1 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Работа асинхронного двигателя в режиме генератора

Содержание

Асинхронный генератор.Генератор из асинхронного двигателя.

Общая характеристика генератора в асинхронном режиме

Асинхронный генератор (АГ) является наиболее распространенной электрической машиной переменного тока, применяемой преимуществен­но в качестве двигателя.
Только низковольтные АГ (до 500 В пи­тающего напряжения) мощностью от 0,12 до 400 кВт потребляют более 40% всей вырабатываемой в мире электроэнергии, а годовой их выпуск со­ставляет сотни миллионов, покрывая самые разнообразные потребности промышленного и сельскохозяйственного производства, судовых, авиаци­онных и транспортных систем, систем автоматики, военной и специальной техники.[ad#строчный]

Эти двигатели сравнительно просты по конструкции, весьма на­дежны в эксплуатации, имеют достаточно высокие энергетические показа­тели и невысокую стоимость. Именно поэтому непрерывно расширяется сфера использования асинхронных двигателей как в новых областях техники, так и взамен более сложных электрических машин различных конструкций.

Например, значительный интерес в последние годы вызывает приме­нение асинхронных двигателей в генераторном режиме для обеспечения питанием как потреби­телей трехфазного тока, так и потребителей постоянного тока через вы­прямительные устройства. В системах автоматического управления, в сле­дящем электроприводе, в вычислительных устройствах широко применя­ются асинхронные тахогенераторы с короткозамкнутым ротором для пре­образования угловой скорости в электрический сигнал.

Применение асинхронного режима генератора

[adsense_id=»1″]
В определенных условиях эксплуатации автономных источников электроэнергии применение асинхронный режим генератора оказывается предпочтительным или даже единственно возможным решением, как, например, в высокоскоростных передвижных электростанциях с безредукторным газотурбинным приво­дом с частотой вращения п = (9…15)10 3 об/мин. В работе [82] описан АГ с массивным ферромагнитным ротором мощностью 1500 кВт при п = =12000 об/мин, предназначенный для автономного сварочного комплекса «Север». В данном случае массивный ротор с продольными пазами прямо­угольного сечения не содержит обмоток и выполняется из цельной сталь­ной поковки, что дает возможность непосредственного сочленения ротора двигателя в генераторном режиме с газотурбинным приводом при окружной скорости на поверхности ро­тора до 400 м/с. Для ротора с шихтованным сердечником и к.з. обмоткой типа «беличья клетка» допустимая окружная скорость не превышает 200 — 220 м/с.[ad#строчный]

Другим примером эффективного применения асинхронного двигателя в генераторном режиме является давнее их использование в мини-ГЭС при устойчивом режиме нагрузки.

Асинхронный генератор отличаются простотой эксплуатации и обслуживания, легко включаются на параллельную работу, а форма кривой выходного напря­жения у них ближе к синусоидальной, чем у СГ при работе на одну и ту же нагрузку. Кроме того, масса АГ мощностью 5-100 кВт примерно в 1,3 — 1,5 раза меньше массы СГ такой же мощности и они несут меньший объем обмоточных материалов. При этом в конструктивном отношении они ни­чем не отличаются от обычных АД и возможно их серийное производство на электромашиностроительных заводах, выпускающих асинхронные ма­шины.

Недостатки асинхронного режима генератора,асинхронного двигателя(АД)

Один из недостатков АД — это то, что они являются потребителями значительной реактивной мощности (50% и более от полной мощности), необходимой для создания магнитного поля в машине, которая должна по­ступать из сети при параллельной работе асинхронного двигателя в генераторном режиме с сетью или от другого ис­точника реактивной мощности (батарея конденсаторов (БК) или синхрон­ный компенсатор (СК)) при автономной работе АГ. В последнем случае наиболее эффективно включение батареи конденсаторов в цепь статора параллельно нагрузке хотя в принципе возможно ее включение в цепь ро­тора. Для улучшения эксплуатационных свойств асинхронного режима генератора в цепь статора допол­нительно могут включаться конденсаторы последовательно или парал­лельно с нагрузкой.

Во всех случаях автономной работы асинхронного двигателя в генераторном режиме источники реактивной мощ­ности (БК или СК) должны обеспечивать реактивной мощностью как АГ, так и нагрузку, имеющую, как правило, реактивную (индуктивную) со­ставляющую (соsφн 0).

Масса и размеры конденсаторной батареи или синхронного компен­сатора могут превосходить массу асинхронного генератора и только при соsφн =1 (чисто актив­ная нагрузка) размеры СК и масса БК сопоставимы с размером и массой АГ.

Другой, наиболее сложной проблемой является проблема стабилиза­ции напряжения и частоты автономно работающего АГ, имеющего «мяг­кую» внешнюю характеристику.

При использовании асинхронного режима генератора в составе автономной ВЭУ эта проблема ос­ложняется еще и нестабильностью частоты вращения ротора. Возможные и применяемые в настоящее время способы регулирования напряжения асинхронном режиме генератора.

При проектировании АГ для ВЭУ оптимизационные расчеты следует вести по максимуму КПД в широком диапазоне изменения частоты враще­ния и нагрузки, а также по минимуму затрат с учетом всей схемы управле­ния и регулирования. Конструкция генераторов должна учитывать клима­тические условия работы ВЭУ, постоянно действующие механические усилия на элементы конструкции и особенно — мощные электродинамиче­ские и термические воздействия при переходных процессах, которые возникают при пусках, перерывах питания, выпадении из синхронизма, ко­ротких замыканиях и других, а также при значительных порывах ветра.

Читать еще:  Генератор СЕ на разрядниках и катушке Тесла

Устройство асинхронной машины,асинхронного генератора

Устройство асинхронной машины с короткозамкнутым ротором по­казано на примере двигателя серии АМ (рис. 5.1).

Основными частями АД являются неподвижный статор 10 и вра­щающийся внутри него ротор , отделенный от статора воздушным зазором. Для уменьшения вихревых токов сердечники ротора и статора набираются из отдельных листов, отштампованных из электротехнической стали тол­щиной 0,35 или 0,5 мм. Листы оксидируются (подвергаются термической обработке), что увеличивает их поверхностное сопротивление.
[adsense_id=»1″]
Сердечник статора встраивается в станину 12, являющуюся внешней частью машины. На внутренней поверхности сердечника имеются пазы, в которых уложена обмотка 14. Статорную обмотку чаще всего делают трехфазной двухслойной из отдельных катушек с укороченным шагом из изолированного медного провода. Начала и концы фаз обмотки выводят на зажимы коробки выводов и обозначают так:

концы — С 4, С5, Сб .

Обмотку статора можно соединить звездой (У) или треугольником (Д). Это дает возможность применять один и тот же двигатель при двух различных линейных напряжениях, находящихся в отношении напри­мер, 127/220 В или 220/380 В. При этом соединению У соответствует включение АД на высшее напряжение.

Сердечник ротора в собранном виде запрессовывается на вал 15 го­рячей посадкой и предохраняется от проворачивания при помощи шпонки. На внешней поверхности сердечник ротора имеет пазы для укладки обмот­ки 13. Обмотка ротора в наиболее распространенных АД представляет со­бой ряд медных или алюминиевых стержней, расположенных в пазах и замкнутых по торцам кольцами. В двигателях мощностью до 100 кВт и бо­лее обмотка ротора выполняется заливкой пазов расплавленным алюми­нием под давлением. Одновременно с обмоткой отливаются и за­мыкающие кольца вместе с вентиляционными крылатками 9. По форме та­кая обмотка напоминает «беличью клетку».

Двигатель с фазным ротором.Асинхронный режим генератора.

Для специальных асинхронных двигателях обмотка ротора может выполняться по­добно статорной. Ротор с такой обмоткой помимо указанных частей имеет три укрепленных на валу контактных кольца, предназначенных для соеди­нения обмотки с внешней цепью. АД в этом случае называется двигателем с фазным ротором или с контактными кольцами.

Вал ротора 15 объединяет все элементы ротора и служит для соеди­нения асинхронного двигателя с исполнительным механизмом.

Воздушный зазор между ротором и статором составляет от 0,4 — 0,6 мм для машин малой мощности и до 1,5 мм у машин большой мощности. Подшипниковые щиты 4 и 16 двигателя служат опорой для подшипников ротора. Охлаждение асинхронного двигателя осуществляется по принципу самообдува вентилятором 5. Подшипники 2 и 3 закрыты снаружи крышка­ми 1 , имеющими лабиринтовые уплотнения. На корпусе статора устанав­ливается коробка 21с выводами 20 обмотки статора. На корпусе укрепля­ется табличка 17, на которой указываются основные данные АД. На рис.5.1 обозначено также: 6 — посадочное гнездо щита; 7 — кожух; 8 — корпус; 18 — лапа; 19 — вентиляционный канал.

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.

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.

Читать еще:  Фоминский Л.П. - Роторные генераторы дарового тепла. Сделай сам (2003)

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.

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.

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):

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.

Читать еще:  Бестопливный генератор Джона Серла своими руками (53 фото, видео)

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·U 2 ·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

Как самому переделать генератор из асинхронного двигателя?

Данная задача требует выполнения ряда манипуляций, которые должны сопровождаться четким пониманием принципов и режимов функционирования такого оборудования.

Что собой представляет и как работает

Эл двигатель асинхронного типа – это машина, в которой происходит трансформация электрической энергии в механическую и тепловую. Такой переход становится возможным благодаря явлению электромагнитной индукции, которая возникает между обмотками статора и ротора. Особенностью асинхронных двигателей является тот факт, что частота вращения этих двух ключевых его элементов отличается.

Конструктивные особенности типичного эл двигателя можно видеть на иллюстрации. И статор, и ротор представляют собой соосные круглого сечения объекты, изготавливаются путем набора достаточного количества пластин из специальной стали. Пластины статора имеют пазы на внутренней части кольца и при совмещении образуют продольные канавки, в которые наматывается обмотка из медной проволоки. Для ротора, ее роль играют алюминиевые прутки, они также вставляются в пазы сердечника, но с обеих сторон замыкаются стопорными пластинами.

Во время подачи напряжения на обмотки статора, на них возникает и начинает вращаться электромагнитное поле. В связи с тем, что частота вращения ротора заведомо меньше, между обмотками наводится ЭДС и центральный вал начинает двигаться. Не синхронность частот связана не только с теоретическими основами процесса, но и с фактическим трением опорных подшипников вала, оно будет его несколько тормозить относительно поля статора.

Что такое электрический генератор?

Генератор представляет собой эл машину, преобразовывающую механическую и тепловую энергии в электрическую. С этой точки зрения он является устройством прямо противоположным по принципу действия и режиму функционирования к асинхронному двигателю. Более того, наиболее распространенным типом электрогенераторов являются индукционные.

Как мы помним из выше описанной теории, такое становится возможным только при разности оборотов магнитных полей статора и ротора. Из это следует один закономерный вывод (учитывая также принцип обратимости, упомянутый вначале статьи) – теоретически возможно сделать генератор из асинхронника, кроме того, это задача, решаемая самостоятельно за счет перемотки.

Работа двигателя в режиме генератора

Любой асинхронный электрогенератор используется в качестве некоего трансформатора, где механическая энергия от вращения вала двигателя, преобразуется в переменный ток. Такое становится возможным тогда, когда его скорость становится выше синхронной (порядка 1500 об/мин). Классическую схему переделки и подключения двигателя в режиме электрогенератора с выработкой трехфазного тока можно легко собрать своими руками:

Чтобы достичь такой стартовой частоты вращения, необходимо приложить довольно большой крутящий момент (например, за счет подключения двигателя внутреннего сгорания в бензогенераторе или крыльчатки в ветряке). Как только частота вращения достигает значения синхронной, начинает действовать конденсаторная батарея, создающая емкостный ток. За счет этого происходит самовозбуждение обмоток статора и выработка электрического тока (режим генерирования).

Необходимым условием устойчивой работы такого электрогенератора с промышленной частотой сети 50 Гц, является соответствие его частотных характеристик:

  1. Скорость его вращения должна превышать асинхронную (частоту работы самого двигателя) на процент скольжения (от 2 до 10%),
  2. Значение скорости вращения генератора должно соответствовать синхронной скорости.

Как самостоятельно собрать асинхронный генератор?

Обладая полученными знаниями, смекалкой и умением работать с информацией, можно своими руками собрать/переделать работоспособный генератор из двигателя. Для этого необходимо совершить точные действия следующей последовательности:

  1. Вычисляется реальная (асинхронная) частота вращения двигателя, который планируется применить в качестве электрогенератора. Для определения оборотов на подключенном к сети агрегате можно использовать тахограф,
  2. Определяется синхронная частота двигателя, которая одновременно будет асинхронной для генератора. Здесь учитывается величина скольжения (2-10%). Допустим, измерения показали скорость вращения на уровне 1450 об/мин. Требуемая частота работы электрогенератора будет составлять:

nГЕН = (1,02…1,1)nДВ= (1,02…1,1)·1450 = 1479…1595 об/мин,

  1. Подбор конденсатора необходимой емкости (используются стандартные сравнительные таблицы данных).

На этом можно и поставить точку, но если требуется напряжение однофазной сети 220В, то режим функционирования такого устройства потребует внедрения в приведенную ранее схему понижающего трансформатора.

Виды генераторов на базе двигателей

Покупка штатного готового эл генератора – удовольствие отнюдь не из дешевых и вряд ли по карману практическому большинству наших сограждан. Прекрасной альтернативой может послужить самодельный генератор, его можно собрать при достаточных познаниях в области электротехники и слесарного дела. Собранное устройство может успешно использоваться в качестве:

  1. Электрогенератора с самозапиткой. Пользователь может своими руками получить устройство для выработки электроэнергии с длительным периодом действия вследствие самостоятельной подпитки,
  2. Ветрогенератора. В качестве движителя, необходимого для пуска двигателя, используется ветряк, который вращается под воздействием ветра,
  3. Генератора на неодимовых магнитах,
  4. Трехфазного бензогенератора,
  5. Однофазного маломощного генератора на двигателях электроприборов и т. д.

Переделка своими руками стандартного мотора в действующее генерирующее устройство – занятие увлекательное и очевидно экономящее бюджет. Таким образом можно переделать обычный ветряк, соединив его с двигателем для автономной выработки энергии.

Ссылка на основную публикацию
Статьи c упоминанием слов:
Adblock
detector