Самодельный асинхронный генератор

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.

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).

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.

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

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.

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.

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.

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.

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):

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

Мощность альтернатора (кВт-А)	Ёмкость конденсатора (мкФ) на холостом ходу	Ёмкость конденсатора (мкФ) при средней нагрузке	Ёмкость конденсатора (мкФ) при полной нагрузке
2	28	36	60
3,5	45	56	100
5	60	75	138

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.

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.

Список использованной литературы

• Кацман М.М. «Электрические машины»  2013
• А.А. Усольцев «Электрические машины» 2013
• Бартош А.И. «Электрика для любознательных» 2019