Асинхронный генератор: делаем из асинхронного двигателя своими руками на 220 В без переделки, отличия от синхронного, принцип работы и устройство

Главное отличие синхронного двигателя от асинхронного отражено в их названии: у синхронной машины поле и ротор вращаются с одинаковой скоростью и лишь в переходных процессах (увеличение или уменьше

Синхронный генератор. Принцип действия

Отличительным признаком синхронного генератора является жёсткая связь между частотой f переменной ЭДС, наведённой в обмоткестатора, и частотой вращения ротора n , называемой синхронной частотой вращения:

n = f / p

где p – число пар полюсов обмотки статора и ротора.
Обычно частота вращения выражается в об/мин, а частота ЭДС в Герцах (1/сек), тогда для количества оборотов в минуту формула примет вид:

n = 60·f / p

Асинхронный генератор: делаем из асинхронного двигателя своими руками на 220 В без переделки, отличия от синхронного, принцип работы и устройствоНа рис. 1.1 представлена функциональная схема синхронного генератора. На статоре 1 расположена трёхфазная обмотка, принципиально не отличающаяся от аналогичной обмотки асинхронной машины. На роторе расположен электромагнит с обмоткой возбуждения 2, получающей питание постоянным током, как правило, через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, расположенных на роторе, и двух неподвижных щёток.
В некоторых случаях в конструкции ротора синхронного генератора вместо электромагнитов могут использоваться постоянные магниты, тогда необходимость в наличии контактов на валу отпадает, но существенно ограничиваются возможности стабилизации выходных напряжений.

Приводным двигателем (ПД), в качестве которого используется турбина, двигатель внутреннего сгорания либо другой источник механической энергии, ротор генератора приводится во вращение с синхронной скоростью. При этом магнитное поле электромагнита ротора также вращается с синхронной скоростью и индуцирует в трёхфазной обмотке статора переменные ЭДС EA , EB и EC , которые будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми по фазе относительно друг друга на 1/3 периода (120°), образуют симметричную трёхфазную систему ЭДС.

C подключением нагрузки к зажимам обмотки статора С1, С2 и С3 в фазах обмотки статора появляются токи IA, IB, IC , которые создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вращения ротора генератора. Таким образом, в синхронном генераторе магнитное поле статора и ротор вращаются синхронно. Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе

e = 2Blwv = 2πBlwDn

Здесь:B – магнитная индукция в воздушном зазоре между сердечником статора и полюсами ротора, Тл;
l – активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, т.е. длина сердечника статора, м;
w – количество витков;
v = πDn – линейная скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с;
D – внутренний диаметр сердечника статора, м.

Формула ЭДС показывает, что при неизменной частоте вращения ротора n форма графика переменной ЭДС обмотки якоря (ста-тора) определяется исключительно законом распределения магнитной индукции B в зазоре между статором и полюсами ротора. Если график магнитной индукции в зазоре представляет собой синусоиду B = Bmax sinα , то ЭДС генератора также будет синусоидальной. Всинхронных машинах всегда стремятся получить распределение индукции в зазоре как можно ближе к синусоидальному.

Асинхронный генератор: делаем из асинхронного двигателя своими руками на 220 В без переделки, отличия от синхронного, принцип работы и устройствоТак, если воздушный зазор δ постоянен (рис. 1.2), то магнитная индукция B в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (график 1). Если же края полюсов ротора «скосить» так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен δmax (как это показано на рис. 1.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (график 2), а, следовательно, и график ЭДС, индуцированной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.Частота ЭДС синхронного генератора f (Гц) пропорциональна синхронной частоте вращения ротора n (об/с)

f = pn

где p – число пар полюсов.
В рассматриваемом генераторе (см. рис.1.1) два полюса, т.е. p = 1.
Для получения ЭДС промышленной частоты (50 Гц) в таком генераторе ротор необходимо вращать с частотой n = 50 об/с (n = 3000 об/мин).

Различия между синхронным и асинхронным генераторами

Чтобы понять, чем же отличаются между собой генераторы этого типа, вначале немного разберемся с вопросом – на чем основан принцип действия любого генератора. В основе работы генерирующей станции положено явление электромагнитной индукции, благодаря которому и происходит преобразование механической (вращательной) энергии в электрическую.

ЧТО ТАКОЕ АЛЬТЕРНАТОР

Когда–то давно, на заре своего возникновения, устройство для выработки электрического тока так и называлось – альтернатор. То есть, это устаревшее название генератора переменного тока. Позже его стали называть генератором, подразумевая под этим всю конструкцию: альтернатор и двигатель, размещенные на открытой раме или в корпусе.Альтернатор в отдельности – самая важная часть генератора, именно он выполняет главную функцию – преобразовывает механическую энергию вращения вала двигателя в электрическую энергию переменного тока. В нем есть два стандартных элемента: вращающийся ротор и статор — неподвижная часть генератора.

Для возбуждения электродвижущей силы на обмотках статора нужно создать переменное магнитное поле. Для этого все генераторы используют намагниченный ротор, который вращается. Это то, что у всех одинаково. А вот дальше начинаются различия. По конструктивным особенностям передачи магнитного поля на обмотки статора все электростанции можно разделить на асинхронные и синхронные:

  • Синхронные альтернаторы имеют обмотки и на роторе. Синхронный альтернатор носит второе популярное название – щеточный.
  • Асинхронные альтернаторы обмотки на роторе не имеют. В них передается остаточная намагниченность ротора, без контакта, поэтому надобность в щетках тоже отпадает. Поэтому асинхронный альтернатор называют бесщеточным.

Если совсем просто, то синхронный альтернатор по строению является более сложным, он обладает обмотками на роторе и угольными щетками. Асинхронный альтернатор более простой по своему строению, поэтому генераторы с ним стоят дешевле и, учитывая отзывы покупателей, являются менее надежными и выносливыми. Но это не значит, что асинхронный альтернатор заведомо хуже синхронного. Есть некоторые нюансы, которые практически уравновешивают все плюсы и минусы и одного и другого типа. Какой генератор выбрать, синхронный или асинхронный, зависит от того, где и как вы планируете его применять.

Типичный отзыв клиента:

«Когда строил дом, время от времени брал генератор с работы (Хонда). Генератор хороший — не вопрос, наши дорожники использую больше пяти лет. Но когда я его подключил к газовому котлу, то он его не запустил. Уже позже узнал, что из-за того, что он бесщеточный, вырабатывает нестабильное напряжение. После этого взял Konner&Sohnen KS6000D. У кума работает больше года, он и посоветовал. От него вся электроника работает нормально, замерял вольтметром выходное напряжение, на выходе абсолютно ровная синусоида 220 В (+/-5). Не смотря на то, что я электрик, не знал, что для дома лучше брать синхронный генератор.» ©Глеб

Читать дальше

Реконструкция асинхронного двигателя

Процесс состоит из трех этапов:

  1. Подключение конденсаторных батарей к зажимам. После этого на обмотке начинается процесс намагничивания, который обусловлен движением опережающего тока.
  2. Самовозбуждение устройства. Происходит при правильном подборе емкости конденсаторов.
  3. Получение итоговых значений напряжения. Зависят от технических характеристик устройства, типа и емкости конденсаторов.

Модернизация
Модернизация асинхронного двигателя

При правильном выполнении действий можно получить генератор с характеристиками асинхронного двигателя.

Принцип работы

Главная задача генератора заключается в выработке электрической энергии посредством энергии механической:

  • ветровой;
  • гидравлической;
  • внутренней, преобразованной в механическую.

Когда ротор начинает вращаться, в его контуре образуются магнитные силовые линии. Они проходят через обмотки, предусмотренные в статоре, в результате чего возникает электродвижущая сила. Именно она является ответственной за появление тока в цепях. Происходит это за счет подключения к устройству активных нагрузок.

Асинхронный генератор: делаем из асинхронного двигателя своими руками на 220 В без переделки, отличия от синхронного, принцип работы и устройство

Важный момент, который следует учитывать для организации бесперебойной работы, заключается в отслеживании скорости вращения вала. Она должна быть больше по сравнению с частотой, с которой образуется переменный ток. Последний показатель задают полюса статора. Если говорить проще, то в процессе выработки электроэнергии требуется обеспечить несовпадение частот. Они должны отставать на величину скольжения ротора.

Асинхронный генератор: делаем из асинхронного двигателя своими руками на 220 В без переделки, отличия от синхронного, принцип работы и устройство

При вращении вала под воздействием внешнего импульса, полученного в результате задействования механической энергии, и остаточного магнетизма возникает собственная ЭДС устройства. В итоге оба поля – подвижное и неподвижное – взаимодействуют друг с другом в динамическом режиме.

Ток, полученный в АГ, имеет небольшие значения. Для повышения выходной мощности потребуется увеличение магнитной индукции.

Асинхронный генератор: делаем из асинхронного двигателя своими руками на 220 В без переделки, отличия от синхронного, принцип работы и устройство

Зачастую достичь этого помогают дополнительные статоры конденсаторов. Их подключают к выводам катушек и внимательно следят за показателями системы.

Способы возбуждения синхронных генераторов

Самым распространенным способом создания основного магнитного потока синхронных генераторов является электромагнитное возбуждение, состоящее в том, что на полюсах ротора располагают обмотку возбуждения, при прохождении по которой постоянного тока, возникает МДС, создающая в генераторе магнитное поле.До последнего времени для питания обмотки возбуждения применялись преимущественно специальные генераторы постоянного тока независимого возбуждения, называемые возбудителями В (рис. 1.3, а). Обмотка возбуждения (ОВ) получает питание от другого генератора (параллельного возбуждения), называемого подвозбудителем (ПВ). Ротор синхронного генератора, возбудителя и подвозбудителя располагаются на общем валу и вращаются одновременно. При этом ток в обмотку возбуждения синхронного генератора поступает через контактные кольца и щётки. Для регулирования тока возбуждения применяют регулировочные реостаты, включаемые в цепи возбуждения возбудителя r1 и подвозбудителя r2 .В синхронных генераторах средней и большой мощности процесс регулирования тока возбуждения автоматизируют.

Асинхронный генератор: делаем из асинхронного двигателя своими руками на 220 В без переделки, отличия от синхронного, принцип работы и устройство

В синхронных генераторах получила применение также бесконтактная система электромагнитного возбуждения, при которой синхронный генератор не имеет контактных колец на роторе. В качестве возбудителя в этом случае применяют обращенный синхронный генератор переменного тока В (рис. 1.3, б). Трехфазная обмотка 2 возбудителя, в которой наводится переменная ЭДС, расположена на роторе и вращается вместе с обмоткой возбуждения синхронного генератора и их электрическое соединение осуществляется через вращающийся выпрямитель 3 непосредственно, без контактных колец и щёток. Питание постоянным током обмотки возбуждения 1 возбудителя В осуществляется от подвозбудителя ПВ – генератора постоянноготока. Отсутствие скользящих контактов в цепи возбуждения синхронного генератора позволяет повысить её эксплуатационную надёжность и увеличить КПД.

В синхронных генераторах, в этом числе гидрогенераторах, получил распространение принцип самовозбуждения (рис. 1.4, а), когдаэнергия переменного тока, необходимая для возбуждения, отбирается от обмотки статора синхронного генератора и через понижающийтрансформатор и выпрямительный полупроводниковый преобразователь ПП преобразуется в энергию постоянного тока. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение генератора происходит за счёт остаточного магнетизма машины.

Асинхронный генератор: делаем из асинхронного двигателя своими руками на 220 В без переделки, отличия от синхронного, принцип работы и устройство

На рис. 1.4, б представлена структурная схема автоматической системы самовозбуждения синхронного генератора (СГ) с выпрямительным трансформатором (ВТ) и тиристорным преобразователем (ТП), через которые электроэнергия переменного тока из цепи статора СГ после преобразования в постоянный ток подаётся в обмотку возбуждения. Управление тиристорным преобразователем осуществляется посредством автоматического регулятора возбуждения АРВ, на вход которого поступают сигналы напряжения на входе СГ (через трансформатор напряжения ТН) и тока нагрузки СГ (от трансформатора тока ТТ). Схема содержит блок защиты (БЗ), обеспечивающий защиту обмотки возбуждения (ОВ) от перенапряжения и токовой перегрузки.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, обычно составляет от 0,2 до 5 % полезной мощности (меньшее значение относится к генераторам большой мощности).
В генераторах малой мощности находит применение принцип возбуждения постоянными магнитами, расположенными на роторе машины. Такой способ возбуждения даёт возможность избавить генератор от обмотки возбуждения. В результате конструкция генератора существенно упрощается, становится более экономичной и надёжной. Однако, из-за высокой стоимости материалов для изготовления постоянных магнитов с большим запасом магнитной энергии и сложности их обработки применение возбуждения постоянными магнитами ограничено машинами мощностью не более нескольких киловатт.

Синхронные генераторы составляют основу электроэнергетики, так как практически вся электроэнергия во всём мире вырабатывается посредством синхронных турбо- или гидрогенераторов.
Так же синхронные генераторы находят широкое применение в составе стационарных и передвижных электроустановок или станций в комплекте с дизельными и бензиновыми двигателями.

Преобразование двигателя

Принцип преобразования двигателя в простейший асинхронный генератор:

  1. Для модернизации понадобится двигатель от стиральной машины.
  2. Уменьшить толщину стенок сердечника. Для этого необходимо на токарном станке обточить по 2 мм по всей поверхности. Проделать отверстия (несквозные) не более 5мм глубиной.
  3. Из тонкого листа металла либо жести изготовить полосу, размерами соответствующую габаритам ротора.
  4. Установить неодимовые магниты в полученной свободной площади в количестве не менее 8 штук. Зафиксировать суперклеем.

Магниты необходимо прижимать к поверхности до полного застывания, иначе произойдет их смещение. Рекомендовано использовать очки, чтобы клей не попал в глаза в случае выскальзывания магнита.

  1. Плотной бумагой закрыть ротор со всех сторон и зафиксировать края скотчем.
  2. Эффективно загерметизировать мастикой торцевую часть ротора.
  3. Свободное пространство между магнитными элементами заполнить эпоксидной смолой через проделанное отверстие в бумаге.
  4. После застывания смолы убрать слой бумаги.
  5. Отшлифовать поверхность ротора наждачной бумагой, при наличии можно использовать дремель.
  6. Двумя проводами присоединить двигатель к рабочей обмотке. Удалить все неиспользуемые проводники.
  7. При необходимости заменить подшипники на новые.
  8. Установить выпрямитель тока и контроллер зарядки.

Тестирование
Тестирование собранного прибора

Виды

Существует несколько классификаций асинхронных генераторов. Они могут отличаться следующими факторами.

  • Типом ротора – вращающейся части конструкции. Сегодня выпускаемые агрегаты данного типа предусматривают в своей конструкции фазный или короткозамкнутый ротор. Первый оборудован индуктивной обмоткой, в качестве которой выступает изолированный провод. С его помощью и удается создать динамическое магнитное поле. Второй вариант – единая конструкция, имеющая цилиндрическую форму. Внутри нее расположены штыри, оборудованные двумя замыкающими кольцами.
  • Количеством рабочих фаз. Под ними подразумевают выходные или статорные обмотки, расположенные внутри устройства. Выходные при этом могут иметь одну фазу или три. Этот показатель определяет назначение генератора. Первый вариант доступен для эксплуатации при напряжении в 220 В, второй – 380 В.
  • Схемой включения. Выделяют несколько способов организации работы трехфазного генератора. Можно подключить катушки к устройству, применяя схему «звезда» или «треугольник». Также их можно разместить на полюсах неподвижного элемента – статора.

Дополнительно генераторы асинхронного типа классифицируют по наличию или отсутствию обмотки катушки самовозбуждения.

Асинхронный генератор: делаем из асинхронного двигателя своими руками на 220 В без переделки, отличия от синхронного, принцип работы и устройство

Советы по эксплуатации

При использовании асинхронного генератора, как и других электроустройств, необходимо соблюдать правила техники безопасности:

  • Прибор должен быть защищен от механических воздействий и погодных условий.
  • Рекомендовано изготовление специального защитного кожуха под собранный генератор.
  • Для корректной работы необходим постоянный мониторинг параметров устройства (напряжения, частоты), т.к. отсутствует регулятор величины тока. Установка измерительных приборов позволит контролировать эффективность автономной системы.
  • Самодельный генератор в целях безопасности рекомендовано использовать на напряжение 0,23 кВ.
  • Устройство должно быть присоединено к контуру заземления.
  • Следует избегать длительной работы в режиме холостого хода.
  • Запрещено допускать перегрев оборудования.
  • Генератор необходимо оборудовать кнопкой включения/отключения для оптимизации работы.

При отсутствии знаний основ электротехники специалисты настоятельно рекомендуют приобрести генератор заводского изготовления.

Конструкция и устройство двигателя

Техническая инфраструктура формируется двумя сегментами — непосредственно механикой и управляющим комплексом. С точки зрения конструкционного устройства агрегат во многом похож на традиционное наполнение электромеханических роторных двигателей. Соответственно, в состав электромотора входят ротор, статор и обмотка. Причем статор представляет собой набор из отдельных изолированных листов, выполненных из стального сплава. В процессе работы они способствуют понижению вихревых токов. В нем как раз и находится обмотка, которая может иметь разное количество фаз. Начинка элемента образована стальным сердечником, а обмотка представляет собой медные волокна. Для защиты применяется корпус, на поверхности которого также предусматриваются средства физического крепления.

Что касается ротора, то он сформирован постоянными магнитами. В зависимости от модификации, он может иметь до шестнадцати пар чередующихся полюсов. Прежде для изготовления роторов применялись ферритовые магниты, что было обусловлено их ценовой доступностью. Сегодня же на первый план выходят эксплуатационные характеристики вентильного двигателя — в частности крутящий момент, который варьируется от 1 до 70 Нм. Пропускная же частота в среднем находится в пределах 2-4 тыс. оборотов. Для достижения таких показателей требуется магнит с высокой степенью индукции, поэтому производители перешли на использование редкоземельных сплавов. Такие магниты не просто дают более высокую производительность, но и обладают меньшими размерами. Отчасти и этот переход способствовал оптимизации габаритов вентильного электродвигателя. Отдельно стоит рассмотреть компоненты управляющего сегмента.

Недостатки электродвигателя

Специалисты отмечают два основных минуса таких электродвигателей. В первую очередь это сложность конструкции. Не механической части, а именно электронной основы, которая обеспечивает управление мотором. Применение микропроцессоров, датчиков, инверторов и сопутствующей электротехнической фурнитуры требует соответствующего подхода к обеспечению надежности работы компонентов системы. Таким образом, повышается и стоимость обслуживания техники. Вместе с этим, отмечается и дороговизна магнитов, на которых базируется вентильный двигатель даже в простых однофазных исполнениях. На практике пользователи стараются заменять недешевые элементы и расходники, вместе с этим упрощая и систему управления. Но такие меры сами по себе требуют определенных ресурсов, не говоря о том, что снижается эффективность двигателя.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...