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 |
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.
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.
Схема самозапитки асинхронного двигателя
Евросамоделки — только самые лучшие самоделки рунета! Как сделать самому, мастер-классы, фото, чертежи, инструкции, книги, видео.
Бестопливный генератор Мотор Дяди Васи своими руками
Я смотрю, все дружно ушли в обсуждение Генератор по DMIT, а старые добрые темы уже не актуальны? Ну тогда немного подолью масла в огонь, выложив свои наработки в разгадке этой загадки «мотора Дяди Васи».
Итак, схема призвана обеспечить работу асинхронного электродвигателя согласно алгоритму, изложенному Host-ом в описании запуска привода насоса в лаборатории «дяди Васи».
В целом алгоритм выглядит так (проверьте по высказываниям в начале ветки на форуме Скифа):
1. Двигатель включается в однофазную сеть и запускается;
2. После разгона контролируется некое напряжение и только после этого переключается тумблером вся схема на автономную работу;
3. Вынимается вилка из розетки.
Установка на 40 ампер в сборе
Далее были учтены еще ряд подробностей, указанных Host-ом:
а) Наличие переменного напряжения 340 вольт на каких-то выводах двигателя;
б) использование всех 6-и проводов, исходящих из электромотора;
в) возможность параллельного подключения к обмоткам двигателя еще двух ламп на 220 вольт или еще одного трехфазного асинхронного двигателя (в моей схеме их можно подключить параллельно генерирующим обмоткам (А1-А2)+(В1-В2));
г) ну и, собственно, реализовано само «ноу-хау» дяди Васи: «импульс, емкости и очень важно вовремя переключать».
Рассмотрим работу нижеприведенной схемы.
В начальный момент времени асинхронный электродвигатель включен по классической схеме запуска с пусковым конденсатором из схемы соединения «Звезда». Обмотка А1-А2 непосредственно включена в однофазную сеть 220 Вольт, а обмотка В1-В2 кратковременно подключается к этой же сети через пусковой конденсатор С1. Пусковой выключатель SA1- стандартный для включения однофазных асинхронных двигателей с одной группой постоянно замкнутых после включения контактов- SA1.1 и с кратковременно замыкаемой группой SA1.2 во время нажатия на кнопку выключателя. После запуска (при помощи обмотки В1-В2) двигатель начинает работать на одной обмотке- А1-А2. При этом на выводах его соединенных обмоток А1 и В1 появляется фазное напряжение 380 вольт, т.е. асинхронный двигатель переходит в режим широко описанного в прикладной электротехнической литературе генератора трехфазного напряжения. Полученное напряжение подается на выпрямитель VD1-VD4 и накапливается на батарее конденсаторов С7. Как только выпрямленное напряжение достигнет некоей величины (по умолчанию порядка 540 Вольт), о чем можно судить по показанию вольтметра РА1, надо замкнуть выключатель SA2 и тем самым запустить схему разряда/слежения на силовом тиристоре VS1. Главное в работе схемы- осуществить разряд батареи конденсаторов на электродвигатель только в нужный момент времени- в начале роста положительной полуволны генерируемого напряжения на обмотке С1-С2 электродвигателя. Схема слежения работает следующим образом: на делитель R1-R2 подается напряжение 220 вольт (естественно, сдвинутое по фазе на 120 градусов относительно опорного напряжения обмотки А1-А2), в одно из плеч делителя включен выпрямитель-ограничитель для питания оптосимистора VS2, который открывается только тогда, когда на его внутреннем светодиоде напряжение достигнет величины его включения (порядка 2 вольт), а это произойдет именно в начале роста положительной полуволны напряжения, снимаемого с обмотки С1-С2 электродвигателя. После разряда батареи конденсаторов С7 на обмотку С1-С2 двигатель получает мощный крутящий импульс, и согласно гипотезе, цикл работы повторяется. При этом автоматически достигается синхронность работы электродвигателя с питающей сетью, что позволяет в любой момент времени после разгона двигателя выдернуть вилку из розетки или выключить выключатель SA1.
Фрагмент Дядя Вася
Для защиты светодиода оптосимистора от перенапряжения и скачков отрицательного напряжения применен стабилитрон VD1. Обвязка управляющей цепи питания и силовой цепи тиристора VS1 применена стандартная для улучшения условий открытия/закрытия тиристора в условиях работы на индуктивную нагрузку.
При проведении экспериментов необходимо так подбирать емкость батареи конденсаторов С7, чтобы не сжечь сам двигатель, ведь и так на обмотку двигателя С1-С2 подается почти удвоенное напряжение питания (мне видится емкость С7 равная емкости резонансной для L-C контура, в котором индуктивность- это сама обмотка двигателя С-С2, а емкость- батарея конденсаторов С7). Для начала экспериментов резонансные емкости С2рез, С3рез и С4рез можно не устанавливать, а величину С7 взять минимальную, постепенно увеличивая её величину для получения устойчивого результата.
Схема не требовательна к элементной базе, единственное, что желательно, так это выбирать силовые полупроводниковые элементы с большим запасом по напряжению и токам, т.е. тиристор VS1 и диоды VD1-VD4 должны выдерживать пусковые токи используемого вами асинхронного двигателя. В моей схеме приведены элементы на токи до 80 Ампер при напряжениях до 1000 вольт, что позволяет запускать электродвигатели мощностью до 10 кВт. Естественно, при работе эти полупроводниковые элементы сильно нагреваются, поэтому наличие радиаторов обязательно.
