Как самому переделать генератор из асинхронного двигателя

Эл двигатель асинхронного типа – это машина, в которой происходит трансформация электрической энергии в механическую и тепловую. Такой переход становится возможным благодаря явлению электромагнитной индукции, которая возникает между обмотками статора и ротора. Особенностью асинхронных двигателей является тот факт, что частота вращения этих двух ключевых его элементов отличается.

Конструктивные особенности типичного эл двигателя можно видеть на иллюстрации. И статор, и ротор представляют собой соосные круглого сечения объекты, изготавливаются путем набора достаточного количества пластин из специальной стали. Пластины статора имеют пазы на внутренней части кольца и при совмещении образуют продольные канавки, в которые наматывается обмотка из медной проволоки. Для ротора, ее роль играют алюминиевые прутки, они также вставляются в пазы сердечника, но с обеих сторон замыкаются стопорными пластинами.

Во время подачи напряжения на обмотки статора, на них возникает и начинает вращаться электромагнитное поле. В связи с тем, что частота вращения ротора заведомо меньше, между обмотками наводится ЭДС и центральный вал начинает двигаться. Не синхронность частот связана не только с теоретическими основами процесса, но и с фактическим трением опорных подшипников вала, оно будет его несколько тормозить относительно поля статора.

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:

• ИБП;
• 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.

Типы асинхронных генераторов

Если рассмотреть виды асинхронных генераторов, то их все можно разделить на две категории по виду электроэнергии которые они вырабатывают. Это однофазные и трех фазные.

По способу возбуждения генератора существуют модели с внешним источником возбуждения, для этого нужен дополнительный источник энергии и генераторы с самовозбуждением, которые могут работать совершенно автономно.

Именно такие генераторы можно применять для мини электростанций.

Технология изготовления

Работа по преобразованию асинхронного электромотора в генератор достаточно проста при наличии необходимых деталей.

Для начала процесса по переделке необходимо наличие следующих механизмов и материалов:

• асинхронного двигателя – подойдет однофазный мотор от старой стиральной машины;
• прибора для измерения частоты вращения ротора – тахометра или тахогенератора;
• неполярных конденсаторов – пригодны модели вида КБГ-МН с величиной рабочего напряжения 400 В;
• набора подручных инструментов – дрели, ножовок, ключей.

Пошаговая инструкция

Изготовление генератора своими руками из асинхронного двигателя производится по представленному алгоритму.

• Генератор должен настраиваться так, чтобы его скорость была больше частоты оборотов двигателя. Величина скорости вращения измеряется тахометром или другим прибором при включении двигателя в электросеть.
• Полученная величина должна быть увеличена на 10% от имеющегося показателя.
• Подбирается емкость для конденсаторной батареи – она не должна быть чересчур большой, в противном случае оборудование будет сильно нагреваться. Для ее расчета можно воспользоваться таблицей зависимости между емкостью конденсатора и реактивной мощностью.
• На оборудование устанавливается конденсаторная батарея, которая обеспечит расчетную скорость вращения для генератора. Ее установка требует особого внимания – все конденсаторы нужно надежно изолировать.

Для 3-фазных двигателей конденсаторы подключают по типу «звезды» или «треугольника». Первый тип соединения делает возможным выработку электроэнергии при меньшей скорости вращения ротора, но на выходе показатель напряжения будет ниже. Для уменьшения его до 220 В используют понижающий трансформатор.

Изготовление генератора на магнитах

В магнитном генераторе не требуется применение конденсаторной батареи. В этой конструкции используются неодимовые магниты. Для выполнения работы следует:

• расположить магниты на роторе по схеме, с соблюдением полюсов – на каждом из них должно быть не меньше 8 элементов;
• предварительно ротор нужно проточить на токарном станке на толщину магнитов;
• с помощью клея прочно зафиксировать магниты;
• остаток свободного пространства между магнитными элементами залить эпоксидкой;
• после установки магнитов нужно проверить диаметр ротора – он не должен увеличиться.

Оценка уровня эффективности – выгодно ли это?

Генерация электрического тока электродвигателем вполне реальна и реализуема на практике, основной вопрос заключается в том, насколько это выгодно?

Сравнение осуществляется в первую очередь с синхронной разновидностью аналогичного устройства, в котором отсутствует электрическая цепь возбуждения, но несмотря на этот факт, его устройство и конструкция не являются более простыми.

Обуславливается это наличием конденсаторной батареи, являющейся крайне сложным в техническом плане элементом, который отсутствует у асинхронного генератора.

Основное преимущество асинхронного устройства заключается в том, что имеющиеся в наличии конденсаторы не требуют какого-либо обслуживания, поскольку вся энергия передается от магнитного поля ротора и тока, который вырабатывается в ходе функционирования генератора.

Создаваемый во время работы электрический ток фактически не имеет высших гармоник, что является еще одним значимым преимуществом.

Иных плюсов, кроме названных, асинхронные устройства не имеют, но зато обладают рядом существенных недостатков:

1. В ходе их функционирования отсутствует возможность по обеспечению номинальных промышленных параметров электрического тока, который вырабатывается генератором.
2. Высокая степень чувствительности даже к малейшим перепадам параметров рабочих нагрузок.
3. При превышении параметров допустимых нагрузок на генератор, будет зафиксирована нехватка электричества, после чего подзарядка станет невозможной и процесс генерации будет остановлен. Для устранения этого недостатка, часто используют батареи со значительной емкостью, которые имеют особенность изменять свой объем в зависимости от величины оказываемых нагрузок.

Электрический ток, который вырабатывается асинхронным генератором, подвержен частым изменениям, природа которых неизвестна, она носит случайный характер и никак не объясняется научными доводами.

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.

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.

Просчитать, учесть и компенсировать изменения тока, которые происходят случайно, к сожалению, нереально, поэтому устройству характерна нестабильная работа.