Современные генераторы имеют одно ключевое преимущество — они обеспечивают более качественную выработку электроэнергии и легко объединяются в синхронные группы с другими генераторами такого же типа. Однако стоит обратить внимание на то, что современные генераторы переменного тока более уязвимы к перегрузкам и коротким замыканиям. К тому же, они обладают более высокой ценой по сравнению с традиционными асинхронными моделями и требуют внимательного техобслуживания, так как необходимо следить за состоянием щеток, которые могут изнашиваться в процессе эксплуатации.
Самодельный асинхронный генератор
Бытовые приборы и промышленные системы требуют надежного источника электроэнергии. Существует множество способов генерации электричества, но в настоящее время наилучшим и наиболее экономичным вариантом является применение электродвигателей. Среди них асинхронный генератор выделяется как наиболее простой в изготовлении, самый выгодный по стоимости и наиболее надежный в использовании. Данный тип генератора способен производить основную часть электроэнергии, которую мы активно потребляем в повседневной жизни.
Преимущества электрических машин данного типа делают их применение особенно актуальным. Асинхронные генераторы, в отличие от своих современных аналогов с более сложной конструкцией, обладают следующими достоинствами:
- повышенная надежность эксплуатации;
- долговечность и длительный срок службы;
- высокая эффективность;
- небольшие затраты на техническое обслуживание.
Эти и ряд других важных факторов были учтены при проектировании асинхронных генераторов, что делает их популярными.
Устройство и принцип работы
Основными функциональными компонентами асинхронного генератора являются ротор (движущаяся часть) и статор (неподвижная часть). На изображении 1 ротор находится справа, тогда как статор располагается слева. Необходимо отметить конструкционные особенности ротора — его обмотки не содержат витков медной проволоки; вместо этого используются алюминиевые стержни, которые закорочены в специальные пазы с обеих сторон. На изображении они представлены в виде скошенных линий.
Конструкция этих короткозамкнутых обмоток формирует так называемую «беличью клетку». Внутри клетки размещены стальные пластины, а алюминиевые стержни фактически запечатаны в пазы сердечника ротора, что обеспечивает стабильное функционирование.
Рисунок 1. Ротор и статор асинхронного генератора.
Описанная выше асинхронная машина именуется генератором с короткозамкнутой клеткой. Люди, знакомые с работой асинхронного двигателя, могут заметить схожесть конструкции этих двух машин. На самом деле, асинхронный генератор и асинхронный двигатель с короткозамкнутой клеткой являются практически идентичными по устройству, за исключением наличия дополнительных возбуждающих конденсаторов, которые используются только в генераторе.
Ротор установлен на валу, который опирается на подшипники, надежно закрепленные с обеих сторон крышками. Вся конструкция защищена прочным металлическим корпусом. Для генераторов средней и высокой мощности необходима система охлаждения, поэтому на валу устанавливается дополнительный вентилятор, а сам корпус циллиндрической формы обеспечивается ребрами для улучшения теплоотведения (см. рис. 2).
Рис. 2. Полный асинхронный генератор
Принцип действия
Генератор — это устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую. Не имеет значения, осуществляется ли вращение ротора благодаря энергии ветра, потенциальной энергии воды или внутренней энергии, преобразованной в механическую благодаря работе турбины или двигателя внутреннего сгорания.
При вращении ротора линии магнитного поля, возникающие в результате остаточной намагниченности стальных пластин, пересекают обмотки статора. В свою очередь, эти катушки генерируют электромагнитное напряжение, которое, при подключении к активным нагрузкам, запускает ток в электрических цепях.
Важно подчеркнуть, что скорость вращения синхронного вала должна находиться немного выше (приблизительно от 2% до 10%) синхронной частоты переменного тока, которая определяется числом полюсов статора. Таким образом, асинхронная скорость — то есть разность между скоростью вращения ротора и синхронной скоростью — должна поддерживаться с помощью величины скольжения.
Следует иметь в виду, что ток, вырабатываемый таким образом, будет относиться к малым величинам. Для увеличения выходной мощности требуется повысить магнитную индукцию. Достигнуть этого можно путем подключения конденсаторов к выводам катушек статора, что позволяет значительно увеличить эффективность генерации.
На рисунке 3 показана принципиальная схема работы асинхронного сварочного генератора с конденсаторным возбуждением (левая часть рисунка). Обратите внимание, что конденсаторы возбуждения соединены в треугольник, что позволяет им обеспечивать нужные параметры. Правая часть иллюстрации демонстрирует собственно схему паяльного инвертора, который может быть применен в различных ситуациях.
Классификация
Генераторы с короткозамкнутыми обмотками считаются наиболее распространенными благодаря своей простой конструкции. Однако наряду с ними существуют и другие типы асинхронных машин: генераторы с фазным ротором и устройства с постоянными магнитами, которые образуют свою собственную цепь возбуждения.
На рисунке 5 наглядно представлены два типа генераторов: слева — асинхронная машина с короткозамкнутым ротором, а справа — асинхронная машина, базирующаяся на асинхронном двигателе с фазным ротором. Даже мимолетного взгляда на электрические схемы достаточно, чтобы заметить сложное устройство ротора с фазной обмоткой. Особенно зрелищно выглядят контактные кольца (обозначенные цифрой 4) и механизм удержания щеток (обозначенный цифрой 5). Цифра 3 демонстрирует пазы для намотки проволоки, которая должна быть натянута.
Рисунок 5. Типы асинхронных генераторов
Наличие обмоток возбуждения в роторе асинхронного генератора действительно повышает качество вырабатываемого электроэнергии, но в то же время это может сказаться на таких преимуществах, как упрощенная конструкция и высокая надежность. Поэтому устройства с обмотками возбуждения применяется в качестве автономных источников электроэнергии исключительно в тех случаях, когда невозможно обойтись без их применения. Постоянные магниты, использующиеся в роторах, в основном находят применение в производстве генераторов небольшой мощности.
Ветрогенераторы – это устройства, преобразующие кинетическую энергию ветра в механическую, а затем — в электрическую энергию. Они оборудованы ротором с лопастями, которые вращаются под действием ветра. Лопасти могут быть расположены как вертикально, так и горизонтально для оптимизации процесса генерации.
Что такое электрический генератор?
Генератор — это машина, предназначенная для преобразования механической и тепловой энергии в электрическую. Таким образом, он применяется на практике в полной противоположности асинхронному двигателю, учитывая принципы и физику работы этих устройств. Наиболее распространенным видом генераторов, производящих электроэнергию, является индукционный генератор.
Как уже говорилось ранее, это возможно исключительно в случае, если магнитные поля статорной и роторной частей были изменены местами. Исходя из этого, возникает логичный вывод: теоретически существует возможность преобразования асинхронного двигателя в генератор, причем это можно реализовать самостоятельно, изменив проводку и параметры обмоток.
Работа двигателя в режиме генератора
Каждый асинхронный генератор функционирует как своего рода трансформатор, в котором механическая энергия, получаемая от вращающегося вала двигателя, преобразуется в электроток переменного тока. Это возможно при условии, что его скорость превышает синхронную скорость, которая составляет примерно 1500 об/мин. Классическая схема преобразования и подключения двигателя в трехфазном режиме может быть легко собрана самостоятельно:
Для достижения этой начальной скорости необходимо создать достаточно большой крутящий момент, что можно осуществить путем подключения двигателя внутреннего сгорания к бензиновому генератору или при помощи рабочего колеса, связанного с ветряной турбиной. Как только синхронная скорость будет достигнута, активируется поле конденсатора, способствующее генерации емкостного тока. Это в свою очередь приводит к самовозбуждению обмоток статора и началу процесса генерации тока (переход в режим генерации).
Для стабильной работы данного типа генератора в промышленной сети с частотой 50 Гц очень важно правильно регулировать частоту:
- Скорость должна превышать асинхронную скорость (частоту самого двигателя) на величину скольжения, которая обычно составляет от 2 до 10 %;
- Частота вращения генератора должна соответствовать синхронной частоте вращения.
Как самостоятельно собрать асинхронный генератор?
Имея эти знания, смекалку и навыки работы с информацией, можно самостоятельно собрать или модифицировать работающий генератор переменного тока из существующего двигателя. Для этого следует выполнить последовательные шаги:
- Вычислите фактическую (асинхронную) частоту вращения двигателя, который будет использован в качестве электрогенератора. Для этого можно использовать тахограф для определения скорости вращения машины, подключенной к электросети;
- Определите синхронную скорость двигателя, которая также будет соответствовать асинхронной скорости генератора. При этом учитывайте величину проскальзывания (от 2% до 10%). Предположим, что измерения показывают скорость 1450 об/мин, тогда требуемая частота генератора составит:
pGEN = (1.02…1.1) * pDV = (1.02…1.1) * 1450 = 1479…1595 об/мин.
- Выберите конденсатор с необходимой емкостью, опираться на стандартные таблицы и данные для подобных расчетов;
На данном этапе можно завершить работу, однако если необходимо получить однофазное напряжение 220 В, то для этого потребуется подключение понижающего трансформатора по вышеописанной схеме. Это обеспечит правильную работу устройства и стабильность вырабатываемого напряжения.
