Асинхронный двигатель как генератор — суть процесса, его плюсы и минусы

В электротехнике существует так называемый принцип обратимости: любое устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, может делать и обратную работу. На нем основан принцип действия электрических генераторов, вращение роторов которых вызывает появление электрического тока в обмотках статора.

Теоретически можно переделать и использовать любой асинхронный двигатель в качестве генератора, но для этого надо, во-первых, понять физический принцип, а во-вторых, создать условия, обеспечивающие это превращение.

Вращающееся магнитное поле – основа схемы генератора из асинхронного двигателя

В электрической машине, изначально создающейся как генератор, существуют две активные обмотки: возбуждения, размещенная на якоре, и статорная, в которой и возникает электрический ток. Принцип её работы основан на эффекте электромагнитной индукции: вращающееся магнитное поле порождает в обмотке, которая находится под его воздействием, электрический ток.

Магнитное поле возникает в обмотке якоря от напряжения, обычно подаваемого с аккумулятора, ну а его вращение обеспечивает любое физическое устройство, хотя бы и ваша личная мускульная сила.

Конструкция электродвигателя с короткозамкнутым ротором (это 90 процентов всех исполнительных электрических машин) не предусматривает возможности подачи питающего напряжения на обмотку якоря. [attention type=yellow]Поэтому, сколько бы вы ни вращали вал двигателя, на его питающих клеммах электрического тока не возникнет. [/attention]Тем, кто хочет заняться переделкой асинхронного двигателя в генератор, надо создавать вращающееся магнитное поле самостоятельно.

Создаем предусловия для переделки

Двигатели, работающие от переменного тока, называют асинхронными. Все потому, что вращающееся магнитное поле статора чуть опережает скорость вращения ротора, оно как бы тянет его за собой.

Используя тот же принцип обратимости, приходим к выводу, что для начала генерации электрического тока вращающееся магнитное поле статора должно отставать от ротора или даже быть противоположным по направлению. Создать вращающееся магнитное поле, которое отстает от вращения ротора или противоположно ему, можно двумя способами.

Затормозить его реактивной нагрузкой. Для этого в цепь питания электродвигателя, работающего в обычном режиме (не генерации), надо включить, например, мощную конденсаторную батарею. Она способна накапливать реактивную составляющую электрического тока – магнитную энергию. Этим свойством в последнее время широко пользуются те, кто хочет сэкономить киловатт-часы.

[attention type=red]Если быть точным, то фактической экономии электроэнергии не происходит, просто потребитель немного обманывает электросчетчик на законной основе. [/attention]Накопленный конденсаторной батареей заряд находится в противофазе с тем, что создается питающим напряжением и «подтормаживает» его. В результате электродвигатель начинает генерировать ток и отдавать его обратно в сеть.

[blockquote_gray]Использование высокомощных моторов в домашних условиях при наличии исключительно однофазной сети требует определенных знаний в том, как подключить трехфазный электродвигатель в сеть 220в.

Для одновременного подключения потребителей электроэнергии к трех фазам служит специальное электромеханическое устройство — магнитный пускатель, об особенностях правильной установки которых можно прочитать здесь.[/blockquote_gray]

На практике этот эффект применяется в транспорте на электрической тяге. Как только электровоз, трамвай или троллейбус идут под уклон, к цепи питания тягового электродвигателя подключается конденсаторная батарея и происходит отдача электрической энергии в сеть (не верьте тем, кто утверждает, что электротранспорт дорог, он почти на 25 процентов обеспечивает энергией сам себя).

[attention type=green]Такой способ получения электрической энергии не есть чистая генерация. Чтобы перевести работу асинхронного двигателя в режим генератора, надо использовать метод самовозбуждения.[/attention]

Самовозбуждение асинхронного двигателя и переход его в режим генерации может возникнуть из-за наличия в якоре (роторе) остаточного магнитного поля. Оно очень мало, но способно породить ЭДС, заряжающее конденсатор. После возникновения эффекта самовозбуждения конденсаторная батарея подпитывается от произведенного электрического тока и процесс генерации становится непрерывным.

Секреты изготовления генератора из асинхронного двигателя

Чтобы превратить электромотор в генератор надо использовать неполярные конденсаторные батареи. Электролитические конденсаторы для этого не годятся. В трехфазных двигателях конденсаторы включаются звездой или треугольником. Соединение «звездой» позволяет начать генерацию на меньших оборотах ротора, но величина напряжения на выходе будет несколько ниже, чем при соединении «треугольником».

Также можно сделать генератор из однофазного асинхронного двигателя. Но для этого годятся лишь те, которые имеют короткозамкнутый ротор, а для запуска используют фазосдвигающий конденсатор. Коллекторные однофазные двигатели для переделки в генератор не годятся.

Рассчитать в бытовых условиях величину потребной емкости конденсаторной батареи не представляется возможным. [attention type=yellow]Поэтому домашний мастер должен исходить из простого соображения: общий вес конденсаторной батареи должен быть равен или немного превышать вес самого электродвигателя. [/attention]На практике это приводит к тому, что создать достаточно мощный асинхронный генератор почти невозможно, поскольку чем меньше номинальные обороты двигателя, тем он больше весит.

Оцениваем уровень эффективности — выгодно ли это?

Как видите, заставить электродвигатель генерировать ток можно не только в теоретических измышлениях. Теперь надо разобраться, насколько оправданы усилия по «изменению пола» электрической машины.

Во многих теоретических изданиях главным преимуществом асинхронных генераторов представляют их простоту. Честно говоря, это лукавство. Устройство двигателя ничуть не проще устройства синхронного генератора. Конечно, в асинхронном генераторе нет электрической цепи возбуждения, но она заменена на конденсаторную батарею, которая сама по себе является сложным техническим устройством.

Зато конденсаторы не надо обслуживать, а энергию они получают как бы даром – сначала от остаточного магнитного поля ротора, а потом – от вырабатываемого электрического тока. Вот в этом и есть главный, да и практически единственный плюс асинхронных генераторных машин – их можно не обслуживать. [attention type=green]Такие источники электрической энергии применяются в домашних автономных электростанциях, приводимых в действие силой ветра или падающей воды.[/attention]

Еще одним преимуществом таких электрических машин является то, что генерируемый ими ток почти лишен высших гармоник. Этот эффект называется «клирфактор». Для людей далеких от теории электротехники его можно объяснить так: чем ниже клирфактор, тем меньше тратится электроэнергии на бесполезный нагрев, магнитные поля и прочее электротехническое «безобразие».

У генераторов из трехфазного асинхронного двигателя клирфактор обычно находится в пределах 2%, когда традиционные синхронные машины выдают минимум 15. Однако учет клирфактора в бытовых условиях, когда к сети подключены разные типы электроприборов (стиральные машины имеют большую индуктивную нагрузку), практически невозможен.

Все остальные свойства асинхронных генераторов являются отрицательными. К ним относится, например, практическая невозможность обеспечить номинальную промышленную частоту вырабатываемого тока. Поэтому их почти всегда сопрягают с выпрямительными устройствами и используют для зарядки аккумуляторных батарей.

Кроме того, такие электрические машины очень чувствительны к перепадам нагрузки. Если в традиционных генераторах для возбуждения используется аккумулятор, имеющий большой запас электрической мощности, то конденсаторная батарея сама забирает из вырабатываемого тока часть энергии.

Если нагрузка на самодельный генератор из асинхронного двигателя превышает номинал, то ей не хватит электричества для подзарядки и генерация прекратится. Иногда используют емкостные батареи, объем которых динамически меняется в зависимости от величины нагрузки. [attention type=red]Однако при этом полностью теряется преимущество «простоты схемы».[/attention]

Нестабильность частоты вырабатываемого тока, изменения которой почти всегда носят случайный характер, не поддаются научному объяснению, а потому не могут быть учтены и компенсированы, предопределило малую распространенность асинхронных генераторов в быту и народном хозяйстве.

Функционирование асинхронного двигателя как генератора на видео

Может ли генератор привести двигатель в действие, чтобы привести себя в действие?

Генераторы и двигатели являются важными компонентами многих электрических систем и машин. Генераторы — это устройства, которые преобразуют механическую энергию в электрическую, а двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую.

Оба компонента играют решающую роль в обеспечении питания различных систем и машин, от небольших бытовых приборов до крупного промышленного оборудования.

В последние годы растет интерес к концепции генератора, питающего двигатель. Генератор мог привести в действие двигатель, который мог бы управлять генератором, создавая самоподдерживающуюся систему. В связи с этим возникает вопрос: может ли генератор питать двигатель от самого себя?

В этом посте рассматривается возможность использования генератора для питания двигателя и поддержания автономности. Мы рассмотрим теоретические и практические аспекты этой концепции и рассмотрим примеры из реальной жизни, чтобы лучше понять ее ограничения и проблемы.

Кроме того, мы рассмотрим последствия этой концепции и предоставим окончательные мысли и рекомендации для дальнейших исследований или исследований.

Как работают генераторы и двигатели

Генератор — это устройство, преобразующее механическую энергию в электрическую. Механическая энергия может поступать из различных источников, таких как пар, ветер или падающая вода.

Генераторы обычно работают за счет вращения магнитного поля внутри катушки с проводом, которое индуцирует электрический ток в проводе. Ток, вырабатываемый генератором, затем может питать электрические системы и машины.

Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Они работают, подавая электрический ток на катушку провода, которая создает магнитное поле. Это магнитное поле взаимодействует с постоянным магнитом внутри двигателя, заставляя катушку вращаться.

Они соединяют вращающуюся катушку с валом, который преобразует энергию вращения в механическую энергию. Эта механическая энергия может приводить в действие различные системы и машины, такие как вентиляторы, насосы и конвейерные ленты.

По сути, генераторы и двигатели — это, по сути, одни и те же устройства, работающие в обратном направлении. Генератор берет механическую энергию и преобразует ее в электрическую энергию, а двигатель берет электрическую энергию и преобразует ее в механическую энергию.

Важно отметить, что генераторы и двигатели не на 100% эффективны при преобразовании энергии из одной формы в другую.

Некоторое количество энергии всегда теряется в виде тепла или других форм энергии, что известно как рассеяние энергии. Это означает, что не вся энергия, подводимая к генератору или двигателю, будет преобразована в полезную энергию.

Понимание КПД генераторов и двигателей имеет решающее значение для изучения концепции генератора, питающего двигатель для собственного питания.

Может ли генератор питать двигатель?

Да, генератор может питать двигатель. Однако важно понимать, что эффективность системы будет определять возможность использования генератора для питания двигателя.

Когда генератор приводит в действие двигатель, электрическая энергия, вырабатываемая генератором, используется для создания магнитного поля в двигателе, которое заставляет двигатель вращаться. Затем вращающийся двигатель может управлять генератором, вырабатывая больше электроэнергии.

Этот процесс может продолжаться бесконечно, пока генератор и двигатель достаточно эффективны, чтобы преобразовывать энергию из одной формы в другую с минимальным рассеиванием энергии.

На практике существует множество примеров генераторов, приводящих в действие двигатели, например, ветряные турбины и гидроэлектростанции.

В этих системах ветер или падающая вода приводит в движение двигатель, который приводит в действие генератор, работающий от генератора. Эффективность этих систем определяется различными факторами, в том числе конструкцией генератора и двигателя, используемыми материалами и эффективностью процесса преобразования энергии.

Важно отметить, что не все генераторы и двигатели могут питать друг друга. Эффективность системы будет определять возможность использования генератора для питания двигателя. Например, небольшой неэффективный генератор может не иметь мощности для питания большого двигателя, или двигатель может быть не предназначен для эффективного привода генератора.

Вводимая в систему энергия должна быть достаточной для привода генератора и двигателя; в противном случае система не будет самоподдерживающейся.

Может ли электродвигатель работать как генератор?

Ответ на этот вопрос: да, электродвигатель может работать как генератор, но только при определенных условиях. Чтобы работать в качестве генератора, электродвигатель должен быть спроектирован так, чтобы он также функционировал в качестве генератора и работал параллельно с другими генераторами для поддержания электроснабжения.

Длительная работа электродвигателя в качестве генератора требует, чтобы он был синхронным двигателем. Синхронные двигатели специально разработаны для работы в качестве генераторов и двигателей. Они могут производить электрическую энергию за счет взаимодействия магнитного поля с электрическим током двигателя.

При параллельном подключении к другим генераторам синхронный двигатель может генерировать электроэнергию и поддерживать электропитание, даже если он используется в качестве двигателя.

Это позволяет двигателю работать в качестве генератора в течение длительного времени, обеспечивая надежный и эффективный источник электроэнергии.

Можем ли мы объединить двигатель и генератор?

Да, двигатель и генератор могут быть объединены в одно устройство, называемое мотор-генераторной установкой. Мотор-генераторные установки обычно используются в различных приложениях, таких как производство и распределение электроэнергии, регулирование напряжения и управление частотой.

Мотор-генератор работает за счет использования двигателя для привода генератора, который, в свою очередь, производит электрическую энергию. Генерируемая электрическая энергия затем может питать двигатель, позволяя двигателю работать как генератор. Это можно сделать в замкнутом цикле, создав самоподдерживающуюся систему, не требующую подвода внешней энергии.

Мотор-генераторные установки обычно используются в приложениях, где требуется точный контроль напряжения и частоты, например, на электростанциях и в системах распределения электроэнергии.

Они также могут регулировать напряжение в чувствительном электрическом оборудовании, таком как компьютеры и медицинские устройства, обеспечивая чистый и стабильный источник питания.

Заключение

Объединение двигателя и генератора в двигатель-генератор дает много преимуществ и широко используется в различных приложениях.

Мотор-генераторная установка позволяет эффективно генерировать и регулировать электроэнергию и может обеспечить чистый и стабильный источник энергии. Возможность создания самоподдерживающейся системы без подвода внешней энергии делает мотор-генераторные установки ценным инструментом в различных отраслях промышленности.

Однако важно убедиться, что мотор-генераторная установка спроектирована и изготовлена ​​в соответствии с конкретными требованиями применения, чтобы обеспечить ее надлежащую работу и надежность.

Может ли электродвигатель работать как генератор?

ДА, но это может быть сделано только в долгосрочной перспективе с электродвигателем, который также предназначен для работы в качестве генератора, и если генератор будет работать параллельно с другим поколением, двигатель должен быть синхронным.

Я служил в ВМС США на подводной лодке по специальности электрик-ядерщик. Моя электрическая установка включает в себя 2 мотор-генератора мощностью 500 кВт. Когда конец переменного тока работал как двигатель переменного тока, конец постоянного тока был генератором постоянного тока, который снабжал энергией аккумулятор субмарины, обратный ток, а конец постоянного тока становился двигателем постоянного тока, а двигатель переменного тока реверсировал направление тока и работал как генератор переменного тока. Скорость и направление вращения двигателя-генератора постоянного и переменного тока с общим валом не менялись независимо от того, какой конец действовал как двигатель, а какой — как генератор.

Я лично эксплуатировал, ремонтировал и обслуживал эти мотор-генераторы в течение 3 лет своей жизни, поверьте мне, я знаю, о чем говорю. Единственное, что менялось, это направление тока за счет увеличения или уменьшения сопротивления с помощью реостатов.

Если вы не выполняете подключение, вы должны помнить о положительной и отрицательной клемме машины постоянного тока относительно напряжения на клеммах аккумулятора. Если положительный вывод машины постоянного тока составляет, например, 100 В постоянного тока, но напряжение положительного вывода аккумулятора составляет 100,1 В постоянного тока, ток будет протекать из вывода батареи через двигатель постоянного тока в противоположный полюс батареи и через кислоты для замыкания цепи. Если увеличить шунтирующий ток в двигателе постоянного тока, клеммы машины постоянного тока относительно батареи будут выше, и ток изменит направление и зарядит батарею.

Имейте в виду, что в каждом работающем электродвигателе присутствует генераторное действие, и каждый генератор имеет двигательное действие (противоЭДС). Двигатели переменного тока не требуют пускового сопротивления из-за импеданса обмоток и частоты переменного тока, что ограничивает пусковой ток при запуске. Однако для двигателей постоянного тока требуются пусковые резисторы, потому что частота постоянного тока равна нулю, и поэтому без пускового сопротивления пусковой импульс огромен; однако, когда двигатель постоянного тока вращается, пусковые резисторы отключаются от цепи, поскольку действие генератора (противоЭДС) в электродвигателе ограничивает рабочий ток. Используя эту встречную ЭДС через шунтирующий ток, вы можете управлять напряжением на клеммах машины постоянного тока.

Еще одна вещь, которую вы должны иметь в виду, это то, что машина постоянного тока имеет коммутаторы, которые позволяют двигателю постоянного тока работать, иначе он повернется на 90 градусов и остановится, но коммутатор постоянно замыкает и тормозит соединения, когда двигатель вращается, поэтому ротор полярность поля относительно полюсов статора остается правильной и электродвигатель продолжает вращаться. Серийный двигатель постоянного тока будет работать от сети переменного тока, блендеры, дрели и т. д. — это двигатели постоянного тока (универсальные двигатели). Несмотря на то, что полярность клемм при переменном токе будет переключаться туда и обратно, из-за коммутатора и того факта, что в поле и статоре течет один и тот же ток, ток не меняется на противоположный при подаче переменного тока, двигатель постоянного тока вращается только в одном направлении.

С генератором переменного тока параллельно с другими генераторами переменного тока, если я попытаюсь поднять частоту, я подниму киловатт, а если я попытаюсь поднять напряжение, я подниму квар. Если я уменьшу частоту и напряжение достаточно, генератор разгрузится до такой степени, что ток реверсирует направление и двигатели генератора переменного тока. С шунтирующим двигателем постоянного тока путем управления током, проходящим через шунтирующее охлаждение, клеммы машины постоянного тока будут выше или ниже напряжения батареи / системы постоянного тока.