Как сделать асинхронный электрогенератор своими руками

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.

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.

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

Часть 2

Часть 3

Часть 4

Часть 5

Часть 6

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.

Рис. 7. Схема подключения конденсаторов

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.

Все материалы, расположенные на сайте 2018-2018.ru взяты из открытых источников и являются собственностью правообладателей.
Информация для правообладателей.

Не всегда местные электросети способны полноценно обеспечивать электричеством дома, особенно, если это касается загородных дач и особняков. Перебои с постоянным электроснабжением или же его полное отсутствие заставляет искать альтернативные способы получения электричества. Одним из таких является использование электрогенератора – прибора, способного преобразовывать и накапливать электричество, используя для этого самые необычные ресурсы (энергия солнца, ветра, приливов и отливов). Его принцип работы достаточно простой, что делает возможным сделать электрогенератор своими руками. Возможно, самодельная модель не сможет конкурировать с аналогом заводской сборки, однако это отличный способ сэкономить более 10 000 рублей. Если рассматривать самодельный электрогенератор в качестве временного альтернативного источника электроснабжения, то вполне можно обойтись и самоделкой.

Как сделать электрогенератор, что для этого потребуется, а также какие нюансы придется учитывать, узнаем далее.

Сделать или купить?

Желание иметь в своем пользовании электрогенератор омрачается одной неприятностью – это высокая стоимость агрегата. Как ни крути, но самые маломощные модели имеют достаточно заоблачную стоимость – от 15 000 рублей и выше. Именно этот факт наталкивает на мысль о собственноручном создании генератора. Однако, сам процесс может быть затруднительным, если:

  • нет навыка в работе с инструментом и схемами;
  • нет опыта в создании подобных приборов;
  • не имеется в наличии необходимых деталей и запчастей.

Если же все это и огромное желание присутствуют, то можно попробовать собрать генератор, руководствуясь указаниями по сборке и приложенной схемой.

Не секрет, что покупной электрогенератор будет обладать более расширенным перечнем возможностей и функций, в то время как самоделка способна подводить и давать сбои в самые неподходящие моменты. Поэтому, покупать или делать своими руками – вопрос сугубо индивидуальный, требующий ответственного подхода.

Как работает электрогенератор

Принцип работы электрогенератора основывается на физическом явлении электромагнитной индукции. Проводник, проходящий через искусственно созданное электромагнитное поле, создает импульс, который преобразуется в постоянный ток.

Генератор имеет двигатель, который способен вырабатывать электричество, сжигая в своих отсеках определенный вид топлива: бензин, газ или дизельное топливо. В свою очередь топливо, попадая в камеру сжигания, в процессе горения вырабатывает газ, который вращает коленчатый вал. Последний передает импульс ведомому валу, который уже способен предоставить определенное количество энергии на выходе.

Принцип работы устройства достаточно прост, но ровно до тех пор, пока нет необходимости рассмотрения каждого отдельного процесса. Нужно понимать, что закон Фарадея о принципах магнитной индукции, который используется в электрогенераторе, даст желаемый результат только тогда, когда будут созданы определенные условия. Главным из них является правильный расчет и соединение главных конструктивных единиц.

Независимо от потребляемого топлива и мощности, электрогенераторы имеют два основополагающих механизма: ротор и статор. Ротор необходим для создания электромагнитного поля, поэтому в его основе лежат магниты, равноудаленные от сердечника. Статор неподвижен, позволяет приводить ротор в движение, а также регулирует электромагнитное поле, за счет наличия металлических блоков из стали.

Вариант изготовления электрогенератора своими руками показан на видео

Асинхронный генератор: особенности и преимущества

По типу вращения ротора генераторы бывают синхронными и асинхронными. Первые имеют сложную конструкцию, а также более чувствительны к перепадам напряжения в сети, что сказывается на их продуктивности. Асинхронные, напротив, обладают более простым принципом действия, а также имеют отличные технические характеристики.

На роторе синхронного генератора помещаются магнитные катушки, что усложняет процесс движения ротора, в то время как ротор асинхронного генератора скорее похож на обычный маховик. Конструктивные особенности значительно влияют на КПД, и в синхронном есть его потери (до 11%). В асинхронном показатель потери энергии снижается до 5%, что делает его более востребованным не только в быту, но и в производстве.

Также есть и другие преимущества асинхронных генераторов:

  1. Более простой корпус защищает двигатель от попадания влаги и отработанного топлива, снижая необходимость частого технического обслуживания.
  2. Генератор устойчив к перепадам напряжения, а также имеет выпрямитель на выходе, который защищает подключенные электроприборы от поломки.
  3. Устройство способно служить источником питания для приборов, имеющих омическую нагрузку и высокую чувствительность к скачкам напряжения: сварочные аппараты, компьютерная и вычислительная техника, лампы накаливания.
  4. Обладает высоким КПД, который сочетается с минимальным клирфактором (показатель потери энергии, которая затрачивается на нагрев самого прибора).
  5. Имеет срок службы не менее 15 лет, поскольку все используемые детали достаточно надежные и не поддаются быстрому износу в процессе эксплуатации.

Все эти преимущества дают повод к использованию именно асинхронного агрегата, а простота его конструкции позволяет собрать в домашних условиях.

Вариант электрогенератора с асинхронным двигателем Toyota

С чего начать и что потребуется?

Для того, чтобы собрать небольшой асинхронный генератор своими руками, потребуются такие конструктивные детали:

  1. Двигатель – его можно сделать самостоятельно, но это достаточно длительный и трудоемкий, поэтому лучше сэкономить время и взять двигателя из старых нерабочих бытовых приборов. Хорошо подходят двигателя от стиральной машинки и дренажных насосов.
  2. Статор – лучше брать готовый вариант, где уже будет находиться обмотка.
  3. Провода электрические, а также изолента.
  4. Трансформатор или выпрямитель – нужен в том случае, когда получаемая на выходе электроэнергия имеет различную мощность.

Итак, приступим к работе, предварительно выполнив несколько подготовительных манипуляций, позволяющих произвести расчет мощности будущего генератора:

  1. Подключаем двигатель в сеть, чтобы определить скорость вращения. Для этого нужно воспользоваться специальным прибором – тахометром.
  2. Записываем полученную величину и прибавляем к ней 10%, так называемая компенсаторная величина, которая позволит исключить перенагрев двигателя в процессе работы.
  3. Подбираем конденсаторы, учитывая необходимую мощность. Для удобства величины можно взять из таблицы, расположенной ниже.

Поскольку электрогенератор продуцирует электричество, нужно позаботиться о его заземлении. Отсутствие заземления и плохая изоляция может стать причиной не только быстрого износа прибора, но и представлять опасность для жизни.

Сам процесс сборки крайне прост: к двигателю поочередно подсоединяем конденсаторы, руководствуясь указанной схемой. В схеме отображена поочередность подключения, при этом емкость каждого последующего конденсатора аналогична предыдущему.

Это все, что нужно для получения маломощного генератора, способного снабжать электричеством электропилу, болгарку или циркулярку.

Этот вариант создания генератора самый простой и удобный, но имеет свои нюансы:

  1. Во-первых, придется постоянно следить за температурой двигателя, не давая ему перегреваться.
  2. Во-вторых, если КПД будет снижаться прямопропорционально продолжительности работы – это норма. Поэтому время от времени генератору нужно давать отдыхать, снижая его температуру до 40-45°С.
  3. В-третьих, отсутствие автоматики заставит пользователя самостоятельно контролировать все процессы, периодически подсоединяя измерительные приборы к генератору (вольтметр, амперметр и тахометр).
  4. Перед сборкой важно подобрать правильное оборудование, рассчитав его основные показатели и характеристики. Чертеж и схема значительно облегчат процесс работы.
  5. Генератор на дровах или ветряной можно собрать подобным образом, однако для получения нужного напряжения на выходе потребуется достаточное количество энергоресурса.

Преимущества и недостатки собственноручной сборки

К положительным сторонам самодельного изготовления электрогенератора своими руками можно отнести:

  1. Повышение собственной самооценки, что крайне важно для мужчин. Удачно собранный агрегат может стать предметом не только альтернативного источника питания, но и гордости.
  2. Значительная экономия финансов.
  3. Способность создать такой аппарат, который бы отвечал всем заявленным требованиям.

Помимо этого, процесс может усложняться и иметь массу негативных последствий:

  1. Возможно, агрегат будет часто ломаться, что обусловлено невозможностью герметичного соединения всех отделов генератора.
  2. Неправильное подключение или расчет мощности приведет к неисправности генератора, а также снизит его продуктивность на порядок.
  3. Требуется определенный навык в работе, а также осторожность, поскольку все работы осуществляются с электричеством, с которым, как известно, шутки плохи.

Интересный вариант. Электрогенератор из велосипеда

Заключение

Таким образом, электрогенератор своими руками, может стать отличным вариантом альтернативного электроснабжения.

Его мощности будет достаточно для обеспечения электроэнергией строительных приборов, а также небольших домашних приборов. Поскольку работа производится с электричеством, то у людей, не имеющих ни малейшего представления о серьезности и опасности проделываемых манипуляций, электрогенератор может не получиться.

Не секрет, что сделанный своими руками генератор, будет раз в 5 дешевле, но не факт, что его продуктивность может конкурировать с покупной моделью заводской сборки, оснащенной автоматикой. Отказаться от подобной затеи следует в таких случаях:

  • если нет уверенности в собственных силах и знаниях;
  • когда несколько попыток сборки не увенчались успехом;
  • если нет в наличии соответствующего оборудования и измерительных приборов;
  • если нет навыка в расчетах и подборе компонентов прибора, а также в чтении схем.

При наличии всех необходимых конструктивных деталей можно попробовать собрать агрегат своими руками. Если процедура не увенчалась успехом – всегда можно прибегнуть к помощи покупных моделей. Покупка электрогенератора имеет только один минус – это высокую стоимость. Однако в некоторых случаях она вполне оправдана точностью рабочего процесса, а также возможностью самостоятельного контроля всего процесса переработки и преобразования постоянного тока в переменный.