Работа асинхронного двигателя в режиме генератора

Асинхронный двигатель в режиме генератора

В случае необходимости, в качестве генератора переменного тока может быть применен трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором типа «беличья клетка».

Это решение удобно в силу широкой доступности асинхронных двигателей, а также благодаря отсутствию в подобных двигателях коллекторно-щеточного узла, что делает такой генератор надежным и долговечным. Если есть удобный способ приводить его ротор во вращение, то для генерации электроэнергии достаточно будет подключить к обмоткам статора три одинаковых конденсатора. Практика показывает, что такие генераторы могут работать годами без необходимости обслуживания.

Поскольку на роторе присутствует остаточная намагниченность, то при его вращении в статорных обмотках возникнет ЭДС индукции, а поскольку к обмоткам подключены конденсаторы, будет иметь место соответствующий емкостный ток, который станет намагничивать ротор. При дальнейшем вращении ротора произойдет самовозбуждение, благодаря чему в обмотках статора установится трехфазный синусоидальный ток.

В генераторном режиме частота вращения ротора должна соответствовать синхронной частоте двигателя, которая выше его рабочей (асинхронной) частоты. Например: у двигателя АИР112МВ8 обмотка статора имеет 4 пары магнитных полюсов, значит, его номинальная синхронная частота составляет 750 об/мин, но при работе под нагрузкой, ротор этого двигателя вращается с частотой 730 об/мин, поскольку это асинхронный двигатель. Значит, в генераторном режиме нужно вращать его ротор с частотой 750 об/мин. Соответственно, для двигателей с двумя парами магнитных полюсов номинальная синхронная частота составляет 1500 об/мин, а с одной парой полюсов – 3000 об/мин.

Конденсаторы подбираются в соответствии с мощностью применяемого асинхронного двигателя и характером нагрузки. Реактивную мощность, которую обеспечивают конденсаторы в таком режиме работы, в зависимости от их емкостей, можно вычислить по формуле:

Например, есть асинхронный двигатель, рассчитанный на номинальную мощность в 3кВт при работе от трехфазной сети с напряжением 380 Вольт и частотой 50 Гц. Значит, конденсаторы при полной нагрузке должны обеспечить всю эту мощность. Поскольку ток трехфазный, то речь здесь идет о емкости каждого конденсатора. Емкость можно найти по формуле:

Следовательно, для данного трехфазного асинхронного двигателя на 3кВт емкость каждого из трех конденсаторов при полной активной нагрузке составит:

Отлично подойдут для этой цели пусковые конденсаторы серий К78-17, К78-36 и им подобные на напряжение 400 Вольт и выше, лучше на 600 Вольт, или металлобумажные конденсаторы аналогичных номиналов.

Говоря о режимах работы генератора из асинхронного двигателя, важно отметить, что на холостом ходу подключенные конденсаторы будут создавать реактивный ток, который станет просто греть статорные обмотки, поэтому имеет смысл сделать конденсаторные блоки составными, и подключать емкости в соответствии с требованиями конкретной нагрузки. Ток холостого хода, при таком решении, будет значительно снижен, что позволит разгрузить систему в целом. Нагрузки же реактивного характера – наоборот потребуют подключения дополнительных конденсаторов, превышающих расчетный номинал из-за характерного для реактивных нагрузок коэффициента мощности.

Допускается соединение статорных обмоток как в звезду, для получения 380 Вольт, так и в треугольник, для получения 220 Вольт. Если нет необходимости в трехфазном токе, можно использовать лишь одну фазу, подключив конденсаторы только к одной из статорных обмоток.

Можно работать и с двумя обмотками. Между тем нужно помнить, что мощность, отдаваемая каждой из обмоток в нагрузку, не должна превышать трети общей мощности генератора. В зависимости от нужд, можно подключить трехфазный выпрямитель, или использовать непосредственно переменный ток. Для удобства контроля, полезно организовать индикаторный стенд с измерительными приборами – вольтметрами, амперметрами, и частотомером. Для переключения конденсаторов отлично подойдут автоматы (автоматические выключатели).

Особое внимание следует уделить технике безопасности, учесть критические значения токов, и соответствующим образом рассчитать сечения всех проводов. Надежная изоляция – также немаловажный фактор безопасности.

Работа асинхронного двигателя в генераторном режиме

Все электрические машины функционируют в соответствии с законом электромагнитной индукции, а также с законом взаимодействия проводника с током и магнитного поля.

Электрические машины по типу питания подразделяются на машины постоянного и переменного тока. Постоянный ток создается за счет источников бесперебойного питания. Для машин постоянного тока характерно свойство обратимости. Это означает, что они способны работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Данное обстоятельство можно объяснить с точки зрения аналогичных явлений в работе обеих машин. Более детально конструктивные особенности двигателя и генератора рассмотрим далее.

Двигатель

Двигатель предназначен для преобразования электрической энергии в механическую. В промышленном производстве двигатели применяются в качестве приводов на станках и прочих механизмах, являющихся частью технологических процессов. Также двигатели используются в бытовых приборах, к примеру, в стиральной машине.

Электродвигатель постоянного тока

При нахождении в магнитном поле проводника в виде замкнутой рамки, силы, которые приложены к рамке, приведут данный проводник к вращению. В таком случае, речь будет идти о простейшем двигателе.

Как было указано ранее, работа двигателя постоянного тока осуществляется от источников бесперебойного питания, к примеру, от аккумуляторной батареи, блока питания. У двигателя имеется обмотка возбуждения. В зависимости от ее подключения, различают двигатели с независимым и самовозбуждением, которое, в свою очередь, может быть последовательным, параллельным и смешанным.

Подключение двигателя переменного тока производится от электрической сети. Исходя из принципа работы, двигатели подразделяются на синхронные и асинхронные.

Асинхронный двигатель

Главным отличием синхронного двигателя является наличие обмотки на вращающемся роторе, а также имеющийся щеточный механизм, служащий для подведения тока на обмотки. Вращение ротора осуществляется синхронно вращению магнитного поля статора. Отсюда двигатель имеет такое название.

В асинхронном двигателе важным условием является то, что вращение ротора должно быть медленнее вращения магнитного поля. При несоблюдении данного требования наведение электродвижущей силы и возникновение электротока в роторе оказывается невозможным.

Асинхронные двигатели применяются чаще, однако у них имеется один значительный недостаток – без изменения частоты тока невозможно регулирование скорости вращения вала. Данное условие не позволяет достичь вращения с постоянной частотой. Также значительным недостатком является ограничение по максимальной скорости вращения (3000 об./мин.).

В случаях необходимости достижения постоянной скорости вращения вала, возможности ее регулирования, а также достижения скорости вращения, превышающей максимально возможную для асинхронных двигателей, применяют синхронные двигатели.

Схема работы

Асинхронный генератор считается одним из наиболее простых и надёжных в плане эксплуатации. Процесс работы выглядит следующим образом:

• В якорной обмотке с помощью напряжения, что идёт от аккумулятора, создаётся магнитное поле.
• Вращение элементов поля можно организовать своими руками или же автоматизировать процесс с помощью использования реле.
• Скорость магнитного поля позволяет вырабатывать электромагнитную индукцию, что провоцирует возникновение электричества.

Из-за наличия внутри оборудования короткозамкнутого ротора не все схемы имеют возможность обеспечивать обмотку напряжением. Поэтому даже в случае активного вращения вала клемы будут обесточены.

Составляющие элементы

Генератор из асинхронного двигателя своими руками 220 В создать несложно, но предварительно нужно понять, какие детали входят в механизм. Даже простые модели требуют нужных элементов для воссоздания электричества. Стандартный асинхронный двигатель включает в себя:

• Статор из сетевой обмотки на три фазы. Они размещаются по его рабочей поверхности в виде намотки.
• Обмотку, напоминающую звезду и состоящую из контактных колец, что имеют выход к ротору.
• Щётки, которые не совершают по факту никакой работы, но способствуют включению реостата. Такое приспособление влияет на функциональность обмотки и изменяет параметры её сопротивления.
• Иногда в механизме может быть встроен специальный автоматический короткозамыкатель, который может закоротить обмотку и остановить элемент реостата, даже если деталь пребывает в работе.

В стадии замыкания щёток и контактных колец могут включаться дополнительно элементы для их разводки. Не все генераторы оснащены такими деталями, приспособление можно увидеть у новых моделей.

Секреты и тонкости

Чтобы сделать асинхронный двигатель в режиме генератора нужно не только изучить модель устройства, но и подобрать нужные элементы. Специалисты советуют использовать неполярные батареи конденсаторного типа, поскольку электролитические элементы в данную схему не вписываются.

Трёхфазный тип запускает детали конденсаторов с помощью звезды. Это даёт возможность запустить генеративный процесс с небольшими оборотами ротора, но такой способ негативно сказывается на выходе напряжения.

Можно создать генератор, используя и однофазный механизм, но это только в случае, если имеются короткозамкнутые роторы. Нельзя использовать для переделки под генератор коллекторный тип двигателей, поскольку их мощность слишком высока для такого механизма. В домашних условиях узнать о ёмкости батареи конденсаторного типа нельзя. Это стоит учитывать в процессе переделки.

Узнать, подходит ли батарея для генератора можно исходя из её веса. Тяжесть детали должна быть равной электродвигателю.

Генератор

Проводник, перемещаясь между двумя магнитными полюсами, способствует возникновению электродвижущей силы. Когда проводник замыкают, то при воздействии электродвижущей силы в нем возникает ток. На данном явлении основывается действие электрического генератора.

Генератор переменного тока

Генератор способен вырабатывать электрическую энергию из тепловой или химической энергии. Однако наиболее широкое распространение получили генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую.

Основные составные элементы генератора постоянного тока:

• Якорь, выступающий в качестве ротора.
• Статор, на котором располагается катушка возбуждения.
• Корпус.
• Магнитные полюса.
• Коллекторный узел и щетки.

Генераторы постоянного тока используются не так часто. Основные сферы их применения: электрический транспорт, сварочные инверторы, а также ветроустановки.

Генератор постоянного тока

Генератор переменного тока имеет схожую конструкцию с генератором постоянного тока, но отличается строением коллекторного узла и обмотками на роторе.

Схема генератора переменного тока

Так же как и в случае с двигателями, генераторы могут быть синхронными и асинхронными. Разница между данными генераторами заключается в строении ротора. У синхронного генератора катушки индуктивности расположены на роторе, а у асинхронного генератора для расположения обмотки на валу имеются специальные пазы.

Синхронные генераторы применяют, когда необходима выдача тока с высокой пусковой мощностью на короткий промежуток времени, с превышением номинальной. Применение асинхронных генераторов больше предусмотрено в быту, для энергетического снабжения бытовых приборов, а также для освещения, так как электрическая энергия, вырабатывается практически без искажений.

Первоначально для питания двигателей использовался электромашинный управляемый преобразователь (система «генератор-двигатель») (рис. 4.13) [1; 2; 14].

Рис. 4.13. Схема системы «генератор-двигатель».

В пунктир заключён электромашинный преобразователь, включающий в себя гонный асинхронный двигатель и генератор постоянного тока. Такой преобразователь позволяет в широком диапазоне изменять напряжение на двигателе, изменяя ток возбуждения генератора (ОВГ). Очевидно, что в данном случае напряжение на выходе преобразователя определяется ЭДС генератора. Данная система позволяет обеспечить все возможные режимы работы двигателя. Механические характеристики двигателя (рис. 4.14) располагаются во всех 4 квадрантах. Основной режим работы двигателя в такой системе – это работа с постоянным магнитным потоком, то есть . Мы можем записать уравнения электромеханической и механической характеристик двигателя, полагая, что :

Работа асинхронного двигателя в режиме генератора

Электрики давно научились извлекать пользу из принципа обратимости электрических машин: когда попадает в руки вроде бы ненужный трехфазный движок, то его можно раскрутить от бытовой сети или вырабатывать бесплатную электрическую энергию.

Но в данном материале мы не собираемся «вешать лапшу» про свободную и бесплатную энергию или про «гениев», подключивших лампочку к батарейке. И так:

Асинхронные электродвигатели

В статье рассказано о том, как построить трёхфазный (однофазный) генератор 220/380 В на базе асинхронного электродвигателя переменного тока. Трехфазный асинхронный электродвигатель, изобретённый в конце 19-го века русским учёным-электротехником М.О. Доливо-Добровольским, получил в настоящее время преимущественное распространение и в промышленности, и в сельском хозяйстве, а также в быту.

Асинхронные электродвигатели – самые простые и надёжные в эксплуатации. Поэтому во всех случаях, когда это допустимо по условиям электропривода и нет необходимости в компенсации реактивной мощности, следует применять асинхронные электродвигатели переменного тока.

Различают два основных вида асинхронных двигателей: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель состоит из неподвижной части — статора и подвижной части — ротора, вращающегося в подшипниках, укреплённых в двух щитах двигателя. Сердечники статора и ротора набраны из отдельных изолированных один от другого листов электротехнической стали. В пазы сердечника статора уложена обмотка, выполненная из изолированного провода. В пазы сердечника ротора укладывают стержневую обмотку или заливают расплавленный алюминий. Кольца-перемычки накоротко замыкают обмотку ротора по концам (отсюда и название — короткозамкнутый). В отличие от короткозамкнутого ротора, в пазах фазного ротора размещают обмотку, выполненную по типу обмотки статора. Концы обмотки подводят к контактным кольцам, укреплённым на валу. По кольцам скользят щетки, соединяя обмотку с пусковым или регулировочным реостатом.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором являются более дорогостоящими устройствами, требуют квалифицированного обслуживания, менее надёжны, а потому применяются только в тех отраслях производства, в которых без них обойтись нельзя. По этой причине они мало распространены, и мы их в дальнейшем рассматривать не будем.

Генератор асинхронного или индукционного типа представляет собой особую разновидность устройств, использующую переменный ток и имеющую способность воспроизведения электроэнергии. Главной особенностью является совершение довольно быстрых поворотов, которые делает ротор, по скорости вращения этого элемента он в значительной степени превосходит синхронную разновидность.

Одним из главных преимуществ является возможность использования данного устройства без существенных преобразований схемы или длительного настраивания.

Однофазную разновидность индукционного генератора можно подключить путем подачи на него необходимого напряжения, для этого потребуется подсоединение его к источнику питания. Однако, ряд моделей производит самовозбуждение, эта способность позволяет им функционировать в режиме, независимом от каких-либо внешних источников.

Осуществляется это благодаря последовательному приведению конденсаторов в рабочее состояние.

Схема генератора из асинхронного двигателя

Нажмите на изображение чтобы увеличить

В фактически любой машине электрического типа, сконструированной по типу генератора, имеются 2 разные активные обмотки, без которых невозможно функционирование устройства:

• Обмотка возбуждения, которая находится на специальном якоре.
• Статорная обмотка, которая отвечает за образование электрического тока, данный процесс происходит внутри нее.

Для того, чтобы наглядно представить и точнее понять все процессы, происходящие во время функционирования генератора, наиболее оптимальным вариантом будет подробнее рассмотреть схему его работы:

• Напряжение, которое подается от аккумулятора или любого иного источника, создает магнитное поле в якорной обмотке.
• Вращение элементов устройства вместе с магнитным полем можно реализовать разными способами, в том числе и вручную.
• Магнитное поле, вращающееся с определенной скоростью, порождает электромагнитную индукцию, благодаря чему в обмотке появляется электрический ток.
• Подавляющее большинство используемых на сегодняшний день схем не имеет возможностей для обеспечения якорной обмотки напряжением, это связано с наличием в конструкции короткозамкнутого ротора. Поэтому, вне зависимости от скорости и времени вращения вала, питающие клеммы устройства все равно будут обесточены.

При переделывании двигателя в генератор, самостоятельное создание движущегося магнитного поля является одним из основных и обязательных условий.

Устройство генератора

Нажмите на изображение чтобы увеличить

Перед тем, как предпринимать какие-либо действия по переделыванию асинхронного двигателя в генератор, необходимо понять устройство данной машины, которое выглядит следующим образом:

• Статор, который оснащен сетевой обмоткой с 3 фазами, размещенной по его рабочей поверхности.
• Обмотка организована таким образом, что напоминает по своей форме звезду: 3 начальных элемента соединяются между собой, а 3 противоположных стороны соединены с контактными кольцами, которые не имеют никаких точек соприкосновений между собой.
• Контактные кольца имеют надежный крепеж к валу ротора.
• В конструкции имеются специальные щетки, которые не совершают никаких самостоятельных движений, но способствуют включению реостата с тремя фазами. Это позволяет осуществлять изменение параметров сопротивления обмотки, находящейся на роторе.
• Нередко, во внутреннем устройстве присутствует такой элемент, как автоматический короткозамыкатель, необходимый для того, чтобы закоротить обмотку и остановить реостат, находящийся в рабочем состоянии.
• Еще одним дополнительным элементом устройства генератора может являться специальное приспособление, которое разводит щетки и контактные кольца в тот момент, когда они проходят стадию замыкания. Подобная мера способствует значительному уменьшению потерь, отводимых на трение.

Изготовление генератора из двигателя

Фактически, любой асинхронный электродвигатель можно собственными руками переделать в устройство, функционирующее по типу генератора, который затем допускается использовать в быту. Для этой цели может подойти даже двигатель, взятый из стиральной машинки старого образца или любого иного бытового оборудования.

Чтобы данный процесс был благополучно реализован, рекомендуется придерживаться следующего алгоритма действий:

• Снять слой сердечника двигателя, благодаря чему будет образовано углубление в его структуре.
• Осуществить это можно на токарном станке, рекомендуется снять 2 мм. по всему сердечнику и проделать дополнительные отверстия с глубиной около 5 мм.
• Снять размеры с полученного ротора, после чего из жестяного материала изготовить шаблон в виде полосы, который будет соответствовать габаритам устройства.
• Установить в образовавшемся свободном пространстве неодимовые магниты, которые необходимо заранее приобрести. На каждый полюс потребуется не менее 8 магнитных элементов.
• Фиксацию магнитов можно осуществить при помощи универсального суперклея, но необходимо учитывать, что при приближении к поверхности ротора они будут менять свое положение, поэтому их необходимо крепко удерживать руками пока каждый элемент не приклеится. Дополнительно рекомендуется использовать во время этого процесса защитные очки, чтобы избежать попадания брызг клея в глаза.
• Обернуть ротор обычной бумагой и скотчем, который потребуется для ее фиксации.
• Торцовую часть ротора залепить пластилином, что обеспечит герметизацию устройства.
• После совершенных действий необходимо произвести обработку свободных полостей, между магнитными элементами. Для этого оставшееся между магнитами свободное пространство необходимо залить эпоксидной смолой. Удобнее всего будет прорезать специальное отверстие в оболочке, преобразовать его в горлышко и залепить границы при помощи пластилина. Внутрь можно заливать смолу.
• Дождаться полного застывания залитой смолы, после чего защитную бумажную оболочку можно устранить.
• Ротор необходимо зафиксировать при помощи станка или тисков, чтобы можно было провести его обработку, которая заключается в шлифовании поверхности. Для этих целей можно использовать наждачную бумагу со средним параметром зернистости.
• Определить состояние и предназначение проводов, выходящих из двигателя. Двое должны вести к рабочей обмотке, остальные можно обрезать, чтобы не запутаться в дальнейшем.
• Иногда процесс вращения осуществляется довольно плохо, чаще всего причиной являются старые износившиеся и тугие подшипники, в таком случае их можно заменить новыми.
• Выпрямитель для генератора можно собрать из специальных кремниевых диодов, которые предназначены именно для этих целей. Также потребуется контроллер для зарядки, подходят фактически все современные модели.

После совершения всех названных действий, процесс можно считать завершенным, асинхронный двигатель был преобразован в генератор такого же типа.

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:

В ходе их функционирования отсутствует возможность по обеспечению номинальных промышленных параметров электрического тока, который вырабатывается генератором.

Высокая степень чувствительности даже к малейшим перепадам параметров рабочих нагрузок.

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.

Невозможность учета и соответствующей компенсации таких изменений объясняет то факт, что подобные устройства не обрели популярность и не получили особого распространения в наиболее серьезных отраслях промышленности или бытовых делах.

В заключение несколько общих советов.

1. Генератор переменного тока является устройством повышенной опасности. Применяйте напряжение 380 В только в случае крайней необходимости, во всех остальных случаях пользуйтесь напряжением 220 В.

2. По требованиям техники безопасности электрогенератор необходимо оборудовать заземлением.

3. Обратите внимание на тепловой режим генератора. Он «не любит» холостого хода. Снизить тепловую нагрузку можно более тщательным подбором емкости возбуждающих конденсаторов.

4. Не ошибитесь с мощностью электрического тока, вырабатываемого генератором. Если при работе трёхфазного генератора используется одна фаза, то её мощность будет составлять 1/3 общей мощности генератора, если две фазы — 2/3 общей мощности генератора.

5. Частоту переменного тока, вырабатываемого генератором, можно косвенно контролировать по выходному напряжению, которое в режиме «холостого хода» должно на 4…6 % превышать промышленное значение 220/380 В.

Как самому переделать генератор из асинхронного двигателя?

Данная задача требует выполнения ряда манипуляций, которые должны сопровождаться четким пониманием принципов и режимов функционирования такого оборудования.

Что собой представляет и как работает

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.

Что такое электрический генератор?

Генератор представляет собой эл машину, преобразовывающую механическую и тепловую энергии в электрическую. С этой точки зрения он является устройством прямо противоположным по принципу действия и режиму функционирования к асинхронному двигателю. Более того, наиболее распространенным типом электрогенераторов являются индукционные.

Как мы помним из выше описанной теории, такое становится возможным только при разности оборотов магнитных полей статора и ротора. Из это следует один закономерный вывод (учитывая также принцип обратимости, упомянутый вначале статьи) – теоретически возможно сделать генератор из асинхронника, кроме того, это задача, решаемая самостоятельно за счет перемотки.

Работа двигателя в режиме генератора

Любой асинхронный электрогенератор используется в качестве некоего трансформатора, где механическая энергия от вращения вала двигателя, преобразуется в переменный ток. Такое становится возможным тогда, когда его скорость становится выше синхронной (порядка 1500 об/мин). Классическую схему переделки и подключения двигателя в режиме электрогенератора с выработкой трехфазного тока можно легко собрать своими руками:

Чтобы достичь такой стартовой частоты вращения, необходимо приложить довольно большой крутящий момент (например, за счет подключения двигателя внутреннего сгорания в бензогенераторе или крыльчатки в ветряке). Как только частота вращения достигает значения синхронной, начинает действовать конденсаторная батарея, создающая емкостный ток. За счет этого происходит самовозбуждение обмоток статора и выработка электрического тока (режим генерирования).

Необходимым условием устойчивой работы такого электрогенератора с промышленной частотой сети 50 Гц, является соответствие его частотных характеристик:

1. Скорость его вращения должна превышать асинхронную (частоту работы самого двигателя) на процент скольжения (от 2 до 10%),
2. Значение скорости вращения генератора должно соответствовать синхронной скорости.

Как самостоятельно собрать асинхронный генератор?

Обладая полученными знаниями, смекалкой и умением работать с информацией, можно своими руками собрать/переделать работоспособный генератор из двигателя. Для этого необходимо совершить точные действия следующей последовательности:

1. Вычисляется реальная (асинхронная) частота вращения двигателя, который планируется применить в качестве электрогенератора. Для определения оборотов на подключенном к сети агрегате можно использовать тахограф,
2. Определяется синхронная частота двигателя, которая одновременно будет асинхронной для генератора. Здесь учитывается величина скольжения (2-10%). Допустим, измерения показали скорость вращения на уровне 1450 об/мин. Требуемая частота работы электрогенератора будет составлять:

nГЕН = (1,02…1,1)nДВ= (1,02…1,1)·1450 = 1479…1595 об/мин,

1. Подбор конденсатора необходимой емкости (используются стандартные сравнительные таблицы данных).

На этом можно и поставить точку, но если требуется напряжение однофазной сети 220В, то режим функционирования такого устройства потребует внедрения в приведенную ранее схему понижающего трансформатора.

Виды генераторов на базе двигателей

Покупка штатного готового эл генератора – удовольствие отнюдь не из дешевых и вряд ли по карману практическому большинству наших сограждан. Прекрасной альтернативой может послужить самодельный генератор, его можно собрать при достаточных познаниях в области электротехники и слесарного дела. Собранное устройство может успешно использоваться в качестве:

1. Электрогенератора с самозапиткой. Пользователь может своими руками получить устройство для выработки электроэнергии с длительным периодом действия вследствие самостоятельной подпитки,
2. Ветрогенератора. В качестве движителя, необходимого для пуска двигателя, используется ветряк, который вращается под воздействием ветра,
3. Генератора на неодимовых магнитах,
4. Трехфазного бензогенератора,
5. Однофазного маломощного генератора на двигателях электроприборов и т. д.

Переделка своими руками стандартного мотора в действующее генерирующее устройство – занятие увлекательное и очевидно экономящее бюджет. Таким образом можно переделать обычный ветряк, соединив его с двигателем для автономной выработки энергии.

Может ли работать асинхронный двигатель как генератор — как его использовать в домашних условиях?

В электротехнике существует так называемый принцип обратимости: любое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может делать и обратную работу. На нем основан принцип действия электрических генераторов, вращение роторов которых вызывает появление электрического тока в обмотках статора.

Теоретически можно переделать и использовать любой асинхронный двигатель в качестве генератора, но для этого надо, во-первых, понять физический принцип, а во-вторых, создать условия, обеспечивающие это превращение.

Вращающееся магнитное поле – основа схемы генератора из асинхронного двигателя

В электрической машине, изначально создающейся как генератор, существуют две активные обмотки: возбуждения, размещенная на якоре, и статорная, в которой и возникает электрический ток. Принцип её работы основан на эффекте электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле порождает в обмотке, которая находится под его воздействием, электрический ток.

Магнитное поле возникает в обмотке якоря от напряжения, обычно подаваемого с аккумулятора, ну а его вращение обеспечивает любое физическое устройство, хотя бы и ваша личная мускульная сила.

Конструкция электродвигателя с короткозамкнутым ротором (это 90 процентов всех исполнительных электрических машин) не предусматривает возможности подачи питающего напряжения на обмотку якоря. Поэтому, сколько бы вы ни вращали вал двигателя, на его питающих клеммах электрического тока не возникнет.
Тем, кто хочет заняться переделкой асинхронного двигателя в генератор, надо создавать вращающееся магнитное поле самостоятельно.

Создаем предусловия для переделки

Двигатели, работающие от переменного тока, называют асинхронными. Все потому, что вращающееся магнитное поле статора чуть опережает скорость вращения ротора, оно как бы тянет его за собой.

Используя тот же принцип обратимости, приходим к выводу, что для начала генерации электрического тока вращающееся магнитное поле статора должно отставать от ротора или даже быть противоположным по направлению. Создать вращающееся магнитное поле, которое отстает от вращения ротора или противоположно ему, можно двумя способами.

Затормозить его реактивной нагрузкой. Для этого в цепь питания электродвигателя, работающего в обычном режиме (не генерации), надо включить, например, мощную конденсаторную батарею. Она способна накапливать реактивную составляющую электрического тока – магнитную энергию. Этим свойством в последнее время широко пользуются те, кто хочет сэкономить киловатт-часы.

Если быть точным, то фактической экономии электроэнергии не происходит, просто потребитель немного обманывает электросчетчик на законной основе.
Накопленный конденсаторной батареей заряд находится в противофазе с тем, что создается питающим напряжением и «подтормаживает» его. В результате электродвигатель начинает генерировать ток и отдавать его обратно в сеть.

Для одновременного подключения потребителей электроэнергии к трех фазам служит специальное электромеханическое устройство — магнитный пускатель, об особенностях правильной установки которых можно прочитать здесь.

На практике этот эффект применяется в транспорте на электрической тяге. Как только электровоз, трамвай или троллейбус идут под уклон, к цепи питания тягового электродвигателя подключается конденсаторная батарея и происходит отдача электрической энергии в сеть (не верьте тем, кто утверждает, что электротранспорт дорог, он почти на 25 процентов обеспечивает энергией сам себя).

Такой способ получения электрической энергии не есть чистая генерация. Чтобы перевести работу асинхронного двигателя в режим генератора, надо использовать метод самовозбуждения.

Самовозбуждение асинхронного двигателя и переход его в режим генерации может возникнуть из-за наличия в якоре (роторе) остаточного магнитного поля. Оно очень мало, но способно породить ЭДС, заряжающее конденсатор. После возникновения эффекта самовозбуждения конденсаторная батарея подпитывается от произведенного электрического тока и процесс генерации становится непрерывным.

Секреты изготовления генератора из асинхронного двигателя

Чтобы превратить электромотор в генератор надо использовать неполярные конденсаторные батареи. Электролитические конденсаторы для этого не годятся. В трехфазных двигателях конденсаторы включаются звездой или треугольником. Соединение «звездой» позволяет начать генерацию на меньших оборотах ротора, но величина напряжения на выходе будет несколько ниже, чем при соединении «треугольником».

Также можно сделать генератор из однофазного асинхронного двигателя. Но для этого годятся лишь те, которые имеют короткозамкнутый ротор, а для запуска используют фазосдвигающий конденсатор. Коллекторные однофазные двигатели для переделки в генератор не годятся.

Рассчитать в бытовых условиях величину потребной емкости конденсаторной батареи не представляется возможным. Поэтому домашний мастер должен исходить из простого соображения: общий вес конденсаторной батареи должен быть равен или немного превышать вес самого электродвигателя.
На практике это приводит к тому, что создать достаточно мощный асинхронный генератор почти невозможно, поскольку чем меньше номинальные обороты двигателя, тем он больше весит.

Оцениваем уровень эффективности — выгодно ли это?

Как видите, заставить электродвигатель генерировать ток можно не только в теоретических измышлениях. Теперь надо разобраться, насколько оправданы усилия по «изменению пола» электрической машины.

Во многих теоретических изданиях главным преимуществом асинхронных генераторов представляют их простоту. Честно говоря, это лукавство. Устройство двигателя ничуть не проще устройства синхронного генератора. Конечно, в асинхронном генераторе нет электрической цепи возбуждения, но она заменена на конденсаторную батарею, которая сама по себе является сложным техническим устройством.

Зато конденсаторы не надо обслуживать, а энергию они получают как бы даром – сначала от остаточного магнитного поля ротора, а потом – от вырабатываемого электрического тока. Вот в этом и есть главный, да и практически единственный плюс асинхронных генераторных машин – их можно не обслуживать. Такие источники электрической энергии применяются в домашних автономных электростанциях, приводимых в действие силой ветра или падающей воды.

Еще одним преимуществом таких электрических машин является то, что генерируемый ими ток почти лишен высших гармоник. Этот эффект называется «клирфактор». Для людей далеких от теории электротехники его можно объяснить так: чем ниже клирфактор, тем меньше тратится электроэнергии на бесполезный нагрев, магнитные поля и прочее электротехническое «безобразие».

У генераторов из трехфазного асинхронного двигателя клирфактор обычно находится в пределах 2%, когда традиционные синхронные машины выдают минимум 15. Однако учет клирфактора в бытовых условиях, когда к сети подключены разные типы электроприборов (стиральные машины имеют большую индуктивную нагрузку), практически невозможен.

Все остальные свойства асинхронных генераторов являются отрицательными. К ним относится, например, практическая невозможность обеспечить номинальную промышленную частоту вырабатываемого тока. Поэтому их почти всегда сопрягают с выпрямительными устройствами и используют для зарядки аккумуляторных батарей.

Кроме того, такие электрические машины очень чувствительны к перепадам нагрузки. Если в традиционных генераторах для возбуждения используется аккумулятор, имеющий большой запас электрической мощности, то конденсаторная батарея сама забирает из вырабатываемого тока часть энергии.

Если нагрузка на самодельный генератор из асинхронного двигателя превышает номинал, то ей не хватит электричества для подзарядки и генерация прекратится. Иногда используют емкостные батареи, объем которых динамически меняется в зависимости от величины нагрузки. Однако при этом полностью теряется преимущество «простоты схемы».

Нестабильность частоты вырабатываемого тока, изменения которой почти всегда носят случайный характер, не поддаются научному объяснению, а потому не могут быть учтены и компенсированы, предопределило малую распространенность асинхронных генераторов в быту и народном хозяйстве.

Функционирование асинхронного двигателя как генератора на видео

Асинхронный электродвигатель в качестве генератора

Подписка на рассылку

• ВКонтакте
• Facebook
• ok
• Twitter
• YouTube
• Instagram
• Яндекс.Дзен
• TikTok

Рисунок 1. Трехфазная асинхронная электрическая машина Асинхронные электродвигатели были разработаны еще в конце 19-го века М. О. Доливо-Добровольским и с тех пор не претерпели каких-либо действительно значительных изменений. Тем не менее именно такие электрические машины, особенно их модификации с короткозамкнутым ротором, получили наибольшее распространение практически во всех отраслях человеческой деятельности, что объясняется их универсальностью, надежностью и на порядок более низкой ценой в сравнении с двигателями постоянного тока.

С учетом приведенных выше качеств выглядит вполне логичным преимущественное использование именно асинхронных электродвигателей в качестве генераторов. Причем по сугубо экономическим соображениям это делается не только тогда, когда необходимо получить переменный, но и постоянный ток.

Генератор 380 В на базе трехфазной асинхронной электрической машины

Рисунок 2. Стандартная схема подключения асинхронного электродвигателя в качестве генератора Трехфазный генератор 380 В на базе асинхронного электродвигателя переменного тока получают путем отключения питающей сети и подсоединения его рабочего вала к валу механического двигателя. Такая конфигурация благодаря принципу обратимости электрических машин позволяет при достижении синхронной частоты вращения снять с зажимов статорной обмотки некоторую ЭДС, генерируемую остаточным магнитным полем. Если при этом к зажимам статорной обмотки подключить конденсаторную батарею, то в соответствующих обмотках потечет емкостной ток, выполняющий в данном случае роль намагничивающего фактора.

Критическим параметром всей установки является емкость конденсаторной батареи, которая должна превышать некоторое пороговое значение С0 — только при выполнении данного условия возможно самовозбуждение генератора и установление на обмотках его статора симметричной трехфазной системы напряжений.

Нетрудно догадаться, что конденсаторная батарея, точнее — ее емкость, играющая ключевую роль во всей схеме, является самым уязвимым местом. Дело в том, что поддержание заданного напряжения при увеличении нагрузки на генератор, особенно ее реактивной составляющей, для поддержания необходимого напряжения требуется постоянно наращивать емкость конденсаторной батареи путем увеличения подключенных конденсаторов. В цифрах картина выглядит следующим образом:

Стоит отметить, что некоторого смягчения воздействия реактивной составляющей позволяют достигнуть компенсаторы реактивной мощности серий КМ1/КМ2. При желании их аналоги можно изготовить и самостоятельно на основе конденсаторов МБГТ/ МБГП/ МБГО и др. за исключением электролитических.

Однофазный генератор 220 В на базе асинхронного электродвигателя переменного тока

Рисунок 3. Схема подключения однофазного генератора 220 В на базе асинхронного электродвигателя переменного тока Как уже отмечалось выше, трехфазные генераторы используются далеко не только для получения переменного напряжения. Еще одним распространенным способом использования асинхронного электродвигателя в качестве генератора является подключение, подразумевающее использование конденсаторной батареи в тандеме только с одной обмоткой. Такой ход позволяет уменьшить емкость конденсаторов и снизить нагрузку на первичный механический двигатель, что, в свою очередь, позволяет сэкономить недешевое природное топливо, однако и вырабатываемая мощность значительно падает. Экономический эффект наиболее ощутим при частой работе генератора в режиме холостого хода, что особенно актуально для бытового использования.

Емкость используемых в данной схеме конденсаторов напрямую зависит от характера нагрузки: активная нагрузка (СВЧ, освещение помещений, паяльные станции) требует меньшей емкости, индуктивная (телевизоры, холодильники, стиральные машины) — большей.