Все известные виды генераторных устройств по особенностям своей работы делятся на синхронные и асинхронные машины, причем наибольшее распространение получила именно последняя разновидность. Их конструкция и принцип действия аналогичны асинхронным двигателям, но преобразование энергии в генераторе происходит в обратном направлении (из механической в электрический её вид). С тем, как выглядит асинхронный генератор в натуре, можно ознакомиться на рисунке ниже.
Асинхронный генератор (АГ)
Подобно двигателям асинхронного типа, включённым в реверсном режиме (на торможение), при генерации энергии наблюдается примерно тот же эффект, приводящий к её частичному рассеиванию в виде тепла. Из этого следует, что КПД такого устройства сравнительно невелико.
Принцип работы
Хорошо усвоить принцип работы асинхронного механизма поможет предварительное ознакомление с основами функционирования генераторных машин синхронного типа. Дело в том, что синхронные и асинхронные генераторы по своему устройству и способу действия очень схожи и отличаются лишь небольшими деталями (конструкцией вращающегося ротора, в частности).
В механизмах первого класса используется ротор с размещёнными на нем постоянными магнитами. При его вращении от механического привода магнитные элементы наводят в статоре меняющееся по величине и направлению э/м поле, обеспечивающее протекание переменного тока в подключённой к его зажимам нагрузке. При этом сам ротор вращается без рассогласования с создаваемой им в катушках ЭДС (синфазно с ней).
В отличие от синхронных машин, асинхронный генератор характеризуется наличием небольшого отставания вращения роторного элемента устройства по отношению к наводимому в статоре электромагнитному полю. Последнее как бы тормозит его движение, что принято называть «эффектом скольжения».
Обратите внимание! Указанное явление объясняется особенностью конструкции ротора АГ, изготавливаемого в виде короткозамкнутой цельной решётки (так называемого «беличьего колеса»). Её внешний вид приводится на фото ниже.
Ротор «беличье колесо»
При вращении приводного вала под воздействием внешнего механического импульса (от двигателя внутреннего сгорания, например) за счёт остаточного магнетизма статора в решётке такого ротора наводится собственная ЭДС. Вследствие этого оба поля (и подвижное, и неподвижное) начинают взаимодействовать друг с другом в динамическом режиме.
Поскольку поле в обмотках ротора наводится с задержкой относительно неподвижного статора генератора, он несколько отстаёт от наводимого в ней э/м поля (то есть вращается асинхронно).
Преобразование двигателя
Принцип преобразования двигателя в простейший асинхронный генератор:
- Для модернизации понадобится двигатель от стиральной машины.
- Уменьшить толщину стенок сердечника. Для этого необходимо на токарном станке обточить по 2 мм по всей поверхности. Проделать отверстия (несквозные) не более 5мм глубиной.
- Из тонкого листа металла либо жести изготовить полосу, размерами соответствующую габаритам ротора.
- Установить неодимовые магниты в полученной свободной площади в количестве не менее 8 штук. Зафиксировать суперклеем.
Магниты необходимо прижимать к поверхности до полного застывания, иначе произойдет их смещение. Рекомендовано использовать очки, чтобы клей не попал в глаза в случае выскальзывания магнита.
- Плотной бумагой закрыть ротор со всех сторон и зафиксировать края скотчем.
- Эффективно загерметизировать мастикой торцевую часть ротора.
- Свободное пространство между магнитными элементами заполнить эпоксидной смолой через проделанное отверстие в бумаге.
- После застывания смолы убрать слой бумаги.
- Отшлифовать поверхность ротора наждачной бумагой, при наличии можно использовать дремель.
- Двумя проводами присоединить двигатель к рабочей обмотке. Удалить все неиспользуемые проводники.
- При необходимости заменить подшипники на новые.
- Установить выпрямитель тока и контроллер зарядки.
Тестирование собранного прибора
Возможность управления
Новые генераторы энергии
Ещё одной особенностью синхронного генератора (как, впрочем, и асинхронного) является то, что частота и амплитуда наводимой на зажимах статора ЭДС существенно зависит от скорости вращения ротора.
Важно! С изменением подключённой к генератору активной нагрузки пропорционально ей меняется и частота вращения вала генератора, что приводит к изменению характеристик создаваемой в статоре ЭДС.
Указанный недостаток вынуждает устанавливать в устройствах синхронного и асинхронного типа электронный регулятор напряжения и частоты, обеспечивающий поддержание этих параметров на должном уровне (схема регулятора приводится ниже).
Схема регулятора напряжения АГ
Поскольку асинхронный генератор работает по принципу рассогласованного вращения полей подвижной и неподвижной части, обеспечить регулирование выходных параметров внутри системы не удаётся. Это объясняется невозможностью организовать мгновенную обратную связь по напряжению путём подачи части выходного сигнала со статора на ротор (в АГ могут применяться лишь внешние стабилизаторы напряжения).
В этом заключается ещё одно отличие асинхронных агрегатов от их синхронных аналогов, которые по всем остальным характеристикам очень схожи с первыми.
Маломощные генераторы 220 В
В качестве устройства-донора применяются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутыми роторами от стиральных машин, бытовых пылесосов, электроприборов полива и аналогичные, в которых конденсаторные батареи подключены в схему параллельно рабочей обмотке. Для повышения эффективности работы увеличивают емкость конденсатора: в меньшей степени для активной нагрузки (лампы, паяльники), и в большей – для индуктивной (например, холодильники, телевизоры и т.п.).
Генератор переменного тока
Первичный механический двигатель (рекомендации):
- Мощность первичного устройства выбирается на 50..100% больше, чем потребляемая мощность асинхронным генератором. Это необходимо для снижения потерь и повышения КПД процесса. Повышения КПД добиваются путем постоянного или кратковременного увеличения оборотов механического элемента.
- Так как в схеме отсутствует регулятор тока, для стабильной работы установки необходим постоянный контроль параметров, т.е. наличие прибора измерения частоты (тахометра), напряжения (вольтметра) и набора переключателей (для подключения нагрузки на генератор, и два – для коммутации цепи возбуждения. Такая схема упрощает запуск и повышает стабильность работы электрооборудования.
- В случае присоединения к генератору бытовой сети освещения, в электрической цепи необходимо предусмотреть двухфазный рубильник, который в данном случае будет отключать электроосвещение от стационарной сети.
Однофазные рубильники для отключения применять запрещено в данном случае, т.к. необходимо отключение фазного и нулевого провода.
Преимущества и области применения
К числу достоинств асинхронных генераторов относят следующие их свойства:
- АГ устойчивы к перегрузкам и КЗ, а также имеют сравнительно простую конструкцию (этим они отличаются от более сложных в исполнении синхронных машин);
- Показатель нелинейных искажений синусоиды у них не превышает 2-х процентов (сравните 15 % у их синхронных аналогов);
- Благодаря низкому значению клирфактора, асинхронные устройства гарантируют высокую устойчивость работы подключённых к ним БИП и ТВ приёмников;
- При электропитании сварочного оборудования они обеспечивают существенное улучшение качества сварки;
- Для стабилизации выходного напряжения в них могут применяться внешние устройства автоматического регулирования;
- Роторы АГ при вращении выделяют ограниченное количество тепла, для компенсации которого не требуется мощных вентиляторных устройств.
Металлическая гофра для проводки
Последнее свойство позволяет надёжно герметизировать внутреннюю полость агрегата, то есть защитить её от проникновения пыли и грязи. Благодаря этому обстоятельству существенно расширяется сфера применения асинхронных машин, способных работать в условиях большой запыленности и повышенной влажности.
Возможность герметизации способствует тому, что электрогенераторы асинхронного типа имеют больший показатель по сроку службы и могут эксплуатироваться при пониженных температурах. Добавим к этому, что к каждой из фазных обмоток этих агрегатов допускается подключать нагрузки различной мощности.
Дополнительная информация. Допустимый показатель неравномерности фазных нагрузок (разница потребляемых ими токов) составляет для АГ порядка 70%, что невозможно реализовать при работе с синхронными агрегатами.
К легко устранимому в процессе эксплуатации недостатку следует отнести довольно «тяжелые» пусковые характеристики генератора, что удаётся исправить за счёт установки в них специальных стартовых усилителей (рисунок далее по тексту).
Схема стартового генератора
Указанные устройства обеспечивают возможность плавного вывода генератора в рабочий режим даже при значительных по величине пусковых токах.
Во всём остальном АГ обладают бесспорными преимуществами над синхронными машинами, некоторые различия с которыми были рассмотрены ранее. Благодаря этим достоинствам, они широко применяются в качестве источников электроэнергии в следующих хозяйственных областях:
- Для энергоснабжения оборудования с реостатным или рекуперативным режимом торможения (подъёмные краны, транспортёры и тому подобное);
- В промышленном оборудовании, не нуждающемся в компенсации паразитной реактивной мощности и к которому не предъявляют высоких требований по качеству поставляемой энергии;
- В бытовых и полевых условиях, где требуются источники дешёвой электроэнергии с механическим приводом от дизельного двигателя;
- В качестве мощного зарядного устройства, обеспечивающего подзарядку АКБ в автомастерских, например.
Помимо этого, они могут использоваться как источники электроснабжения, к которым подключаются сварочные агрегаты, а также для обеспечения бесперебойного питания особо важных объектов здравоохранения.
Эффективность установки
Как проверить генератор
Перед проведением реконструкции необходимо учитывать масштаб экономического эффекта нового оборудования и целесообразность проведения процедуры.
Преимущества устройств:
- Низкая себестоимость электроэнергии: для преобразования необходимо наличие магнитного поля, которое генерирует электрический ток.
- В токе малое количество высших гармоник: малые потери на собственный нагрев, образование магнитных полей и др.
- Высокая надежность.
- Отсутствие цепи возбуждения.
- Дешевизна готовых моделей.
- Возможность переоборудования простейшего асинхронного двигателя в генератор.
- Отсутствие в схеме устройства коллекторно-щеточного механизма, что повышает срок эксплуатации.
- Отсутствие необходимости обслуживания конденсаторных батарей.
Недостатки:
- Невозможность выработать промышленную частоту генерируемого тока.
- Отсутствует регулятор параметров сети.
- Необходимость включения в схему работы выпрямителей.
- Индуктивная нагрузка требует увеличения прилагаемой потребной емкости. Следовательно, возрастает потребность подключения в схему устройства дополнительных конденсаторных элементов. Что впоследствии повышает стоимость установки.
- Не меньшая техническая сложность устройства, чем синхронные генераторы.
- Высокая чувствительность к перепадам нагрузки. Т.к. для работы устройства используется конденсатор, который забирает энергию (в традиционных генераторах применяют аккумуляторы, имеющие запас мощности), при увеличении нагрузки электроэнергии может не хватить на подзарядку и генерация прекратится. Для предотвращения этого явления используют батареи с изменяемым объемом емкости в зависимости от нагрузки. Применение данного оборудования экономически целесообразно для крупных объектов.
Виды асинхронных машин
Сломался счетчик электроэнергии: что делать?
Различные виды АГ могут отличаться по следующим рабочим характеристикам:
- Типом вращающейся части генерирующего устройства – его ротора;
- Количеством выходных или статорных обмоток в генераторе (числом рабочих фаз);
- Схемой включения катушек трехфазного генератора – треугольником или звездой, а также способом их размещения и укладки на полюсах статора (фото ниже);
Размещение обмоток статора
- Наличием или отсутствием отдельной обмотки возбуждения.
В соответствие с первым из этих признаков, все известные разновидности АГ оснащаются короткозамкнутым или фазным ротором. Первый из них изготавливается в виде цельной конструкции цилиндрической формы, состоящей из отдельных штырей с двумя замыкающими их кольцами (типа «беличье колесо»).
Фазный ротор, в отличие от своего короткозамкнутого аналога, имеет индуктивную обмотку из изолированного провода, обеспечивающую создание динамического электромагнитного поля. Из-за особенностей своей конструкции такой ротор имеет высокую стоимость изготовления и нуждается в специализированном обслуживании.
Выходные обмотки статора, как и весь генератор, могут быть однофазными или трехфазными, что определяется непосредственным назначением данного агрегата (когда требуется источник напряжения 220 или 380 Вольт). Относительно первого из этих исполнений всё достаточно ясно, а вот у трехфазной модификации АГ имеется ещё одна особенность, касающаяся электрической схемы включения обмоток.
Известно, что для формирования любой трехфазной питающей сети в электротехнике применяются два вида включения обмоток, смещённых в векторном представлении одна относительно другой на 120 градусов. Это:
- Включение звездой, когда начала катушек соединены в одной точке, где формируется нулевая жила, а их концы расходятся по трём линиям питания (вместе с нулевым проводом их получается четыре, как это указано на фото ниже);
4-х проводное включение по схеме «звезда»
- Подсоединение по схеме «треугольник», при котором конец одной катушки соединяется с началом второй и так далее до полного замыкания цепочки. Второй вариант включения используется в 3-х проводных линиях энергоснабжения, поскольку в этой схеме отсутствует нулевой провод.
В каждом изделии АГ подключение по той или иной схеме реализуется вполне конкретными способами, позволяющими поместить провода всех обмоток статора между полюсами его сердечника. Они наматываются таким образом, чтобы каждая секция фазных катушек A, B и C была сдвинута по окружности одна относительно другой точно на 120 градусов.
В заключение обзора генераторных устройств обратим внимание на возможность изготовления АГ из асинхронного двигателя. Подобная перспектива появляется, благодаря известному принципу обратимости действия электрических машин, согласно которому направление преобразования энергии может выбираться произвольно.
