Асинхронные двигатели как генераторы переменного тока

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.

Асинхронные двигатели как генераторы переменного тока

Если питание должно поступать и к однофазным, и к трехфазным приборам (инструментам, станкам), то нужен генератор трехфазный. Он способен запитать разную по фазности технику, как на 220 Вольт, так и на 380 Вольт — вот, что значит трехфазный генератор. Таким образом, при отсутствии тока в стационарной сети, вы сможете включать и перфоратор или дрель на 220В и бетономешалку на 380В, но только не одновременно, а поочередно. Трехфазный генератор – необходимое приобретение как для домашнего пользования, так и для производственных площадок.

Самодельный генератор, возможно ли это

Хоть электростанция трехфазная — агрегат весьма сложный, его можно собрать самостоятельно, изучив принцип работы генератора и имея доступные элементы и детали. Для этого используется асинхронный электрический двигатель.

Принцип работы основан на всем знакомой динамо-машине — заставить ротор вращаться принудительно. Как работает трехфазный генератор? На основе асинхронного двигателя. Для того, чтобы этот мотор, не включенный в сеть, заработал в роли источника электричества, нужно передать на его якорь вращательный момент. Крутящий момент возникает от любой механической энергии.

Лучший способ, как сделать трехфазный генератор — задействовать двигатель внутреннего сгорания. Причем, вы можете создать не только бензиновый генератор, а экономный газовый или мощный дизельный. Для подключения к двигателю используют амортизирующую муфту, чтобы ротор вращался не рывками, а плавно.

Даже больше — детально разобравшись, что такое трехфазный генератор, вы поймете, что механическую энергию можно получить не только от ДВС, а от совершенно бесплатных носителей. Это значит, что можно использовать энергию речки или ветра (если природные условия содействуют). В этом случае нужно собрать и установить турбину, ветряную или водяную. Получается отличная возможность сэкономить на оплате электроэнергии, получаемой от стационарной сети.

В некоторых населенных пунктах Украины для вращения ротора используют даже лошадей. Этот способ соорудить электрогенератор своими руками популярен среди определенных религиозных общин, которые принципиально не пользуются стационарным электричеством. Несколько запряженных коней вращают якорь, создавая нужную механическую энергию. Получается дешевая электроэнергия от живой конской силы.

Как работает генератор 380 Вольт собственного изготовления

При вращении ротора, в статоре возникает магнитное поле, формирующее ЭДС. Привод устроен так, что, если подсоединить к концам обмоток конденсатор, то по виткам начинает идти ток. Емкость конденсаторной батареи должна быть выше критического номинала, чтобы генератор был пригоден для активной нагрузки и выдавал симметричные трехфазные вольтажи.

Кроме этого показателя, на мощность электрогенератора влияет и двигатель, создающий крутящий момент, его конструкция и мощность.

Для продуцирования электричества 380 Вольт со стандартной частотой 50 Гц, скорость вращения якоря привода должна поддерживаться на определенном уровне. Магнитные силовые линии возникнут только при условии, что скорость выше асинхронной составляющей на коэффициент скольжения S (равен 2÷10 процентов) и соответствовать уровню синхронной частоты. В противном случае правильной синусоиды тока добиться невозможно, а ее искривление (скачки частоты) недопустимы, если подключаем к электростанции 380 Вольт приборы, оснащенные электрическими двигателями (дрели, перфораторы, болгарки, пилы). Если мотора нет, а только нагревательный ТЭН или лампа накаливания, то значение частоты и синусоида тока не настолько имеют значение.

Существует также вариант использования генераторов на 220 Вольт для оборотов электродвигателя. В этом случае, мы получаем самодельный трехфазный генератор из однофазного. Передача вращательного момента идет на якорь асинхронного трехфазного привода, в результате чего получается трехфазная сеть.

Какой асинхронный двигатель нужен: характеристики ротора и статора

Асинхронный трехфазный привод — основная база для генератора переменного тока. Очень часто такие моторы списываются на предприятиях, поэтому найти его можно за низкую цену или бесплатно. Обязательные условия выбора, какой у него ротор и статор:

• Ротор у такого движка может быть фазный или короткозамкнутый;
• Статор — с тремя отдельными медными обмотками. Соединение витков между собой допускается по типу «треугольник» или «звезда».

Устройство и принцип работы такого привода состоит в том, что ротор (якорь) — вращающийся элемент, статор — неподвижный. У них обоих основу составляют изолированные стальные пластины. На этих пластинах расположены пазы, в которых идут витки обмотки.

В статоре выходы витков нужно подсоединить в клеммную коробку и установить перемычки для соединения. Кабель для питания также устанавливают здесь.

К каждой фазе статора подсоединяются идентичные напряжения, смещенные на угол, который составляет примерно треть круга. Эти синхронные подводки отвечают за формирование тока в витках статора.

В роторе подключение зависит от особенностей его строения: фазный или короткозамкнутый.

1. Фазный ротор. У такого ротора витки обмотки аналогичны, как у статора. Их выходы нужно смонтировать на кольца, которые проводят контакт и соприкасаются со схемой запуска и прижимными щетками. Конструкция получается непростая, с ней нужно повозиться. К тому же нужно постоянно наблюдать за частотой вращения и смотреть, не разомкнулись ли контактные кольца, не отошли ли прижимные щетки. Поэтому лучше выбрать ротор короткозамкнутого типа. Или же сделать короткозамкнутый якорь из фазного ротора. Для этого концы обмотки не подключают к кольцам, а сочетают между собой — коротят.
2. Короткозамкнутый ротор. Как мы уже сказали, он более удобный для самостоятельного создания генератора, так как, в отличие от синхронного генератора, схема у него простая. Кольца-перемычки своими концами соединены и закорочены, подвижных прижимных щеток-контактов нет. Получается все очень просто и надежно, поэтому именно такой якорь и советуем выбирать для своей самоделки.

На что влияют схемы подключения

Схема трехфазного генератора в плане размещения обмоток на статоре мотора влияет на последующую работу устройства, определяет его технические характеристики.

• Электросхема соединения «звезда». Это стандартный тип соединения витков и очень популярный. Он самый практичный при подключении конденсаторной батареи. Ее присоединение можно выполнить:
  • К двум обмоткам. В результате такой схемы асинхронные генераторы обеспечивают питание однофазным приборам (причем, двум группам) и трехфазным (одна линия). Клавиши выключателей для рабочего и пускового конденсатора — отдельные.
  • К одной обмотке (по такой же схеме). Получим одну однофазную линию. И одну трехфазную.
• Схема подключения «треугольник» применяется для переключения обмоток для получения однофазного питания.

На какие характеристики двигателя еще нужно обратить внимание

Для надежной и стабильной работы генератора, сделанного своими руками, важны определенные технические характеристики двигателя. Они указаны на наклейке или же в паспорте (если он есть). Важные моменты, это:

• Класс защиты (обозначение IP). Чем меньше цифра — тем лучше корпус привода защищен о проникновения пыли и влаги.
• Мощность.
• Количество оборотов.
• Схема сочетания витков обмотки статора.
• Максимальные нагрузочные токи.
• Коэффициент полезного действия.
• Пусковой ток (коэффициент фи).

Все это следует выяснить, а если мотор старый и много лет использованный, то его нужно протестировать вольтметром, амперметром и «прозвонить» на предмет рабочего состояния.

Как просчитать мощность генератора

Чтобы работа самодельной электростанции была стабильной, нужно, чтобы ее номинальный вольтаж и мощность были одинаковыми в режимах генератора и электрического мотора. Перед тем, как выбрать конденсаторную батарею, нужно учесть:

• Реактивную мощность Q. Она равняется 2n*f*C*U2, где С — емкость конденсатора. Отсюда, нужная нам емкость С будет равна Q/2n*f *U2.
• Режим работы. Для того, чтобы в режиме холостого хода не возникала перегрузка обмоток и их перегрев, конденсаторные элементы подключают ступенчатым способом, в соответствии с нагрузкой.

Рекомендуемая нами марка пусковых конденсаторов — К78-17, с вольтажом 400 Вольт и выше. Допускаются и аналогичные по характеристикам металлобумажные элементы. Подключение их параллельное.

Батареи на электролите для переменного тока использовать не советуем. На них может работать генератор постоянного тока, а при переменном элементы электролитного конденсатора будут быстро выходить из строя.

Советы и рекомендации по соблюдению безопасности

Трехфазный вольтаж 380 Вольт — это большая опасность поражения человека и его смерти. Поэтому, безопасная эксплуатация самоделки — самое важное требование. Для ее гарантии необходимо выполнить такие условия:

1. Управление единым электрощитом, в состав которого входят:
   • Измерительные приборы: вольтметр (с максимумом не ниже 500 Вольт), амперметр и частотомер.
   • Выключатели для взаимодействия нагрузок (три клавиши). Одна из них включает питание непосредственно к потребителю, а две других отвечают за подключение конденсаторных элементов.
   • Систему защиты — автовыключатель, который срабатывает при коротком замыкании или перегрузке по мощности. Сюда также входит и устройство защитного отключения, которое должно сработать, если фаза пробьет на корпус.
2. Надежное заземление к контуру земли.
3. Система АВР. Для удобства работы и повышения безопасности, также советуем использовать автоматический ввод резерва. Он актуален, если вам нужно резервное питание в качестве генератора. Тогда он сможет самостоятельно включаться при исчезновении тока в стационарной сети, и так же автоматом отключаться при его появлении. АВР создают путем установки перекидного рубильника, который задействует все три фазы.

Советы по эксплуатации: какие трудности могут возникнуть

Частым проблемным явлением работы генератора является перегрузка по мощности. При ней идет интенсивный нагрев обмотки, пробой изоляции. Как следствие — поломка генератора. Возникает из-за:

• Неверного подбора емкости конденсаторной батареи;
• Подсоединения большого количества электротехники, суммарная мощность которой превышает номинальную мощность.

О правилах подбора емкости и расчетах мы уже говорили выше. А по проблеме перегруза по мощности в генераторе на три фазы, нужно отметить еще некоторые нюансы при подключении однофазных потребителей:

• Потребителей с вольтажом 220 Вольт можно подключать только на одну треть общей мощности (к примеру, если ген выдает 6 кВт, то это только для приборов на 380 Вольт, а для однофазных будет только 2 кВт, не больше). Иначе, возникнет перегрузка.
• Если у вашего генератора две однофазных линии, то вместе мощность по ним будет составлять 2/3 от общего показателя мощности. То есть, 6 кВт — это 4 кВт для однофазных, по 2 кВт на каждую фазу. Причем, при одновременном задействовании фаз, следите, чтоб нагрузка не отличалась от мощности до 10%, иначе возникнет явление «перекос фаз», и ток поступать не будет.

При работе важно следить за показателем частоты переменного тока. Если вы не встроили частотомер на общий электрощит, то на холостом ходу выходной вольтаж выше значения 380 Вольт (или 220 при подключении однофазных) на 4÷6 процентов.

Трехфазные асинхронные генераторы

Асинхронные генераторы используются для рекуперации энергии торможения в сеть («полезное торможение»), а также для производства электроэнергии. При этом скорость вращения и коэффициент мощности не зависят друг от друга.

Для производства энергии асинхронному генератору требуется питающая сеть (асинхронный генератор с возбуждением от сети) или параллельно подключенная конденсаторная батарея, работающая в островном режиме (асинхронный генератор с конденсаторным возбуждением или самовозбуждением).

• Типовые размеры: до 800
• Класс защиты: до IP 56
• Класс охлаждения: до IC 86W7
• Частота оборотов: до 3600 об/мин
• Классы нагревостойкости: F и H

Дополнительные компоненты:

Для адаптации машин для самых различных сфер применения, а также для обеспечения возможности мониторинга и документации они могут оснащаться следующими дополнительными устройствами: подробнее

Преимущества:

• высокая степень надежности и продолжительный срок службы
• экономичность в эксплуатации
• оптимизация габаритов и частичной мощности в соответствии со спецификациями заказчиков
• требуют меньших затрат и менее трудоемкого обслуживания по сравнению с классическими синхронными генераторами
• адаптация к различным сферам применения и техническим условиям заказчиков, в частности, производство таких вариантов, как гидрогенератор, генератор судовой сети и генератор для испытательного полигона
• возможно простое подключение к имеющейся сети
• отсутствие проблем с синхронизацией
• мягкое подключение к сети
• способность развивать высокий крутящий момент в широком диапазоне частоты вращения

Обзор услуг

• . Низкое напряжение
• . Среднее напряжение
• . Высокое напряжение

1) [мин -1 ], 2) [кВт], AEM низкое напряжение до 1000 вольт

1) [мин -1 ], 2) [кВт], AEM среднее напряжение от 1000 до 6600 вольт

1) [мин -1 ], 2) [кВт], AEM высокое напряжение свыше 6600 вольт

Синхронные и асинхронные генераторы. Отличия и особенности.

Синхронные и асинхронные генераторы. Отличия и особенности

Эта статья будет посвящена такому вопросу как «различия между синхронными и асинхронными генераторами». Казалось бы вопрос довольно простой и не требует детального разбирательства, можно открыть учебник физики и все прочесть, да и в интернете должно быть много информации. Все верно, но учебник физики есть не у всякого, а в интернете слишком много противоречивой информации.

Различные сайты размещают у себя противоречивые определения одного и того же.

В этой статье мы дадим точное, максимально полное и понятное описание.

Про то, что такое электростанция, генератор и двигатель Вы уже прочти или же можете прочесть в статье на нашем сайте, которая так и называется: «Что такое генератор/электростанция».

Первое определение синхронного генератора будет техническим, а второе более практическим. Первое поможет понять устройство и принцип его работы, а второе применить знания и точнее определиться с типом генератора, который Вам необходим.

Синхронный генератор

I . Синхронный генератор – механизм, работающий в режиме генерации энергии, в котором частота вращения магнитного поля стартора [1] равна частоте вращения ротора [2] . Ротор с магнитными полюсами создает вращающееся магнитное поле, которое пересекая обмотку стартера, наводит в ней ЭДС [3] .

В синхронном генераторе ротор выполнен в виде постоянного магнита или электромагнита. Число полюсов ротора может быть два, четыре и т.д., но ОБЯЗАТЕЛЬНО кратно двум. В бытовых электростанция чаще всего применяют ротор с двумя полюсами. Именно этим объясняется частота вращения двигателя электростанции – 3000 об/мин [4] .

При старте электростанции, ротор создает слабое магнитное поле, но с ростом оборотов, увеличивается и ЭДС в обмотке возбуждения. Напряжение с этой обмотки через блок автоматической регулировки ( AVR ) поступает на ротор, контролируя выходное напряжение за счет изменения магнитного поля. Рассмотрим на примере: Подключение индуктивной нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, а подключение емкостной нагрузки вызывает подмагничивание генератора и рост напряжения. Такое явление носит название «реакция якоря».

Обеспечение стабильного выходного напряжения происходит за счет изменения магнитного поля ротора путем регулирования тока в его обмотке. Это происходит за счет использования блока автоматической регулировки ( AVR ). Основным достоинством синхронного генератора является высокая стабильность выходного напряжения. Несовершенство синхронных генераторов – это возможность перегрузки по току, так как при превышении допустимой нагрузки, регулятор может слишком сильно поднять то к в обмотке ротора. Также синхронные генераторы требует периодического обслуживания, пусть и не очень частого [5] .

II . Синхронный генератор – тип генератора, который способен кратковременно выдавать ток в 3-4 раза выше номинального. Также синхронные генераторы оптимальны для подключения оборудования с высокими стартовыми токами. Это электродвигатели, насосы, компрессоры, дисковые пилы и прочий электроинструмент. Для подключения сварочных аппаратов тоже желательно использовать электростанции с синхронными генераторами.

Асинхронный генератор

I .Асинхронный генератор – асинхронный двигатель, работающий в режиме торможения. В этом случае ротор вращается в одном направлении с магнитным полем стартера, но с опережением.

Различают короткозамкнутые и фазные роторы в зависимости от типа обмотки. Вращающееся магнитное поле, создаваемое вспомогательной обмоткой стартора, индуцирует на роторе магнитное поле, которое вращаясь вместе с ротором, наводит ЭДС в рабочей обмотке стартора, тоже принцип, что в синхронном генераторе. Вращающееся магнитное поле остается всегда неизменным и не поддается регулировке, поэтому частота и напряжение на выходе генератора зависят от частоты оборотов ротора, которые в свою очередь, зависят от стабильности работы двигателя электростанции.

Генераторы асинхронного типа имеют малую чувствительность к короткому замыканию и высокую степень защиты от внешних воздействий. О классах защиты мы поговорим немного позднее. Цена генераторов такого типа ниже, что является еще одним плюсом.

Асинхронные генераторы менее распространены из-за ряда недостатков: такой генератор потребляет намагничивающий ток значительной силы, поэтому для его работы требуются конденсаторы; ненадежность работы в экстремальных условиях; зависимость напряжения и частоты тока от устойчивости работы двигателя.

II . Асинхронный генератор – генератор, который можно использовать только с приборами не имеющими высоких стартовых токов и устойчивыми к незначительным перепадам напряжения. Такие генераторы стоят дешевле чем синхронные и имеют более высокий класс защиты от внешних условий.

Классы защиты генераторов

Этот параметр обозначается буквами ( IP ) и двумя цифрами, которые и несут смысловую нагрузку. Разберемся поподробнее.

Синхронные генераторы сейчас чаще всего соответствуют классу IP 23, тогда как асинхронные – IP 54. Хотя в последнее время все больше производителей начинают выводить на рынок синхронные генераторы с таким же высоким классом защиты ( IP 54) как и у асинхронных генераторов. Такая разница в классах защиты объясняется конструктивными особенностями генераторов обоих типов. На синхронном генераторе находятся катушки индуктивности, а асинхронный генератор имеет более простую конструкцию (еще говорят «закрытую»), поскольку его ротор напоминает маховик.

• 0-защита отсутствует
• 1-защита от предметов > 50 мм
• 2-защита от предметов > 12 мм
• 3-защита от предметов > 2.5 мм
• 4-защита от предметов > 1 мм
• 5-защита от пыли

Вторая цифра означает:

• 0-защита отсутствует
• 1-защита от вертикально падающих капель воды
• 2-защита от капель воды, падающих под углом 15 градусов к вертикали
• 3-защита от брызг воды, падающих под углом 60 градусов к вертикали
• 4-защита от водяной пыли, распыленной со всех сторон
• 5-защита от струй воды со всех сторон

Надеемся, что после прочтения этой статьи Вам станет немного проще выбрать генератор, который подойдет Вам больше всего.

Специалисты интернет магазина

генераторов и электростанций «Мега-ватт»

[1] Статор (англ. stator, от лат. sto — стою) электромашины, неподвижная часть электрической машины, выполняющая функции магнитопровода и несущей конструкции. Стартор состоит из сердечника и станины.

[2] Ротор в технике [от лат. roto — вращаю (сь)], 1) вращаюшаяся часть двигателей и рабочих машин, на которой расположены органы, получающие энергию от рабочего тела

[3] Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока. В замкнутом проводящем контуре ЭДС равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.

ЭДС можно выразить через напряжённость электрического поля сторонних сил (Eex). В замкнутом контуре (L) тогда ЭДС будет равна:

, где dl — элемент длины контура.

ЭДС, так же как и напряжение, измеряется в вольтах.

[4] При вращении ротора его магнитное поле наводит в трёхфазной обмотке статора переменную эдс, частота которой f = р . п, где р и n — соответственно число пар полюсов и частота вращения ротора. Быстроходные С. г. (турбогенераторы) имеют малое число пар полюсов (р = 1, 2), а в тихоходных (гидрогенераторах) р достигает нескольких десятков. Величина эдс регулируется изменением тока в обмотке ротора.

[5] Щеточный узел требует замены или ремонта.