Чем отличаются дизельные установки с синхронными и асинхронными генераторами

Для питания бытовых устройств и промышленного оборудования необходим источник электроэнергии. Выработать электрический ток возможно несколькими способами. Но наиболее перспективным и экономически выгодным, на сегодняшний день, является генерация тока электрическими машинами. Самым простым в изготовлении, дешёвым и надёжным в эксплуатации оказался асинхронный генератор, вырабатывающий львиную долю потребляемой нами электроэнергии.

Применение электрических машин этого типа продиктовано их преимуществами. Асинхронные электрогенераторы, в отличие от синхронных генераторов, обеспечивают:

• более высокую степень надёжности;
• длительный срок эксплуатации;
• экономичность;
• минимальные затраты на обслуживание.

Эти и другие свойства асинхронных генераторов заложены в их конструкции.

Устройство и принцип работы

Главными рабочими частями асинхронного генератора является ротор (подвижная деталь) и статор (неподвижный). На рисунке 1 ротор расположен справа, а статор слева. Обратите внимание на устройство ротора. На нём не видно обмоток из медной проволоки. На самом деле обмотки существуют, но они состоят из алюминиевых стержней короткозамкнутых на кольца, расположенные с двух сторон. На фото стержни видны в виде косых линий.

Конструкция короткозамкнутых обмоток образует, так называемую, «беличью клетку». Пространство внутри этой клетки заполнено стальными пластинами. Если быть точным, то алюминиевые стержни впрессовываются в пазы, проделанные в сердечнике ротора.

Рис. 1. Ротор и статор асинхронного генератора

Асинхронная машина, устройство которой описано выше, называется генератором с короткозамкнутым ротором. Тот, кто знаком с конструкцией асинхронного электродвигателя наверняка заметил схожесть в строении этих двух машин. По сути дела они ничем не отличаются, так как асинхронный генератор и короткозамкнутый электродвигатель практически идентичны, за исключением дополнительных конденсаторов возбуждения, используемых в генераторном режиме.

Ротор расположен на валу, который сидит на подшипниках, зажимаемых с двух сторон крышками. Вся конструкция защищена металлическим корпусом. Генераторы средней и большой мощности требуют охлаждения, поэтому на валу дополнительно устанавливается вентилятор, а сам корпус делают ребристым (см. рис. 2).

Рис. 2. Асинхронный генератор в сборе

Принцип действия

По определению, генератором является устройство, преобразующее механическую энергию в электрический ток. При этом не имеет значения, какая энергия используется для вращения ротора: ветровая, потенциальная энергия воды или же внутренняя энергия, преобразуемая турбиной либо ДВС в механическую.

В результате вращения ротора магнитные силовые линии, образованные остаточной намагниченностью стальных пластин, пересекают обмотки статора. В катушках образуется ЭДС, которая, при подсоединении активных нагрузок, приводит к образованию тока в их цепях.

При этом важно, чтобы синхронная скорость вращения вала немного (примерно на 2 – 10%) превышала синхронную частоту переменного тока (задаётся количеством полюсов статора). Другими словами, необходимо обеспечить асинхронность (несовпадение) частоты вращения на величину скольжения ротора.

Следует заметить, что полученный таким образом ток будет небольшим. Чтобы повысить выходную мощность необходимо увеличить магнитную индукцию. Добиваются повышения КПД устройства путём подключения конденсаторов к выводам катушек статора.

На рисунке 3 изображена схема сварочного асинхронного альтернатора с конденсаторным возбуждением (левая часть схемы). Обратите внимание на то, что конденсаторы возбуждения подключены по схеме треугольника. Правая часть рисунка – собственно схема самого инверторного сварочного аппарата.

Рис. 3. Схема сварочного асинхронного генератора

Существуют и другие, более сложные схемы возбуждения, например, с применением катушек индуктивности и батареи конденсаторов. Пример такой схемы показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема устройства с индуктивностями

Отличие от синхронного генератора

Главное отличие синхронного альтернатора от асинхронного генератора в конструкции ротора. В синхронной машине ротор состоит из проволочных обмоток. Для создания магнитной индукции используется автономный источник питания (часто дополнительный маломощный генератор постоянного тока, расположенный на одной оси с ротором).

Преимущество синхронного генератора в том, что он генерирует более качественный ток и легко синхронизируется с другими альтернаторами подобного типа. Однако синхронные альтернаторы более чувствительны к перегрузкам и КЗ. Они дороже от своих асинхронных собратьев и требовательнее в обслуживании – необходимо следить за состоянием щёток.

Коэффициент гармоник или клирфактор асинхронных генераторов ниже, чем у синхронных альтернаторов. То есть они вырабатывают практически чистую электроэнергию. На таких токах устойчивее работают:

• ИБП;
• регулируемые зарядные устройства;
• современные телевизионные приёмники.

Асинхронные генераторы обеспечивают уверенный запуск электромоторов, требующих больших пусковых токов. По этому показателю они, фактически, не уступают синхронным машинам. У них меньше реактивных нагрузок, что положительно сказывается на тепловом режиме, так как меньше энергии расходуется на реактивную мощность. У асинхронного альтернатора лучшая стабильность выходной частоты на разных скоростях вращения ротора.

Виды

Существует несколько классификаций асинхронных генераторов. Они могут отличаться следующими факторами.

• Типом ротора – вращающейся части конструкции. Сегодня выпускаемые агрегаты данного типа предусматривают в своей конструкции фазный или короткозамкнутый ротор. Первый оборудован индуктивной обмоткой, в качестве которой выступает изолированный провод. С его помощью и удается создать динамическое магнитное поле. Второй вариант – единая конструкция, имеющая цилиндрическую форму. Внутри нее расположены штыри, оборудованные двумя замыкающими кольцами.
• Количеством рабочих фаз. Под ними подразумевают выходные или статорные обмотки, расположенные внутри устройства. Выходные при этом могут иметь одну фазу или три. Этот показатель определяет назначение генератора. Первый вариант доступен для эксплуатации при напряжении в 220 В, второй – 380 В.
• Схемой включения. Выделяют несколько способов организации работы трехфазного генератора. Можно подключить катушки к устройству, применяя схему «звезда» или «треугольник». Также их можно разместить на полюсах неподвижного элемента – статора.

Дополнительно генераторы асинхронного типа классифицируют по наличию или отсутствию обмотки катушки самовозбуждения.

Классификация

Генераторы короткозамкнутого типа получили наибольшее распространение, ввиду простоты их конструкции. Однако существуют и другие типы асинхронных машин: альтернаторы с фазным ротором и устройства, с применением постоянных магнитов, образующих цепь возбуждения.

На рисунке 5 для сравнения показаны два типа генераторов: слева на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, а справа – асинхронная машина на базе АД с фазным ротором. Даже при беглом взгляде на схематические изображения видно усложнённую конструкцию фазного ротора. Привлекает внимание наличие контактных колец (4) и механизма щёткодержателей (5). Цифрой 3 обозначены пазы для проволочной обмотки, на которую необходимо подать ток для её возбуждения.

Рис. 5. Типы асинхронных генераторов

Наличие обмоток возбуждения в роторе асинхронного генератора повышает качество генерируемого электрического тока, однако при этом теряются такие достоинства как простота и надёжность. Поэтому такие устройства используются в качестве источника автономного питания только в тех сферах, где без них трудно обойтись. Постоянные магниты в роторах применяют в основном для производства маломощных генераторов.

Так какой же тип альтернатора лучше?

Это зависит от того, как именно вы будете использовать оборудование.

1. Для подключения компьютерной и бытовой техники, а также для лабораторий, медучреждений, офисов необходим щеточный генератор, желательно с АВР.
2. Для строительных площадок, цехов и других мест, где возможно попадание в двигатель пыли, влаги, грязи, а также для сварочных работ на сто процентов подойдет бесщеточный генератор.

Как уже было сказано, синхронные генераторные установки все же более популярны даже несмотря на высокую стоимость. Ведь если испортится подключенное к ним электронное оборудование, это обойдется намного дороже. При этом инженеры продолжают работать над совершенствованием обоих типов альтернаторов. Так, у асинхронных напряжение на выходе становится все более стабильным, а синхронные постепенно улучшают уровень защиты.

Область применения

Наиболее часто встречается применение генераторных установок с короткозамкнутым ротором. Они недорогие, практически не нуждаются в обслуживании. Устройства, оборудованные пусковыми конденсаторами, обладают приличными показателями КПД.

Асинхронные альтернаторы часто используют в качестве автономного или резервного источника питания. С ними работают переносные бензиновые генераторы, их используют для мощных мобильных и стационарных дизельных генераторов.

Альтернаторы с трёхфазной обмоткой уверенно запускают трехфазный электродвигатель, поэтому часто используются в промышленных энергоустановках. Они также могут питать оборудование в однофазных сетях. Двухфазный режим позволяет экономить топливо ДВС, так как незадействованные обмотки находятся в режиме холостого хода.

Сфера применения довольно обширная:

• транспортная промышленность;
• сельское хозяйство;
• бытовая сфера;
• медицинские учреждения;

Асинхронные альтернаторы удобны для сооружения локальных ветровых и гидравлических электростанций.

ÐонÑÑÑÑкÑÐ¸Ñ Ð³ÐµÐ½ÐµÑаÑоÑа

Ðа даннÑй Ð¼Ð¾Ð¼ÐµÐ½Ñ Ð¿ÑоизводиÑÑÑ Ð¼Ð½Ð¾Ð³Ð¾ видов индÑкÑионнÑÑ Ð¿ÑибоÑов, но ÑÑÑÑойÑÑво генеÑаÑоÑа Ñоздано Ñак, ÑÑо в Ð½Ð¸Ñ Ð¿ÑиÑÑÑÑÑвÑÑÑ Ð¾Ð´Ð¸Ð½Ð°ÐºÐ¾Ð²Ñе ÑаÑÑи:

• ЭлекÑÑÐ¾Ð¼Ð°Ð³Ð½Ð¸Ñ Ð»Ð¸Ð±Ð¾ поÑÑоÑннÑй магниÑ, ÑÑо пÑÐ¾Ð¸Ð·Ð²Ð¾Ð´Ð¸Ñ Ð¼Ð°Ð³Ð½Ð¸Ñное поле.
• ÐбмоÑка Ñ Ð¸Ð½Ð´ÑÑиÑÑÑÑейÑÑ Ð¿ÐµÑеменной ЭÐС.

ЧÑÐ¾Ð±Ñ Ð¿Ð¾Ð»ÑÑиÑÑ Ð½Ð°Ð¸Ð±Ð¾Ð»ÑÑий магниÑнÑй поÑок, во вÑÐµÑ Ð³ÐµÐ½ÐµÑаÑоÑÐ°Ñ Ð¸ÑполÑзÑÑÑ ÑпеÑиалÑнÑÑ Ð¼Ð°Ð³Ð½Ð¸ÑнÑÑ ÑÑÑÑкÑÑÑÑ, коÑоÑÐ°Ñ ÑоÑÑÐ¾Ð¸Ñ Ð¸Ð· двÑÑ ÑÑалÑнÑÑ ÑеÑдеÑников.

ÐбмоÑки, ÑÑо ÑоздаÑÑ Ð¼Ð°Ð³Ð½Ð¸Ñное поле, ÑÑÑÐ°Ð½Ð¾Ð²Ð»ÐµÐ½Ñ Ð² Ð¿Ð°Ð·Ð°Ñ Ð¾Ð´Ð½Ð¾Ð³Ð¾ из ÑеÑдеÑников, а обмоÑки, индÑÑиÑÑемÑе ЭÐС â в Ð¿Ð°Ð·Ð°Ñ Ð´ÑÑгого. Ðдин из ÑеÑдеÑников — внÑÑÑенний — взаимодейÑÑвÑÐµÑ Ñо Ñвоей обмоÑкой и кÑÑÑиÑÑÑ Ð²Ð¾ÐºÑÑг гоÑизонÑалÑного либо веÑÑикалÑного ÑÑеÑжнÑ. Такой ÑÑеÑÐ¶ÐµÐ½Ñ Ð½Ð°Ð·ÑваеÑÑÑ ÑоÑоÑом. ÐедвижимÑй ÑеÑдеÑник Ñ Ð¾Ð±Ð¼Ð¾Ñкой назÑваеÑÑÑ ÑкоÑем (ÑÑаÑоÑом).

Асинхронный генератор своими руками

Оговоримся сразу: речь пойдёт не об изготовлении генератора с нуля, а о переделывании асинхронного двигателя в альтернатор. Некоторые умельцы используют готовый статор от мотора и экспериментируют с ротором. Идея состоит в том, чтобы с помощью неодимовых магнитов сделать полюса ротора. Примерно так может выглядеть заготовка с наклеенными магнитиками (см. рис. 6):

Рис. 6. Заготовка с наклеенными магнитами

Вы наклеиваете магниты на специально выточенную заготовку, посаженную на валу электродвигателя, соблюдая их полярность и угол сдвига. Для этого потребуется не менее 128 магнитиков.

Готовую конструкцию необходимо подогнать к статору и при этом обеспечить минимальный зазор между зубцами и магнитными полюсами изготовленного ротора. Поскольку магнитики плоские, придётся их шлифовать или обтачивать, при этом постоянно охлаждая конструкцию, так как неодим теряет свои магнитные свойства при высокой температуре. Если вы сделаете всё правильно – генератор заработает.

Проблема состоит в том, что в кустарных условиях очень сложно изготовить идеальный ротор. Но если у вас есть токарный станок и вы готовы потратить несколько недель на подгонку и доработки – можете поэкспериментировать.

Я предлагаю более практичный вариант – превращение асинхронного двигателя в генератор (смотрите видео ниже). Для этого вам понадобится электромотор с подходящей мощностью и приемлемой частотой вращения ротора. Мощность двигателя должна быть минимум на 50% выше от требуемой мощности альтернатора. Если такой электромотор есть в вашем распоряжении – приступайте к переработке. В противном случае лучше купить готовый генератор.

Для переработки вам потребуется 3 конденсатора марки КБГ-МН, МБГО, МБГТ (можно брать другие марки, но не электролитические). Конденсаторы подбирайте на напряжение не менее 600 В (для трёхфазного двигателя). Реактивная мощность генератора Q связанная с емкостью конденсатора следующей зависимостью: Q = 0,314·U2·C·10-6.

При увеличении нагрузки возрастает реактивная мощность, а значит, для поддержания стабильного напряжения U необходимо увеличивать ёмкость конденсаторов, добавляя новые ёмкости путём коммутации.

Видео: делаем асинхронный генератор из однофазного двигателя – Часть 1 https://www.youtube.com/watch?v=ZQO5S9F72CQ

Часть 2 https://www.youtube.com/watch?v=nDCdADUZghs

Часть 3 https://www.youtube.com/watch?v=6M_w1b2xyM8

Часть 4 https://www.youtube.com/watch?v=CONHg7p-IYE

Часть 5 https://www.youtube.com/watch?v=z2YSqVh1vM8

Часть 6 https://www.youtube.com/watch?v=FNU83kOeSbA

Для упрощения подбора конденсаторов воспользуйтесь таблицей:

Таблица 1

На практике, обычно выбирают среднее значение, предполагая, что нагрузка не будет максимальной.

Подобрав параметры конденсаторов, подключите их к выводам обмоток статора так, как показано на схеме (рис. 7). Генератор готов.

Рис. 7. Схема подключения конденсаторов

Как выбрать?

При покупке в первую очередь ориентируйтесь на условия, в которых будет работать генератор.

Для начала определите требуемую мощность. Она должна превышать суммарную мощность одновременно включенных потребителей. Рекомендуется иметь небольшой (или большой) запас на случай экстренных ситуаций.

Выберите вид топлива. Решите, что для вас важнее – экономичность или способность запуститься в любых условиях.

Если в сети возможны перегрузки, нужно покупать синхронную модель. Но учтите, что она потребует более тщательного обслуживания, чем асинхронная, и обладает меньшим сроком службы. Да и на систему защиты придется потратиться. Если перегрузки полностью исключены, лучшим выбором станет асинхронный генератор.

Затем проверьте качество изготовления.

• Покрутите ротор рукой. Он должен вращаться легко. Хруст, щелчки и рывки в подшипниках не допускаются, как и биение ротора. Он не должен шататься в подшипниках.
• Контакты и клеммы должны быть блестящими. Не допускается сорванная резьба. Если есть провода, требуется их надежная изоляция. Особенно в местах стыков и перегибов.
• На статоре и каркасе не должно быть трещин. Внимательно осмотрите опорную часть.
• Проверьте генератор в работе. Показания измерительной аппаратуры должны быть стабильными. Звук выхлопа обязан быть ровным.
• Ответственные производители внимательно окрашивают изделие и хорошо крепят логотип. Если краска вызывает сомнения, от такого генератора лучше отказаться.
• Солидность любой фирмы определяется качеством сервиса. Убедитесь, что при возникновении неисправности вы сможете найти специалиста для ее устранения.

Затем обратите внимание на дополнительные функции

• Хорошо, если на заводе уже будут смонтированы измерительные приборы.
• Лучше покупать модели, имеющие как ручной запуск, так и со стартера.
• Проверьте удобство транспортировки. Если есть колесики, они должны хорошо крутиться. Если есть ручки, за них должно быть удобно держаться.

И не бойтесь задавать вопросы консультантам, даже, по их мнению, нелепые. Время, которое вы потратите на выбор, с лихвой компенсируется беспроблемной эксплуатацией.

Советы по эксплуатации

Асинхронный генератор не требует особого ухода. Его обслуживание заключается в контроле состояния подшипников. На номинальных режимах устройство способно работать годами без вмешательства оператора.

Слабое звено – конденсаторы. Они могут выходить из строя, особенно тогда, когда их номиналы неправильно подобраны.

При работе генератор нагревается. Если вы часто подключаете повышенные нагрузки – следите за температурой устройства или позаботьтесь о дополнительном охлаждении.

Регулятор напряжения

Основной принцип работы регулятора напряжения основывается на поддерживании энергии бортовой сети во всех режимах работы при разнообразном изменении частоты поворотов ротора генератора, температуры внешней среды и электрической нагрузки. Этот прибор также может выполнять и второстепенные функции, а именно защищать части генераторной установки от возможного аварийного режима установки и перегрузки, автоматически подключать в бортовую систему цепь обмотки возбуждения либо сигнализацию аварийной работы устройства.

Все такие приборы работают по одному принципу. Напряжение в генераторе определяется несколькими факторами – силой тока, частотой вращения ротора и величиной магнитного потока. Чем меньше нагрузка на генератор и выше частота вращения, тем будет больше напряжение устройства. Благодаря большему току в обмотке возбуждения начинает увеличиваться магнитный поток, а с ним и напряжение в генераторе, а после того, как уменьшается ток, становится меньшим и напряжение.

Независимо от производителя таких генераторов, все они нормализуют напряжение изменением тока возбуждения одинаково. При возрастании либо уменьшении напряжения начинает увеличиваться либо уменьшаться ток возбуждения и проводить напряжение в необходимые пределы.

В повседневной жизни использование генераторов очень помогает человеку в решении множества возникающих вопросов.

Особенности схемы

Схема генератора из асинхронного двигателя довольно простая. Она не требует особенных навыков. При запуске разработки без подключения к электросети начнётся вращение. Выйдя на соответствующую частоту, обмотка статора начнёт вырабатывать ток.

Если установить отдельную батарею из нескольких конденсаторов, то результатом подобной манипуляции станет опережающий емкостный ток.

На параметры создаваемой энергии оказывают влияние технические характеристики генератора и емкость используемых конденсаторов.