Асинхронный генератор

Источники электропитания делят на синхронные и асинхронные в зависимости от типа генератора. В электротехнике, согласно законам физики, существует принцип обратимости энергии: электрические машины, которые могут преобразовывать электрическую энергию в механическую, также могут совершать обратные преобразования. Асинхронный генератор работает на данном принципе: он способен преобразовывать механическую энергию вращения ротора в электроток на обмотке статора. Применяется он на напряжения 220 и 380 В.

Вид асинхронного генератора

В генераторном режиме работы меняется знак скольжения, и двигатели асинхронного типа генерируют электрическую энергию.

Применение

• Генераторы нашли применение в качестве тяговых электродвигателей на объектах транспортной инфраструктуры в машинах с реостатным и рекуперативным торможением, а также в сельском хозяйстве в устройствах, где нет потребности в компенсации реактивной мощности и высоких требований к качеству поставляемой электроэнергии (где возможны небольшие скачки напряжения, т.к. регулятор параметров отсутствует).
• Для бытовых нужд асинхронные генераторы применяются в качестве двигателя автономных электростанций, которые приводятся в действие силами природы: энергией падающей воды, силой ветра и др.
• Еще одним применением является использование генератора в качестве зарядного устройства для аккумуляторных батарей.
• Для электроснабжения сварочных агрегатов.
• Обеспечение бесперебойным электропитанием особо важных объектов: холодильников с лекарствами и др.

Это устройство применяется для промышленных целей

Теоретически возможно переоборудование асинхронного двигателя в асинхронный генератор. Для осуществления задачи необходимо:

• четко понимать, что такое ток;
• знать физику преобразования механической энергии в электрическую;
• создать все необходимые условия для появления электротока на обмотке статора.

Устройство асинхронного генератора

Что такое генератор

Асинхронный генератор в разрезе

Основные узлы асинхронного генератора:

• Ротор – вращающийся элемент, на котором образуется ЭДС. Тип исполнения – короткозамкнутый. Токопроводящие поверхности изготовлены из алюминия.
• Ввод кабеля необходим для отпуска полученного электричества.
• Датчик температуры для обмотки генератора необходим для постоянного мониторинга температуры на этой обмотке.
• Герметичные фланцы предназначены для уплотнения соединения деталей.
• Статор, на обмотке которого в процессе генерируется электроэнергия.
• Обмотка может быть двух типов: однофазная и трехфазная (для напряжения 220 и 380 В), размещена на поверхности статора в виде звезды. 3 точки соединяются между собой, 3 другие – с контактными кольцами.
• Контактные кольца не имеют электрической связи между собой, закреплены на валу ротора.
• Щетки необходимы как регулятор, при помощи них происходит запуск трехфазного реостата, за счет чего можно контролировать сопротивление обмотки ротора.
• Короткозамыкатель применяется для принудительной остановки реостата.

Принцип работы

Во время вращения лопаток ротора на токопроводящей части его начинает появляться электрический ток. Образующееся магнитное поле, наводит на обмотки статора два типа переменного напряжения – однофазное и трехфазное.

Регулировка параметров вырабатываемой энергии осуществляется изменением нагрузки на статоре. Регулятор в схеме отсутствует, т.к. конструктивно устройство не может быть оборудовано данным узлом: отсутствует электрическая связь между ротором и статором.

В каких случаях необходимо применение асинхронных устройств:

• тяжелые условия работы оборудования – запыленность;
• нет особых требований к качеству преобразованной энергии (величины частоты и напряжения);
• нет возможности установки синхронной машины;
• ограниченный бюджет объекта;
• существует вероятность перегрузок в переходном процессе работы.

Т.к. отсутствует регулятор параметров, необходимо подключение измерительных приборов.

Принцип работы в двухфазном режиме асинхронного генератора применяется для случаев, которые не требуют генерации трехфазного напряжения.

Преимущества:

• малая рабочая емкость;
• низкие нагрузки в режиме холостого хода, и как следствие, экономия первичного энергоносителя (ресурс, который приводит в действие ротор).

Недостатки:

• отсутствует регулятор напряжения тока.

Маломощные генераторы 220 В

В качестве устройства-донора применяются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутыми роторами от стиральных машин, бытовых пылесосов, электроприборов полива и аналогичные, в которых конденсаторные батареи подключены в схему параллельно рабочей обмотке. Для повышения эффективности работы увеличивают емкость конденсатора: в меньшей степени для активной нагрузки (лампы, паяльники), и в большей – для индуктивной (например, холодильники, телевизоры и т.п.).

Первичный механический двигатель (рекомендации):

• Мощность первичного устройства выбирается на 50..100% больше, чем потребляемая мощность асинхронным генератором. Это необходимо для снижения потерь и повышения КПД процесса. Повышения КПД добиваются путем постоянного или кратковременного увеличения оборотов механического элемента.
• Так как в схеме отсутствует регулятор тока, для стабильной работы установки необходим постоянный контроль параметров, т.е. наличие прибора измерения частоты (тахометра), напряжения (вольтметра) и набора переключателей (для подключения нагрузки на генератор, и два – для коммутации цепи возбуждения. Такая схема упрощает запуск и повышает стабильность работы электрооборудования.
• В случае присоединения к генератору бытовой сети освещения, в электрической цепи необходимо предусмотреть двухфазный рубильник, который в данном случае будет отключать электроосвещение от стационарной сети.

Эффективность установки

Перед проведением реконструкции необходимо учитывать масштаб экономического эффекта нового оборудования и целесообразность проведения процедуры.

Преимущества устройств:

1. Низкая себестоимость электроэнергии: для преобразования необходимо наличие магнитного поля, которое генерирует электрический ток.
2. В токе малое количество высших гармоник: малые потери на собственный нагрев, образование магнитных полей и др.
3. Высокая надежность.
4. Отсутствие цепи возбуждения.
5. Дешевизна готовых моделей.
6. Возможность переоборудования простейшего асинхронного двигателя в генератор.
7. Отсутствие в схеме устройства коллекторно-щеточного механизма, что повышает срок эксплуатации.
8. Отсутствие необходимости обслуживания конденсаторных батарей.

Недостатки:

1. Невозможность выработать промышленную частоту генерируемого тока.
2. Отсутствует регулятор параметров сети.
3. Необходимость включения в схему работы выпрямителей.
4. Индуктивная нагрузка требует увеличения прилагаемой потребной емкости. Следовательно, возрастает потребность подключения в схему устройства дополнительных конденсаторных элементов. Что впоследствии повышает стоимость установки.
5. Не меньшая техническая сложность устройства, чем синхронные генераторы.
6. Высокая чувствительность к перепадам нагрузки. Т.к. для работы устройства используется конденсатор, который забирает энергию (в традиционных генераторах применяют аккумуляторы, имеющие запас мощности), при увеличении нагрузки электроэнергии может не хватить на подзарядку и генерация прекратится. Для предотвращения этого явления используют батареи с изменяемым объемом емкости в зависимости от нагрузки. Применение данного оборудования экономически целесообразно для крупных объектов.

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.

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

Тестирование собранного прибора

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.

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 асинхронного двигателя

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

Видео

Асинхронные генераторы – полезная вещь в домашнем хозяйстве. Более мощные устройства вполне могут служить в качестве автономных электростанций, которые обеспечат нормальные параметры напряжения и частоты сети.

Один из первых генераторов с возбудителем переменного тока

Экономически целесообразно переоборудовать заведомо рабочий неиспользуемый асинхронный электродвигатель. Только при этом будет наблюдаться экономический эффект, в отличие от приобретения нового устройства.

Несмотря на достаточно трудоемкий принцип модернизации, отсутствующий регулятор параметров сети, самодельные асинхронные генераторы являются хорошим решением для минимизации финансовых затрат на электроэнергию в условиях постоянно растущих цен на энергоносители.