Электрогенератор, сделанный своими руками: порядок сборки. Как изготовить генератор из асинхронного двигателя Сделать генератор из двигателя переменного тока

Не все существующие электросети (в особенности действующие в удалённых от городов регионах) могут обеспечить потребителя полноценным питанием, подходящим для работы современного бытового оборудования. В связи с низким качеством поступающего с подстанций напряжения и его частыми отключениями многие пользователи вынуждены задумываться о том, чтобы изготовить самодельный генератор электроэнергии. С тем, как выглядит такой асинхронный генератор внешне, можно ознакомиться на рис. ниже.

Указанный подход к решению проблемы электропитания за городом позволяет существенно сэкономить в сравнении с ситуацией, когда генераторное оборудование приобретается через торговую сеть в готовом виде.

Эффект обратимости

Известно, что принцип работы любого генерирующего электрический ток устройства основан на преобразовании одной формы энергии (тепла, например) в необходимый для электропитания оборудования вид. Можно воспользоваться так называемыми альтернативными (их ещё называют возобновляемыми) источниками энергоснабжения, однако указанный способ связан с ещё большими материальными и производственными издержками.

Гораздо проще и экономнее сделать самодельный генератор тока, воспользовавшись потенциальными возможностями имеющегося в распоряжении пользователя старого асинхронного электродвигателя.

Основанием для такого изготовления является известный в электротехнике принцип обратимости процессов взаимодействия электромагнитных полей, что объясняется спецификой происходящих при этом электрических процессов. Если в двигателе трёхфазную энергию тока используют для превращения её в механическое вращение вала, то в генераторе всё происходит строго наоборот. В этих агрегатах принудительное вращение якоря трансформируется в текущий по фазным обмоткам электрический ток, мощность которого расходуется на обслуживание потребителя (смотрите рисунок ниже).

Таким образом, перед тем, как сделать образец самодельного электрогенератора из бывшего в употреблении асинхронного двигателя в самом общем случае необходимо проделать следующие манипуляции:

• Клеммы, на которые подаётся трёхфазное (или однофазное – для коллекторных образцов изделий) напряжение нужно превратить в выходные контакты генератора;
• К подвижной части генератора, от которой работал тот или иной механизм (станок, например) следует приспособить привод от внешнего источника механического вращательного импульса;

Дополнительная информация. В качестве такого источника может применяться любой подходящий для конкретных условий движитель, вращающийся под воздействием энергии сгорающего топлива (бензина, газа или солярки). При наличии в частном хозяйстве ветряка или самодельной водяной мельницы решение вопроса с приводом существенно упрощается.

• Из-за дороговизны бензина в условиях загородного хозяйства единственно приемлемым вариантом является изготовление небольшой электростанции, работающей от дизельного движка или на газу.

В этом случае работающий на сравнительно дешёвом топливе двигатель через специальную приводную муфту подсоединяется к валу сооружаемой конструкции, которая после небольшой доработки превращается в генератор переменного тока.

Выбор конструкции

Изготовить генератор из асинхронного двигателя можно вполне успешно, если внимательно изучить конструкцию и устройство каждого из указанных механизмов. Рассмотрим сначала типовой асинхронный двигатель, работающий по принципу скольжения ротора в отстающем по фазе электромагнитном поле статора. Неподвижная часть этого агрегата (статор) оборудуется, как известно, тремя катушками, смещёнными относительно друг друга в пространстве на 120 геометрических градусов.

За счёт взаимодействия подвижного и неподвижного поля в статорных катушках наводится переменное напряжение, представленное последовательностью трёх рабочих фаз (А, В и С).

Более простой вариант изготовления синхронной машины (генератора) предполагает применение б/у коллекторного однофазного двигателя, имеющего в своём составе устройство смещения фазы на конденсаторе фиксированной ёмкости.

Изготовление однофазной системы существенно упрощает конструкцию будущего генератора, но мощность такого изделия сравнительно невелика. Это обстоятельство не позволяет использовать его для питания некоторых образцов однофазных силовых агрегатов (скважинного насоса, например).

Обратите внимание! Однофазного устройства, собранного на базе коллекторного движка, по мощности может хватить разве что на энергоснабжение домашней осветительной сети.

В случаях, когда возникает необходимость в подключении к питающей линии более мощного силового оборудования, единственно правильное решение – изготовить генератор из асинхронного механизма (рисунок ниже).

Рассмотрим, как можно переделать этот механизм в трехфазный генератор, более подробно.

Порядок доработки обмоток

Прежде чем сделать генератор из асинхронного двигателя, следует разобраться с его статорными катушками, соединёнными между собой и включаемыми в питающую линию по определённой схеме.

Дополнительная информация. Для классического подключения асинхронных механизмов используются два типа включения статорных обмоток: по так называемой схеме «звезда» или «в треугольник».

В первом случае все три линейных катушки (А, В и С) с одной стороны объединяются в общий нулевой провод, в то время как вторые их концы подключаются к трём фазным линиям. При включении «треугольником» конец одной катушки соединяется с началом второй, а её конец, в свою очередь, – с началом третьей обмотки и так далее вплоть до замыкания цепочки.

В результате такого подключения образуется правильная геометрическая фигура, вершины которой соответствуют трём фазным проводам, а нулевой провод вообще отсутствует.

Из соображений простоты монтажа и безопасности эксплуатации в бытовых схемах обычно выбирается подключение типа «звезда», обеспечивающее возможность организации местного (повторного) защитного заземления.

При доработке двигателя следует снять крышку распределительной коробки и получить доступ к клеммам, на которые в нормальных условиях поступает трёхфазное питающее напряжение. В генераторном режиме к этим контактам следует подсоединить питающую линию с подключёнными к ней бытовыми трёхфазными потребителями.

Для организации однофазного питания (розеточных линий и цепей освещения, в частности) их нужно будет подключить одним концом к выбранному фазному контакту А, В или С, а другим – к общему нулевому проводу. Порядок подсоединения проводов к асинхронному двигателю приводится на следующем рисунке.

Важно! В случае нескольких линейных (однофазных) нагрузок необходимо распределить их по фазам таким образом, чтобы те были загружены более-менее равномерно.

Таким образом, генератор своими руками, собранный из трёхфазного двигателя, будет нагружен на все питающие цепи, а конечные потребители получат полагающиеся им нормативные мощности.

Организация приводной части

В бытовых условиях в качестве механического привода, как правило, используются типовые бензогенераторы, с которых момент вращения передаётся непосредственно на рабочий вал. Основная проблема при таком подключении – организация надёжного муфтового сцепления, полностью передающего крутящий момент на ось якоря генератора (в данной ситуации его функцию выполняет ротор двигателя).

При её обустройстве самый оптимальный вариант – это обратиться за помощью к профессиональным механикам, которые помогут организовать муфтовое соединение требуемого качества и надёжности.

Обратите внимание! Ротор переделываемого механизма напоминает по своей конструкции обмотку статора с тремя сдвинутыми на 120 градусов обмотками (он называется в этом случае фазным).

Линейные выводы каждой из обмоток соединяются со съёмными контактными кольцами, посредством которых на механизм двигателя через графитовые щётки подавалось запускающее напряжение. Если оставить всё как было, получается очень непростая в изготовлении и обслуживании конструкция, использовать которую в составе будущего генератора не имеет смысла.

Для удобства переделки лучше всего воспользоваться схемой короткозамкнутой подвижной части, которая может быть получена путём закорачивания рабочих выводов каждой из катушек фазного ротора.

Генератор на постоянных магнитах

Известен ещё один способ обустройства бытовых генераторов, состоящий в использовании при изготовлении мощных постоянных магнитов и ряда дополнительных приспособлений (в некоторых средствах массовой информации их ещё называют «вечными»).

Принцип работы такого источника энергии на магнитах состоит во взаимодействии э\м полей, создаваемых постоянными магнитными заготовками, жёстко закреплёнными на статорной и роторной части устройства (смотрите рисунок ниже).

Основное преимущество таких двигателей, выполняющих функцию генератора, – отсутствие потребности в источнике внешней энергии или в топливе. Однако и в данном случае не обходится без недостатков, проявляющихся, в первую очередь, в том, что сильные магнитные поля могут негативно сказываться на здоровье обслуживающего персонала.

С учётом этого недостатка во всех остальных ситуациях такой электромотор широко применяется в различных приводных узлах, нередко устанавливаемых на промышленном оборудовании. В качестве примера может быть приведён известный среди специалистов генератор, под обозначением «г 303».

В заключение обзора самодельных генераторов следует заметить, что для переделки их из асинхронных двигателей может потребоваться целый комплект специального съёмного инструмента, по своему составу напоминающий автомобильное оборудование.

Видео

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.

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

Виды и описание асинхронного двигателя

Существует два вида моторов:

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

Область применения

Устройство используется в разных отраслях:

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

Преимущества и недостатки генератора

К положительным качествам разработки принадлежат:

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

Минусы:

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

Принцип работы

Генератор вырабатывает электрическую энергию при условии, что количество оборотов ротора несколько выше синхронной скорости. Самый простой тип вырабатывает порядка 1800 об/мин., учитывая, что уровень его синхронной скорости становится 1500 оборотов.

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

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

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

Схема генератора

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

Прикрепив к ее зажимам специальную батарею из нескольких конденсаторов (С) можно получить опережающий емкостный ток, который будет создавать намагничивание. Емкость конденсаторов должна быть выше критического обозначения С 0 , которое зависит от габаритов и характеристик генератора.

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

Делаем своими руками

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

В трехфазном моторе подключить конденсатор можно по таким схемам:

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

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

Необходимые инструменты

Создать собственный генератор несложно, главное иметь все необходимые элементы:

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

Пошаговое руководство

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

Таблица конденсаторных емкостей

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

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

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

Важно! Все конденсаторы должны быть заизолированы специальным покрытием.

Устройство готово и может использоваться в качестве источника электроэнергии.

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

Генератор на магнитах

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

Особенности создания генератора:

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

Переделывать или нет

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

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

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

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

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

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

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

Для питания бытовых устройств и промышленного оборудования необходим источник электроэнергии. Выработать электрический ток возможно несколькими способами. Но наиболее перспективным и экономически выгодным, на сегодняшний день, является генерация тока электрическими машинами. Самым простым в изготовлении, дешёвым и надёжным в эксплуатации оказался асинхронный генератор, вырабатывающий львиную долю потребляемой нами электроэнергии.

Применение электрических машин этого типа продиктовано их преимуществами. Асинхронные электрогенераторы, в отличие от , обеспечивают:

• более высокую степень надёжности;
• длительный срок эксплуатации;
• экономичность;
• минимальные затраты на обслуживание.

Эти и другие свойства асинхронных генераторов заложены в их конструкции.

Устройство и принцип работы

Главными рабочими частями асинхронного генератора является ротор (подвижная деталь) и статор (неподвижный). На рисунке 1 ротор расположен справа, а статор слева. Обратите внимание на устройство ротора. На нём не видно обмоток из медной проволоки. На самом деле обмотки существуют, но они состоят из алюминиевых стержней короткозамкнутых на кольца, расположенные с двух сторон. На фото стержни видны в виде косых линий.

Конструкция короткозамкнутых обмоток образует, так называемую, «беличью клетку». Пространство внутри этой клетки заполнено стальными пластинами. Если быть точным, то алюминиевые стержни впрессовываются в пазы, проделанные в сердечнике ротора.

Рис. 1. Ротор и статор асинхронного генератора

Асинхронная машина, устройство которой описано выше, называется генератором с короткозамкнутым ротором. Тот, кто знаком с конструкцией асинхронного электродвигателя наверняка заметил схожесть в строении этих двух машин. По сути дела они ничем не отличаются, так как асинхронный генератор и короткозамкнутый электродвигатель практически идентичны, за исключением дополнительных конденсаторов возбуждения, используемых в генераторном режиме.

Ротор расположен на валу, который сидит на подшипниках, зажимаемых с двух сторон крышками. Вся конструкция защищена металлическим корпусом. Генераторы средней и большой мощности требуют охлаждения, поэтому на валу дополнительно устанавливается вентилятор, а сам корпус делают ребристым (см. рис. 2).

Рис. 2. Асинхронный генератор в сборе

Принцип действия

По определению, генератором является устройство, преобразующее механическую энергию в электрический ток. При этом не имеет значения, какая энергия используется для вращения ротора: ветровая, потенциальная энергия воды или же внутренняя энергия, преобразуемая турбиной либо ДВС в механическую.

В результате вращения ротора магнитные силовые линии, образованные остаточной намагниченностью стальных пластин, пересекают обмотки статора. В катушках образуется ЭДС, которая, при подсоединении активных нагрузок, приводит к образованию тока в их цепях.

При этом важно, чтобы синхронная скорость вращения вала немного (примерно на 2 – 10%) превышала синхронную частоту переменного тока (задаётся количеством полюсов статора). Другими словами, необходимо обеспечить асинхронность (несовпадение) частоты вращения на величину скольжения ротора.

Следует заметить, что полученный таким образом ток будет небольшим. Чтобы повысить выходную мощность необходимо увеличить магнитную индукцию. Добиваются повышения КПД устройства путём подключения конденсаторов к выводам катушек статора.

На рисунке 3 изображена схема сварочного асинхронного альтернатора с конденсаторным возбуждением (левая часть схемы). Обратите внимание на то, что конденсаторы возбуждения подключены по схеме треугольника. Правая часть рисунка – собственно схема самого инверторного сварочного аппарата.

Рис. 3. Схема сварочного асинхронного генератора

Существуют и другие, более сложные схемы возбуждения, например, с применением катушек индуктивности и батареи конденсаторов. Пример такой схемы показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема устройства с индуктивностями

Отличие от синхронного генератора

Главное отличие синхронного альтернатора от асинхронного генератора в конструкции ротора. В синхронной машине ротор состоит из проволочных обмоток. Для создания магнитной индукции используется автономный источник питания (часто дополнительный маломощный генератор постоянного тока, расположенный на одной оси с ротором).

Преимущество синхронного генератора в том, что он генерирует более качественный ток и легко синхронизируется с другими альтернаторами подобного типа. Однако синхронные альтернаторы более чувствительны к перегрузкам и КЗ. Они дороже от своих асинхронных собратьев и требовательнее в обслуживании – необходимо следить за состоянием щёток.

Коэффициент гармоник или клирфактор асинхронных генераторов ниже, чем у синхронных альтернаторов. То есть они вырабатывают практически чистую электроэнергию. На таких токах устойчивее работают:

• регулируемые зарядные устройства;
• современные телевизионные приёмники.

Асинхронные генераторы обеспечивают уверенный запуск электромоторов, требующих больших пусковых токов. По этому показателю они, фактически, не уступают синхронным машинам. У них меньше реактивных нагрузок, что положительно сказывается на тепловом режиме, так как меньше энергии расходуется на реактивную мощность. У асинхронного альтернатора лучшая стабильность выходной частоты на разных скоростях вращения ротора.

Классификация

Генераторы короткозамкнутого типа получили наибольшее распространение, ввиду простоты их конструкции. Однако существуют и другие типы асинхронных машин: альтернаторы с фазным ротором и устройства, с применением постоянных магнитов, образующих цепь возбуждения.

На рисунке 5 для сравнения показаны два типа генераторов: слева на базе , а справа – асинхронная машина на базе АД с фазным ротором. Даже при беглом взгляде на схематические изображения видно усложнённую конструкцию фазного ротора. Привлекает внимание наличие контактных колец (4) и механизма щёткодержателей (5). Цифрой 3 обозначены пазы для проволочной обмотки, на которую необходимо подать ток для её возбуждения.

Рис. 5. Типы асинхронных генераторов

Наличие обмоток возбуждения в роторе асинхронного генератора повышает качество генерируемого электрического тока, однако при этом теряются такие достоинства как простота и надёжность. Поэтому такие устройства используются в качестве источника автономного питания только в тех сферах, где без них трудно обойтись. Постоянные магниты в роторах применяют в основном для производства маломощных генераторов.

Область применения

Наиболее часто встречается применение генераторных установок с короткозамкнутым ротором. Они недорогие, практически не нуждаются в обслуживании. Устройства, оборудованные пусковыми конденсаторами, обладают приличными показателями КПД.

Асинхронные альтернаторы часто используют в качестве автономного или резервного источника питания. С ними работают , их используют для мощных мобильных и .

Альтернаторы с трёхфазной обмоткой уверенно запускают трехфазный электродвигатель, поэтому часто используются в промышленных энергоустановках. Они также могут питать оборудование в однофазных сетях. Двухфазный режим позволяет экономить топливо ДВС, так как незадействованные обмотки находятся в режиме холостого хода.

Сфера применения довольно обширная:

• транспортная промышленность;
• сельское хозяйство;
• бытовая сфера;
• медицинские учреждения;

Асинхронные альтернаторы удобны для сооружения локальных ветровых и гидравлических электростанций.

Асинхронный генератор своими руками

Оговоримся сразу: речь пойдёт не об изготовлении генератора с нуля, а о переделывании асинхронного двигателя в альтернатор. Некоторые умельцы используют готовый статор от мотора и экспериментируют с ротором. Идея состоит в том, чтобы с помощью неодимовых магнитов сделать полюса ротора. Примерно так может выглядеть заготовка с наклеенными магнитиками (см. рис. 6):

Рис. 6. Заготовка с наклеенными магнитами

Вы наклеиваете магниты на специально выточенную заготовку, посаженную на валу электродвигателя, соблюдая их полярность и угол сдвига. Для этого потребуется не менее 128 магнитиков.

Готовую конструкцию необходимо подогнать к статору и при этом обеспечить минимальный зазор между зубцами и магнитными полюсами изготовленного ротора. Поскольку магнитики плоские, придётся их шлифовать или обтачивать, при этом постоянно охлаждая конструкцию, так как неодим теряет свои магнитные свойства при высокой температуре. Если вы сделаете всё правильно – генератор заработает.

Проблема состоит в том, что в кустарных условиях очень сложно изготовить идеальный ротор. Но если у вас есть токарный станок и вы готовы потратить несколько недель на подгонку и доработки – можете поэкспериментировать.

Я предлагаю более практичный вариант – превращение асинхронного двигателя в генератор (смотрите видео ниже). Для этого вам понадобится электромотор с подходящей мощностью и приемлемой частотой вращения ротора. Мощность двигателя должна быть минимум на 50% выше от требуемой мощности альтернатора. Если такой электромотор есть в вашем распоряжении – приступайте к переработке. В противном случае лучше купить готовый генератор.

Для переработки вам потребуется 3 конденсатора марки КБГ-МН, МБГО, МБГТ (можно брать другие марки, но не электролитические). Конденсаторы подбирайте на напряжение не менее 600 В (для трёхфазного двигателя). Реактивная мощность генератора Q связанная с емкостью конденсатора следующей зависимостью: Q = 0,314·U 2 ·C·10 -6 .

При увеличении нагрузки возрастает реактивная мощность, а значит, для поддержания стабильного напряжения U необходимо увеличивать ёмкость конденсаторов, добавляя новые ёмкости путём коммутации.

Видео: делаем асинхронный генератор из однофазного двигателя – Часть 1

Часть 2

На практике, обычно выбирают среднее значение, предполагая, что нагрузка не будет максимальной.

Подобрав параметры конденсаторов, подключите их к выводам обмоток статора так, как показано на схеме (рис. 7). Генератор готов.

Рис. 7. Схема подключения конденсаторов

Асинхронный генератор не требует особого ухода. Его обслуживание заключается в контроле состояния подшипников. На номинальных режимах устройство способно работать годами без вмешательства оператора.

Слабое звено – конденсаторы. Они могут выходить из строя, особенно тогда, когда их номиналы неправильно подобраны.

При работе генератор нагревается. Если вы часто подключаете повышенные нагрузки – следите за температурой устройства или позаботьтесь о дополнительном охлаждении.

(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.