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:
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.
Источник
Большая Энциклопедия Нефти и Газа
Двухфазный генератор
Двухфазные генераторы осуществляются различными способами, но в качестве широкодиапазонных генераторов со сдвигом фазы в произвольно широких пределах наиболее целесообразно применять гетеродинные двухфазные генераторы, оба выхода которых можно легко сделать симметричными относительно земли. [1]
Тракторный генератор Г-46 представляет двухфазный генератор переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов и служит источником питания электрических ламп при ночной работе трактора. [3]
На той же раме смонтированы электромагниты MI и М2, питаемые током от двухфазного генератора . Начальное положение якоря регулируется установкой зазоров между якорем и полюсами магнитов. Образец нагружается электромагнитными силами. [4]
Двухфазные генераторы осуществляются различными способами, но в качестве широкодиапазонных генераторов со сдвигом фазы в произвольно широких пределах наиболее целесообразно применять гетеродинные двухфазные генераторы , оба выхода которых можно легко сделать симметричными относительно земли. [5]
Катушки 9 электромагнитного возбудителя, расположенные по разные стороны якоря на магнитопроводах из листовой трансформаторной стали, попарно включены последовательно и питаются двухфазным генератором со сдвигом фаз в 1 / 4 периода. Действующие на лкорь 4 электромагнитные силы изменяются синусоидально с удвоенной частотой переменного тока, протекающего по катушкам 9, и сдвинуты по фазе на 1 / 2 периода. Результирующая сила, действующая на колебательную систему машины со стороны якоря, также изменяется синусоидально, и ее частота равна удвоенной частоте питающего электромагнит тока. Собственную частоту колебаний системы, определяемую жесткостью пружин 5 и присоединенных к ним масс элементов машины без испытуемого образца, устанавливают ( путем изменения жесткости пружин 5 посредством перемещения фиксаторов 7) равной частоте колебаний тока, питающего электромагнит. После установки образца 2 машина работает в дорезонанс-ной области вдали от резонанса. [6]
Катушки 9 электромагнитного возбудителя, расположенные по разные стороны якоря на магнитопроводах из листовой трансформаторной стали, попарно включены последовательно и питаются двухфазным генератором со сдвигом фаз в 1 / 4 периода. Действующие на якорь 4 электромагнитные силы изменяются синусоидально с удвоенной частотой переменного тока, протекающего по катушкам 9, и сдвинуты по фазе на 1 / 2 периода. Результирующая сила, действующая на колебательную систему машины со стороны якоря, также изменяется синусоидально, и ее частота равна удвоенной частоте питающего электромагнит тока. Собственную частоту колебаний системы, определяемую жесткостью пружин 5 и присоединенных к ним масс элементов машины без испытуемого образца, устанавливают ( путем изменения жесткости пружин 5 посредством перемещения фиксаторов 7) равной частоте колебаний тока, питающего электромагнит. После установки образца 2 машина работает в дорезонанс-ной области вдали от резонанса. [7]
Для перемешивания металла в крупных дуговых печах, для ускорения и облегчения проведения технологических операций скачивания шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая обмотка, которая охлаждается водой или сжатым воздухом. Обмотки статора питаются от двухфазного генератора током низкой частоты, что создает бегущее магнитное поле, которое захватывает ванну жидкого металла и вызывает движение нижних слоев металла вдоль подины печи в направлении движения поля. Верхние слои металла вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. [8]
Возможны и линейные исполнения этих преобразователей, но в обычной практике линейное движение преобразуют механическими средствами во вращательное движение и замеряют скорость вращения. На рис. 17 — 53, а показано применение двухфазного генератора переменного тока , а на рис. 17 — 53, в — генератора постоянного тока. Хотя генераторы постоянного тока, построенные для этого назначения, имеют возбуждение от постоянного магнита, можно осуществить изменение постоянной пропорциональности, выражающейся отношением выходного напряжения к скорости, изменением возбуждения. [10]
Аналогичным образом образцовые средства измерений 1-го разряда, в качестве которых используются двухфазные генераторы на дискретных частотах и образцовые пассивные фазовращатели, применяют для поверки образцовых средств измерений 2-го разряда. [11]
Устройство для электромагнитного перемешивания металла имеют печи последних конструкций, в том числе и печь ДСП-80. Обмотка статора питается переменным током низкой частоты ( 0 5 — 2 гц) от двухфазного генератора . Образуемое статором бегущее магнитное поле индуктирует токи в жидком металле. [12]
Весьма распространены гидравлические системы, в которых переменные нагрузки создаются посредством пульсаторов. В некоторых конструкциях используется электромагнитный принцип возбуждения сил, резонансный и др. Машина Хея 3, 31 ] электромагнитного действия ( фиг. Эта машина получила распространение в Англии и США. Верхний конец образца 1 зажимается в патроне, установленном в неподвижной раме, на которой укреплены электромагниты 2 и 3, питаемые током от двухфазного генератора . Начальное положение якоря регулируется установкой воздушных зазоров между якорем и полюсами магнита. Образец нагружается силой электромагнитного взаимодействия. [13]
В любой микро — ЭВМ тактовые импульсы осуществляют функцию синхронизации всех операций в системе. Разные микропроцессоры характеризуются разными требованиями к частоте, фазе, уровню напряжения и времени нарастания и спада тактового импульса. На рис. 4.8 показаны однофазные и двухфазные тактовые импульсы. В двухфазном генераторе тактовых импульсов вырабатываются два импульса одинаковой частоты с определенным смещением по фазе. Максимальная частота ограничивается существующими в схемах временными задержками, величина которых определяется технологией изготовления больших интегральных схем. Амплитуда импульса задается допустимыми значениями напряжения питания генератора тактовых импульсов; время нарастания и спада импульса также задаются. Тактовые импульсы могут генерироваться внешним генератором тактовых импульсов или схемой на самом кристалле микропроцессора. Некоторые микропроцессоры имеют сложную систему генерирования тактовых импульсов, хотя иногда для этого может быть достаточно сопротивления и емкости или кварца и сопротивления. [15]
Источник