Меню

1 фазный двигатель как генератор 3 фазного напряжения



Асинхронный электродвигатель в качестве генератора

В статье рассказано о том, как построить трёхфазный (однофазный) генератор 220/380 В на базе асинхронного электродвигателя переменного тока. Трехфазный асинхронный электродвигатель, изобретённый в конце 19-го века русским учёным-электротехником М.О. Доливо-Добровольским, получил в настоящее время преимущественное распространение и в промышленности, и в сельском хозяйстве, а также в быту.

Асинхронные электродвигатели – самые простые и надёжные в эксплуатации. Поэтому во всех случаях, когда это допустимо по условиям электропривода и нет необходимости в компенсации реактивной мощности, следует применять асинхронные электродвигатели переменного тока.

Различают два основных вида асинхронных двигателей: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Асинхронный короткозамкнутый электродвигатель состоит из неподвижной части — статора и подвижной части — ротора, вращающегося в подшипниках, укреплённых в двух щитах двигателя. Сердечники статора и ротора набраны из отдельных изолированных один от другого листов электротехнической стали. В пазы сердечника статора уложена обмотка, выполненная из изолированного провода. В пазы сердечника ротора укладывают стержневую обмотку или заливают расплавленный алюминий. Кольца-перемычки накоротко замыкают обмотку ротора по концам (отсюда и название — короткозамкнутый). В отличие от короткозамкнутого ротора, в пазах фазного ротора размещают обмотку, выполненную по типу обмотки статора. Концы обмотки подводят к контактным кольцам, укреплённым на валу. По кольцам скользят щетки, соединяя обмотку с пусковым или регулировочным реостатом.

Асинхронные электродвигатели с фазным ротором являются более дорогостоящими устройствами, требуют квалифицированного обслуживания, менее надёжны, а потому применяются только в тех отраслях производства, в которых без них обойтись нельзя. По этой причине они мало распространены, и мы их в дальнейшем рассматривать не будем.

По обмотке статора, включенной в трехфазную цепь, протекает ток, создающий вращающее магнитное поле. Магнитные силовые линии вращающегося поля статора пересекают стержни обмотки ротора и индуктируют в них электродвижущую силу (ЭДС). Под действием этой ЭДС в замкнутых накоротко стержнях ротора протекает ток. Вокруг стержней возникают магнитные потоки, создающие общее магнитное поле ротора, которое, взаимодействуя с вращающим магнитным полем статора, создает усилие, заставляющее ротор вращаться в направлении вращения магнитного поля статора.

Частота вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Этот показатель характеризуется скольжением S и находиться для большинства двигателей в пределах от 2 до 10%.

В промышленных установках наиболее часто используются трёхфазные асинхронные электродвигатели, которые выпускают в виде унифицированных серий. К ним относится единая серия 4А с диапазоном номинальной мощности от 0,06 до 400 кВт, машины которой отличаются большой надёжностью, хорошими эксплуатационными качествами и соответствуют уровню мировых стандартов.

Автономные асинхронные генераторы — трёхфазные машины, преобразующие механическую энергию первичного двигателя в электрическую энергию переменного тока. Их несомненным достоинством перед другими видами генераторов являются отсутствие коллекторно-щеточного механизма и, как следствие этого, большая долговечность и надежность.

Работа асинхронного электродвигателя в генераторном режиме

Если отключенный от сети асинхронный двигатель привести во вращение от какого-либо первичного двигателя, то в соответствии с принципом обратимости электрических машин при достижении синхронной частоты вращения, на зажимах статорной обмотки под действием остаточного магнитного поля образуется некоторая ЭДС. Если теперь к зажимам статорной обмотки подключить батарею конденсаторов С, то в обмотках статора потечёт опережающий ёмкостный ток, являющийся в данном случае намагничивающим.

Ёмкость батареи С должна превышать некоторое критическое значение С0, зависящее от параметров автономного асинхронного генератора: только в этом случае происходит самовозбуждение генератора и на обмотках статора устанавливается трёхфазная симметричная система напряжений. Значение напряжения зависит, в конечном счёте, от характеристики машины и ёмкости конденсаторов. Таким образом, асинхронный короткозамкнутый электродвигатель может быть превращен в асинхронный генератор.

Стандартная схема включения асинхронного электродвигателя в качестве генератора.

Можно подобрать емкость так, чтобы номинальное напряжение и мощность асинхронного генератора равнялись соответственно напряжению и мощности при работе его в качестве электродвигателя.

В таблице 1 приведены емкости конденсаторов для возбуждения асинхронных генераторов (U=380 В, 750….1500 об/мин). Здесь реактивная мощность Q определена по формуле:

Q = 0,314·U 2 ·C·10 -6 ,

где С — ёмкость конденсаторов, мкФ.

Мощность генератора,кВ·А Холостой ход Полная нагрузка
ёмкость, мкФ реактивная мощность, квар cos = 1 cos = 0,8
ёмкость, мкФ реактивная мощность, квар ёмкость, мкФ реактивная мощность, квар
2,0
3,5
5,0
7,0
10,0
15,0
28
45
60
74
92
120
1,27
2,04
2,72
3,36
4,18
5,44
36
56
75
98
130
172
1,63
2,54
3,40
4,44
5,90
7,80
60
100
138
182
245
342
2,72
4,53
6,25
8,25
11,1
15,5
Читайте также:  Защита жесткого диска от напряжения

Как видно из приведённых данных, индуктивная нагрузка на асинхронный генератор, понижающая коэффициент мощности, вызывает резкое увеличение потребной ёмкости. Для поддержания напряжения постоянным с увеличением нагрузки необходимо увеличивать и ёмкость конденсаторов, то есть подключать дополнительные конденсаторы. Это обстоятельство необходимо рассматривать как недостаток асинхронного генератора.

Частота вращения асинхронного генератора в нормальном режиме должна превышать асинхронную на величину скольжения S = 2…10%, и соответствовать синхронной частоте. Не выполнение данного условия приведёт к тому, что частота генерируемого напряжения может отличаться от промышленной частоты 50 Гц, что приведёт к неустойчивой работе частото-зависимых потребителей электроэнергии: электронасосов, стиральных машин, устройств с трансформаторным входом.

Особенно опасно снижение генерируемой частоты, так как в этом случае понижается индуктивное сопротивление обмоток электродвигателей, трансформаторов, что может стать причиной их повышенного нагрева и преждевременного выхода из строя.

В качестве асинхронного генератора может быть использован обычный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель соответствующей мощности без каких-либо переделок. Мощность электродвигателя-генератора определяется мощностью подключаемых устройств. Наиболее энергоёмкими из них являются:

  • бытовые сварочные трансформаторы;
  • электропилы, электрофуганки, зернодробилки (мощность 0,3…3 кВт);
  • электропечи типа «Россиянка», «Мечта» мощностью до 2 кВт;
  • электроутюги (мощность 850…1000 Вт).

Особо хочу остановиться на эксплуатации бытовых сварочных трансформаторов. Их подключение к автономному источнику электроэнергии наиболее желательно, т.к. при работе от промышленной сети они создают целый ряд неудобств для других потребителей электроэнергии.

Если бытовой сварочный трансформатор рассчитан на работу с электродами диаметром 2…3 мм, то его полная мощность составляет примерно 4…6 кВт, мощность асинхронного генератора для его питания должна быть в пределах 5…7 кВт. Если бытовой сварочный трансформатор допускает работу с электродами диаметром 4 мм, то в самом тяжелом режиме — «резки» металла, потребляемая им полная мощность может достигать 10…12 кВт, соответственно мощность асинхронного генератора должна находиться в пределах 11…13 кВт.

В качестве трёхфазной батареи конденсаторов хорошо использовать так называемые ком-пенсаторы реактивной мощности, предназначенные для улучшения соsφ в промышленных осветительных сетях. Их типовое обозначение: КМ1-0,22-4,5-3У3 или КМ2-0,22-9-3У3, которое расшифровывается следующим образом. КМ — косинусные конденсаторы с пропиткой минеральным маслом, первая цифра-габарит (1 или 2), затем напряжение (0,22 кВ), мощность (4,5 или 9 квар), затем цифра 3 или 2 означает трёхфазное или однофазное исполнение, У3 (умеренный климат третьей категории).

В случае самостоятельного изготовления батареи, следует использовать конденсаторы типа МБГО, МБГП, МБГТ, К-42-4 и др. на рабочее напряжение не менее 600 В. Электролитические конденсаторы применять нельзя.

Рассмотренный выше вариант подключения трёхфазного электродвигателя в качестве генератора можно считать классическим, но не единственным. Существуют и другие способы, которые так же хорошо зарекомендовали себя на практике. Например, когда батарея конденсаторов подключается к одной или двум обмоткам электродвигателя-генератора.

Двухфазный режим асинхронного генератора.

Рис.2 Двухфазный режим асинхронного генератора.

Такую схему следует использовать тогда, когда нет необходимости в получении трёхфазного напряжения. Этот вариант включения уменьшает рабочую ёмкость конденсаторов, снижает нагрузку на первичный механический двигатель в режиме холостого хода и т.о. экономит «драгоценное» топливо.

В качестве маломощных генераторов, вырабатывающих переменное однофазное напряжение 220 В, можно использовать однофазные асинхронные короткозамкнутые электродвигатели бытового назначения: от стиральных машин типа «Ока», «Волга», поливальных насосов «Агидель», «БЦН» и пр. У них конденсаторная батарея может подключаться параллельно рабочей обмотке, либо использовать уже имеющийся фазосдвигающий конденсатор, подключенный к пусковой обмотке. Емкость этого конденсатора, возможно, следует несколько увеличить. Его величина будет определяться характером нагрузки, подключаемой к генератору: для активной нагрузки (электропечи, лампочки освещения, электропаяльники) требуется небольшая емкость, индуктивной (электродвигатели, телевизоры, холодильники) — больше.

Рис.3 Маломощный генератор из однофазного асинхронного двигателя.

Теперь несколько слов о первичном механическом двигателе, который будет приводить во вращение генератор. Как известно, любое преобразование энергии связано с её неизбежными потерями. Их величина определяется КПД устройства. Поэтому мощность механического двигателя должна превышать мощность асинхронного генератора на 50…100%. Например, при мощности асинхронного генератора 5 кВт, мощность механического двигателя должна быть 7,5…10 кВт. С помощью передаточного механизма добиваются согласования оборотов механического двигателя и генератора так, чтобы рабочий режим генератора устанавливался на средних оборотах механического двигателя. При необходимости, можно кратковременно увеличить мощность генератора, повышая обороты механического двигателя.

Каждая автономная электростанция должна содержать необходимый минимум навесного оборудования: вольтметр переменного тока (со шкалой до 500 В), частотомер (желательно) и три выключателя. Один выключатель подключает нагрузку к генератору, два других — коммутируют цепь возбуждения. Наличие выключателей в цепи возбуждения облегчает запуск механического двигателя, а также позволяет быстро снизить температуру обмоток генератора, после окончания работы – ротор невозбужденного генератора еще некоторое время вращают от механического двигателя. Эта процедура продлевает активный срок службы обмоток генератора.

Читайте также:  Стабилизатор напряжения forte tvr 2000va

Если с помощью генератора предполагается запитывать оборудование, которое в обычном режиме подключается к сети переменного тока (например, освещение жилого дома, бытовые электроприборы), то необходимо предусмотреть двухфазный рубильник, который в период работы генератора будет отключать данное оборудование от промышленной сети. Отключать надо оба провода: «фазу» и «ноль».

В заключение несколько общих советов.

1. Генератор переменного тока является устройством повышенной опасности. Применяйте напряжение 380 В только в случае крайней необходимости, во всех остальных случаях пользуйтесь напряжением 220 В.

2. По требованиям техники безопасности электрогенератор необходимо оборудовать заземлением.

3. Обратите внимание на тепловой режим генератора. Он «не любит» холостого хода. Снизить тепловую нагрузку можно более тщательным подбором емкости возбуждающих конденсаторов.

4. Не ошибитесь с мощностью электрического тока, вырабатываемого генератором. Если при работе трёхфазного генератора используется одна фаза, то её мощность будет составлять 1/3 общей мощности генератора, если две фазы — 2/3 общей мощности генератора.

5. Частоту переменного тока, вырабатываемого генератором, можно косвенно контролировать по выходному напряжению, которое в режиме «холостого хода» должно на 4…6 % превышать промышленное значение 220/380 В.

Источник

Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы

Электрики давно научились извлекать пользу из принципа обратимости электрических машин: когда попадает в руки вроде бы ненужный трехфазный движок, то его можно раскрутить от бытовой сети или вырабатывать бесплатную электрическую энергию.

Эта статья рассказывает, как можно просто и надежно сделать генератор из асинхронного двигателя своими руками по одной из трех доступных схем, а в ее конце приведен видеоролик, автор которого воплотил в железе эту идею.

Однако там есть ошибочные выводы. Не повторяйте их.

Секреты подбора электродвигателя

Асинхронная машина может работать в режиме:

1. двигателя, когда на нее подается электрическое напряжение;

2. или генератора, если вращать ее ротор с определенной величиной крутящего момента от дополнительного источника. Им может быть любой двигатель внутреннего сгорания, водяная турбина, ветряное колесо или другой источник энергии.

Отработавшие на производстве трехфазные электродвигатели часто списывают. Они попадают в руки домашнего мастера практически бесплатно или по символической цене.

Ими не сложно воспользоваться для решения бытовых или хозяйственных задач. Потребуется только оценить конструкцию: возможности по выработке электроэнергии определенного напряжения и мощности от источника энергии с конкретным числом оборотов.

Для этого следует изучить характеристики статора и ротора.

Коротко о статоре

Конструкция статора асинхронного двигателя представлена:

· тремя обмотками, по которым проходит электрический ток;

· магнитопроводом из пластин электротехнического железа, созданному для передачи магнитного потока.

Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы

Соединение концов обмоток может выполняться схемой звезды либо треугольника. Каждый вариант имеет свои особенности. Их надо учитывать для различных условий эксплуатации.

Чтобы не отвлекать ваше внимание на этот вопрос рекомендую тем, кого он интересует, ознакомиться с этой информацией более подробно в статье о способах подключения трехфазного асинхронного электродвигателя в однофазную сеть.

Она будет полезна многим людям.

Что надо знать о роторе

Он имеет три обмотки из изолированного провода. по которым протекают наводимые токи и формируют суммарный крутящий момент магнитного поля.

Эти обмотки могут быть:

1. выведены на внешние клеммы статора через контактные вращающиеся кольца с щеточным механизмом. Его называют ротором с фазной обмоткой;

2. короткозамкнуты встроенным алюминиевым кольцом — «беличье колесо».

Выглядят они следующим образом.

Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы

Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы

Для бытовых целей предпочтительнее использовать электродвигатель у которого работает короткозамкнутый ротор. О нем идет речь дальше.

Однако, если попалась в руки модель с фазным ротором, то ее легко переделать в короткозамкнутую: достаточно просто зашунтировать выходные контакты между собой.

Важные электрические характеристики

Чтобы сделать генератор из асинхронного двигателя стоит учесть:

· поперечное сечение провода обмотки. Оно ограничивается тепловым воздействием от протекающих суммарных токов, формируемых как от активной нагрузки, так и реактивных составляющих;

· число оборотов, на которые рассчитан электродвигатель. Это оптимальная величина, котрой следует придерживаться при выборе подключения к источнику энергии;

· схему подключения обмоток.

Эти величины указываются на табличке корпуса или рассчитываются косвенными методами.

Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы

Как работает двигатель в режиме генератора

При раскрутке ротора необходимо возбудить электромагнитное поле. Его добиваются за счет параллельного подключения к обмоткам емкостной нагрузки от батареи конденсаторов разными методами. Рассмотрим их.

Две схемы звезды

Типовое подключение выглядит следующим образом.

Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы

Упрощенный вариант схемы показан ниже.

Читайте также:  Номинальное рабочее напряжение трансформатора

Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы

Здесь применяют рабочий и пусковой конденсаторы, которые коммутируются собственными переключателями.

Схема треугольника

Она позволяет вырабатывать 220 вольт линейного напряжения.

Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы

Как подобрать конденсаторы

Емкость конденсатора для возбуждения генератора можно подсчитать по формуле, исходя из реактивной мощности, частоты и напряжения.

Следует учитывать, что они по разному влияют на нагрев обмоток в различных режимах. Поэтому для холостого хода и работы генератора используют ступенчатое переключение.

Рекомендуемые расчеты представлены таблицей.

Генератор из асинхронного двигателя своими руками: 3 схемы

Конденсаторную батарею рекомендую набирать из бумажных моделей на 500 вольт. Пользоваться электрическими конструкциями не рекомендую даже при включении каждой полугармоники через диод.

Электролит при нагревании может закипеть, что приведет к взрыву корпуса.

Особенности эксплуатации

Для безопасной работы необходимо:

· правильно подобать измерительные приборы;

· включить в схему защиты автоматический выключатель и УЗО;

· смонтировать схему резервного питания;

· правильно выбрать систему напряжения;

· избегать перегрузок за счет эффективного подключения потребителей;

· контролировать рабочую частоту на выходе.

О том, как это сделать, подробно раскрыто в статье на моем сайте: «Как сделать генератор из асинхронного двигателя». Рекомендую прочитать и выполнить.

Ее хорошо дополняет видеоролик Ильи Петровича. Обязательно посмотрите и ознакомьтесь с комментариями. Он допустил несколько характерных ошибок, а люди в своих комментариях указали на них. Надеюсь, что эта информация будет полезной для вас.

Источник

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.

Источник