Синхронный двигатель своими руками. Как самому переделать генератор из асинхронного двигателя? От электродвигателя к электрогенератору

Пенсионер мастерит ветряки и экономит на электроэнергии

Пенсионер из Амурской области решил в одиночку бороться с повышением тарифов на электроэнергию. Желание сделать почти невозможное возникло после того, как пришли очередные счета за коммунальные услуги.

Тогда бывший энергетик составил собственный план электрификации всего участка. Теперь наверху крутятся лопасти, внизу загораются лампочки. О том, как ветер принёс перемены

Асинхронный электродвигатель в качестве генератора

Работа асинхронного электродвигателя в генераторном режиме

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 ф азным 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. 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.

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.

Очень часто любителям отдыха на природе не хочется отказываться от удобств повседневной жизни. Поскольку большинство из этих удобств связано с электричеством, появляется необходимость в таком источнике энергии, который можно было бы взять с собой. Кто-то покупает электрогенератор, а кто-то решается сделать генератор своими руками. Задача не из лёгких, но вполне выполнимая в домашних условиях для любого, кто обладает техническими навыками и нужным оборудованием.

Выбор типа генератора

Прежде чем решиться сделать самодельный генератор на 220 В, стоит подумать о целесообразности такого решения. Необходимо взвесить все за и против и определить, что подойдет вам больше - заводской образец или самодельный. Вот основные достоинства промышленных аппаратов:

• Надёжность.
• Высокая производительность.
• Гарантия качества и возможность получения технического обслуживания.
• Безопасность.

Однако у промышленных образцов есть один существенный недостаток - очень высокая цена. Не всем по карману такие агрегаты, поэтому стоит подумать и о достоинствах самодельных устройств:

• Низкая цена. В пять раз, а иногда и больше, меньшая цена по сравнению с заводскими электрогенераторами.
• Простота устройства и хорошее знание всех узлов аппарата, так как всё собрано собственноручно.
• Возможность модернизировать и улучшать технические данные генератора под свои потребности.

Сделанный своими руками в домашних условиях электрогенератор вряд ли будет отличаться высокой производительностью, но обеспечить минимальные запросы вполне способен. Ещё один минус самоделки - это электробезопасность.

Не всегда она отличается высокой надёжностью, в отличие от промышленных образцов. Поэтому следует очень серьезно подойти к выбору вида генератора. От этого решения будет зависеть не только экономия денежных средств, но и жизнь, здоровье близких и самого себя.

Конструкция и принцип работы

Электромагнитная индукция лежит в основе работы любого генератора, вырабатывающего ток. Всем, кто помнит закон Фарадея из курса физики за девятый класс, понятен принцип преобразования электромагнитных колебаний в постоянный электроток. Также очевидно, что создать благоприятные условия для подачи достаточного напряжения не так уж просто.

Любой электрогенератор состоит из двух основных частей. Они могут иметь разную модификацию, но присутствуют в любой конструкции:

Существуют две основных разновидности генераторов в зависимости от типа вращения ротора: асинхронные и синхронные. Выбирая одну из них, учитывают преимущества и недостатки каждой. Чаще всего выбор народных умельцев падает на первый вариант. Для этого есть веские причины:

В связи с приведёнными доводами, наиболее вероятным выбором для самостоятельного изготовления является асинхронный генератор. Остается только найти подходящий образец и схему его изготовления.

Порядок сборки агрегата

Для начала следует оборудовать рабочее место необходимыми материалами и инструментами. Рабочее место должно соответствовать правилам техники безопасности при работе с электроприборами. Из инструментов понадобится всё, что связано с электрооборудованием и техобслуживанием автомобилей. По сути, хорошо оснащенный гараж вполне годится для создания своего генератора. Вот что понадобится из основных деталей:

Собрав необходимые материалы, приступают к расчёту будущей мощности аппарата. Для этого необходимо выполнить три операции:

Когда конденсаторы припаяны на места, и на выходе получается нужное напряжение, производят сборку конструкции.

При этом следует учитывать повышенную электроопасность таких объектов. Важно продумать правильное заземление генератора и тщательно изолировать все соединения. От выполнения этих требований зависит не только срок службы прибора, но и здоровье тех, кто им будет пользоваться.

Устройство из автомобильного двигателя

Пользуясь схемой сборки приспособления для получения тока, многие придумывают собственные невероятные конструкции. Например, генератор на велосипедной или водяной тяге, ветряной мельнице. Однако есть вариант, который не требует особых конструкторских навыков.

В любом двигателе автомобиля есть электрогенератор, который чаще всего вполне исправен, даже если сам движок уже давно отправлен в утиль. Поэтому разобрав двигатель, можно воспользоваться готовым изделием для своих целей.

Решить проблему с вращением ротора намного проще, чем думать, как его сделать заново. Можно просто восстановить поломанный двигатель и использовать его, как генератор. Для этого из двигателя удаляются все лишние узлы и приспособления.

Ветряная динамо-машина

В местах, где ветра дуют, не прекращая, неугомонным изобретателям не даёт покоя пустая трата энергии природы. Многие из них решаются на создание маленькой ветряной электростанции. Для этого нужно взять электродвигатель и переоборудовать его в генератор. Последовательность действий будет следующей:

Сделав свой ветряк с маленьким электрогенератором или генератор из автомобильного двигателя своими руками, хозяин может быть спокоен во время непредвиденных катаклизмов: в его доме всегда будет электрический свет. Даже выехав на природу, он сможет продолжать пользоваться удобствами, которые обеспечивает электрооборудование.

Все бытовые приборы, которые сегодня используются для домашнего хозяйствования, работают от электроэнергии. То есть, получается так, что электрический ток становится основной механической работы приборов. Но есть у этой зависимости обратная сторона – можно из механической энергии получить электрическую. И этим многие умельцы пользуются, создавая генератор из асинхронного двигателя своими руками.

Все, у кого есть домик за городом, сталкиваются с проблемой непостоянной подачи электроэнергии. Скажем прямо, это проблема номер один дачных поселков. Выйти из этого положения помогают генераторы, работающие на бензине или солярке. Правда, такие энергетические приборы – удовольствие не из дешевых, поэтому многие дачники собирают генераторы своими руками, используя для этого асинхронный двигатель.

Как работает асинхронный генератор

Итак, как было сказано выше, асинхронный двигатель может работать в режиме генератора только в том случае, если ему создать крутящий момент ротора и правильно подобрать и соединить конденсаторную группу.

Что касается крутящего момента, то здесь огромное количество конструкций и приборов, которые этот крутящий момент могут создать. Вот только несколько примеров.

• Это может быть любой бензиновый или дизельный двигатель небольшой мощности. Многие мастера для этого используют бензопилы или мотоблоки. Чтобы увеличить скорость вращения ротора электродвигателя, необходимо рассчитать соотношение диаметра шкивов, установленных на роторе и валу бензодвигателя. Вращение передается с помощью ремня, цепь в данном случае не используется в виду высокой скорости вращения.
• Можно механическую энергию создать с помощью воды, установив под ее поток лопастную конструкцию, похожую на винт корабля или катера.
• Есть вариант с использованием ветряка. Обычно такие приспособления устанавливают в степных зонах, где ветер всегда присутствует.

Это три основных способа получить электрический ток через асинхронный двигатель.

Внимание! Все специалисты уверяют, что идеальный вариант использования двигателя для механической энергии тот, у которого так называемый вечный холостой ход. То есть, скорость вращения не изменяется и является величиной постоянной. К тому же вам придется увеличить скорость вращение вала электродвигателя, которая будет отличаться от номинальной с увеличением на 10%.

Узнать номинальную скорость вращения можно на бирке или в паспорте прибора. Ее единица измерения – об/мин. Если этот показатель вы не нашли, то можно его определить, если включить мотор в питающую электрическую сеть, установив предварительно на валу тахометр.

Теперь что касается конденсаторов и схемы соединения электродвигателя. Во-первых, есть определенная зависимость емкости конденсаторов от мощности генератора. Вот она в таблице ниже.

Во-вторых, емкость конденсаторов на каждой обметке двигателя одинаковая. В-третьих, учитывайте тот момент, что высокая емкость может привести к перегреву электродвигателя. Поэтому строго придерживайтесь соотношения по таблице. В-четвертых, монтаж и сборка конденсаторной группы – дело ответственное, поэтому будьте внимательны. Очень важна в данном деле изоляция.

Совет! Соединять конденсаторы между собой надо по схеме треугольника. А обмотки по схеме звезда.

Кстати, вот внизу схема включения электродвигателя в качестве генератора.

И еще один момент. Генератор из асинхронного двигателя короткозамкнутого выдает очень большое напряжение. Поэтому если вам необходимо напряжение 220В, то рекомендуется после него установить понижающий трансформатор. Переделать можно и однофазные электродвигатели небольшой мощности, которые используются в бытовых приборах. Конечно, они будут также маломощными, но включить с их помощью лампочку или подключить модем не будет проблемой. Кстати, начинающие домашние мастера начинают свою деятельность в качестве электрика именно с таких небольших приборов. Их схема проста, детали доступны, к тому же сам собранный прибор практически безопасен.

1. Генератор из асинхронного двигателя – прибор повышенной опасности. И неважно, какой у него мотор, который передает механическую энергию. В любом случае необходимо позаботиться о безопасности эксплуатации. Самый простой способ – провести грамотно изоляцию прибора.
2. Если асинхронный генератор будет использован периодически в качестве источника электроэнергии, то его необходимо укомплектовать измерительными приборами. Обычно для этого используют тахометр и вольтметр.
3. Конечно, должны быть в схеме агрегата и две кнопки: «ВКЛ» и «ВЫКЛ».
4. Обязательное условие – заземление.
5. Учтите и тот факт, что мощность асинхронного генератора обычно отличается от мощности самого электродвигателя на 30-50%. Это связано с потерями при преобразовании механической энергии в электрическую.
6. Обращайте внимание и на температурный режим эксплуатации. Как и двигатель внутреннего сгорания, генератор будет нагреваться.

Заключение по теме

Сделать своими руками генератор из обычного асинхронного двигателя не проблема. Здесь важно соблюсти все требования, которые были нами описаны выше. Небольшая неточность, и все может пойти неправильно. Во всяком случае, получить ток напряжением 220 вольт уже не получится, а если и получится, то сам агрегат долго не проработает.

(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.

Применение асинхронного режима генератора

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.

Недостатки асинхронного режима генератора,асинхронного двигателя(АД)

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,асинхронного генератора

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».

Двигатель с фазным ротором.Асинхронный режим генератор а.

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.

В стремлении получить автономные источники электроэнергии специалисты нашли способ как своими руками переделать, трехфазный асинхронный электродвигатель переменного тока в генератор. Такой метод имеет ряд преимуществ и отдельные недостатки.

Внешний вид асинхронного электродвигателя

В разрезе показаны основные элементы:

1. чугунный корпус с радиаторными рёбрами для эффективного охлаждения;
2. корпус короткозамкнутого ротора с линиями сдвига магнитного поля относительно его оси;
3. коммутационно контактная группа в коробке (борно), для коммутации обмоток статора в схемы звезда или треугольник и подключения проводов электропитания;
4. плотные жгуты медных проводов обмотки статора;
5. стальной вал ротора с канавкой для фиксации шкива клиновидной шпонкой.

Детальная разборка асинхронного электродвигателя с указанием всех деталей показана на рисунке ниже.

Детальная разборка асинхронного двигателя

Достоинства генераторов, переделанных из асинхронных двигателей:

1. простота сборки схемы, возможность не разбирать электродвигатель, не перематывать обмотки;
2. возможность вращения генератора электротока ветряной или гидротурбиной;
3. генератор из асинхронного двигателя широко используется в системах мотор-генератор для преобразования однофазной сети 220В переменного тока в трёхфазную сеть с напряжением 380В.
4. возможность использования генератора, в полевых условиях раскручивая его от двигателей внутреннего сгорания.

Как недостаток можно отметить сложность расчёта ёмкости конденсаторов, подключаемых к обмоткам, фактически это делается экспериментальным путём.

Поэтому трудно добиться максимальной мощности такого генератора, бывают сложности с электропитанием электроустановок, которые имеют большое значение пускового тока, на циркулярных электропилах с трёхфазными двигателями переменного тока, бетономешалках и других электроустановках.

Принцип работы генератора

В основу работы такого генератора заложен принцип обратимости: «любая электроустановка преобразующая электрическую энергию в механическую, может сделать обратный процесс». Используется принцип работы генераторов, вращение ротора вызывает ЭДС и появление электрического тока в обмотках статора.

Исходя из этой теории, очевидно, что асинхронный электродвигатель можно переделать в электрогенератор. Чтобы осознано провести реконструкцию необходимо понять, как происходит процесс генерации и что для этого требуется. Все двигатели, которые приводит в движение сила переменного тока, считаются асинхронными. Поле статора движется с небольшим опережением относительно магнитного поля ротора, подтягивая его за собой в сторону вращения.

Чтобы получить обратный процесс, генерацию, поле ротора должно опережать движение магнитного поля статора, в идеальном случае вращаться в противоположном направлении. Добиваются этого включением в сеть питания, конденсатора большой ёмкости, для увеличения ёмкости используют группы конденсаторов. Конденсаторная установка заряжается, накапливая магнитную энергию (элемент реактивной составляющей переменного тока). Заряд конденсатора по фазе противоположный источнику тока электродвигателя, поэтому вращение ротора начинает замедляться, обмотка статора генерирует ток.

Преобразование

Как практически своими руками преобразовать асинхронный электродвигатель в генератор?

Для подключения конденсаторов надо открутить верхнюю крышку борно (коробка), где расположена контактная группа, коммутирующая контакты обмоток статора и подключены провода питания асинхронного двигателя.

Открытое борно с контактной группой

Обмотки статора могут быть соединены в схему «Звезда» или «Треугольник».

Схемы включения «Звезда» и «Треугольник»

На шильдике или в паспорте на изделие показаны возможные схемы подключения и параметры двигателя при различных подключениях. Указывается:

• максимальные токи;
• напряжение питания;
• потребляемая мощность;
• количество оборотов в минуту;
• КПД и другие параметры.

Параметры двигателя, которые указаны на шильдике

В трёхфазный генератор из асинхронного электродвигателя, который делают своими руками, конденсаторы подключаются по аналогичной схеме «Треугольником» или «Звездой».

Вариант включения со «Звездой» обеспечивает пусковой процесс генерации тока на более низких оборотах, чем при соединении схемы в «Треугольник». При этом напряжение на выходе генератора будет немного ниже. Подключение по схеме «Треугольника» предоставляет незначительное увеличение выходного напряжения, но требует более высоких оборотов при запуске генератора. В однофазном асинхронном электродвигателе подключается один фазосдвигающий конденсатор.

Схема подключения конденсаторов на генераторе в «Треугольник»

Используются конденсаторы модели КБГ-МН, или другие марки не менее 400 В бесполярные, двухполюсные электролитические модели в этом случае не подходят.

Как выглядит бесполюсный конденсатор марки КБГ-МН

Расчёт ёмкости конденсаторов для используемого двигателя

В синхронных генераторах возбуждение процесса генерации происходит на обмотках якоря от источника тока. 90% асинхронных двигателей имеют короткозамкнутые роторы, без обмотки, возбуждение создаётся остаточным в роторе статическим зарядом. Его достаточно чтобы на первоначальном этапе вращения создать ЭДС, которое наводит ток, и подзаряжает конденсаторы, через обмотки статора. Дальнейшая подзарядка уже поступает от генерируемого тока, процесс генерации будет непрерывным, пока вращается ротор.

Автомат подключения нагрузки к генератору, розетки и конденсаторы рекомендуется установить в отдельный закрытый щит. Соединительные провода от борно генератора до щита проложить в отдельном изолированном кабеле.

Даже при неработающем генераторе необходимо избегать прикосновения к клемам конденсаторов контактов розеток. Накопленный конденсатором заряд остаётся длительное время и может ударить током. Заземляйте корпуса всех агрегатов, мотора, генератора, щита управления.

Монтаж системы мотор-генератор

При монтаже генератора с мотором своими руками надо учитывать, что указанное количество номинальных оборотов используемого асинхронного электродвигателя на холостом ходу больше.

Схема мотор-генератора на ременной передаче

На двигателе в 900 об/м при холостом ходе будет 1230 об/м, чтобы получить на выходе генератора, переделанного из этого двигателя достаточную мощность, надо иметь количество оборотов на 10% больше холостого хода:

1230 + 10% =1353 об/м.

Ременная передача рассчитывается по формуле:

Vг = Vм x Dм\Dг

Vг – необходимая скорость вращения генератора 1353 об/м;

Vм – скорость вращения мотора 1200 об/м;

Dм – диаметр шкива на моторе 15 см;

Dг – диаметр шкива на генераторе.

Имея мотор на 1200 об/м где шкив Ø 15 см, остаётся рассчитать только Dг – диаметр шкива на генераторе.

Dг = Vм x Dм/ Vг = 1200об/м х 15см/1353об/м = 13,3 см.

Генератор на ниодимовых магнитах

Как сделать генератор из асинхронного электродвигателя?

Этот самодельный генератор исключает применение конденсаторных установок. Источник магнитного поля, которое наводит ЭДС и создаёт ток в обмотке статора, построен на постоянных ниодимовых магнитах. Для того чтобы это сделать своими руками необходимо последовательно выполнить следующие действия:

• Снять переднюю и заднюю крышки асинхронного электродвигателя.
• Извлечь ротор из статора.

Как выглядит ротор асинхронного двигателя

• Ротор протачивается, снимается верхний слой на 2 мм больше толщины магнитов. В бытовых условиях сделать расточку ротора своими руками не всегда представляется возможным, при отсутствии токарного оборудования и навыков. Нужно обратиться к специалистам в токарные мастерские.
• На листе обычной бумаги готовится шаблон для размещения круглых магнитов, Ø 10-20мм, толщиной до 10 мм, с силой притяжения 5-9 кг, на кв/см, размер зависит от величины ротора. Шаблон наклеивается на поверхность ротора, магниты размещаются полосами под углом 15 – 20 градусов относительно оси ротора, по 8 штук в полосе. На рисунке ниже видно, что на некоторых роторах отмечены тёмно-светлые полосы смещения линий магнитного поля относительно его оси.

Установка магнитов на ротор

• Ротор на магнитах рассчитывается так, чтобы получилось четыре группы полос, в группе по 5 полосок, расстояние между группами 2Ø магнита. Промежутки в группе 0.5-1Ø магнита, такое расположение снижает силу залипания ротора к статору, он должен проворачиваться усилиями двух пальцев;
• Ротор на магнитах, сделанный по рассчитанному шаблону, заливается эпоксидной смолой. После того как она немного подсохнет цилиндрическая часть ротора покрывается слоем стекловолокна и опять пропитывается эпоксидной смолой. Это исключит вылет магнитов при вращении ротора. Верхний слой на магнитах не должен превышать первоначального диаметра ротора, который был до проточки. В противном случае ротор не встанет на своё место или при вращении будет тереться об обмотку статора.
• После просушки, ротор можно поставить на место и закрыть крышки;
• Испытывать, электрогенератор необходимо – проворачивать ротор электродрелью, измеряя напряжение на выходе. Количество оборотов при достижении нужного напряжения измеряется тахометром.
• Зная необходимое количество оборотов генератора, ременная передача рассчитывается по методике описанной выше.

Интересный вариант применения, когда электрогенератор на основе асинхронного электродвигателя, используется в схеме электрический мотор-генератор с самоподпиткой. Когда часть мощности вырабатываемой генератором поступает на электродвигатель, который его раскручивает. Остальная энергия расходуется на полезную нагрузку. Осуществив принцип самоподпитки практически можно на долгое время обеспечить дом автономным электропитанием.

Видео. Генератор из асинхронного двигателя.

Для широкого круга потребителей электроэнергии покупать мощные дизельные электростанции как TEKSAN TJ 303 DW5C с мощностью на выходе 303 кВА или 242 кВт не имеет смысла. Маломощные бензиновые генераторы дорогие, оптимальный вариант сделать своими руками ветровые генераторы или устройство мотор-генератор с самопдпиткой.

Используя эту информацию можно собрать генератор своими руками, на постоянных магнитах или конденсаторах. Такое оборудование очень полезно на загородных домах, в полевых условиях, как аварийный источник питания, когда отсутствует напряжение в промышленных сетях. Полноценный дом с кондиционерами, электрическими плитами и нагревательными бойлерами, мощный мотор циркулярной пилы они не потянут. Временно обеспечить электроэнергией бытовые приборы первой необходимости могут, освещение, холодильник, телевизор и другие, которые не требуют больших мощностей.