- Пристрій і принцип роботи
- Класифікація
- Область застосування
- Асинхронний генератор своїми руками
- Поради по експлуатації
Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!
Для живлення побутових пристроїв і промислового устаткування необхідне джерело електроенергії. Виробити електричний струм можливо декількома способами. Але найбільш перспективним і економічно вигідним, на сьогоднішній день, є генерація струму електричними машинами. Найпростішим у виготовленні, дешевим і надійним в експлуатації виявився асинхронний генератор, що виробляє левову частку споживаної нами електроенергії.
Застосування електричних машин цього типу продиктовано їх перевагами. Асинхронні електрогенератори, на відміну від синхронних генераторів, забезпечують:
- більш високу ступінь надійності;
- тривалий термін експлуатації;
- економічність;
- мінімальні витрати на обслуговування.
Ці та інші властивості асинхронних генераторів закладені в їх конструкції.
Пристрій і принцип роботи
Головними робочими частинами асинхронного генератора є ротор (рухома деталь) і статор (нерухомий). На малюнку 1 ротор розташований праворуч, а статор зліва. Зверніть увагу на пристрій ротора. На ньому не видно обмоток з мідного дроту. Насправді обмотки існують, але вони складаються з алюмінієвих стрижнів короткозамкнених на кільця, розташовані з двох сторін. На фото стрижні видно у вигляді косих ліній.
Конструкція короткозамкнутих обмоток утворює, так звану, «білячу клітку». Простір усередині цієї клітини заповнене сталевими пластинами. Якщо бути точним, то алюмінієві стрижні упресовують в пази, виконані в осерді ротора.
Асинхронна машина, пристрій якої описано вище, називається генератором з короткозамкненим ротором. Той, хто знайомий з конструкцією асинхронного електродвигуна напевно помітив схожість в будові цих двох машин. По суті справи вони нічим не відрізняються, так як асинхронний генератор і короткозамкнений електродвигун практично ідентичні, за винятком додаткових конденсаторів збудження, використовуваних в генераторному режимі.
Ротор розташований на валу, який сидить на підшипниках, затискаємо з двох сторін кришками. Вся конструкція захищена металевим корпусом. Генератори середньої і великої потужності потребують охолодження, тому на валу додатково встановлюється вентилятор, а сам корпус роблять ребристим (див. Рис. 2).
Принцип дії
За визначенням, генератором є пристрій, що перетворює механічну енергію в електричний струм. При цьому не має значення, яка енергія використовується для обертання ротора: вітрова, потенційна енергія води або ж внутрішня енергія, що перетворюються турбіною або ДВС в механічну.
В результаті обертання ротора магнітні силові лінії, утворені залишкової намагніченістю сталевих пластин, перетинають обмотки статора. У котушках утворюється ЕРС, яка, при приєднанні активних навантажень, призводить до утворення струму в їх колах.
При цьому важливо, щоб синхронна швидкість обертання валу трохи (приблизно на 2 - 10%) перевищувала синхронну частоту змінного струму (задається кількістю полюсів статора). Іншими словами, необхідно забезпечити асинхронність (розбіжність) частоти обертання на величину ковзання ротора.
Слід зауважити, що отриманий таким чином струм буде невеликим. Щоб підвищити вихідну потужність необхідно збільшити магнітну індукцію. Домагаються підвищення ККД пристрою шляхом підключення конденсаторів до висновків котушок статора.
На малюнку 3 зображено схема зварювального асинхронного альтернатора з конденсаторним збудженням (ліва частина схеми). Зверніть увагу на те, що конденсатори збудження підключені за схемою трикутника. Права частина малюнка - власне схема самого инверторного зварювального апарату.
Існують і інші, більш складні схеми збудження, наприклад, із застосуванням котушок індуктивності і батареї конденсаторів. Приклад такої схеми показаний на малюнку 4.
Відмінність від синхронного генератора
Головна відмінність синхронного альтернатора від асинхронного генератора в конструкції ротора. У синхронної машині ротор складається з дротяних обмоток. Для створення магнітної індукції використовується автономне джерело живлення (часто додатковий малопотужний генератор постійного струму, розташований на одній осі з ротором).
Перевага синхронного генератора в тому, що він генерує більш якісний струм і легко синхронізується з іншими альтернаторамі подібного типу. Однак синхронні альтернатори більш чутливі до перевантажень і КЗ. Вони дорожчі від своїх асинхронних побратимів і більш вимогливим в обслуговуванні - необхідно стежити за станом щіток.
Коефіцієнт гармонік або клірфактор асинхронних генераторів нижче, ніж у синхронних альтернують. Тобто вони виробляють практично чисту електроенергію. На таких токах стійкіше працюють:
- джерела безперебійного живлення,
- регульовані зарядні пристрої;
- сучасні телевізійні приймачі.
Асинхронні генератори забезпечують впевнений запуск електромоторів, які потребують великих пускових струмів. За цим показником вони, фактично, не поступаються синхронним машинам. У них менше реактивних навантажень, що позитивно позначається на тепловому режимі, так як менше енергії витрачається на реактивну потужність. У асинхронного альтернатора найкраща стабільність вихідної частоти на різних швидкостях обертання ротора.
Класифікація
Генератори короткозамкнутого типу набули найбільшого поширення, зважаючи на простоту їх конструкції. Однак існують і інші типи асинхронних машин: альтернатори з фазним ротором і пристрої, із застосуванням постійних магнітів, що утворюють ланцюг збудження.
На малюнку 5 для порівняння показані два типи генераторів: зліва на базі асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором, а праворуч - асинхронна машина на базі АТ з фазним ротором. Навіть при побіжному погляді на схематичні зображення видно ускладнену конструкцію фазного ротора. Привертає увагу наявність контактних кілець (4) і механізму щіткотримачів (5). Цифрою 3 позначені пази для дротяної обмотки, на яку необхідно подати струм для її порушення.
Наявність обмоток збудження в роторі асинхронного генератора підвищує якість генерованого електричного струму, однак при цьому втрачаються такі переваги як простота і надійність. Тому такі пристрої використовуються в якості джерела автономного живлення тільки в тих сферах, де без них важко обійтися. Постійні магніти в роторах застосовують в основному для виробництва малопотужних генераторів.
Область застосування
Найбільш часто зустрічається застосування генераторних установок з короткозамкненим ротором. Вони недорогі, практично не потребують обслуговування. Пристрої, обладнані пусковими конденсаторами, мають пристойними показниками ККД.
Асинхронні альтернатори часто використовують в якості автономного або резервного джерела живлення. З ними працюють переносні бензинові генератори, їх використовують для потужних мобільних і стаціонарних дизельних генераторів.
Альтернатори з трифазної обмоткою впевнено запускають трифазний електродвигун, тому часто використовуються в промислових енергоустановках. Вони також можуть живити обладнання в однофазних мережах. Двофазний режим дозволяє економити паливо ДВС, так як незадіяні обмотки знаходяться в режимі холостого ходу.
Сфера застосування досить обширна:
- транспортна промисловість;
- сільське господарство;
- побутова сфера;
- медичні заклади;
Асинхронні альтернатори зручні для спорудження локальних вітрових і гідравлічних електростанцій.
Асинхронний генератор своїми руками
Обмовимося відразу: мова піде не про виготовлення генератора з нуля, а про перероблення асинхронного двигуна в альтернатор. Деякі умільці використовують готовий статор від мотора і експериментують з ротором. Ідея полягає в тому, щоб за допомогою неодімових магнітів зробити полюса ротора. Приблизно так може виглядати заготовка з наклеєними магнітиками (див. Рис. 6):
Ви наклеюєте магніти на спеціально виточену заготовку, посаджену на валу електродвигуна, дотримуючись їх полярність і кут зсуву. Для цього буде потрібно не менше 128 магнітиків.
Готову конструкцію необхідно підігнати до статора і при цьому забезпечити мінімальний зазор між зубцями і магнітними полюсами виготовленого ротора. Оскільки магнітики плоскі, доведеться їх шліфувати або обточувати, при цьому постійно охолоджуючи конструкцію, так як неодим втрачає свої магнітні властивості при високій температурі. Якщо ви зробите все правильно - генератор запрацює.
Проблема полягає в тому, що в кустарних умовах дуже складно виготовити ідеальний ротор. Але якщо у вас є токарний верстат і ви готові витратити кілька тижнів на підгонку і доопрацювання - можете поекспериментувати.
Я пропоную більш практичний варіант - перетворення асинхронного двигуна в генератор (дивіться відео нижче). Для цього вам знадобиться електромотор з відповідною потужністю і прийнятною частотою обертання ротора. Потужність двигуна повинна бути мінімум на 50% вище від необхідної потужності альтернатора. Якщо такий електромотор є у вашому розпорядженні - приступайте до переробки. В іншому випадку краще купити готовий генератор.
Для переробки вам буде потрібно 3 конденсатора марки КБГ-МН, МБГО, МБГТ (можна брати інші марки, але не електролітичні). Конденсатори підбирайте на напругу не менше 600 В (для трифазного двигуна). Реактивна потужність генератора Q пов'язана з ємністю конденсатора наступною залежністю: Q = 0, 314 · U 2 · C · 10 -6.
При збільшенні навантаження зростає реактивна потужність, а значить, для підтримки стабільного напруги U необхідно збільшувати ємність конденсаторів, додаючи нові ємності шляхом комутації.
Відео: робимо асинхронний генератор з однофазного двигуна - Частина 1
Частина 2
частина 3
частина 4
частина 5
частина 6
Для спрощення підбору конденсаторів скористайтеся таблицею:
Таблиця 1
| Потужність альтернатора (кВт-А) | Ємність конденсатора (мкФ) на холостому ходу | Ємність конденсатора (мкФ) при середньому навантаженні | Ємність конденсатора (мкФ) при повному навантаженні |
| 2 | 28 | 36 | 60 |
| 3, 5 | 45 | 56 | 100 |
| 5 | 60 | 75 | 138 |
На практиці, як правило вибирають середнє значення, припускаючи, що навантаження не буде максимальною.
Підібравши параметри конденсаторів, підключіть їх до висновків обмоток статора так, як показано на схемі (рис. 7). Генератор готовий.
Поради по експлуатації
Асинхронний генератор не вимагає особливого догляду. Його обслуговування полягає в контролі стану підшипників. На номінальних режимах пристрій здатний працювати роками без втручання оператора.
Слабка ланка - конденсатори. Вони можуть виходити з ладу, особливо тоді, коли їх номінали неправильно підібрані.
При роботі генератор нагрівається. Якщо ви часто підключаєте підвищені навантаження - стежте за температурою пристрою або подбайте про додаткове охолодження.