Генератор из асинхронного двигателя: всё об устройстве, принципах работы, сфере применения и отличиях от синхронного двигателя

Асинхронные генераторы относятся к классу электрических машин, предназначенных для питания электрооборудования переменным током.

Наиболее распространены машины мощностью 1,5 – 15,0 кВт с напряжением 220/380 В, применяемые для электроснабжения жилых и производственных помещений, загородных домов.

Устройство, принцип действия

В качестве асинхронного генератора (АГ) может использоваться обычный асинхронный электродвигатель (АД), вал которого вращается приводным двигателем: турбиной, дизельным или бензиновым мотором, ветродвигателем, водяным колесом и т.д.

В этом случае используется принцип обратимости, присущий электромашинам любого типа: постоянного тока, синхронным, асинхронным – все они могут работать как двигателями, так и генераторами.

В двигательном режиме машины получают питание от сети, а при работе генератором они сами вырабатывают электрическую энергию при их вращении приводным двигателем.

Основные части, из которых состоит АГ:

• Литой металлический корпус из алюминиевого сплава.
• Неподвижный статор, выполненный из листовой штампованной электротехнической стали, в пазы которого уложена обмотка.
• Вращающийся ротор имеет цилиндрическую форму и набирается также из пластин электротехнической стали. Обмотка его выполнена из круглых продольных алюминиевых или медных стержней, концы которых на торцах соединяются накоротко, благодаря чему ротор получил название «короткозамкнутый».

Статор и ротор разделены воздушным зазором величиной 0,25 – 1,5 мм.

Чем он меньше, тем выше энергетические характеристики машины.

• Подшипниковые щиты.
• Крыльчатка охлаждающего вентилятора, насаженная на вал ротора.
• Коробка выводов.
• Конденсаторная батарея, подключенная к выводам генератора. Батарея служит для создания тока возбуждения.

При вращении вала происходит самовозбуждение АГ под действием остаточного магнитного потока, аналогично тому, как это происходит в генераторах постоянного тока с параллельным возбуждением.

Оно происходит с лавинообразным нарастанием двух взаимосвязанных величин – Ег (э.д.с) генератора и реактивного тока конденсаторной батареи, до тех пор, пока напряжение на конденсаторах не сравняется с Ег.

На холостом ходу, без подключенной нагрузки, намагничивающий ток возбуждения опережает Ег на 90 электрических градусов.

Чтобы АД работал в генераторном режиме необходимо, чтобы при нагрузке ротор вращался быстрее, чем магнитный поток статора, создаваемый током возбуждения.

Поле, создаваемое током движущегося ротора, также вращается относительно него, но в обратную сторону, поэтому поля в зазоре неподвижны относительно друг от друга и могут взаимодействовать аналогично тому, как это происходит в АД.

Основные соотношения

Связь между частотой вращения магнитного потока статора n1 и вала ротора n₂ определяется скольжением s:

• s = (n1 – n2)/ n1, где n1 и n2 измеряются в об/мин.
• В двигательном режиме работы s>0, а в генераторном это отрицательная величина.
• Частота генерируемого тока f определяется из выражения:
• f = pn2 /60(1 — s), где p – число пар полюсов.
• На холостом ходу частота вращения вала АГ с помощью приводного двигателя устанавливается равной синхронной: n2=n0.

Стандартные значения n0 в зависимости от конструкции применяемого двигателя равны 750, 1000, 1500 или 3000 об/мин для p=4, 3, 2 и 1 соответственно.

Величина скольжения лежит в пределах 2 – 10% от n0. Во всех режимах работы с увеличением нагрузки s растет вследствие увеличения индуктивного сопротивления обмоток и снижения n1.

С высокой степенью точности можно считать, что при холостом ходе n1= n2, а частота тока генератора будет равна 50 Гц. Для стабилизации частоты при возрастании нагрузки нужно увеличивать n2 на величину скольжения, т.е на 2 – 10%. Для большинства потребителей высокая точность поддержания частоты тока не требуется, поэтому можно обороты ротора специально не регулировать.

Повышение напряжения осуществляется увеличением емкости конденсаторов или увеличением оборотов вала генератора.

Схемы асинхронных генераторов

Для того чтобы использовать АД в качестве автономного генератора, к его обмоткам нужно подключить конденсаторы, обеспечивающие выработку емкостного тока намагничивания и процесс самовозбуждения.

В основном используются три вида схем, с помощью которых реализуют трехфазные и однофазные источники переменного тока частоты 50 Гц с линейным напряжением 220 или 380 В.

1. Источник трехфазного напряжения 380 В. Статорные обмотки соединяются в «звезду», к их выводам подключаются конденсаторы, собранные в «треугольник».
2. Источник трехфазного напряжения 220 В. Обмотки и конденсаторы соединяются в «треугольник».
3. Источник однофазных напряжений 220 и 380 В. В этом варианте обмотки соединены в «звезду», но конденсатор подключается на линейное напряжение только между двумя выводами.

Между средней точкой «звезды» и выводом одной из обмоток будет напряжение 220 В, а между используемыми выводами – 380 В.

Следует понимать, что мощность однофазного источника будет составлять только одну треть от мощности АД, а двухфазного – 2/3 от нее.

Однофазный генератор небольшой мощности можно изготовить из конденсаторного двигателя от бытовой техники, например, от стиральной машины или холодильника, подобраврабочий конденсатор необходимой емкости.

Выбор двигателя и конденсаторов.

Для надежной работы генератора мощность используемого электродвигателя должна превышать максимально возможную нагрузку не менее, чем на 20 – 30%. Необходимо также, чтобы мощность приводного двигателя была бы больше мощности АГ на 50 -100%.

Особенно это важно, если нагрузкой является электроинструмент, сварочные аппараты, мельницы, электропечи и другое энергоемкое оборудование, при работе испытывающее перегрузки.

Величина суммарной емкости конденсаторов зависит от величины и характера нагрузки.

Численные значения емкости в мкФ можно ориентировочно рассчитать, умножая номинальную мощность генератора Sг на величину удельной емкости для различных режимов:

• Холостой ход.
• При Sг от 3 до 7,5 кВА значение емкости равно 11хSг мкФ.
• При Sг от 7,5 до 15 кВА – 9хSг мкФ.
• Активная нагрузка, cos φ=1 – емкость батареи 15хSг и 13хSг мкФ соответственно;
• Активно-индуктивная нагрузка, cos φ=0,8 – емкость равна 27хSг и 24хSг мкФ.

Рабочее напряжение конденсаторов должно быть больше номинального не менее, чем на 50%.

Для набора конденсаторной батареи чаще всего используются униполярные бумажные или полистирольные конденсаторы.

Достоинства и недостатки

Достоинства:

• Высокая надежность. В короткозамкнутом роторе отсутствуют вращающиеся насыпные обмотки, коллекторные пластины и щеточный узел;
• Термическая устойчивость к внешним коротким замыканиям;
• Конструкция ротора обеспечивает высокую устойчивость к внешним загрязнениям и к повышенной влажности;
• Выходное синусоидальное напряжение практически не содержит высших гармоник. Их процентное содержание не превышает 1,5 -2,5% по отношению к основной, тогда как в синхронном дизель-генераторе они составляют до 2-15%. Благодаря этому отсутствует дополнительный нагрев от потерь в стали как в самом генераторе, так и у таких потребителей, как трансформаторы и электродвигатели.
• Автономные АГ выгодно использовать при работе с устройствами, создающими электромагнитные помехи – сварочными аппаратами, электроинструментом, тиристорными выпрямителями, так как исключается проникновение помех в питающую сеть и влияние их на радиоаппаратуру, воспроизводящую и записывающую технику.

Недостатки

• Необходимость наличия приводного двигателя с регулируемой частотой вращения;
• Зависимость частоты выходного напряжения от величины нагрузки, низкий коэффициент мощности;
• Автоматическое поддержание частоты с помощью регулирования оборотов приводного двигателя является довольно сложной задачей.
• Сложность и неудобство дискретного регулирования величины выходного напряжения с помощью конденсаторной батареи.

Общие рекомендации по эксплуатации

1. При соединении статорных обмоток по схеме «звезда», необходимо заземлить среднюю точку, присоединив ее к контуру заземления.
2. Корпус генератора заземляется обязательно, независимо от схемы.
3. Подключение генератора к потребителям необходимо производить через коммутационный аппарат с защитой от коротких замыканий и перегрузок – автоматический выключатель, рубильник с предохранителями и т.д
4. Батарея конденсаторов должна подключаться к выводам обмоток через отдельный выключатель.
5. При отсутствии частотомера частоту вырабатываемого тока можно ориентировочно определять, измеряя напряжение холостого хода. Оно должно быть около 230/400 В для генераторов с номинальным напряжением 220/380 В.
6. Для контроля работы генератора необходимо оснастить его амперметром и вольтметром.

Фото генератора из асинхронного двигателя