Подробное описание как сделать трёхфазный (однофазовый) генератор 220/380В на базе асинхронного электродвигателя переменного тока.
.
Устройство и принцип работы асинхронного генератора
Основными рабочими частями асинхронного генератора является ротор (подвижная деталь) и статор (неподвижный). На рисунке ротор размещен справа, а статор слева.
Обратите внимание на устройство ротора. На нём не видно обмоток из медной проволоки.
На самом деле обмотки есть, 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 именуемую, «беличью клетку». Пространство внутри этой клетки заполнено стальными пластинами. Если быть четким, то алюминиевые стержни впрессовываются в пазы, проделанные в сердечнике ротора.
Асинхронная машина, устройство которой описано выше, именуется генератором с короткозамкнутым ротором. Тот, кто знаком с конструкцией асинхронного электродвигателя, наверняка заметил схожесть в строении этих 2-ух машин. По сути дела они ничем не отличаются, так как асинхронный генератор и короткозамкнутый электродвигатель практически идентичны, за исключением дополнительных конденсаторов возбуждения, применяемых в генераторном режиме.
Ротор расположен на валу, который сидит на подшипниках, зажимаемых с двух сторон крышками. Вся конструкция защищена железным корпусом. Генераторы средней и большой мощности требуют охлаждения, поэтому на валу дополнительно устанавливается вентилятор, а сам корпус делают ребристым
Принцип действия
По определению, генератором является уст-во, преобразующее механическую энергию в электрический ток. При этом не имеет значения, какая энергия используется для вращения ротора: ветровая, возможная энергия воды или же внутренняя энергия, преобразуемая турбиной либо ДВС в механическую.
В результате вращения ротора магнитные силовые спец линии, образованные остаточной намагниченностью стальных пластин, пересекают обмотки статора. В катушках образуется ЭДС, которая, при подсоединении интенсивных нагрузок, приводит к образованию тока в их цепях.
При этом важно, чтобы синхронная скорость вращения вала чуть-чуть (примерно на 2 – 10%) превышала синхронную частоту переменного тока (задаётся количеством полюсов статора). Иными словами, необходимо обеспечить асинхронность (несовпадение) частоты вращения на величину скольжения ротора.
Следует увидеть, что полученный таким образом ток будет небольшим. Чтобы повысить выходную мощность необходимо увеличить магнитную индукцию. Достигают повышения КПД устройства путём подключения конденсаторов к выводам катушек статора.
Работа асинхронного электродвигателя в генераторном режиме
Если отключенный от спец 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 появляется некоторая ЭДС. Если теперь к зажимам статорной обмотки подключить батарею конденсаторов С, то в обмотках статора потечёт опережающий ёмкостный ток, являющийся в этом случае намагничивающим.
Ёмкость батареи С должна превышать некоторое критическое значение С0, зависящее от параметров автономного асинхронного генератора: только лишь в этом случае происходит самовозбуждение генератора и на обмотках статора устанавливается трёхфазная симметричная система напряжений. Значение напряжения зависит, в конечном счёте, от свойства 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 приравнивались соответственно напряжению и мощности при работе его в качестве электродвигателя.
В таблице приведены емкости конденсаторов для возбуждения асинхронных генераторов (U=380 В, 750….1500 об/мин). Тут реактивная мощность Q определена по формуле:
Q = 0,314·U2·C·10-6
где С — ёмкость конденсаторов, мкФ. 
Как видно из приведённых данных, индуктивная нагрузка на асинхронный генератор, понижающая коэффициент мощности, вызывает резкое повышение потребной ёмкости. Для поддержания напряжения постоянным с увеличением нагрузки необходимо увеличивать и ёмкость конденсаторов, то есть подключать дополнительные конденсаторы. Это событие необходимо рассматривать как недостаток асинхронного генератора.
Частота вращения асинхронного генератора в нормальном режиме должна превосходить 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 неуравновешенной работе частото-зависимых потребителей электроэнергии: электронасосов, стиральных машин, устройств с трансформаторным входом.
Особенно небезопасно снижение генерируемой частоты, так как в этом случае понижается индуктивное сопротивление обмоток электродвигателей, трансформаторов, что может стать предпосылкой их повышенного нагрева и преждевременного выхода из строя.
В качестве асинхронного генератора может быть использован простой асинхронный короткозамкнутый электродвигатель соответствующей мощности без каких-либо переделок.
В случае самостоятельного изготовления батареи, следует использовать конденсаторы типа МБГО, МБГП, МБГТ, К-42-4 и др. на рабочее напряжение не мение 600 В. Электролитические конденсаторы применять нельзя.
Рассмотренный выше вариант подключения трёхфазного электродвигателя в качестве генератора можно считать традиционным, 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 распорядок асинхронного генератора
схема двухфазный режим асинхронного генератора
Такую схему следует использовать тогда, когда нет необходимости в получении трёхфазного напряжения. Данный вариант включения уменьшает рабочую ёмкость конденсаторов, снижает нагрузку на первичный механический двигатель в режиме холостого хода и т.о. сберегает «драгоценное» топливо.
В качестве генераторов, вырабатывающих переменное однофазное напряжение 220 В, можно использовать однофазовые асинхронные короткозамкнутые электродвигатели бытового назначения: от стиральных машин типа «Ока», «Волга», поливальных насосов «Агидель», «БЦН» и пр.
Схема: генератор из однофазового асинхронного двигателя
Здесь конденсаторная батарея может подключаться параллельно рабочей обмотке, либо можно использовать уже имеющийся фазосдвигающий конденсатор, присоединенный к пусковой обмотке. Емкость этого конденсатора, возможно, следует несколько увеличить. Его величина будет определяться нравом нагрузки, подключаемой к генератору: для активной нагрузки (электропечи, лампочки освещения, электропаяльники) требуется небольшая емкость, индуктивной (электродвигатели, ТВ, холодильники) — больше.
Двигатель для вращения ротора асинхронного генератора
Теперь несколько слов о первичном механическом движке, который будет приводить во вращение генератор. Как известно, любое преобразование энергии связано с её неизбежными потерями. Их величина определяется КПД устройства. Потому мощность механического двигателя должна превышать мощность асинхронного генератора на 50…100%.
Например, при мощности асинхронного генератора 5 кВт, мощность механического движка должна быть 7,5…10 кВт.
С помощью передаточного механизма добиваются согласования оборотов механического двигателя и генератора так, чтобы рабочий распорядок генератора устанавливался на средних оборотах механического двигателя. При необходимости, можно кратковременно увеличить мощность генератора, повышая обороты механического движка.
Каждая автономная электростанция должна содержать необходимый минимум навесного оборудования: вольтметр переменного тока (со шкалой до 500 В), частотомер (лучше) и три выключателя.
Один выключатель подключает нагрузку к генератору, два других — коммутируют цепь возбуждения. Наличие выключателей в цепи возбуждения упрощает запуск механического двигателя, а также позволяет быстро снизить температуру обмоток генератора, после окончания работы – ротор невозбужденного генератора еще некое время вращают от механического двигателя. Эта процедура продлевает активный срок службы обмоток генератора.
Если с помощью генератора подразумевается запитывать оборудование, которое в обычном режиме подключается к сети переменного тока (например, освещение жилого дома, бытовые электроприборы), то нужно предусмотреть двухфазный рубильник, который в период работы генератора будет отключать данное оборудование от промышленной спец сети. Отключать надо оба провода: «фазу» и «ноль»!
В заключение несколько общих советов
1. Генератор переменного тока является устройством завышенной опасности. Применяйте напряжение 380 В только в случае крайней необходимости, во всех остальных случаях пользуйтесь напряжением 220 В.
2. По требованиям техники защищенности электрогенератор необходимо оборудовать заземлением.
3. Обратите внимание на тепловой режим генератора. Он «не любит» холостого хода. Понизить тепловую нагрузку можно более тщательным подбором емкости возбуждающих конденсаторов.
4. Не ошибитесь с мощностью электро 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 держать под контролем по выходному напряжению, которое в режиме «холостого хода» должно на 4…6 % превышать промышленное значение 220/380 В.
На фото: бензогенератор из асинхронного электродвигателя и бензинового движка.
