощность асинхронного генератора должна находиться в пределах 11…13 кВт.

В качестве трёхфазной батареи конденсаторов хорошо использовать так называемые ком-пенсаторы реактивной мощности, предназначенные для улучшения соsφ в промышленных осветительных сетях. Их типовое обозначение: КМ1-0,22-4,5-3У3 или КМ2-0,22-9-3У3, которое расшифровывается следующим образом. КМ — косинусные конденсаторы с пропиткой минеральным маслом, первая цифра-габарит (1 или 2), затем напряжение (0,22 кВ), мощность (4,5 или 9 квар), затем цифра 3 или 2 означает трёхфазное или однофазное исполнение, У3 (умеренный климат третьей категории).

В случае самостоятельного изготовления батареи, следует использовать конденсаторы типа МБГО, МБГП, МБГТ, К-42-4 и др. на рабочее напряжение не менее 600 В. Электролитические конденсаторы применять нельзя.

Рассмотренный выше вариант подключения трёхфазного электродвигателя в качестве генератора можно считать классическим, но не единственным. Существуют и другие способы, которые так же хорошо зарекомендовали себя на практике. Например, когда батарея конденсаторов подключается к одной или двум обмоткам электродвигателя-генератора.

Двухфазный режим асинхронного генератора.

Рис.2 Двухфазный режим асинхронного генератора.

Такую схему следует использовать тогда, когда нет необходимости в получении трёхфазного напряжения. Этот вариант включения уменьшает рабочую ёмкость конденсаторов, снижает нагрузку на первичный механический двигатель в режиме холостого хода и т.о. экономит «драгоценное» топливо.

В качестве маломощных генераторов, вырабатывающих переменное однофазное напряжение 220 В, можно использовать однофазные асинхронные короткозамкнутые электродвигатели бытового назначения: от стиральных машин типа «Ока», «Волга», поливальных насосов «Агидель», «БЦН» и пр. У них конденсаторная батарея может подключаться параллельно рабочей обмотке, либо использовать уже имеющийся фазосдвигающий конденсатор, подключенный к пусковой обмотке. Емкость этого конденсатора, возможно, следует несколько увеличить. Его величина будет определяться характером нагрузки, подключаемой к генератору: для активной нагрузки (электропечи, лампочки освещения, электропаяльники) требуется небольшая емкость, индуктивной (электродвигатели, телевизоры, холодильники) — больше.

Рис.3 Маломощный генератор из однофазного асинхронного двигателя.

Теперь несколько слов о первичном механическом двигателе, который будет приводить во вращение генератор. Как известно, любое преобразование энергии связано с её неизбежными потерями. Их величина определяется КПД устройства. Поэтому мощность механического двигателя должна превышать мощность асинхронного генератора на 50…100%. Например, при мощности асинхронного генератора 5 кВт, мощность механического двигателя должна быть 7,5…10 кВт. С помощью передаточного механизма добиваются согласования оборотов механического двигателя и генератора так, чтобы рабочий режим генератора устанавливался на средних оборотах механического двигателя. При необходимости, можно кратковременно увеличить мощность генератора, повышая обороты механического двигателя.

Каждая автономная электростанция должна содержать необходимый минимум навесного оборудования: вольтметр переменного тока (со шкалой до 500 В), частотомер (желательно) и три выключателя. Один выключатель подключает нагрузку к генератору, два других — коммутируют цепь возбуждения. Наличие выключателей в цепи возбуждения облегчает запуск механического двигателя, а также позволяет быстро снизить температуру обмоток генератора, после окончания работы – ротор невозбужденного генератора еще некоторое время вращают от механического двигателя. Эта процедура продлевает активный срок службы обмоток генератора.

Если с помощью генератора предполагается запитывать оборудование, которое в обычном режиме подключается к сети переменного тока (например, освещение жилого дома, бытовые электроприборы), то необходимо предусмотреть двухфазный рубильник, который в период работы генератора будет отключать данное оборудование от промышленной сети. Отключать надо оба провода: «фазу» и «ноль».

В заключение несколько общих советов.

1. Генератор переменного тока является устройством повышенной опасности. Применяйте напряжение 380 В только в случае крайней необходимости, во всех остальных случаях пользуйтесь напряжением 220 В.

2. По требованиям техники безопасности электрогенератор необходимо оборудовать заземлением.

3. Обратите внимание на тепловой режим генератора. Он «не любит» холостого хода. Снизить тепловую нагрузку можно более тщательным подбором емкости возбуждающих конденсаторов.

4. Не ошибитесь с мощностью электрического тока, вырабатываемого генератором. Если при работе трёхфазного генератора используется одна фаза, то её мощность будет составлять 1/3 общей мощности генератора, если две фазы — 2/3 общей мощности генератора.

5. Частоту переменного тока, вырабатываемого генератором, можно косвенно контролировать по выходному напряжению, которое в режиме «холостого хода» должно на 4…6 % превышать промышленное значение 220/380 В.

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.

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·U2·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

Часть 3

Часть 4

Часть 5

Часть 6

Для упрощения подбора конденсаторов воспользуйтесь таблицей:

Таблица 1

Мощность альтернатора (кВт-А) Ёмкость конденсатора (мкФ) на холостом ходу Ёмкость конденсатора (мкФ) при средней нагрузке Ёмкость конденсатора (мкФ) при полной нагрузке
2 28 36 60
3,5 45 56 100
5 60 75 138

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

Советы по эксплуатации

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.