Существующие организации, снабжающие электроэнергией, неоднократно доказывают свою некомпетентность в обслуживании потребителей, и все чаще люди сталкиваются с проблемами подачи электроэнергии. Чаще всего с перебоями в электросети или даже отсутствием электроэнергии сталкиваются владельцы особняков и дач за пределами города. В связи с этим люди запасаются керосиновыми лампами, свечами и бензиновыми генераторами.
Но не всегда есть возможность приобрести себе хороший генератор, и жители вынужденно сталкиваются с вопросом, как сделать генератор своими руками, потратив на это намного меньше, чем на заводской агрегат.
Принцип работы генератора
Пользуясь большим спросом, генератор может быть на базе бензинового или дизельного двигателя. В большинстве случаев главным прибором выработки электроэнергии выступает асинхронный двигатель, с помощью которого производится энергия для рабочей электросети. Бензогенератор с асинхронным двигателем работает с большим КПД , а обороты ротора асинхронного двигателя выше, чем у самого мотора.
Установки с применением асинхронного двигателя применяются не только в бытовых условиях, но и во многих других силовых установках , таких как:
- Ветровые электростанции.
- Для работы сварочного аппарата.
- Для поддержки электроэнергии совместно с небольшой ГЕС.
В большинстве случаев запуск происходит за счет подключения тока, однако, для мини-станций это не совсем рационально, так как генератор должен вырабатывать электроэнергию, а не потреблять. В связи с таким недостатком все чаще производителями предлагаются самовозбуждающиеся устройства , для запуска которых необходимо только последовательное подключение конденсатора.
Благодаря тому, что скорость оборотов ротора асинхронного генератора выше, чем самого мотора, он может производить электроэнергию. В самых обычных моделях генераторов для выработки электричества должно быть не менее 1500 оборотов в минуту.
Превосходство скорости работы ротора при запуске перед синхронной скоростью называют скольжением и вычисляют в процентах от синхронной скорости, но так как статор вращается с большими оборотами
, чем ротор, то происходит образование потока заряженных электронов с переменной полярностью.
При запуске подключенный прибор управляет синхронной скоростью и впоследствии - скольжением. При выходе из статора электроны перемещаются по ротору, но активная энергия уже находится в катушках статора.
Принцип работы двигателя заключается в преобразовании механической энергии в электрическую, а для пуска и выработки тока необходим сильный вращательный момент . Наиболее подходящим вариантом, по мнению электриков, является поддержка оптимальной скорости на протяжении всего времени работы генератора.
Преимущества асинхронного генератора
Синхронные и асинхронные генераторы имеют разную конструкцию. Конструкция синхронного более сложная, чувствительность к перепадам напряжения больше, поэтому продуктивность ниже, чем асинхронного. На роторе синхронного мотора размещены магнитные катушки, они усложняют вращение ротора
, а ротор асинхронного генератора имеет схожесть с обычным маховиком.
Потеря КПД синхронного генератора из-за конструктивной особенности около 11%, в то время как у асинхронного - потеря до 5%. Поэтому асинхронные устройства более востребованы и в быту, и в промышленности. Нарастание спроса обусловлено не только высоким КПД, но и другими преимуществами:
- Простая конструкция корпуса, способного защитить от попадания влаги и пыли, что снижает необходимость ежедневного проведения ТО.
- Устойчивость к перепаду напряжения и наличие выпрямителя, который служит защитой для подключенных электроприборов.
- Способен питать высокочувствительные приборы, к примеру, сварочные устройства, компьютеры и лампы накалывания.
- Высокий КПД и минимальная затрата энергии на обогрев самого агрегата.
- Длительный срок эксплуатации благодаря надежности деталей и их устойчивости к износу при использовании.
Благодаря таким положительным нюансам генератор может эксплуатироваться на протяжении 15 лет, а его конструкция позволяет сделать асинхронный генератор своими руками.
Мотоблок для электрогенератора
Для жителей сел и поселков за городом использование мотоблока для сборки генератора не является новшеством, так как агрегат очень распространен, и многие проводят земельные работы с его помощью, хотя мотоблок, как другая техника, нередко подвергается поломкам
.
При больших повреждениях агрегата владельцы покупают новый, но со старым расстаться хочет не каждый, поэтому старые экземпляры могут использоваться для самостоятельного конструирования генератора переменного тока 220 В. Работой двигателя может обеспечиваться оптимальная производительность асинхронного двигателя в пределах вольтажа от 220 до 380. Мощность двигателя нужно выбирать не менее 15 кВт, а частота оборотов вала должна быть от 800 до 1500 об/мин. Такие характеристики необходимы для полного обеспечения электросети жилища. Ведь с маломощным двигателем получить достаточно энергии не выйдет, а создавать генератор для нескольких осветительных приборов нерационально.
Существуют мастера, которые изготавливают ветрогенератор из асинхронного двигателя своими руками, но в любом случае перед сборкой нужно сначала рассчитать мощность потребления электроэнергии зданием. Ведь в небольших дачных домиках может быть один телевизор или дрель, для которых будет достаточно мощности
электрогенератора, переделанного из обычной бензопилы.
Подготовка материала и сборка
Покупка асинхронного двигателя грозит большой потерей финансов, а для самостоятельной сборки могут понадобиться минимальные навыки в электрике, детали и инструменты. Но если принято решение сделать генератор переменного тока 220 В своими руками, то к этому необходимо подготовиться:
- Для нормальной работы генератора скорость вращения ротора должна быть больше чем обороты двигателя. Поэтому нужно отключить двигатель к сети и вычислить скорость вращения ротора, для этого можно использовать тахометр.
- Вычислить рабочую частоту оборотов будущего генератора. К примеру: обороты двигателя - 1200 об/мин, а рабочие обороты генератора будут - 1320 об/мин. Такое значение можно вычислить, добавив к оборотам двигателя 10% показателя тахометра;
- Для функционирования асинхронного двигателя необходимы конденсаторы одинаковой емкости для подключения между фазами.
- Емкость конденсаторов не должна быть сильно завышенной, иначе неизбежен сильный перегрев генератора.
- Конденсаторы должны быть изолированы и обеспечивать высчитанную скорость вращения ротора генератора.
Такое простое устройство уже можно использовать в качестве источника электроэнергии, но так как устройством производится высокое напряжение, то его лучше применять с понижающим трансформатором.
Бензиновый агрегат
Для сборки бензинового прибора необходима установка мотоблока и электродвигателя на одной станине с учетом параллельного расположения валов. Посредством двух шкивов будет передаваться вращательный момент от мотоблока к двигателю. Один шкив нужно установить на вал бензинового агрегата, а второй на электромотор. Благодаря правильному соотношению размера шкивов будет определяться частота оборотов
ротора мотора.
После установки всех деталей и подключения ременной передачи можно приступить к электрической части:
- Обмотку электромотора необходимо соединить по схеме «звезда».
- Подключенные конденсаторы к фазам должны образовать треугольник.
- Между концом обмотки средней точкой образуется 220 В, а 380 - между обмотками.
Емкость устанавливаемых конденсаторов подбирается в зависимости от мощности электродвигателя. Устройством вырабатывается электроэнергия, а значит, нужно сделать заземление, в противном случае аппарат может быстро изнашиваться или стать причиной поражения током человека.
В качестве устройства с небольшой мощностью можно использовать однофазный двигатель от стиральной машины, дренажного насоса или другого бытового прибора. Так же как и трехфазный мотор, он должен подключаться параллельно обмотке. Также при конструировании можно использовать конденсатор фазового сдвига, но мощность придется увеличивать до нужного предела.
Такие простые приборы с однофазным мотором можно использовать для освещения дома или подключения маломощных электроприборов. При этом переделка схемы может позволить подключение аппарата к обогревателю или электропечи. Таким же образом могут изготавливаться подобные устройства с использованием неодимовых или других постоянных магнитов.
Достоинства самодельной конструкции
Главным и важным достоинством является экономия. Для самодельного варианта потребуется намного меньше денежных вложений, чем заводские аналоги.
При грамотном проведении сборки своими руками электрооборудование может быть довольно надежным и продуктивным в эксплуатации.
Единственным недостатком такого устройства является то, что для новичка может быть затруднительно разобраться во всех тонкостях сборки и изготовления прибора. При неправильном подключении и сборки возможны необратимые поломки, после чего потраченное время и деньги уйдут впустую.
Гидро- и ветростанции
Кроме бензиновых устройств, существуют и другие конструкции. Привести в движение вал электромотора можно с помощью ветряка или водяного потока. Конструкции не являются самыми простыми, но благодаря им, можно обойтись без использования бензинового или дизельного топлива.
Такое устройство, как гидрогенератор, можно собрать самостоятельно. При наличии протекающей реки возле дома воду можно применить как силу, вращающую вал. При этом в русло реки устанавливается гидроколесо с лопастями. Таким образом создается течение, вращающее турбину и вал электромотора, а в зависимости от количества установленных турбин и лопастей будет увеличиваться или уменьшаться поток воды и напряжение генератора.
Устройство ветрового агрегата немного сложнее, так как ветровая нагрузка не является постоянной величиной. Обороты ветряка, которые передаются на вал мотора должны регулироваться в зависимости от необходимой частоты оборотов электромотора. Регулятором в этом механизме выступает редуктор. Сложность конструкции заключается в том, что при повышении ветра необходим понижающий редуктор, а при понижении ветра - повышающий.
Все асинхронные устройства, вырабатывающие электроэнергию, имеют повышенный уровень опасности, в связи с этим им нужна изоляция. С таким оборудованием необходимо обращаться очень аккуратно и держать его скрытым от воздействия внешних погодных условий:
- Автономные устройства оснащаются измерительными датчиками для фиксации данных о работе. Рекомендуется установка тахометра и вольтметра.
- Установка выключателя или отдельных кнопок включения и выключения.
- Агрегат заземляется в обязательном порядке.
- КПД асинхронного устройства может снижаться на 30−50%, что является неизбежным явлением при преобразовании электрической энергии из механической.
- Необходимо следить за температурой установки и режимом работы, так как аппарат может перегреваться на холостом ходу.
Придерживайтесь таких простых правил в эксплуатации, и прибор будет служить на протяжении длительного времени и не предоставит неудобств.
Хотя самодельное приспособление и является простым в сборке, оно при этом требует определенных усилий, сосредоточенности при работе с конструкцией и правильным подключением электросети. Устройство такого типа целесообразно собирать в финансовом плане при наличии работоспособного неиспользуемого двигателя. В противном случае основной элемент прибора будет стоить половину цены рыночной установки. Ветровой или другой генератор лучше собирать из проверенных и работоспособных частей для повышения срока эксплуатации генератора.
Часто возникает необходимость обеспечить автономное электропитание в дачном домике. В подобной ситуации выручит генератор из асинхронного двигателя, сделанный своими руками. Его несложно изготовить самостоятельно, обладая определенными навыками в обращении с электротехникой.
Принцип работы
Благодаря простой конструкции и эффективному функционированию асинхронные двигатели широко используются в промышленности. Они составляют значительную долю всех двигателей. Принцип их работы заключается в создании магнитного поля действием переменного электрического тока.
Экспериментами доказано, что вращением металлической рамки в магнитном поле можно индуцировать в ней электрический ток, появление которого подтверждается свечением лампочки. Это явление называется электромагнитной индукцией.
Устройство двигателя
Асинхронный двигатель состоит из металлического корпуса, внутри которого находятся:
- статор с обмоткой, по которой пропускается переменный электрический ток;
- ротор с витками намотки, по которой проходит ток противоположного направления.
Оба элемента находятся на одной оси. Стальные пластины статора плотно прилегают друг к другу, в некоторых модификациях их прочно сваривают. Медная обмотка статора изолирована от сердечника картонными прокладками. В роторе обмотка выполнена из алюминиевых прутьев, замкнутых с двух сторон. Магнитные поля, образующиеся при прохождении переменного тока, действуют друг на друга. Между обмотками возникает ЭДС, которая вращает ротор, так как статор неподвижен.
Генератор из асинхронного двигателя состоит из тех же составных частей, однако в данном случае происходит обратное действие, то есть переход механической или тепловой энергии в электрическую. При работе в режиме двигателя у него сохраняется остаточная намагниченность, индуцирующая электрическое поле в статоре.
Скорость вращения ротора должна быть выше изменения магнитного поля статора. Затормозить его можно реактивной мощностью конденсаторов. Накапливаемый ими заряд противоположен по фазе и дает «подтормаживающий эффект». Вращение можно обеспечить энергией ветра, воды, пара.
Схема генератора
Генератор из асинхронного двигателя отличается простой схемой. После достижения синхронной скорости вращения происходит процесс образования в обмотке статора электрической энергии.
Если присоединить к обмотке конденсаторную батарею, происходит возникновение опережающего электрического тока, образующего магнитное поле. При этом конденсаторы должны обладать емкостью выше критической, которая определяется техническими параметрами механизма. Сила образующегося тока будет зависеть от емкости батареи конденсаторов и характеристик мотора.
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.
Преимущества самодельного электрогенератора
Генератор из асинхронного двигателя, сделанный своими руками, станет экономичным источником тока, который позволит снизить потребление централизованной электроэнергии. С его помощью можно обеспечить питание бытовых электроприборов, компьютерной техники, обогревателей. Самодельный генератор из асинхронного двигателя обладает несомненными достоинствами:
- простой и надежной конструкцией;
- эффективной защитой внутренних частей от пыли или влаги;
- устойчивостью к перегрузкам;
- длительным сроком эксплуатации;
- возможностью подключать приборы без инверторов.
При работе с генератором следует учесть также возможность случайных изменений электрического тока.
Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики, в частности к способам и оборудованию для генерирования электрической энергии, и может быть использовано в автономных системах электроснабжения, в автоматике и бытовой технике, на авиационном, морском и автомобильном транспорте.
За счет нестандартного способа генерации, и оригинальной конструкции мотора-генератора, режимы генератора и электромотора, объединены в одном процессе, и неразрывно связаны. В результате чего, при подключении нагрузки, взаимодействие магнитных полей статора и ротора образует вращающий момент, который по направлению совпадает с моментом, создаваемым внешним приводом.
Другими словами, при увеличении мощности потребляемой нагрузкой генератора, ротор мотора-генератора начинает ускоряться, и соответственно понижается мощность, потребляемая внешним приводом.
Уже давно по Интернету ходят слухи о том, что генератор с кольцевым якорем Грамма, был способен вырабатывать электрической энергии больше чем было затрачено механической и происходило это за счет того, что под нагрузкой не было тормозящего момента.
Результаты экспериментов, которые привели к изобретению мотора-генератора.
Уже давно по Интернету ходят слухи о том, что генератор с кольцевым якорем Грамма, был способен вырабатывать электрической энергии больше, чем было затрачено механической и происходило это за счет того, что под нагрузкой не было тормозящего момента. Эта информация подтолкнула нас на проведение ряда экспериментов с кольцевой обмоткой, результаты которых мы покажем на этой странице. Для экспериментов, на тороидальный сердечник, были намотаны 24шт., не зависимые обмотки, с одинаковым количеством витков.
1) Вначале вес обмотки были включены последовательно, выводы на нагрузку расположены диаметрально. В центре обмотки был расположен постоянный магнит с возможностью вращения.
После того как магнит с помощью привода приводился в движение, подключалась нагрузка и лазерным тахометром измерялись обороты привода. Как и следовало ожидать, обороты приводного двигателя начинали падать. Чем большую мощность потребляла нагрузка, тем сильнее падали обороты.
2) Для лучшего понимания процессов происходящих в обмотке, вместо нагрузки был подключен миллиамперметр постоянного тока.
При медленном вращении магнита, можно наблюдать, какая полярность и величина выходного сигнала, в данном положении магнита.
Из рисунков видно, когда полюсы магнита, находятся напротив выводов обмотки (рис. 4;8), ток в обмотке равен 0. При положении магнита, когда полюсы находятся в центре обмотки, мы имеем максимальное значение тока (рис. 2;6).
3) Нa следующем этапе экспериментов, использовалась только одна половина обмотки. Магнит также медленно вращался, и фиксировались показания прибора.
Показания прибора полностью совпадали с предыдущим экспериментом (рис 1-8).
4) После этого к магниту подключили внешний привод и начали его вращать на максимальных оборотах.
При подключении нагрузки, привод начал набирать обороты!
Другими словами, при взаимодействии полюсов магнита, и полюсов образующихся в обмотке с магнитопроводом, при прохождении через обмотку тока, появился вращающий момент, направленный по ходу вращающего момента созданного приводным двигателем.
Рисунок 1, идет сильное торможение привода при подключении нагрузки. Рисунок 2, при подключении нагрузки привод начинает ускоряться.
5) Что бы понять что происходит, мы решили создать карту магнитных полюсов, которые появляются в обмотках при прохождении через них тока. Для этого была проведена серия экспериментов. Обмотки подключались в разных вариантах, а на концы обмоток подавались импульсы постоянного тока. При этом на пружине был закреплен постоянный магнит, и по очереди располагался рядом с каждой из 24 обмоток.
По реакции магнита (отталкивался он или притягивался) была составлена карта проявляющихся полюсов.
Из рисунков видно, как проявлялись магнитные полюсы в обмотках, при различном включении (желтые прямоугольники на рисунках, это нейтральная зона магнитного поля).
При смене полярности импульса, полюсы как и положено менялись на противоположные, по этому разные варианты включения обмоток, нарисованы при одной полярности питания.
6) Па первый взгляд, результаты на рисунках 1 и 5 идентичны.
При более подробном анализе, стало ясно, что распределение полюсов по окружности и «размер» нейтральной зоны довольно сильно отличаются. Сила с которой магнит притягивался или отталкивался от обмоток и магнитопровода показана градиентной заливкой полюсов.
7) При сопоставлении данных экспериментов описанных в пунктах 1 и 4, кроме кардинальной разницы в реакции привода на подключение нагрузки, и существенной разницы в «параметрах» магнитных полюсов, были выявлены и другие отличия. При проведении обоих экспериментов, параллельно нагрузке был включен вольтметр, а последовательно с нагрузкой включался амперметр. Если показания приборов из первого эксперимента (пункт 1), взять за 1, то во втором эксперименте (пункт 4), показание вольтметра так же было равно 1. По показания амперметра составляло 0,005 от результатов первого эксперимента.
8) Исходя из изложенного в предыдущем пункте, логично предположить, если в незадействованной части магнитопровода, сделать немагнитный (воздушный) зазор, то сила тока в обмотке должна увеличиться.
После того как был сделан воздушный зазор, магнит снова подключили к приводному двигателю, и раскрутили на максимальные обороты. Сила тока действительно возросла в несколько раз, и стала составлять примерно 0,5 от результатов эксперимента по пункту 1,
но при этом появился тормозной момент на привод.
9) Способом, который описан в пункте 5, была составлена карта полюсов данной конструкции.
10) Сопоставим два варианта
Не трудно предположить, если увеличить воздушный зазор в магнитопроводе, геометрическое расположение магнитных полюсов по рисунку 2, должно приблизиться к такому расположению как в рисунке 1. А это в свою очередь, должно привести к эффекту ускорения привода, который описан в пункте 4 (при подключении нагрузки, вместо торможения, создается добавочный момент к вращающему моменту привода).
11) После того как зазор в магнитопроводс был увеличен до максимума (до краев обмотки), при подключении нагрузки вместо торможения, привод снова начал набирать обороты.
При этом карта полюсов обмотки с магнитопроводом выглядит так:
На основе предложенного принципа генерации электроэнергии, можно конструировать генераторы переменного тока, которые при повышении электрической мощности в нагрузке, не требуют повышения механической мощности привода.
Принцип работы Мотора Генератора.
Согласно явлению электромагнитной индукции при изменении магнитного потока проходящего через замкнутый контур, в контуре возникает ЭДС.
Согласно правилу Ленца: Индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток. При этом не имеет значения, как именно магнитный поток, движется по отношению к контуру (Рис. 1-3).
Способ возбуждения ЭДС в нашем моторе-генераторе аналогичен рисунку 3. Он позволяет использовать правило Ленца для увеличения вращающего момента на роторе (индукторе).
1) Обмотка статора
2) Магнитопровод статора
3) Индуктор (ротор)
4) Нагрузка
5) Направление вращения ротора
6) Центральная линия магнитного поля полюсов индуктора
При включении внешнего привода, ротор (индуктор) начинает вращаться. При пересечении начала обмотки магнитным потоком одного из полюсов индуктора в обмотке индуцируется ЭДС.
При подключении нагрузки, в обмотке начинает течь ток и полюса возникшего в обмотках магнитного поля согласно правилу Э. X. Ленца направлены на встречу возбудившего их магнитного потока.
Так как обмотка с сердечником расположена по дуге окружности, то магнитное поле ротора, движется вдоль витков (дуги окружности) обмотки.
При этом в начале обмотки согласно правилу Ленца, возникает полюс одинаковый с полюсом индуктора, а на другом конце ротивоположный. Так как одноименные полюса отталкиваются, а противоположные притягиваются, индуктор стремится принять положение, которое соответствует действию этих сил, что и создает добавочный момент, направленный по ходу вращения ротора. Максимальная магнитная индукция в обмотке достигается в момент, когда центральная линия полюса индуктора находится напротив середины обмотки. При дальнейшем движении индуктора, магнитная индукция обмотки уменьшается, и в момент выхода центральной линии полюса индуктора за пределы обмотки, равна нулю. В этот же момент, начало обмотки начинает пересекать магнитное поле второго полюса индуктора, и согласно правилам, описанным выше, край обмотки от которого начинает отдаляться первый полюс начинает его отталкивать с нарастающей силой.
Рисунки:
1) Нулевая точка, полюсы индуктора (ротора) симметрично направлены на разные края обмотки в обмотке ЭДС=0.
2) Центральная линия северного полюса магнита (ротора) пересекла начало обмотки, в обмотке появилась ЭДС, и соответственно проявился магнитный полюс одинаковый с полюсом возбудителя (ротора).
3) Полюс ротора находится в центре обмотки, и в обмотке максимальное значение ЭДС.
4) Полюс приближается к концу обмотки и ЭДС снижается до минимума.
5) Следующая нулевая точка.
6) Центральная линия южного полюса входит в обмотку и цикл повторяется (7;8;1).
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 , 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 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.
Использование высокомощных моторов в домашних условиях при наличии исключительно однофазной сети требует определенных знаний в том, .
Для одновременного подключения потребителей электроэнергии к трех фазам служит специальное электромеханическое устройство — магнитный пускатель, об особенностях правильной установки которых можно прочитать .
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» 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 не годятся.
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 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.
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
В стремлении получить автономные источники электроэнергии специалисты нашли способ как своими руками переделать, трехфазный асинхронный электродвигатель переменного тока в генератор. Такой метод имеет ряд преимуществ и отдельные недостатки.
Внешний вид асинхронного электродвигателя
В разрезе показаны основные элементы:
- чугунный корпус с радиаторными рёбрами для эффективного охлаждения;
- корпус короткозамкнутого ротора с линиями сдвига магнитного поля относительно его оси;
- коммутационно контактная группа в коробке (борно), для коммутации обмоток статора в схемы звезда или треугольник и подключения проводов электропитания;
- плотные жгуты медных проводов обмотки статора;
- стальной вал ротора с канавкой для фиксации шкива клиновидной шпонкой.
Детальная разборка асинхронного электродвигателя с указанием всех деталей показана на рисунке ниже.
Детальная разборка асинхронного двигателя
Достоинства генераторов, переделанных из асинхронных двигателей:
- простота сборки схемы, возможность не разбирать электродвигатель, не перематывать обмотки;
- возможность вращения генератора электротока ветряной или гидротурбиной;
- генератор из асинхронного двигателя широко используется в системах мотор-генератор для преобразования однофазной сети 220В переменного тока в трёхфазную сеть с напряжением 380В.
- возможность использования генератора, в полевых условиях раскручивая его от двигателей внутреннего сгорания.
Как недостаток можно отметить сложность расчёта ёмкости конденсаторов, подключаемых к обмоткам, фактически это делается экспериментальным путём.
Поэтому трудно добиться максимальной мощности такого генератора, бывают сложности с электропитанием электроустановок, которые имеют большое значение пускового тока, на циркулярных электропилах с трёхфазными двигателями переменного тока, бетономешалках и других электроустановках.
Принцип работы генератора
В основу работы такого генератора заложен принцип обратимости: «любая электроустановка преобразующая электрическую энергию в механическую, может сделать обратный процесс». Используется принцип работы генераторов, вращение ротора вызывает ЭДС и появление электрического тока в обмотках статора.
Исходя из этой теории, очевидно, что асинхронный электродвигатель можно переделать в электрогенератор. Чтобы осознано провести реконструкцию необходимо понять, как происходит процесс генерации и что для этого требуется. Все двигатели, которые приводит в движение сила переменного тока, считаются асинхронными. Поле статора движется с небольшим опережением относительно магнитного поля ротора, подтягивая его за собой в сторону вращения.
Чтобы получить обратный процесс, генерацию, поле ротора должно опережать движение магнитного поля статора, в идеальном случае вращаться в противоположном направлении. Добиваются этого включением в сеть питания, конденсатора большой ёмкости, для увеличения ёмкости используют группы конденсаторов. Конденсаторная установка заряжается, накапливая магнитную энергию (элемент реактивной составляющей переменного тока). Заряд конденсатора по фазе противоположный источнику тока электродвигателя, поэтому вращение ротора начинает замедляться, обмотка статора генерирует ток.
Преобразование
Как практически своими руками преобразовать асинхронный электродвигатель в генератор?
Для подключения конденсаторов надо открутить верхнюю крышку борно (коробка), где расположена контактная группа, коммутирующая контакты обмоток статора и подключены провода питания асинхронного двигателя.
Открытое борно с контактной группой
Обмотки статора могут быть соединены в схему «Звезда» или «Треугольник».
Схемы включения «Звезда» и «Треугольник»
На шильдике или в паспорте на изделие показаны возможные схемы подключения и параметры двигателя при различных подключениях. Указывается:
- максимальные токи;
- напряжение питания;
- потребляемая мощность;
- количество оборотов в минуту;
- КПД и другие параметры.
Параметры двигателя, которые указаны на шильдике
В трёхфазный генератор из асинхронного электродвигателя, который делают своими руками, конденсаторы подключаются по аналогичной схеме «Треугольником» или «Звездой».
Вариант включения со «Звездой» обеспечивает пусковой процесс генерации тока на более низких оборотах, чем при соединении схемы в «Треугольник». При этом напряжение на выходе генератора будет немного ниже. Подключение по схеме «Треугольника» предоставляет незначительное увеличение выходного напряжения, но требует более высоких оборотов при запуске генератора. В однофазном асинхронном электродвигателе подключается один фазосдвигающий конденсатор.
Схема подключения конденсаторов на генераторе в «Треугольник»
Используются конденсаторы модели КБГ-МН, или другие марки не менее 400 В бесполярные, двухполюсные электролитические модели в этом случае не подходят.
Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2016/09/kondensator-1.jpg 650w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Как выглядит бесполюсный конденсатор марки КБГ-МН
Расчёт ёмкости конденсаторов для используемого двигателя
| Номинальная выходная мощность генератора, в кВт | Предположительная ёмкость в, мкФ |
|---|---|
| 2 | 60 |
| 3,5 | 100 |
| 5 | 138 |
| 7 | 182 |
| 10 | 245 |
| 15 | 342 |
В синхронных генераторах возбуждение процесса генерации происходит на обмотках якоря от источника тока. 90% асинхронных двигателей имеют короткозамкнутые роторы, без обмотки, возбуждение создаётся остаточным в роторе статическим зарядом. Его достаточно чтобы на первоначальном этапе вращения создать ЭДС, которое наводит ток, и подзаряжает конденсаторы, через обмотки статора. Дальнейшая подзарядка уже поступает от генерируемого тока, процесс генерации будет непрерывным, пока вращается ротор.
Автомат подключения нагрузки к генератору, розетки и конденсаторы рекомендуется установить в отдельный закрытый щит. Соединительные провода от борно генератора до щита проложить в отдельном изолированном кабеле.
Даже при неработающем генераторе необходимо избегать прикосновения к клемам конденсаторов контактов розеток. Накопленный конденсатором заряд остаётся длительное время и может ударить током. Заземляйте корпуса всех агрегатов, мотора, генератора, щита управления.
Монтаж системы мотор-генератор
При монтаже генератора с мотором своими руками надо учитывать, что указанное количество номинальных оборотов используемого асинхронного электродвигателя на холостом ходу больше.
Схема мотор-генератора на ременной передаче
На двигателе в 900 об/м при холостом ходе будет 1230 об/м, чтобы получить на выходе генератора, переделанного из этого двигателя достаточную мощность, надо иметь количество оборотов на 10% больше холостого хода:
1230 + 10% =1353 об/м.
Ременная передача рассчитывается по формуле:
Vг = Vм x Dм\Dг
Vг – необходимая скорость вращения генератора 1353 об/м;
Vм – скорость вращения мотора 1200 об/м;
Dм – диаметр шкива на моторе 15 см;
Dг – диаметр шкива на генераторе.
Имея мотор на 1200 об/м где шкив Ø 15 см, остаётся рассчитать только Dг – диаметр шкива на генераторе.
Dг = Vм x Dм/ Vг = 1200об/м х 15см/1353об/м = 13,3 см.
Генератор на ниодимовых магнитах
Как сделать генератор из асинхронного электродвигателя?
Этот самодельный генератор исключает применение конденсаторных установок. Источник магнитного поля, которое наводит ЭДС и создаёт ток в обмотке статора, построен на постоянных ниодимовых магнитах. Для того чтобы это сделать своими руками необходимо последовательно выполнить следующие действия:
- Снять переднюю и заднюю крышки асинхронного электродвигателя.
- Извлечь ротор из статора.
Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2016/09/rotor-1-600x448.jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2016/09/rotor-1-768x573..jpg 1024w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2016/09/rotor-1.jpg 1200w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Как выглядит ротор асинхронного двигателя
- Ротор протачивается, снимается верхний слой на 2 мм больше толщины магнитов. В бытовых условиях сделать расточку ротора своими руками не всегда представляется возможным, при отсутствии токарного оборудования и навыков. Нужно обратиться к специалистам в токарные мастерские.
- На листе обычной бумаги готовится шаблон для размещения круглых магнитов, Ø 10-20мм, толщиной до 10 мм, с силой притяжения 5-9 кг, на кв/см, размер зависит от величины ротора. Шаблон наклеивается на поверхность ротора, магниты размещаются полосами под углом 15 – 20 градусов относительно оси ротора, по 8 штук в полосе. На рисунке ниже видно, что на некоторых роторах отмечены тёмно-светлые полосы смещения линий магнитного поля относительно его оси.
Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2016/09/rotor-01-600x309.jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2016/09/rotor-01.jpg 730w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">
Установка магнитов на ротор
- Ротор на магнитах рассчитывается так, чтобы получилось четыре группы полос, в группе по 5 полосок, расстояние между группами 2Ø магнита. Промежутки в группе 0.5-1Ø магнита, такое расположение снижает силу залипания ротора к статору, он должен проворачиваться усилиями двух пальцев;
- Ротор на магнитах, сделанный по рассчитанному шаблону, заливается эпоксидной смолой. После того как она немного подсохнет цилиндрическая часть ротора покрывается слоем стекловолокна и опять пропитывается эпоксидной смолой. Это исключит вылет магнитов при вращении ротора. Верхний слой на магнитах не должен превышать первоначального диаметра ротора, который был до проточки. В противном случае ротор не встанет на своё место или при вращении будет тереться об обмотку статора.
- После просушки, ротор можно поставить на место и закрыть крышки;
- Испытывать, электрогенератор необходимо – проворачивать ротор электродрелью, измеряя напряжение на выходе. Количество оборотов при достижении нужного напряжения измеряется тахометром.
- Зная необходимое количество оборотов генератора, ременная передача рассчитывается по методике описанной выше.
Интересный вариант применения, когда электрогенератор на основе асинхронного электродвигателя, используется в схеме электрический мотор-генератор с самоподпиткой. Когда часть мощности вырабатываемой генератором поступает на электродвигатель, который его раскручивает. Остальная энергия расходуется на полезную нагрузку. Осуществив принцип самоподпитки практически можно на долгое время обеспечить дом автономным электропитанием.
Видео. Генератор из асинхронного двигателя.
Для широкого круга потребителей электроэнергии покупать мощные дизельные электростанции как TEKSAN TJ 303 DW5C с мощностью на выходе 303 кВА или 242 кВт не имеет смысла. Маломощные бензиновые генераторы дорогие, оптимальный вариант сделать своими руками ветровые генераторы или устройство мотор-генератор с самопдпиткой.
Используя эту информацию можно собрать генератор своими руками, на постоянных магнитах или конденсаторах. Такое оборудование очень полезно на загородных домах, в полевых условиях, как аварийный источник питания, когда отсутствует напряжение в промышленных сетях. Полноценный дом с кондиционерами, электрическими плитами и нагревательными бойлерами, мощный мотор циркулярной пилы они не потянут. Временно обеспечить электроэнергией бытовые приборы первой необходимости могут, освещение, холодильник, телевизор и другие, которые не требуют больших мощностей.
