Идея иметь автономной источник электрической энергии и не зависеть от стационарной государственной сети волнует умы многих жителей сельской местности.
Реализовать ее довольно просто: нужен трехфазный асинхронный электродвигатель, который можно использовать даже со старого, списанного промышленного оборудования.
Генератор из асинхронного двигателя своими руками делается по одной из трех схем, публикуемых в этой статье. Он будет бесплатно и надежно преобразовывать механическую энергию в электричество.
Как подобрать электродвигатель
Чтобы исключить ошибки на стадии проекта необходимо уделить внимание конструкции приобретаемого двигателя, а также его электрическим характеристикам: потребляемой мощности, величине напряжения питания, числу оборотов ротора.
Асинхронные машины обратимы. Они способны работать в режиме:
· электродвигателя, когда на них подается внешнее напряжение;
· или генератора, если их ротор вращает источник механической энергии, например, водяное либо ветряное колесо, двигатель внутреннего сгорания.
Обращаем внимание на заводскую табличку, конструкцию ротора и статора. Учитываем их особенности при создании генератора.
Что надо знать о конструкции статора
У него на общем сердечнике магнитопровода намотаны три изолированных обмотки для питания от каждой фазы напряжения.
Их подключают одним из двух способов:
1. Звездой, когда все концы собраны в одну точку. На 3 начала и общий вывод концов подается напряжение по четырем проводам.
2. Треугольником - конец одной обмотоки подключен к началу другой так, что схема собрана кольцом и из нее выходят всего три провода.
Более подробно эта информация изложена в статье моего сайта о подключении трехфазного двигателя в бытовую однофазную сеть .
Особенности конструкции ротора
На нем тоже создан магнитопровод и три обмотки. Они соединяются одним из двух способов:
1. через контактные выводы у двигателя с фазным ротором;
2. накоротко замкнуты алюминиевой вставкой в конструкцию беличьего колеса - асинхронные машины.
Нам нужен ротор короткозамкнутый. Все схемы разработаны для него.
Конструкцию фазного ротора тоже можно использовать в качестве генератора. Но ее придется переделать: просто шунтируем все вывода между собой закоротками.
Как учесть электрические характеристики двигателя
На работу генератора повлияют:
1. Диаметр провода обмотки. От него напрямую зависит нагрев конструкции и величина приложенной мощности.
2. Расчетная скорость вращения ротора, указываемая числом оборотов.
3. Способ соединения обмоток в звезду или треугольник.
4. Величина потерь энергии, определяемая КПД и косинусом φ.
Их смотрим на табличке или вычисляем косвенными методами.
Как заставить электродвигатель перейти в режим генератора
Необходимо выполнить два действия:
1. Раскрутить ротор от источника посторонней механической мощности.
2. Возбудить в обмотках электромагнитное поле.
Если с первым пунктом все понятно, то для второго достаточно подключить к обмоткам батарею конденсаторов, создав емкостную нагрузку определенной величины.
Для этого вопроса разработано несколько вариантов схем.
Полная звезда
Конденсаторы включают между каждой парой начал обмоток.
Упрощенная звезда
В этой схеме пусковой и рабочий конденсаторы подключаются своими выключателями.
Схема треугольника
Конденсаторы включены параллельно каждой обмотке. На выходных клеммах создается линейное напряжение 220 вольт.
Какие нужны номиналы конденсаторов
Проще всего использовать бумажные конденсаторы с напряжением от 500 вольт и выше. Электролитические модели лучше не применять: они могут закипеть и взорваться.
Формула определения емкости имеет вид: С=Q/2π∙f∙U2.
В ней Q - реактивная мощность, f - частота, U - напряжение.
Существующие организации, снабжающие электроэнергией, неоднократно доказывают свою некомпетентность в обслуживании потребителей, и все чаще люди сталкиваются с проблемами подачи электроэнергии. Чаще всего с перебоями в электросети или даже отсутствием электроэнергии сталкиваются владельцы особняков и дач за пределами города. В связи с этим люди запасаются керосиновыми лампами, свечами и бензиновыми генераторами.
Но не всегда есть возможность приобрести себе хороший генератор, и жители вынужденно сталкиваются с вопросом, как сделать генератор своими руками, потратив на это намного меньше, чем на заводской агрегат.
Принцип работы генератора
Пользуясь большим спросом, генератор может быть на базе бензинового или дизельного двигателя. В большинстве случаев главным прибором выработки электроэнергии выступает асинхронный двигатель, с помощью которого производится энергия для рабочей электросети. Бензогенератор с асинхронным двигателем работает с большим КПД , а обороты ротора асинхронного двигателя выше, чем у самого мотора.
Установки с применением асинхронного двигателя применяются не только в бытовых условиях, но и во многих других силовых установках , таких как:
- Ветровые электростанции.
- Для работы сварочного аппарата.
- Для поддержки электроэнергии совместно с небольшой ГЕС.
Благодаря тому, что скорость оборотов ротора асинхронного генератора выше, чем самого мотора, он может производить электроэнергию. В самых обычных моделях генераторов для выработки электричества должно быть не менее 1500 оборотов в минуту.
Превосходство скорости работы ротора при запуске перед синхронной скоростью называют скольжением и вычисляют в процентах от синхронной скорости, но так как статор вращается с большими оборотами
, чем ротор, то происходит образование потока заряженных электронов с переменной полярностью.
При запуске подключенный прибор управляет синхронной скоростью и впоследствии - скольжением. При выходе из статора электроны перемещаются по ротору, но активная энергия уже находится в катушках статора.
Принцип работы двигателя заключается в преобразовании механической энергии в электрическую, а для пуска и выработки тока необходим сильный вращательный момент . Наиболее подходящим вариантом, по мнению электриков, является поддержка оптимальной скорости на протяжении всего времени работы генератора.
Преимущества асинхронного генератора
Синхронные и асинхронные генераторы имеют разную конструкцию. Конструкция синхронного более сложная, чувствительность к перепадам напряжения больше, поэтому продуктивность ниже, чем асинхронного. На роторе синхронного мотора размещены магнитные катушки, они усложняют вращение ротора
, а ротор асинхронного генератора имеет схожесть с обычным маховиком.
Потеря КПД синхронного генератора из-за конструктивной особенности около 11%, в то время как у асинхронного - потеря до 5%. Поэтому асинхронные устройства более востребованы и в быту, и в промышленности. Нарастание спроса обусловлено не только высоким КПД, но и другими преимуществами:
- Простая конструкция корпуса, способного защитить от попадания влаги и пыли, что снижает необходимость ежедневного проведения ТО.
- Устойчивость к перепаду напряжения и наличие выпрямителя, который служит защитой для подключенных электроприборов.
- Способен питать высокочувствительные приборы, к примеру, сварочные устройства, компьютеры и лампы накалывания.
- Высокий КПД и минимальная затрата энергии на обогрев самого агрегата.
- Длительный срок эксплуатации благодаря надежности деталей и их устойчивости к износу при использовании.
Благодаря таким положительным нюансам генератор может эксплуатироваться на протяжении 15 лет, а его конструкция позволяет сделать асинхронный генератор своими руками.
Мотоблок для электрогенератора
Для жителей сел и поселков за городом использование мотоблока для сборки генератора не является новшеством, так как агрегат очень распространен, и многие проводят земельные работы с его помощью, хотя мотоблок, как другая техника, нередко подвергается поломкам
.
При больших повреждениях агрегата владельцы покупают новый, но со старым расстаться хочет не каждый, поэтому старые экземпляры могут использоваться для самостоятельного конструирования генератора переменного тока 220 В. Работой двигателя может обеспечиваться оптимальная производительность асинхронного двигателя в пределах вольтажа от 220 до 380. Мощность двигателя нужно выбирать не менее 15 кВт, а частота оборотов вала должна быть от 800 до 1500 об/мин. Такие характеристики необходимы для полного обеспечения электросети жилища. Ведь с маломощным двигателем получить достаточно энергии не выйдет, а создавать генератор для нескольких осветительных приборов нерационально.
Существуют мастера, которые изготавливают ветрогенератор из асинхронного двигателя своими руками, но в любом случае перед сборкой нужно сначала рассчитать мощность потребления электроэнергии зданием. Ведь в небольших дачных домиках может быть один телевизор или дрель, для которых будет достаточно мощности
электрогенератора, переделанного из обычной бензопилы.
Подготовка материала и сборка
Покупка асинхронного двигателя грозит большой потерей финансов, а для самостоятельной сборки могут понадобиться минимальные навыки в электрике, детали и инструменты. Но если принято решение сделать генератор переменного тока 220 В своими руками, то к этому необходимо подготовиться:
- Для нормальной работы генератора скорость вращения ротора должна быть больше чем обороты двигателя. Поэтому нужно отключить двигатель к сети и вычислить скорость вращения ротора, для этого можно использовать тахометр.
- Вычислить рабочую частоту оборотов будущего генератора. К примеру: обороты двигателя - 1200 об/мин, а рабочие обороты генератора будут - 1320 об/мин. Такое значение можно вычислить, добавив к оборотам двигателя 10% показателя тахометра;
- Для функционирования асинхронного двигателя необходимы конденсаторы одинаковой емкости для подключения между фазами.
- Емкость конденсаторов не должна быть сильно завышенной, иначе неизбежен сильный перегрев генератора.
- Конденсаторы должны быть изолированы и обеспечивать высчитанную скорость вращения ротора генератора.
Такое простое устройство уже можно использовать в качестве источника электроэнергии, но так как устройством производится высокое напряжение, то его лучше применять с понижающим трансформатором.
Бензиновый агрегат
Для сборки бензинового прибора необходима установка мотоблока и электродвигателя на одной станине с учетом параллельного расположения валов. Посредством двух шкивов будет передаваться вращательный момент от мотоблока к двигателю. Один шкив нужно установить на вал бензинового агрегата, а второй на электромотор. Благодаря правильному соотношению размера шкивов будет определяться частота оборотов
ротора мотора.
После установки всех деталей и подключения ременной передачи можно приступить к электрической части:
- Обмотку электромотора необходимо соединить по схеме «звезда».
- Подключенные конденсаторы к фазам должны образовать треугольник.
- Между концом обмотки средней точкой образуется 220 В, а 380 - между обмотками.
Емкость устанавливаемых конденсаторов подбирается в зависимости от мощности электродвигателя. Устройством вырабатывается электроэнергия, а значит, нужно сделать заземление, в противном случае аппарат может быстро изнашиваться или стать причиной поражения током человека.
В качестве устройства с небольшой мощностью можно использовать однофазный двигатель от стиральной машины, дренажного насоса или другого бытового прибора. Так же как и трехфазный мотор, он должен подключаться параллельно обмотке. Также при конструировании можно использовать конденсатор фазового сдвига, но мощность придется увеличивать до нужного предела.
Такие простые приборы с однофазным мотором можно использовать для освещения дома или подключения маломощных электроприборов. При этом переделка схемы может позволить подключение аппарата к обогревателю или электропечи. Таким же образом могут изготавливаться подобные устройства с использованием неодимовых или других постоянных магнитов.
Достоинства самодельной конструкции
Главным и важным достоинством является экономия. Для самодельного варианта потребуется намного меньше денежных вложений, чем заводские аналоги.
При грамотном проведении сборки своими руками электрооборудование может быть довольно надежным и продуктивным в эксплуатации.
Единственным недостатком такого устройства является то, что для новичка может быть затруднительно разобраться во всех тонкостях сборки и изготовления прибора. При неправильном подключении и сборки возможны необратимые поломки, после чего потраченное время и деньги уйдут впустую.
Гидро- и ветростанции
Кроме бензиновых устройств, существуют и другие конструкции. Привести в движение вал электромотора можно с помощью ветряка или водяного потока. Конструкции не являются самыми простыми, но благодаря им, можно обойтись без использования бензинового или дизельного топлива.
Такое устройство, как гидрогенератор, можно собрать самостоятельно. При наличии протекающей реки возле дома воду можно применить как силу, вращающую вал. При этом в русло реки устанавливается гидроколесо с лопастями. Таким образом создается течение, вращающее турбину и вал электромотора, а в зависимости от количества установленных турбин и лопастей будет увеличиваться или уменьшаться поток воды и напряжение генератора.
Устройство ветрового агрегата немного сложнее, так как ветровая нагрузка не является постоянной величиной. Обороты ветряка, которые передаются на вал мотора должны регулироваться в зависимости от необходимой частоты оборотов электромотора. Регулятором в этом механизме выступает редуктор. Сложность конструкции заключается в том, что при повышении ветра необходим понижающий редуктор, а при понижении ветра - повышающий.
Все асинхронные устройства, вырабатывающие электроэнергию, имеют повышенный уровень опасности, в связи с этим им нужна изоляция. С таким оборудованием необходимо обращаться очень аккуратно и держать его скрытым от воздействия внешних погодных условий:
- Автономные устройства оснащаются измерительными датчиками для фиксации данных о работе. Рекомендуется установка тахометра и вольтметра.
- Установка выключателя или отдельных кнопок включения и выключения.
- Агрегат заземляется в обязательном порядке.
- КПД асинхронного устройства может снижаться на 30−50%, что является неизбежным явлением при преобразовании электрической энергии из механической.
- Необходимо следить за температурой установки и режимом работы, так как аппарат может перегреваться на холостом ходу.
Придерживайтесь таких простых правил в эксплуатации, и прибор будет служить на протяжении длительного времени и не предоставит неудобств.
Хотя самодельное приспособление и является простым в сборке, оно при этом требует определенных усилий, сосредоточенности при работе с конструкцией и правильным подключением электросети. Устройство такого типа целесообразно собирать в финансовом плане при наличии работоспособного неиспользуемого двигателя. В противном случае основной элемент прибора будет стоить половину цены рыночной установки. Ветровой или другой генератор лучше собирать из проверенных и работоспособных частей для повышения срока эксплуатации генератора.
В электротехнике существует так называемый принцип обратимости: любое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может делать и обратную работу. На нем основан принцип действия электрических генераторов, вращение роторов которых вызывает появление электрического тока в обмотках статора.
Теоретически можно переделать и использовать любой асинхронный двигатель в качестве генератора, но для этого надо, во-первых, понять физический принцип, а во-вторых, создать условия, обеспечивающие это превращение.
Вращающееся магнитное поле – основа схемы генератора из асинхронного двигателя
В электрической машине, изначально создающейся как генератор, существуют две активные обмотки: возбуждения, размещенная на якоре, и статорная, в которой и возникает электрический ток. Принцип её работы основан на эффекте электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле порождает в обмотке, которая находится под его воздействием, электрический ток.
Магнитное поле возникает в обмотке якоря от напряжения, обычно подаваемого с , ну а его вращение обеспечивает любое физическое устройство, хотя бы и ваша личная мускульная сила.
Конструкция электродвигателя с короткозамкнутым ротором (это 90 процентов всех исполнительных электрических машин) не предусматривает возможности подачи питающего напряжения на обмотку якоря.
Поэтому, сколько бы вы ни вращали вал двигателя, на его питающих клеммах электрического тока не возникнет.
Тем, кто хочет заняться переделкой в генератор, надо создавать вращающееся магнитное поле самостоятельно.
Создаем предусловия для переделки
Двигатели, работающие от переменного тока, называют асинхронными. Все потому, что вращающееся магнитное поле статора чуть опережает скорость вращения ротора, оно как бы тянет его за собой.
Используя тот же принцип обратимости, приходим к выводу, что для начала генерации электрического тока вращающееся магнитное поле статора должно отставать от ротора или даже быть противоположным по направлению. Создать вращающееся магнитное поле, которое отстает от вращения ротора или противоположно ему, можно двумя способами.
Затормозить его реактивной нагрузкой . Для этого в цепь питания электродвигателя, работающего в обычном режиме (не генерации), надо включить, например, мощную конденсаторную батарею. Она способна накапливать реактивную составляющую электрического тока – магнитную энергию. Этим свойством в последнее время широко пользуются те, кто хочет сэкономить киловатт-часы.
Если быть точным, то фактической экономии электроэнергии не происходит, просто потребитель немного обманывает электросчетчик на законной основе.Накопленный конденсаторной батареей заряд находится в противофазе с тем, что создается питающим напряжением и «подтормаживает» его. В результате электродвигатель начинает генерировать ток и отдавать его обратно в сеть.
Использование высокомощных моторов в домашних условиях при наличии исключительно однофазной сети требует определенных знаний в том, .
Для одновременного подключения потребителей электроэнергии к трех фазам служит специальное электромеханическое устройство — магнитный пускатель, об особенностях правильной установки которых можно прочитать .
На практике этот эффект применяется в транспорте на электрической тяге. Как только электровоз, трамвай или троллейбус идут под уклон, к цепи питания тягового электродвигателя подключается конденсаторная батарея и происходит отдача электрической энергии в сеть (не верьте тем, кто утверждает, что электротранспорт дорог, он почти на 25 процентов обеспечивает энергией сам себя).
Такой способ получения электрической энергии не есть чистая генерация. Чтобы перевести работу асинхронного двигателя в режим генератора, надо использовать метод самовозбуждения.Самовозбуждение асинхронного двигателя и переход его в режим генерации может возникнуть из-за наличия в якоре (роторе) остаточного магнитного поля. Оно очень мало, но способно породить ЭДС, заряжающее конденсатор. После возникновения эффекта самовозбуждения конденсаторная батарея подпитывается от произведенного электрического тока и процесс генерации становится непрерывным.
Секреты изготовления генератора из асинхронного двигателя
Чтобы превратить электромотор в генератор надо использовать неполярные конденсаторные батареи. Электролитические конденсаторы для этого не годятся. В трехфазных двигателях конденсаторы включаются «звездой» позволяет начать генерацию на меньших оборотах ротора, но величина напряжения на выходе будет несколько ниже, чем при соединении «треугольником».
Также можно сделать генератор из однофазного асинхронного двигателя. Но для этого годятся лишь те, которые имеют короткозамкнутый ротор, а для запуска используют фазосдвигающий конденсатор. Коллекторные однофазные двигатели для переделки в не годятся.
Рассчитать в бытовых условиях величину потребной емкости конденсаторной батареи не представляется возможным.
Поэтому домашний мастер должен исходить из простого соображения: общий вес конденсаторной батареи должен быть равен или немного превышать вес самого электродвигателя.
На практике это приводит к тому, что создать достаточно мощный асинхронный генератор почти невозможно, поскольку чем меньше номинальные обороты двигателя, тем он больше весит.
Оцениваем уровень эффективности — выгодно ли это?
Как видите, заставить электродвигатель генерировать ток можно не только в теоретических измышлениях. Теперь надо разобраться, насколько оправданы усилия по «изменению пола» электрической машины.
Во многих теоретических изданиях главным преимуществом асинхронных представляют их простоту. Честно говоря, это лукавство. Устройство двигателя ничуть не проще устройства синхронного генератора. Конечно, в асинхронном генераторе нет электрической цепи возбуждения, но она заменена на конденсаторную батарею, которая сама по себе является сложным техническим устройством.
Зато конденсаторы не надо обслуживать, а энергию они получают как бы даром – сначала от остаточного магнитного поля ротора, а потом – от вырабатываемого электрического тока. Вот в этом и есть главный, да и практически единственный плюс асинхронных генераторных машин – их можно не обслуживать.
Такие источники электрической энергии применяются в , приводимых в действие силой ветра или падающей воды.
Еще одним преимуществом таких электрических машин является то, что генерируемый ими ток почти лишен высших гармоник. Этот эффект называется «клирфактор». Для людей далеких от теории электротехники его можно объяснить так: чем ниже клирфактор, тем меньше тратится электроэнергии на бесполезный нагрев, магнитные поля и прочее электротехническое «безобразие».
У генераторов из трехфазного асинхронного двигателя клирфактор обычно находится в пределах 2%, когда традиционные синхронные машины выдают минимум 15. Однако учет клирфактора в бытовых условиях, когда к сети подключены разные типы электроприборов (стиральные машины имеют большую индуктивную нагрузку), практически невозможен.
Все остальные свойства асинхронных генераторов являются отрицательными. К ним относится, например, практическая невозможность обеспечить номинальную промышленную частоту вырабатываемого тока. Поэтому их почти всегда сопрягают с выпрямительными устройствами и используют для зарядки аккумуляторных батарей.
Кроме того, такие электрические машины очень чувствительны к перепадам нагрузки. Если в традиционных генераторах для возбуждения используется аккумулятор, имеющий большой запас электрической мощности, то конденсаторная батарея сама забирает из вырабатываемого тока часть энергии.
Если нагрузка на самодельный генератор из асинхронного двигателя превышает номинал, то ей не хватит электричества для подзарядки и генерация прекратится. Иногда используют емкостные батареи, объем которых динамически меняется в зависимости от величины нагрузки.
Однако при этом полностью теряется преимущество «простоты схемы».
Нестабильность частоты вырабатываемого тока, изменения которой почти всегда носят случайный характер, не поддаются научному объяснению, а потому не могут быть учтены и компенсированы, предопределило малую распространенность асинхронных генераторов в быту и народном хозяйстве.
Функционирование асинхронного двигателя как генератора на видео
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·U 2 ·C·10 -6 ,
где С - ёмкость конденсаторов, мкФ.
| Мощность генератора,кВ·А | Холостой ход | |||||
| 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 |
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.
Постоянное и бесперебойное обеспечение электричества в доме – залог приятного и комфортного времяпровождения в любую пору года. Чтобы организовать автономное питание загородного участка, нам придется прибегнуть к мобильным установкам – электрогенераторам, которые в последние годы особенно популярны ввиду большого ассортимента самых разных мощностей.
Сфера применения
Многие интересуются, как сделать электрогенератор для дачного участка? Об этом мы и расскажем ниже. Применим в большинстве случаев асинхронный генератор переменного тока, который будет производить энергию для работы электроприборов. В асинхронном генераторе скорость вращения роторов, чем в синхронном и КПД будет выше.
Впрочем, силовые установки нашли свое применение в более широком кругу, как отличное средство для добычи энергии, а именно:
- Их применяют на ветровых электростанциях.
- Используются как сварочные агрегаты.
- Обеспечивают автономную поддержку электричества в доме наравне с миниатюрной ГЭС.
Включается агрегат с помощью входящего напряжения. Зачастую для запуска устройство подключают к питанию, но это не совсем логическое и рациональное решение для мини-станции, которая сама должна вырабатывать электричество, а не потреблять его для запуска. Поэтому в последние годы активно производятся генераторы с самовозбуждением или последовательным переключением конденсаторов.
Как работает электрогенератор
Асинхронный генератор электроэнергии производит ресурс, если скорость вращения мотора быстрее синхронного. Самый обычный генератор работает на параметрах от 1500 оборотов.
Он производит энергию, если ротор при старте быстрее работает, нежели синхронная скорость. Разница между этими показателями называется скольжение и высчитывается в процентном соотношении относительно синхронной скорости. Однако, скорость статора еще выше, чем частота вращения ротора. За счет этого образуется поток заряженных частиц, меняющих полярности.
Смотрим видео, принцип работы:
При возбуждении подключенное устройство электрогенератора берет контроль над синхронной скоростью, самостоятельно управляя скольжением. Выходящая из статора энергия проходит по ротору, однако, активное питание уже переместилось в катушки статора.
Основной принцип работы электрогенератора сводится к преобразованию механической энергии в электрическую. Чтобы запустить ротор для выработки энергии, необходим сильный крутящий момент. Самым адекватным вариантом, по словам электриков, является «вечный ход вхолостую», который поддерживает одну скорость вращения в течение времени работы генератора.
Почему используется асинхронный генератор
В отличие от синхронного генератора, асинхронный имеет огромное количество достоинств и преимуществ. Основным фактором выбора асинхронного варианта стал низкий клирфактор. Высокий показатель клирфактора характеризует количественное наличие высших гармоник в выходном напряжении. Они вызывают бесполезный нагрев мотора и неравномерность вращения. Синхронные генераторы имеют величину клирфактора на уровне 5-15%, в асинхронных он не превышает 2%. Их этого следует, что асинхронный генератор энергии вырабатывает только полезную энергию.
Немного о асинхронном генераторе и его подключении:
Не менее весомым преимуществом данного вида электрогенератора является полное отсутствие вращающихся обмоток и электронных деталей, чувствительных к повреждениям и внешним факторам. Следовательно, данный вид аппаратов не подвержен активному износу и прослужит дольше.
Как сделать генератор своими руками
Устройство асинхронный генератор переменного тока
Приобретение асинхронного электрогенератора – достаточно недешёвое удовольствие для среднестатистического жителя нашей страны. Поэтому многие умельцы прибегают к решению вопроса о самостоятельной сборке аппарата. Принцип работы, как и конструкции – достаточно прост. При наличии всех инструментов сборка не займет более 1-2 часов.
Согласно вышеопределенному принципу действия электрогенератора, следует настроить все оборудование так, чтобы вращения были быстрее, нежели обороты двигателя. Чтобы это сделать, следует подключить двигатель в сеть и завести его. Для вычисления количества оборотов в минуту используйте тахометр или тахогенератор.
Определив значение скорости вращения двигателя, прибавьте к нему 10%. Если скорость вращения 1500 оборотов в минуту, тогда генератор должен работать на 1650 оборотах.
Теперь нужно переделать асинхронный генератор «под себя», используя конденсаторы необходимых емкостей. Для определения типа и емкости используйте следующую табличку:
Надеемся, как собрать электрогенератор своими руками уже понятно, но обратите внимание: емкость конденсаторов не должна быть очень завышенной, в противном случае генератор, работающий на дизельном топливе, будет сильно греться.
Установите конденсаторы согласно расчету. Установка требует достаточного количества внимания. Убедитесь в хорошей изоляции, при необходимости используйте специальные покрытия.
На базе двигателя процесс сборки генератора завершен. Теперь его уже можно использовать как необходимый источник энергии. Помните, что в случае, когда устройство имеет короткозамкнутый ротор и производит достаточно серьезное напряжение, которое превышает 220 вольт, необходимо установить понижающий трансформатор, который стабилизирует напряжение на требуемом уровне. Помните, чтобы все приборы в доме работали, должен быть строгий контроль самодельного электрогенератора на 220 вольт по напряжению.
Смотрим видео, этапы работ:
Для генератора, который будет работать на малых мощностях, в целях экономии можно использовать асинхронные двигатели с одной фазой от старых или ненужных бытовых электроприборов, например, стиральных машин, насосов для дренажа, газонокосилок, бензопил и т.д. Моторы от таких бытовых приборов следует подключать параллельно обмотке. Как вариант, можно использовать конденсаторы, сдвигающие фазы. Они достаточно редко разнятся по необходимой мощности, так что потребуется ее увеличение до требуемых показателей.
Подобные генераторы очень хорошо показывают себя при необходимости питания лампочек, модемов и прочих мелких приборов со стабильным активным напряжением. При определенных знаниях можно подключить электрогенератор к электропечке или обогревателю.
Готовый к эксплуатации генератор следует установить так, чтобы на него не влияли осадки и окружающая среда. Позаботьтесь о дополнительном кожухе, который защитит установку от неблагоприятных условий.
Практически каждый асинхронный генератор, будь это бесщеточный, электрический, бензиновый или дизельный генератор, он считается прибором с достаточно высоким уровнем опасности. Обращайтесь с таким оборудованием очень аккуратно и держите всегда защищённым от внешнего погодного и механического воздействия или изготовьте для него кожух.
Смотрим видео, дельные советы специалиста:
Любой автономный агрегат следует оснащать специальными измерительными приборами, которые будут фиксировать и отображать данные об эффективности работы. Для этого можно использовать тахометр, вольтметр и частотомер.
- Оборудуйте генератор кнопкой включения и выключения по возможности. Для запуска можно использовать ручной старт.
- Некоторые электрогенераторы требуется заземлять перед использованием, внимательно оцените территорию и выберите место для установки.
- При преобразовании механической энергии в электроэнергию, иногда коэффициент полезного действия может падать до 30%.
- Если не уверены в силах или боитесь сделать что-либо не так, советуем приобрести генератор в соответствующем магазине. Порой риски могут обернуться крайне плачевно…
- Следите за температурой асинхронного генератора и его тепловым режимом.
Итоги
Несмотря на свою простоту реализации, самодельные электрогенераторы – это очень кропотливая работа, требующая полной сосредоточенности на конструкции и правильному подключению. Целесообразна сборка с финансовой точки зрения только, если у вас уже имеется работоспособный и ненужный двигатель. В ином случае вы отдадите за основной элемент установки больше половины ее стоимости, и общие траты могут существенно превысить рыночную стоимость генератора.