вращения ротора несколько меньше частоты вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Этот показатель характеризуется скольжением S и находится для большинства двигателей в пределах от 2 до 10 %.
В промышленных установках наиболее часто используются трехфазные 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 надежностью, хорошими эксплуатационными качествами и соответствуют уровню мировых стандартов.
Автономные асинхронные генераторы — трехфазные 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. 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 потечет опережающий емкостный ток, являющийся в данном случае намагничивающим. Емкость 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 трехфазная симметричная система напряжений. Значение напряжения зависит в конечном счете от характеристики машины и емкости конденсаторов. Таким образом, асинхронный короткозамкнутый электродвигатель может быть превращен в асинхронный генератор (рис. 1).
Рис. 1. Стандартная схема включения асинхронного двигателя 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 (380 В, 750-1500 об/мин).
Здесь реактивная мощность Q определена по формуле:
Q = 0,314∙U2∙С∙106, где С — емкость конденсаторов, мкФ.
Как видно из приведенных данных, индуктивная нагрузка на асинхронный генератор, понижающая коэффициент мощности, вызывает резкое увеличение потребной емкости. Для поддержания напряжения постоянным с увеличением нагрузки необходимо увеличивать и емкость 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. Невыполнение данного условия приведет к тому, что частота генерируемого напряжения может отличаться от промышленной частоты 50 Гц, что приведет к неустойчивой работе частотозависимых 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 энергоемкими 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, так как 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 трехфазной батареи конденсаторов хорошо использовать так называемые компенсаторы реактивной мощности, предназначенные для улучшения cos φ в промышленных осветительных сетях. Их типовое обозначение: КМ1-0,22-4,5-ЗУЗ или КМ2-0,22-9ЗУЗ, 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 квт), затем цифра 3 или 2 означает трехфазное или однофазное исполнение, УЗ (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 трехфазного электродвигателя в качестве генератора можно считать классическим, но не единственным. Существуют и другие способы, которые также хорошо зарекомендовали себя на практике. Например, когда батарея конденсаторов подключается к одной или двум обмоткам электродвигателя-генератора (рис 2). Такую схему следует использовать тогда, когда нет необходимости в получении трехфазного напряжения.
Рис. 2.Двухфазный режим асинхронного генератора
Этот вариант "включения уменьшает рабочую емкость конденсаторов, снижает нагрузку на первичный механический двигатель в режиме холостого хода и таким образом 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).
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 ее 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 трехфазного генератора используется одна фаза, то ее 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 В / 380 В.
Литература
Прищеп Л. Г.