Ветрогенератор на базе асинхронного двигателя

Энергетический кризис часто сопровождается перебоями в энергоснабжении, особенно, если проблема касается сельской местности. Иметь резервный генератор не всегда возможно по ряду причин, поэтому можно воспользоваться «дармовым» источником энергии ветра. Для этого необходим ветрогенератор, который проще всего соорудить из обычного асинхронного двигателя.

Принцип действия такого генератора весьма прост: энергия ветра будет передаваться на ротор, который начёт вращаться в том же направлении, что и создаваемое при этом магнитное поле. Поскольку скольжение ротора при этом становится отрицательным, то на валу ротора возникает тормозной момент, а образующаяся электроэнергия будет передана потребителю. Таким образом, намагниченность ротора становится причиной возбуждения эдс в выходной цепи машины.

Преимущества асинхронного генератора:

1. Конструктивно такой генератор проще, чем синхронный, и к тому же некритичен к внешним неблагоприятным воздействиям: например, к попаданию на него пыли и грязи (что вполне вероятно в условиях сильного ветра).
2. Напряжение на выходе имеет меньшую степень нелинейных искажений, а потому к такому генератору можно подключать различную нагрузку – от сварочного преобразователя до компьютера.
3. Коэффициент неравномерности вращения для асинхронных генераторов не опускается ниже 0,98 , что исключает его перегрев в условиях длительной работы.
4. Вследствие отсутствия вращающихся обмоток долговечность асинхронного генератора ожидается достаточно высокой.

Таким образом изготовить ветрогенератор из асинхронного двигателя не только принципиально возможно, но и практически целесообразно.

Принципиальная схема

Схема включения асинхронного двигателя с кроткозамкнутым ротором показана на рисунке №1. При вращении ротора двигателя остаточное магнитное поле действует на одну из обмоток статора. При этом возникает небольшое электрический ток, который заряжает один из конденсаторов С1-С3. Благодаря тому, что фаза напряжения на конденсаторе отстает на, на роторе возникает магнитное поле уже большей величины, которое действует на следующую обмотку. Соответственно следующий конденсатор зарядится на большее напряжение. Этот процесс продолжается до тех пор, пока ротор генератора не войдет в насыщение (1…1,15с) После этого можно включать автомат В2 и использовать вырабатываемую генератором энергию.

Рис. 1. Схема подключения асинхронного двигателя для работы в качестве генератора электроэнергии.

Причем для нормальной работы двигателя в режиме генератора мощность нагрузки должна составлять не более 80 % примененного в качестве генератора двигателя. Остальные 20 % используются для поддержания напряжения на конденсаторах, т.е. поддержание генератора в рабочем состоянии.

При превышении данного условия напряжение на конденсаторах исчезнет, а значит и исчезнет магнитное поле на якоре, что приведет к исчезновению напряжения на клеммах автомата В2. Причем это происходит практически мгновенно.

В этом есть свой недостаток и свои достоинства. Недостаток является в том, что повторная подача напряжения возможна только тогда, когда будет устранена причина перегрузки и отключен автомат В2. Генератор сонно войдет в рабочий режим (через 1…1,5с).

После этого можно включать В2 и использовать энергию. К достоинству относят тот фактор, что генератор практически невозможно сжечь, так как напряжение на его клеммах исчезает мгновенно в течение 0,1…0,5с.

Выходное напряжение имеет синусоидальную форму и полностью пригодно для дальнейшего использования. Выходная частота генератора 46…60 Гц, что в большинстве случаев достаточно для домашнего использования. Из-за нестабильности напряжения на выходе напряжения необходимо установить стабилизатор (описание схемы и работы описано в дополнительной статье).

Рис. 3. Движущая сила.

Емкость добавочных конденсаторов указанна в таблице №1, на один киловатт указанной мощности мотора, а для работы с нагрузкой – добавочная емкость на каждый киловатт нагрузки.

Таблица №1 Емкость конденсаторов, включаемых в фазы, в микрофарадах на 1 кВт мощности.

К примеру, есть двигатель мощность 3 кВт. К нему предполагается подключить реактивную нагрузку (электродвигатель, сварочный аппарат), суммарной мощностью примерно 2 кВт.

При этом мы хотим, что бы напряжение между фазами было 380. Значит, емкость конденсатора С1 составит (3*5)+ (2*6) микрофарад. Так как С1=С2=С3, то нам понадобится три конденсатора емкостью 30 мкФ.

Если конденсаторов необходимой емкости нет, то можно соединить конденсаторы параллельно, меньшей емкости. Конденсаторы должны быть бумажные или метолобумажные на напряжение не ниже 450 В, а лучше на 650 В. Лучше включать генератор на напряжение между фазами 220 В, а между нулем и фазой 127 В. Это вызвано тем, что для нормальной работы генератора перекос фаз не должен превышать. При такой схеме, удастся максимально разгрузит генератор. Кроме того, питание осветительных ламп накаливания и некоторые нагревательные приборы лучше питать постоянным током.

Для генератора необходимо использовать тихооборотный двигатель двигатель с короткозамкнутым ротором. Лучше всего применить двигатель на 360…720 об/мин, но подойдет и двигатель на 910 об/мин. Это вызвано необходимостью вращать ротор с большей примерно в два раза скоростью, чем указанно в паспорте на двигатель, и уменьшением числа передачи редуктора.

Рассмотрим основные этапы переделки

Вначале подбирается необходимый электродвигатель: он должен быть низкооборотистым ( не более 1300 мин-1), имеющим 3 или 4 пары полюсов.

Проточка ротора двигателя под установку магнитов

рис. 1

Заключается в уменьшении диаметра ротора под высоту устанавливаемых магнитов. Здесь возможны варианты: если имеющиеся в распоряжении магниты – недостаточно сильные, то дополнительно необходимо выточить и одеть на ротор переходную металлическую втулку, с помощью которой значение наводимой магнитной индукции окажется достаточным для того, чтобы не допустить рассеивания магнитного поля. В ином случае никаких других работ по переделке ротора производить не нужно. Проточенный под установку магнитов (при наличии втулки) ротор имеет вид, представленный на рис.1.

Расчёт необходимого количества магнитов и их монтаж

Для этого сначала определяется длина окружности ротора после его переточки, которая будет соответствовать высоте втулки:

L=πD , где D – диаметр ротора.

Требуемая толщина магнитов t должна быть в пределах t=(0.1…0.15)D. Далее рассчитывается количество секций n, в каждой из которых магниты будут устанавливаться с одинаковым полюсом:

n=L/p, где p – количество полюсов электродвигателя.

рис. 2

Для окончательного решения вопроса определяют количество магнитов, которое сможет уместиться в одном полюсе, чтобы потом равномерно и с наибольшей плотностью распределить их по всей высоте втулки. Смещение магнитов при их наклейке принимается равным толщине одного магнита. Для приклеивания лучше всего применять эпоксидный клей. Внешний вид втулки с магнитами в сборе, одетой на ротор, представлен на рис.2.

Проверка работоспособности генератора

После сборки ветрогенератора из асинхронного двигателя необходимо проверить на фактически развиваемую выходную мощность, поскольку после наклейки магнитов, а также вследствие увеличения массы ротора, параметры электромашины изменяются. С этой целью ротор генератора необходимо привести во вращение со скоростью, соответствующей номинальной скорости вращения переделанного электродвигателя.

рис. 3

Для этого можно использовать обычную электродрель, а на выходе подключить любую доступную нагрузку, например, электролампочку. Изменяя мощность подключаемых ламп, а также число оборотов дрели, можно установить практическую работоспособность ветрогенератора и зависимость вырабатываемого напряжения от количества оборотов ротора. Контрольная установка в различных вариантах её подключения представлена на рис.3.

Изготовление исполнительной части ветрогенератора

Она должна состоять из лопастей винтов, поворотной оси и стойки, на которой закрепляется вся конструкция. Лопасти (см. рис.4) можно изготавливать из полихлорвиниловой трубы диаметром 150…200 мм. Далее под готовый ветрогенератор из асинхронного двигателя изготавливается стойка, которая должна иметь поворотную ось, собранную на подшипниках качения. Готовая конструкция исполнительной части ветрогенератора с винтом диаметром 1,7 м представлена на рис. 5.

рис. 4

рис. 5

Ветрогенератор на базе асинхронного двигателя

Ветрогенератор является довольно простой и надежной конструкцией в плане источника автономной электрический энергии. Описанный в данной статье, тип генератора работает на постоянных магнитах и является переделанной моделью из асинхронного двигателя. Генератор сделан из старого четырех полюсного двигателя. Так как тут попытка такого преобразования – первая, то здесь не имела значения мощность двигателя, скорее дело в практическом применении и чистого интереса. Первым делом необходимо было разобрать двигатель. Удивило состояние деталей внутри конструкции – они были практически новые, что не могло не радовать.

Теперь необходимо было проточить ротор. Зачастую такую работу необходимо производить только, если имеются навыки токарного дела.Так как, таких навыков не имеется, пришлось обращаться за помощью к знакомому токарю.

Далее нужно было подобрать магниты и рассчитать скос магнитного полюса. Скос делается для того, чтобы не происходило залипание. Как только все расчеты были проведены, тут же распечатал шаблон и пробил отверстия.

Данный шаблон нужен для того, что бы показать места, где именно нужно клеить магниты. Если правильно рассчитать угол скоса, то проблем при проклейке магнита не должно возникать. В основном, такая работа займет не более двух часов.

Далее плотно обмотал ротор скотчем. Делать это следует снизу, плавно двигаясь вверх. И только на самом верху оставить зазор. Следом спокойно залил все это эпоксидной смолой, для достижения большей герметичности и надежности. Когда производится процесс проточки ротора, то необходимо брать запас раза в 1,5 – 2 больше расчетного. Все дело в том, что если мало сточить, что ротор просто не сможет войти. Можно, конечно сточить магниты, но в дальнейшем это может быть чревато перегревом генератора, так что лучше заранее позаботиться обо всех нюансах.

Теперь следует собрать генератор воедино и проверить возможность его оборотов. Достаточно просто провернуть ротор двумя пальцами. Обороты должны проходить легко, без залипания и трения. Теперь, когда конструкция полностью готова, можно приступать к процессу съема характеристик.

Естественно, при первых замерах нельзя гарантировать точные характеристики генератора, но все же примерно прикинуть достаточно. После того, как все характеристики сняты, можно приступать к изготовлению лопастей.

По данным характеристики можно отметить, что диаметр турбины будет соответствовать 1,7 метра, а быстроходность Z 5.

Изготовив полностью всю конструкцию, необходимо проверить ее работоспособность. Достаточно проверить ее работу, заменив обычный флюгер. Здесь достаточно небольшого ветра, что бы генератор пришел в действие. Поэтому необходимо аккуратно установить конструкцию вместо флюгера и привести в действие. Как уже говорилось, наличие ветра лишь придаст эффектным оборотам данной конструкции, но главное, что бы в это время генератор был уже закреплен.

Данная конструкция сможет спокойно отработать в течении нескольких месяцев, причем без ремонта или замены конструктивных частей. Конечно, при условии, что все сделано правильно. После нескольких месяцев работы следует полностью проверить генератор.

Автор: Нагорянский Александр Александрович.

Рекомендуем:

Из чего состоит

1. Ротор с лопастями и ветротурбиной, оснащенный специальным хвостом для ориентации против ветра или ветроколесо;
2. Мачта с растяжками или без таковых, на которой закрепляется ротор. Обычно строят мачты высотой от 3 до 7 м;
3. Аккумуляторные батареи (чаще всего используют свинцовые стартерные кислотные аккумуляторы);
4. Электрогенератор переменного тока, для которого используется асинхронный двигатель;
5. Устройство для контроля заряда аккумуляторов (контроллер);
6. Преобразователь, подключенный к бытовой сети (инвертор), мощностью от 600 до 1500Вт;
7. Молниеотводящая система (заземление).

Этапы

Эти работы между собой не имеют практически ничего общего, так как надо сделать разные по сути и назначению узлы системы. Для изготовления того и другого элемента используются подручные механизмы и приспособления, которые можно использовать или переделать в необходимый узел. Один из вариантов создания генератора, часто используемый при изготовлении ветрогенератора — изготовление из асинхронного электродвигателя, которое наиболее удачно и качественно позволяет решить проблему. Рассмотрим вопрос подробнее:

Виды ветрогенераторов

Ветряки могут различаться по следующим параметрам:

• количество лопастей
• материалы изготовления
• ориентация оси вращения относительно поверхности земли
• шаговый признак винта

Многолопастные модели более эффективны по сравнению с двух- или трехлопастными, поскольку они приводятся в движении при самых малых проявлениях воздушных потоков. Лопасти могут быть жесткими или парусными. Жесткие обычно делаются из металла или стеклопластика. По направлению оси вращения различаются вертикальные и горизонтальные модификации.

Более широкое применение получили ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения ротора. Такие установки отличаются высоким КПД, улучшенной защитой от ураганных порывов ветра и простой регулировкой мощности. Вертикальные модели просты в монтаже, бесшумны и могут работать даже при слабых порывах ветра.

Модель на неодимовых магнитах

Самодельный ветрогенератор на неодимовых магнитах становится все более популярным во многих российских регионах. В качестве основы такого устройства необходимо использовать ступицу от авто с тормозными дисками. Деталь лучше разобрать и проверить на исправность, смазав подшипники и удалив ржавчину.

Неодимовые магниты наклеиваются на диски ротора. К примеру можно взять двадцать магнитов небольшого размера. При выборе количества магнитов нужно помнить, что в однофазном генераторе количество полюсов должно совпадать с числом магнитных элементов. Для трехфазной модели это соотношение может быть 2 к 3 или 4 к 3. В процессе установки магнитов нужно чередовать их полюса. Чтобы не ошибиться желательно использовать прямоугольные магниты. Для крепления магнитов нужно использовать самый надежный клей.

Ролик по сборке такого генератора можно посмотреть тут:

Генератор на магнитах будет работать эффективно, если статорные катушки будут правильно рассчитаны. По опыту известно, что для зарядки аккумулятора на 12 В, в катушках должно быть поровну распределено около 1000 витков. Намотка катушек осуществляется толстыми проводами, чтобы снизить сопротивление. Мачта ветрогенератора должна быть высотой от шести и более метров. Под мачту нужно вырыть яму с дальнейшей заливкой бетона. Лопасти для устройства изготавливаются из поливинилхлоридных труб.

Модель из автомобильного генератора

Самодельный ветрогенератор из автомобильного генератора необходимо делать из комплектующих ( аккумулятор, реле и прочее) с одной машины. При этом для создания ветряка лучше использовать автомобильный генератор от мощной техники ( например от трактора).

Поскольку потребителям необходим переменный ток, то необходимо предусмотреть инвертор или преобразователь. В регионах с высокой скоростью ветра можно устанавливать ветрогенераторы для выработки больших мощностей.

Для сборки такой модели понадобится следующее:

• автомобильный генератор на 12 В
• аккумулятор
• вольтметр
• реле аккумуляторной зарядки
• лопасти
• крепежный материал

В начале делается ротор. Оптимальным решением будет создание роторного колеса из четырех лопастей. Этот элемент делается из листового железа. При возможности можно использовать железную бочку.

Готовый ветряк соединяется с осью генератора. Для этого высверливается отверстие, соединение фиксируется болтами. После этого собирается электрическая схема и устанавливается мачта. Затем нужно закрепить автомобильный генератор с проводами, которые подсоединяются к аккумулятору и преобразователю напряжения. Для правильной сборки лучше использовать подготовленные чертежи.

Подобная установка монтируется достаточно быстро без особых сложностей. Такой ветрогенератор хорош простотой, надежностью и бесшумной работой.

Видео со сборкой такого ветрогенератора можно посмотреть здесь: