Генератор из электродвигателя: Трехфазный (380 В) генератор своими руками: пошаговая инструкция

Трехфазный (380 В) генератор своими руками: пошаговая инструкция

Трехфазный (380 В) генератор своими руками: пошаговая инструкция

Генератор для дома, дачи или мастерской необходим для получения альтернативного электричества.

Если питание должно поступать и к однофазным, и к трехфазным приборам (инструментам, станкам), то нужен генератор трехфазный. Он способен запитать разную по фазности технику, как на 220 Вольт, так и на 380 Вольт — вот, что значит трехфазный генератор. Таким образом, при отсутствии тока в стационарной сети, вы сможете включать и перфоратор или дрель на 220В и бетономешалку на 380В, но только не одновременно, а поочередно. Трехфазный генератор – необходимое приобретение как для домашнего пользования, так и для производственных площадок.

Самодельный генератор, возможно ли это

Хоть электростанция трехфазная — агрегат весьма сложный, его можно собрать самостоятельно, изучив принцип работы генератора и имея доступные элементы и детали. Для этого используется асинхронный электрический двигатель.

Принцип работы основан на всем знакомой динамо-машине — заставить ротор вращаться принудительно. Как работает трехфазный генератор? На основе асинхронного двигателя. Для того, чтобы этот мотор, не включенный в сеть, заработал в роли источника электричества, нужно передать на его якорь вращательный момент. Крутящий момент возникает от любой механической энергии.

Лучший способ, как сделать трехфазный генератор — задействовать двигатель внутреннего сгорания. Причем, вы можете создать не только бензиновый генератор, а экономный газовый или мощный дизельный. Для подключения к двигателю используют амортизирующую муфту, чтобы ротор вращался не рывками, а плавно.

Даже больше — детально разобравшись, что такое трехфазный генератор, вы поймете, что механическую энергию можно получить не только от ДВС, а от совершенно бесплатных носителей. Это значит, что можно использовать энергию речки или ветра (если природные условия содействуют). В этом случае нужно собрать и установить турбину, ветряную или водяную. Получается отличная возможность сэкономить на оплате электроэнергии, получаемой от стационарной сети.

В некоторых населенных пунктах Украины для вращения ротора используют даже лошадей. Этот способ соорудить электрогенератор своими руками популярен среди определенных религиозных общин, которые принципиально не пользуются стационарным электричеством. Несколько запряженных коней вращают якорь, создавая нужную механическую энергию. Получается дешевая электроэнергия от живой конской силы.

Как работает генератор 380 Вольт собственного изготовления

При вращении ротора, в статоре возникает магнитное поле, формирующее ЭДС. Привод устроен так, что, если подсоединить к концам обмоток конденсатор, то по виткам начинает идти ток. Емкость конденсаторной батареи должна быть выше критического номинала, чтобы генератор был пригоден для активной нагрузки и выдавал симметричные трехфазные вольтажи.

Кроме этого показателя, на мощность электрогенератора влияет и двигатель, создающий крутящий момент, его конструкция и мощность.

Для продуцирования электричества 380 Вольт со стандартной частотой 50 Гц, скорость вращения якоря привода должна поддерживаться на определенном уровне. Магнитные силовые линии возникнут только при условии, что скорость выше асинхронной составляющей на коэффициент скольжения S (равен 2÷10 процентов) и соответствовать уровню синхронной частоты. В противном случае правильной синусоиды тока добиться невозможно, а ее искривление (скачки частоты) недопустимы, если подключаем к электростанции 380 Вольт приборы, оснащенные электрическими двигателями (дрели, перфораторы, болгарки, пилы). Если мотора нет, а только нагревательный ТЭН или лампа накаливания, то значение частоты и синусоида тока не настолько имеют значение.

Существует также вариант использования генераторов на 220 Вольт для оборотов электродвигателя. В этом случае, мы получаем самодельный трехфазный генератор из однофазного. Передача вращательного момента идет на якорь асинхронного трехфазного привода, в результате чего получается трехфазная сеть.

Какой асинхронный двигатель нужен: характеристики ротора и статора

Асинхронный трехфазный привод — основная база для генератора переменного тока. Очень часто такие моторы списываются на предприятиях, поэтому найти его можно за низкую цену или бесплатно. Обязательные условия выбора, какой у него ротор и статор:

• Ротор у такого движка может быть фазный или короткозамкнутый;
• Статор — с тремя отдельными медными обмотками. Соединение витков между собой допускается по типу «треугольник» или «звезда».

Устройство и принцип работы такого привода состоит в том, что ротор (якорь) — вращающийся элемент, статор — неподвижный. У них обоих основу составляют изолированные стальные пластины. На этих пластинах расположены пазы, в которых идут витки обмотки.

В статоре выходы витков нужно подсоединить в клеммную коробку и установить перемычки для соединения. Кабель для питания также устанавливают здесь.

К каждой фазе статора подсоединяются идентичные напряжения, смещенные на угол, который составляет примерно треть круга. Эти синхронные подводки отвечают за формирование тока в витках статора.

В роторе подключение зависит от особенностей его строения: фазный или короткозамкнутый.

1. Фазный ротор. У такого ротора витки обмотки аналогичны, как у статора. Их выходы нужно смонтировать на кольца, которые проводят контакт и соприкасаются со схемой запуска и прижимными щетками. Конструкция получается непростая, с ней нужно повозиться. К тому же нужно постоянно наблюдать за частотой вращения и смотреть, не разомкнулись ли контактные кольца, не отошли ли прижимные щетки. Поэтому лучше выбрать ротор короткозамкнутого типа. Или же сделать короткозамкнутый якорь из фазного ротора. Для этого концы обмотки не подключают к кольцам, а сочетают между собой — коротят.
2. Короткозамкнутый ротор. Как мы уже сказали, он более удобный для самостоятельного создания генератора, так как, в отличие от синхронного генератора, схема у него простая. Кольца-перемычки своими концами соединены и закорочены, подвижных прижимных щеток-контактов нет. Получается все очень просто и надежно, поэтому именно такой якорь и советуем выбирать для своей самоделки.

На что влияют схемы подключения

Схема трехфазного генератора в плане размещения обмоток на статоре мотора влияет на последующую работу устройства, определяет его технические характеристики.

• Электросхема соединения «звезда». Это стандартный тип соединения витков и очень популярный. Он самый практичный при подключении конденсаторной батареи. Ее присоединение можно выполнить:
• К двум обмоткам. В результате такой схемы асинхронные генераторы обеспечивают питание однофазным приборам (причем, двум группам) и трехфазным (одна линия). Клавиши выключателей для рабочего и пускового конденсатора — отдельные. 
• К одной обмотке (по такой же схеме). Получим одну однофазную линию. И одну трехфазную.
• Схема подключения «треугольник» применяется для переключения обмоток для получения однофазного питания.

На какие характеристики двигателя еще нужно обратить внимание

Для надежной и стабильной работы генератора, сделанного своими руками, важны определенные технические характеристики двигателя. Они указаны на наклейке или же в паспорте (если он есть). Важные моменты, это:

• Класс защиты (обозначение IP). Чем меньше цифра — тем лучше корпус привода защищен о проникновения пыли и влаги.
• Мощность.
• Количество оборотов.
• Схема сочетания витков обмотки статора.
• Максимальные нагрузочные токи.
• Коэффициент полезного действия.
• Пусковой ток (коэффициент фи).

Все это следует выяснить, а если мотор старый и много лет использованный, то его нужно протестировать вольтметром, амперметром и «прозвонить» на предмет рабочего состояния.

Как просчитать мощность генератора

Чтобы работа самодельной электростанции была стабильной, нужно, чтобы ее номинальный вольтаж и мощность были одинаковыми в режимах генератора и электрического мотора. Перед тем, как выбрать конденсаторную батарею, нужно учесть:

• Реактивную мощность Q. Она равняется 2n*f*C*U2, где С — емкость конденсатора. Отсюда, нужная нам емкость С будет равна Q/2n*f *U2.
• Режим работы. Для того, чтобы в режиме холостого хода не возникала перегрузка обмоток и их перегрев, конденсаторные элементы подключают ступенчатым способом, в соответствии с нагрузкой.

Рекомендуемая нами марка пусковых конденсаторов — К78-17, с вольтажом 400 Вольт и выше. Допускаются и аналогичные по характеристикам металлобумажные элементы. Подключение их параллельное.

Батареи на электролите для переменного тока использовать не советуем. На них может работать генератор постоянного тока, а при переменном элементы электролитного конденсатора будут быстро выходить из строя.

Советы и рекомендации по соблюдению безопасности

Трехфазный вольтаж 380 Вольт — это большая опасность поражения человека и его смерти. Поэтому, безопасная эксплуатация самоделки — самое важное требование. Для ее гарантии необходимо выполнить такие условия:

1. Управление единым электрощитом, в состав которого входят:

• Измерительные приборы: вольтметр (с максимумом не ниже 500 Вольт), амперметр и частотомер.
• Выключатели для взаимодействия нагрузок (три клавиши). Одна из них включает питание непосредственно к потребителю, а две других отвечают за подключение конденсаторных элементов.
• Систему защиты — автовыключатель, который срабатывает при коротком замыкании или перегрузке по мощности. Сюда также входит и устройство защитного отключения, которое должно сработать, если фаза пробьет на корпус.

Надежное заземление к контуру земли. 

Система АВР. Для удобства работы и повышения безопасности, также советуем использовать автоматический ввод резерва. Он актуален, если вам нужно резервное питание в качестве генератора. Тогда он сможет самостоятельно включаться при исчезновении тока в стационарной сети, и так же автоматом отключаться при его появлении. АВР создают путем установки перекидного рубильника, который задействует все три фазы.

Советы по эксплуатации: какие трудности могут возникнуть

Частым проблемным явлением работы генератора является перегрузка по мощности. При ней идет интенсивный нагрев обмотки, пробой изоляции. Как следствие — поломка генератора. Возникает из-за:

• Неверного подбора емкости конденсаторной батареи;
• Подсоединения большого количества электротехники, суммарная мощность которой превышает номинальную мощность. 

О правилах подбора емкости и расчетах мы уже говорили выше. А по проблеме перегруза по мощности в генераторе на три фазы, нужно отметить еще некоторые нюансы при подключении однофазных потребителей:

• Потребителей с вольтажом 220 Вольт можно подключать только на одну треть общей мощности (к примеру, если ген выдает 6 кВт, то это только для приборов на 380 Вольт, а для однофазных будет только 2 кВт, не больше). Иначе, возникнет перегрузка. 
• Если у вашего генератора две однофазных линии, то вместе мощность по ним будет составлять 2/3 от общего показателя мощности. То есть, 6 кВт — это 4 кВт для однофазных, по 2 кВт на каждую фазу. Причем, при одновременном задействовании фаз, следите, чтоб нагрузка не отличалась от мощности до 10%, иначе возникнет явление «перекос фаз», и ток поступать не будет.

При работе важно следить за показателем частоты переменного тока. Если вы не встроили частотомер на общий электрощит, то на холостом ходу выходной вольтаж выше значения 380 Вольт (или 220 при подключении однофазных) на 4÷6 процентов.

Электродвигатель как генератор — ООО «СЗЭМО Электродвигатель»

Всем известно, что работа электродвигателя – это преобразование электрической энергии в механическую. Удастся ли заставить его преобразовывать механическую энергию в электрическую, чтобы использовать электродвигатель как генератор? Благодаря действующему в электротехнике принципу обратимости это возможно. Но нужно четко знать принцип работы агрегата и создать условия, способствующие превращению.

Законы, позволяющие использовать асинхронный электродвигатель как генератор

В генераторе напряжение, обычно подаваемое с аккумулятора, возбуждает в обмотке якоря магнитное поле, вращение же обеспечивается любым физическим устройством. В электродвигателе возможность подачи напряжения на обмотку якоря не предусмотрена. Чтобы он не поглощал, а вырабатывал электроэнергию, магнитное поле необходимо создать искусственно.

В асинхронном двигателе вращающееся магнитное поле ротора «отстает» от поля статора, обеспечивая процесс перехода электроэнергии в механическую энергию. Следовательно, чтобы запустить обратный процесс, нужно сделать так, чтобы поле статора вращалось медленнее поля ротора, либо чтобы оно вращалось в противоположную сторону.

Способы переделки электродвигателя в генератор

Есть два способа «регулировки» магнитного поля статора.

Торможение реактивной нагрузкой

Сделать это можно с помощью мощной конденсаторной батареи. Включите ее в цепь питания двигателя, который работает в обычном режиме. Заряд, накопленный в батарее, будет в противофазе с зарядом, создаваемым питающим напряжением, что приведет к замедлению последнего. После этого двигатель вместо поглощения тока начинает генерировать его, отдавая в сеть.

Любой транспорт на электротяге работает именно благодаря этому эффекту – при «самостоятельном» движении под уклон механическая энергия не требуется, и конденсаторная батарея автоматически подключается к цепи питания. Вырабатываемая энергия подается в сеть, чтобы затем опять преобразоваться в механическую.

Самовозбуждение электродвигателя

Остаточное магнитное поле ротора может произвести ЭДС, достаточное для зарядки конденсатора. Вследствие этого возникает эффект самовозбуждения, что делает возможным переход двигателя в режим генерации электроэнергии. Непрерывность этого процесса обеспечивает конденсаторная батарея, подпитывающаяся от произведенного тока.

Этот способ является более действенным, и именно он подходит, если вы хотите применить асинхронный электродвигатель как генератор.

Что нужно знать, чтобы электродвигатель работал как генератор

При переделке двигателя в генератор следует учитывать следующие технические детали:

• Не пытайтесь использовать электролитические конденсаторы – они не пригодны для подключения в цепь. Вам нужны неполярные конденсаторные батареи.
• В трехфазных машинах конденсаторы могут включаться по схеме «треугольник» или «звезда». В первом случае величина напряжения на выходе выше, а во втором генерация начинается на меньших оборотах ротора. Выбирайте оптимальный для достижения вашей цели вариант.
• Однофазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором тоже могут генерировать электроэнергию. Запуск осуществляется с помощью фазосдвигающего конденсатора.

Поскольку определить необходимую величину емкости конденсаторной батареи невозможно, остается подбирать ее по весу – он должен быть равен весу двигателя или слегка превышать его.

Насколько эффективно использование электродвигателя в качестве генератора

У использования электродвигателя как генератора есть свои «плюсы»:

• Агрегат достаточно прост в обслуживании и экономичен, поскольку конденсатор получает энергию от остаточного поля ротора и от вырабатываемого тока.
• Практически отсутствуют «побочные» траты энергии на магнитные поля или бесполезный нагрев.

И «минусы»:

• Преобразованный в генератор двигатель чувствителен к перепадам нагрузки.
• Частота вырабатываемого тока часто нестабильна.
• Такой генератор не может обеспечить промышленную частоту тока.

Если в вашем случае преимущества перевешивают недостатки, то применение асинхронного генератора целесообразно.

Асинхронный генератор своими руками: устройство, принцип работы, схемы

Для питания бытовых устройств и промышленного оборудования необходим источник электроэнергии. Выработать электрический ток возможно несколькими способами. Но наиболее перспективным и экономически выгодным, на сегодняшний день, является генерация тока электрическими машинами. Самым простым в изготовлении, дешёвым и надёжным в эксплуатации оказался асинхронный генератор, вырабатывающий львиную долю потребляемой нами электроэнергии.

Применение электрических машин этого типа продиктовано их преимуществами. Асинхронные электрогенераторы, в отличие от синхронных генераторов, обеспечивают:

• более высокую степень надёжности;
• длительный срок эксплуатации;
• экономичность;
• минимальные затраты на обслуживание.

Эти и другие свойства асинхронных генераторов заложены в их конструкции.

Устройство и принцип работы

Главными рабочими частями асинхронного генератора является ротор (подвижная деталь) и статор (неподвижный). На рисунке 1 ротор расположен справа, а статор слева. Обратите внимание на устройство ротора. На нём не видно обмоток из медной проволоки. На самом деле обмотки существуют, 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 называемую, «беличью клетку». Пространство внутри этой клетки заполнено стальными пластинами. Если быть точным, то алюминиевые стержни впрессовываются в пазы, проделанные в сердечнике ротора.

Рис. 1. Ротор и статор асинхронного генератора

Асинхронная машина, устройство которой описано выше, называется генератором с короткозамкнутым ротором. Тот, кто знаком с конструкцией асинхронного электродвигателя наверняка заметил схожесть в строении этих двух машин. По сути дела они ничем не отличаются, так как асинхронный генератор и короткозамкнутый электродвигатель практически идентичны, за исключением дополнительных конденсаторов возбуждения, используемых в генераторном режиме.

Ротор расположен на валу, который сидит на подшипниках, зажимаемых с двух сторон крышками. Вся конструкция защищена металлическим корпусом. Генераторы средней и большой мощности требуют охлаждения, поэтому на валу дополнительно устанавливается вентилятор, а сам корпус делают ребристым (см. рис. 2).

Рис. 2. Асинхронный генератор в сборе

Принцип действия

По определению, генератором является устройство, преобразующее механическую энергию в электрический ток. При этом не имеет значения, какая энергия используется для вращения ротора: ветровая, потенциальная энергия воды или же внутренняя энергия, преобразуемая турбиной либо ДВС в механическую.

В результате вращения ротора магнитные силовые линии, образованные остаточной намагниченностью стальных пластин, пересекают обмотки статора. В катушках образуется ЭДС, которая, при подсоединении активных нагрузок, приводит к образованию тока в их цепях.

При этом важно, чтобы синхронная скорость вращения вала немного (примерно на 2 – 10%) превышала синхронную частоту переменного тока (задаётся количеством полюсов статора). Другими словами, необходимо обеспечить асинхронность (несовпадение) частоты вращения на величину скольжения ротора.

Следует заметить, что полученный таким образом ток будет небольшим. Чтобы повысить выходную мощность необходимо увеличить магнитную индукцию. Добиваются повышения КПД устройства путём подключения конденсаторов к выводам катушек статора.

На рисунке 3 изображена схема сварочного асинхронного альтернатора с конденсаторным возбуждением (левая часть схемы). Обратите внимание на то, что конденсаторы возбуждения подключены по схеме треугольника. Правая часть рисунка – собственно схема самого инверторного сварочного аппарата.

Рис. 3. Схема сварочного асинхронного генератора

Существуют и другие, более сложные схемы возбуждения, например, с применением катушек индуктивности и батареи конденсаторов. Пример такой схемы показан на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема устройства с индуктивностями

Отличие от синхронного генератора

Главное отличие синхронного альтернатора от асинхронного генератора в конструкции ротора. В синхронной машине ротор состоит из проволочных обмоток. Для создания магнитной индукции используется автономный источник питания (часто дополнительный маломощный генератор постоянного тока, расположенный на одной оси с ротором).

Преимущество синхронного генератора в том, что он генерирует более качественный ток и легко синхронизируется с другими альтернаторами подобного типа. Однако синхронные альтернаторы более чувствительны к перегрузкам и КЗ. Они дороже от своих асинхронных собратьев и требовательнее в обслуживании – необходимо следить за состоянием щёток.

Коэффициент гармоник или клирфактор асинхронных генераторов ниже, чем у синхронных альтернаторов. То есть они вырабатывают практически чистую электроэнергию. На таких токах устойчивее работают:

• ИБП;
• регулируемые зарядные устройства;
• современные телевизионные приёмники.

Асинхронные генераторы обеспечивают уверенный запуск электромоторов, требующих больших пусковых токов. По этому показателю они, фактически, не уступают синхронным машинам. У них меньше реактивных нагрузок, что положительно сказывается на тепловом режиме, так как меньше энергии расходуется на реактивную мощность. У асинхронного альтернатора лучшая стабильность выходной частоты на разных скоростях вращения ротора.

Классификация

Генераторы короткозамкнутого типа получили наибольшее распространение, ввиду простоты их конструкции. Однако существуют и другие типы асинхронных машин: альтернаторы с фазным ротором и устройства, с применением постоянных магнитов, образующих цепь возбуждения.

На рисунке 5 для сравнения показаны два типа генераторов: слева на базе асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, а справа – асинхронная машина на базе АД с фазным ротором. Даже при беглом взгляде на схематические изображения видно усложнённую конструкцию фазного ротора. Привлекает внимание наличие контактных колец (4) и механизма щёткодержателей (5). Цифрой 3 обозначены пазы для проволочной обмотки, на которую необходимо подать ток для её возбуждения.

Рис. 5. Типы асинхронных генераторов

Наличие обмоток возбуждения в роторе асинхронного генератора повышает качество генерируемого электрического тока, однако при этом теряются такие достоинства как простота и надёжность. Поэтому такие устройства используются в качестве источника автономного питания только в тех сферах, где без них трудно обойтись. Постоянные магниты в роторах применяют в основном для производства маломощных генераторов.

Область применения

Наиболее часто встречается применение генераторных установок с короткозамкнутым ротором. Они недорогие, практически не нуждаются в обслуживании. Устройства, оборудованные пусковыми конденсаторами, обладают приличными показателями КПД.

Асинхронные альтернаторы часто используют в качестве автономного или резервного источника питания. С ними работают переносные бензиновые генераторы, их используют для мощных мобильных и стационарных дизельных генераторов.

Альтернаторы с трёхфазной обмоткой уверенно запускают трехфазный электродвигатель, поэтому часто используются в промышленных энергоустановках. Они также могут питать оборудование в однофазных сетях. Двухфазный режим позволяет экономить топливо ДВС, так как незадействованные обмотки находятся в режиме холостого хода.

Сфера применения довольно обширная:

• транспортная промышленность;
• сельское хозяйство;
• бытовая сфера;
• медицинские учреждения;

Асинхронные альтернаторы удобны для сооружения локальных ветровых и гидравлических электростанций.

Асинхронный генератор своими руками

Оговоримся сразу: речь пойдёт не об изготовлении генератора с нуля, а о переделывании асинхронного двигателя в альтернатор. Некоторые умельцы используют готовый статор от мотора и экспериментируют с ротором. Идея состоит в том, чтобы с помощью неодимовых магнитов сделать полюса ротора. Примерно так может выглядеть заготовка с наклеенными магнитиками (см. рис. 6):

Рис. 6. Заготовка с наклеенными магнитами

Вы наклеиваете магниты на специально выточенную заготовку, посаженную на валу электродвигателя, соблюдая их полярность и угол сдвига. Для этого потребуется не менее 128 магнитиков.

Готовую конструкцию необходимо подогнать к статору и при этом обеспечить минимальный зазор между зубцами и магнитными полюсами изготовленного ротора. Поскольку магнитики плоские, придётся их шлифовать или обтачивать, при этом постоянно охлаждая конструкцию, так как неодим теряет свои магнитные свойства при высокой температуре. Если вы сделаете всё правильно – генератор заработает.

Проблема состоит в том, что в кустарных условиях очень сложно изготовить идеальный ротор. Но если у вас есть токарный станок и вы готовы потратить несколько недель на подгонку и доработки – можете поэкспериментировать.

Я предлагаю более практичный вариант – превращение асинхронного двигателя в генератор (смотрите видео ниже). Для этого вам понадобится электромотор с подходящей мощностью и приемлемой частотой вращения ротора. Мощность двигателя должна быть минимум на 50% выше от требуемой мощности альтернатора. Если такой электромотор есть в вашем распоряжении – приступайте к переработке. В противном случае лучше купить готовый генератор.

Для переработки вам потребуется 3 конденсатора марки КБГ-МН, МБГО, МБГТ (можно брать другие марки, но не электролитические). Конденсаторы подбирайте на напряжение не менее 600 В (для трёхфазного двигателя). Реактивная мощность генератора Q связанная с емкостью конденсатора следующей зависимостью: Q = 0,314·U²·C·10^-6.

При увеличении нагрузки возрастает реактивная мощность, а значит, для поддержания стабильного напряжения U необходимо увеличивать ёмкость конденсаторов, добавляя новые ёмкости путём коммутации.

Видео: делаем асинхронный генератор из однофазного двигателя – Часть 1
https://www.youtube.com/watch?v=ZQO5S9F72CQ

Часть 2
https://www.youtube.com/watch?v=nDCdADUZghs

Часть 3
https://www.youtube.com/watch?v=6M_w1b2xyM8

Часть 4
https://www.youtube.com/watch?v=CONHg7p-IYE

Часть 5
https://www.youtube.com/watch?v=z2YSqVh2vM8

Часть 6
https://www.youtube.com/watch?v=FNU83kOeSbA

Для упрощения подбора конденсаторов воспользуйтесь таблицей:

Таблица 1

Мощность альтернатора (кВт-А)	Ёмкость конденсатора (мкФ) на холостом ходу	Ёмкость конденсатора (мкФ) при средней нагрузке	Ёмкость конденсатора (мкФ) при полной нагрузке
2	28	36	60
3,5	45	56	100
5	60	75	138

На практике, обычно выбирают среднее значение, предполагая, что нагрузка не будет максимальной.

Подобрав параметры конденсаторов, подключите их к выводам обмоток статора так, как показано на схеме (рис. 7). Генератор готов.

Рис. 7. Схема подключения конденсаторов

Советы по эксплуатации

Асинхронный генератор не требует особого ухода. Его обслуживание заключается в контроле состояния подшипников. На номинальных режимах устройство способно работать годами без вмешательства оператора.

Слабое звено – конденсаторы. Они могут выходить из строя, особенно тогда, когда их номиналы неправильно подобраны.

При работе генератор нагревается. Если вы часто подключаете повышенные нагрузки – следите за температурой устройства или позаботьтесь о дополнительном охлаждении.

Список использованной литературы

• Кацман М.М. «Электрические машины»  2013
• А.А. Усольцев «Электрические машины» 2013
• Бартош А.И. «Электрика для любознательных» 2019

Генератор из асинхронного двигателя своими руками

За основу был взят промышленный асинхронный двигатель переменного тока, мощностью 1,5 кВт с частотой вращения вала 960 об/мин. Сам по себе такой мотор изначально не может работать как генератор. Ему необходима доработка, а именно замена или доработка ротора.
Табличка с маркировкой двигателя:

Двигатель хорош тем, что у него везде где нужно стоят уплотнения, особенно у подшипников. Это существенно увеличивает интервал между периодическими техническими обслуживаниями, так как пыль и грязь никуда просто так попасть и проникнуть не могут.
Ламы у этого электродвигателя можно поставить на любую сторону, что очень удобно.

Переделка асинхронного двигателя в генератор

Снимаем крышки, извлекаем ротор.
Обмотки статора остаются родные, двигатель не перематывается, все остается как есть, без изменений.

Ротор дорабатывался на заказ. Было решено сделать его не цельнометаллическим, а сборным.

То есть, родной ротор стачивается до определенного размера.
Вытачивается стальной стакан и запрессовывается на ротор. Толщина скана в моем случае 5 мм.

Разметка мест для приклеивания магнитов была одной из самых сложных операций. В итоге методом проб и ошибок было решено распечатать шаблон на бумаге, вырезать в нем кружочки под неодимовые магниты – они круглые. И приклеить магниты по шаблону на ротор.
Основная загвоздка возникла в вырезании множественных кружочков в бумаге.
Все размеры подбираются сугубо индивидуально под каждый двигатель. Каких-то общих размеров размещения магнитов дать нельзя.

Неодимовые магниты приклеены на супер клей.

Была сделана сетка из капроновой нити для укрепления.

Далее обматывается все скотчем, снизу делается герметичная опалубка, герметизированная пластилином, а сверху заливная воронка из того же скотча. Заливается все эпоксидной смолой.

Смола потихоньку стекает сверху вниз.

После застывания эпоксидной смолы, снимаем скотч.


Теперь все готов к сборке генератора.

Загоняем ротор в статор. Делать это нужно особо осторожно, так как неодимовые магниты обладают огромной силой и ротор буквально залетает в статор.

Собираем, закрываем крышки.

Магниты не задевают. Залипания почти нет, крутится относительно легко.
Проверка работы. Вращаем генератор от дрели, с частотой вращения 1300 об/мин.
Двигатель подключен звездой, треугольником генераторы такого типа подключать нельзя, не будут работать.
Снимается напряжение для проверки между фазами.

Генератор из асинхронного двигателя работает отлично.

Смотрите видео

Более подробную информацию смотрите в видеоролике.

Канал автора — Peter Dmitriev

Генератор из электродвигателя

Трехфазные асинхронные электродвигатели – агрегаты, применяемые в промышленности, сельском хозяйстве для привода различных механизмов. Применяя специальную схему включения, такой электродвигатель можно использовать в качестве генератора.

Как использовать электродвигатель в качестве генератора

• По стандартной схеме подключения асинхронного электродвигателя в качестве генератора номинальное напряжение и мощность электромотора равны напряжению и мощности двигателя. По формуле определяют реактивную мощность.

• Индуктивная нагрузка на электродвигатель, снижающая коэффициент мощности, сразу же вызывает увеличение нужной емкости. Чтобы поддерживать напряжение в номинальной величине, следует значительно увеличить емкость конденсаторов, подключив дополнительные конденсаторы.

• Частота вращения такого асинхронного генератора в номинальном режиме превышает величину скольжения на 10 процентов, и соответствуют синхронной частоте электродвигателя. Если это условие будет не выполнено, частота генерируемого напряжения будет отличаться от общепромышленной частоты, равной 50 Герц. И это обстоятельство приведет к неустойчивости работы при использовании альтернативного источника электроэнергии в виде электродвигателя, работающего в качестве генератора.

• Наиболее опасны сниженные генерируемые частоты для индуктивных сопротивлений обмоток электрических двигателей, трансформаторов, так как могут привести к повышенному нагреву и выходу агрегатов из строя.

• Генератор из электродвигателя можно сделать, используя асинхронный короткозамкнутый мотор существующей мощности без особых переделок. При этом мощность генератора определяют общей мощностью устройств, которые будут к нему подключены.

• Данный способ является далеко не единственным. В настоящее время есть масса других способов, которые отлично используются на практике. Один из них – батарею конденсатора подключают к одной или же двум обмоткам электромотора-генератора.

Двухфазный режим работы генератора из электродвигателя

Когда нет необходимости получить трехфазное напряжение, можно ограничиться двухфазным и подключить электродвигатель в качестве генератора по другой схеме. Следует отметить, двухфазный режим значительно уменьшает емкость используемых конденсаторов и существенно снижает нагрузку на подключаемые механизмы, позволяя экономить топливо.

Просмотров: 1679

Дата: Воскресенье, 15 Декабрь 2013

Электродвигатель-генератор тока

Электродвигатели генераторы тока широко применяются там, где возникает необходимость в автономной выработке электрического тока. Их основное отличие состоит в разновидности потребляемого топлива, а также силе, размерам и типам получаемого электротока. На ресурс службы таких агрегатов влияет качество генератора и двигателя, потому только качественные электрогенераторы располагают весьма продолжительным сроком службы.

Конструктивные особенности и параметры электродвигателей генераторов тока

Данные электрогенераторы бывают стационарными и портативными. Для стационарных генераторов, мощность которых варьируется в пределах 5-2400 кВт, применяется жидкостное охлаждение. Портативные генераторы с диапазоном мощности 0,5-30 кВт, охлаждаются воздухом.

Согласно виду электротока электрогенераторы подразделяются на генераторы переменного и постоянного тока. Также они классифицируются на одно- и трехфазные,  выходное напряжение которых колеблется  в пределах от 220 до 380 вольт, обеспечивающие работу многим электроприборам.

Конструкции бензиновых генераторов используются в качестве главного либо резервного поставщика электроэнергии в случае ее отключения от магистрали. Они оснащены двух- либо четырехтактным генератором и бензиновым двигателем, преобразующим механическую энергию в электрическую.

Дизельные электродвигатели генераторы тока считаются надежным и экономичным источником электроэнергии. В их конструкцию входит электрический генератор и дизельный двигатель, местом размещения которых является механическая ось вращения.

На работу данных электродвигателей влияет существующая нагрузка и питание. Производители советуют выполнять их включение при температуре не выше 40 и не ниже 45 градусов. Кроме того, такие приборы не должны контактировать с влагой и пылью. Только в таком случае они будут надежно работать на протяжении всего срока пользования.

Где купить электродвигатель генератор тока?

Лучше всего приобрести электродвигатель генератор тока в компании ООО «РДЭ». Она активно сотрудничает с надежными производителями, потому предлагает высококачественные модификации электродвигателей, а также выполняет их поставку по заказу клиента. Подробности Вам объяснят наши консультанты по телефону или непосредственно в офисе.

Просмотров: 3034

Дата: Суббота, 18 Январь 2014

Генераторы

Генераторы

Серии электродвигателей: ВСГ, ГС, СГВ, СМ, СМВ, СГД, СГ3, СГ, ГСБ, СГ2, СГДМ, ТПС, ТПСМ, СГТ

Наименование	Мощность, кВт	Синхронная частота вращения, об/мин	Напряжение, В
ГСБ-1800-6,3-1500УХЛ2	1800	1500	6300
ГСБ-1800-10,5-1500УХЛ2	1800	1500	10500
ГСБ-1120-0,69-1000УХЛ2	1120	1000	690
ГСБ-1120-6,3-1000УХЛ2	1120	1000	6300
ГСБ-1650-6,3-1000УХЛ2	1650	1000	6300
ГСБ-1650-10,5-1000УХЛ2	1650	1000	10500
ГСБ-1120-0,69-1000Т2	1120	1000	690
ГСБ-1650-10,5-1000Т2	1650	1000	10500
СГ-1250-1500У2	1250	1500	400
СГ-1500-6,3-500УХЛ4	1500	500	6300
СГД-16-69-6УХЛ4	3500	1000	6300
СГД-16-84-6УХЛ4	3500	1000	10500
СГД-16-84-8УХЛ4	3500	750	10500
СГД-16-69-6Т4	3500	1000	6300
СГД-16-84-6Т4	3500	1000	11000
СГД-16-71-8Т3	3500	750	6300
ГС-100-0,4-1500	100	1500	400
СГВ-500-10,5-300УХЛ4	500	300	10500
СМ-500-6,3-300УХЛ4	500	300	6300
СМВ-4000-18УХЛ4	4000	333,3	6300
ТПС-1,5-2M2У3	1500	3000	10500; 6300
ТПС-2,5-2M2У3	2500	3000	10500; 6300
ТПС-4-2M2У3	4000	3000	10500; 6300
ТПС-6-2ЕУ3	6000	3000	10500; 6300
ТПС-8-2ЕУ3	8000	3000	10500; 6300
ТПС-12-2ЕУ3	12000	3000	10500; 6300
ТПС-16-2ЕУ3	16000	3000	10500; 6300
СГДМ-1500	1500	1000; 750	400; 690
СГДМ-1850	1850	1000; 750	400; 690
СГДМ-2850	2850	1000; 750	6600; 690
СГДМ-3500	3500	1000; 750	6600; 690
СГДМ-4500	4500	1000; 750	6600; 690
СГДМ-6300	6300	1000; 750	6600
СГДМ-8000	8000	750	6600
СГДМ-9000	9000	750	6600
СГ3-200	200	1000; 5000	400; 690
СГ3-500	500	1000; 5000	400; 690
СГ3-630	630	1000; 5000	400; 690
СГ3-800	800	1000; 5000	400; 690
СГ3-1100	1100	1000; 5000	400; 690

Наши конкурентные преимущества:

• концерн разрабатывает и изготавливает электрические машины по индивидуальным заказам без увеличения сроков изготовления
• более высокий КПД относительно продукции иных производителей России и стран СНГ
• изготовление электродвигателей с промежуточной нестандартной мощностью, что сокращает издержки без потери качества и гарантийного срока
• показатель уровня обслуживания покупателей 95%
• изготовление электродвигателей под вашей торговой маркой
• условия оплаты и поставки с учетом особенностей склада на вашей территории
• процедура trade in, которая распространяется не только на двигатели, но и на агрегаты

При заказе вы можете выбрать:

• изготовление сертифицированных двигателей для работы в составе частотно-регулируемого привода
• подшипники различных производителей – SKF, FAG или отечественные. При необходимости в двигателе могут устанавливаться токоизолированные подшипники
• смазку различных производителей. Унификация еще на этапе поставки смазки с принятой на предприятии эксплуатации позволяет запускать в эксплуатацию двигатель без замены смазки и требующейся при этом промывки подшипник
• необходимую конфигурацию мест под датчики вибрации. Наиболее частыми являются заказы двигателей с местами под датчики вибрации и датчики ударных испульсов SPM, SLD. При заказе нами предлагается удобная графическая схема выбора осей измерения вибрации. Для установки уровней вибрации «Предупреждение» и «Отключение» рекомендуется использовать нормы, установленные ГОСТ Р ИСО 10816-3
• диаметр кабельного ввода силовой коробки выводов
• овальные установочные размеры в лапах
• необходимый цвет двигателя или поставку в загрунтованном виде
• протокол приемо-сдаточных испытаний

Электродвигатель, используемый в качестве генератора

В = -N (dΦ / dt)

Электричество и магнетизм

Электродвигатель, используемый в качестве генератора

Практическая деятельность для 14-16

Демонстрация

Вы можете генерировать переменный ток с помощью двигателя с дробной мощностью.

Аппаратура и материалы

Примечания по охране труда и технике безопасности

Для удобства двигатель должен быть установлен на плате, как показано, с гнездами 4 мм для подключения к обмоткам ротора и статора.

Прочтите наше стандартное руководство по охране труда

Процедура

1. Подсоединить обмотки якоря (ротора) к демонстрационному счетчику.
2. Подключить обмотки возбуждения (статора) к низковольтному источнику питания.
3. Установите напряжение питания 2 В постоянного тока. и включите
4. Поверните якорь, вращая шкив на валу рукой.
5. Измените направление вращения, чтобы увидеть разницу.
6. Повторить без подачи напряжения на полевые клеммы.

Учебные заметки

• Только маленькие динамо-машины имеют постоянные магниты для создания магнитного поля; у больших есть электромагниты (катушки которых обычно получают немного от собственного выходного тока динамо-машины).
• Очень большой перем. генераторы на электростанциях называются генераторами переменного тока. В них совокупность катушек возбуждения вращается, приводимая в движение турбиной, и называется ротором. Катушки якоря, в которых генерируется выходное напряжение, удерживаются в раме вне ротора и остаются неподвижными; это статор.
• Эта конструкция удобна для больших машин, поскольку не требует щеток, коммутатора или контактных колец для передачи большого выходного тока. Электромагниты вращающегося ротора питаются небольшим постоянным током, в котором они нуждаются, от небольшого d.c. динамо-машина на том же вращающемся валу, что и большой генератор.
• Динамо-машина, вращающаяся с постоянной скоростью с полевым магнитом, поддерживающим постоянную силу, создает постоянную разность потенциалов (ЭДС), как батарея элементов с хорошим поведением. Даже при отсутствии выходного тока динамо-машина все равно производит ЭДС. Готов водить ток. Когда вы позволяете ему управлять током, подключая что-либо к его выходным клеммам, величина тока зависит от сопротивления устройства, которое вы подключаете (и внутреннего сопротивления динамо-катушек).

Этот эксперимент прошел испытания на безопасность в апреле 2006 г.

• Видео, демонстрирующее аналогичный эксперимент с электромагнитной индукцией:

Как заряжать аккумулятор на 12 В с помощью двигателя постоянного тока

Свинцово-кислотный аккумулятор является источником постоянного тока (DC) электричества. Когда аккумулятор начинает разряжаться, его необходимо зарядить другим источником постоянного тока.Электродвигатель — это источник переменного тока. Чтобы электродвигатель вырабатывал энергию постоянного тока, его выход должен проходить через электронную схему, называемую выпрямителем. Электродвигатель может использоваться вместе с источником механической энергии и выпрямителем для подзарядки 12-вольтовой батареи.

Отрежьте четыре отрезка провода и снимите 1/2 дюйма изоляции с концов каждого провода. Используя гаечный ключ, ослабьте верхние болты на обоих разъемах клемм аккумуляторной батареи.

Вставьте один конец первого провода в пространство, образованное ослаблением верхних болтов на первой клемме аккумулятора.Затяните верхние болты на первой клемме аккумулятора. Припаиваем провод к клемме.

Вставьте один конец второго провода в пространство, образованное ослаблением верхних болтов на втором выводе аккумулятора. Затяните верхние болты на втором выводе аккумуляторной батареи. Припаиваем провод к клемме.

Присоедините свободный конец первого провода к положительной клемме или «+» на блоке выпрямителя и припаяйте соединение. Присоедините свободный конец второго провода к отрицательной клемме или «-» на блоке выпрямителя и припаяйте провод к клемме.

Присоедините клемму аккумулятора на конце первого провода к положительному полюсу аккумулятора. Присоедините клемму аккумулятора на конце второго провода к отрицательному полюсу аккумулятора.

Присоедините один конец третьего провода к одной из клемм двигателя и припаяйте соединение. Присоедините один конец четвертого провода к оставшейся клемме двигателя и припаяйте соединение.

Присоедините свободный конец третьего провода к одной из клемм «AC» на блоке выпрямителя и припаяйте соединение.Присоедините свободный конец четвертого провода к другой клемме «AC» на блоке выпрямителя. Проверните вал ротора на двигателе, чтобы зарядить аккумулятор.

Как работают электродвигатели и генераторы

Электромобили используют исключительно электродвигатели для движения, а гибриды используют электродвигатели для помощи своим двигателям внутреннего сгорания при передвижении. Но это не все. Эти самые двигатели могут использоваться и используются для выработки электроэнергии (в процессе рекуперативного торможения) для зарядки бортовых аккумуляторов этих транспортных средств.

Самый частый вопрос: «Как это может быть … как это работает?» Большинство людей понимают, что для работы двигатель работает от электричества — они каждый день видят это в своих бытовых приборах (стиральных машинах, пылесосах, кухонных комбайнах).

Но идея о том, что двигатель может «вращаться в обратном направлении», фактически вырабатывая электричество, а не потребляя его, кажется почти магией. Но как только мы понимаем взаимосвязь между магнитами и электричеством (электромагнетизм) и концепцию сохранения энергии, загадка исчезает.

Электромагнетизм

Электроэнергия и выработка электроэнергии начинаются со свойства электромагнетизма — физических отношений между магнитом и электричеством. Электромагнит — это устройство, которое действует как магнит, но его магнитная сила проявляется и контролируется электричеством.

Когда провод, сделанный из проводящего материала (например, меди), движется через магнитное поле, в проводе создается ток (элементарный генератор). И наоборот, когда электричество проходит через провод, намотанный вокруг железного сердечника, и этот сердечник находится в присутствии магнитного поля, он будет двигаться и скручиваться (очень простой двигатель).

Моторы / генераторы

Мотор / генераторы — это действительно одно устройство, которое может работать в двух противоположных режимах. Вопреки тому, что иногда думают люди, это не означает, что два режима двигателя / генератора работают в обратном направлении друг от друга (что в качестве двигателя устройство вращается в одном направлении, а в качестве генератора оно вращается в противоположном направлении).

Вал всегда вращается одинаково. «Смена направления» заключается в потоке электричества. В качестве двигателя он потребляет электричество (поступает) для производства механической энергии, а в качестве генератора он потребляет механическую энергию для производства электроэнергии (вытекает).

Электромеханическое вращение

Электродвигатели / генераторы обычно бывают двух типов: переменного (переменного тока) или постоянного (постоянного тока), и эти обозначения указывают на тип электроэнергии, которую они потребляют и генерируют.

Если не вдаваться в подробности и не затушевывать проблему, то вот разница: переменный ток меняет направление (чередуется) по мере прохождения через цепь. Постоянный ток течет в одном направлении (остается неизменным) при прохождении через цепь.

Тип используемого тока в основном зависит от стоимости устройства и его эффективности (двигатель / генератор переменного тока обычно дороже, но также намного эффективнее). Достаточно сказать, что в большинстве гибридов и во многих более крупных полностью электрических транспортных средствах используются двигатели / генераторы переменного тока, поэтому мы сосредоточимся на этом типе в этом объяснении.

Двигатель / генератор переменного тока состоит из 4 основных частей:

• Якорь с проволочной обмоткой на валу (ротор)
• Поле магнитов, которые индуцируют электрическую энергию, уложенную бок о бок в корпусе (статоре)
• Контактные кольца, пропускающие переменный ток к / от якоря
• Щетки, которые контактируют с контактными кольцами и передают ток в / из электрической цепи

Генератор переменного тока в действии

Якорь приводится в движение механическим источником энергии (например, при промышленном производстве электроэнергии это будет паровая турбина).Когда этот намотанный ротор вращается, его проволочная катушка проходит над постоянными магнитами в статоре, и в проводах якоря создается электрический ток.

Но поскольку каждая отдельная петля в катушке сначала проходит через северный полюс, а затем через южный полюс каждого магнита по мере его вращения вокруг своей оси, индуцированный ток постоянно и быстро меняет направление. Каждое изменение направления называется циклом и измеряется в циклах в секунду или герцах (Гц).

В Соединенных Штатах частота цикла составляет 60 Гц (60 раз в секунду), тогда как в большинстве других развитых стран мира она составляет 50 Гц.Отдельные контактные кольца установлены на каждом из двух концов проволочной петли ротора, чтобы обеспечить путь для выхода тока из якоря. Щетки (которые на самом деле являются угольными контактами) скользят по контактным кольцам и завершают путь для тока в цепь, к которой подключен генератор.

Двигатель переменного тока в действии

Действие двигателя (подача механической энергии), по сути, противоположно действию генератора. Вместо того, чтобы вращать якорь для выработки электричества, ток подается по цепи через щетки и контактные кольца в якорь.Этот ток, протекающий через обмотанный катушкой ротор (якорь), превращает его в электромагнит. Постоянные магниты в статоре отражают эту электромагнитную силу, заставляя якорь вращаться. Пока электричество течет по цепи, двигатель будет работать.

Может ли электродвигатель работать как генератор?

ДА, но это может быть сделано только в течение длительного времени 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 электриком-атомщиком. Моя электрическая установка включает в себя электродвигатели-генераторы мощностью от 2 до 500 кВт. Когда сторона переменного тока работала как двигатель переменного тока, сторона постоянного тока была генератором постоянного тока, который подавал мощность на батарею субмарины, обратный ток, а конец постоянного тока становился двигателем постоянного тока, а двигатель переменного тока менял направление тока и работал как генератор переменного тока. Скорость и направление вращения электродвигателя-генератора переменного и постоянного тока с общим валом не менялись независимо от того, какой конец действовал как электродвигатель, 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 изменило направление тока, — это повышение или понижение сопротивления через реостаты.

Там, где вы не выполняете подключение, вы должны помнить о положительной и отрицательной клеммах генератора постоянного тока относительно напряжений на клеммах аккумулятора. Если положительный вывод машины постоянного тока составляет, например, 100 В постоянного тока, но положительное напряжение на клемме аккумулятора равно 100.1 В постоянного тока, ток выйдет из клеммы батареи, через двигатель постоянного тока на противоположную клемму батареи и через кислоту, чтобы замкнуть цепь. Если при увеличении тока шунта в двигателе постоянного тока клеммы машины постоянного тока по отношению к батарее будут выше, ток изменит направление и зарядит батарею.

Имейте в виду, что в каждом работающем электродвигателе есть действие генератора, и каждый генератор имеет действие двигателя (противодействие ЭДС). Двигатели переменного тока не требуют пускового сопротивления, поскольку полное сопротивление обмоток и частота переменного тока ограничивают пусковой ток при пуске.Однако для двигателей постоянного тока требуются пусковые резисторы, потому что частота постоянного тока равна нулю, и, следовательно, без пускового сопротивления бросок очень велик; однако, как только двигатель постоянного тока вращается, пусковые резисторы отключены от цепи, потому что действие генератора (противодействие ЭДС) в электродвигателе ограничивает рабочий ток. Используя этот счетчик ЭДС через шунтирующий ток, вы можете управлять напряжением на клеммах машины постоянного тока.

Другая 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 устанавливает и тормозит соединения, когда двигатель вращается, поэтому ротор полярность поля относительно полюсов статора остается правильной, а электродвигатель продолжает вращаться.Серийный двигатель постоянного тока будет работать от переменного тока, блендеры, буровые двигатели и т. Д. — это двигатели постоянного тока (универсальные двигатели). Несмотря на то, что полярность клемм с переменным током будет переключаться назад и вперед, из-за коммутатора и того факта, что тот же ток течет в поле и статоре, 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 повысить частоту, я подниму киловатт, а если я попытаюсь поднять напряжение, я подниму киловольт.Если я уменьшу частоту и напряжение в достаточной степени, генератор разгрузится до такой степени, что обратное направление тока и двигатели генератора переменного тока. С шунтирующим электродвигателем постоянного тока путем управления током, проходящим через шунтирующее охлаждение, клеммы машины постоянного тока будут превышать или быть ниже напряжения батареи / системы постоянного тока. Если клеммы постоянного тока выше напряжения батареи, ток будет течь в батарею, если клеммы постоянного тока упадут ниже напряжения батареи, ток изменит направление, и ток будет течь из батареи, и генератор постоянного тока станет двигателем постоянного тока без изменения направления .

Электродвигатели и генераторы

Электродвигатели, генераторы, генераторы и громкоговорители объясняются с помощью анимации и схем. Это страница ресурсов Physclips, многоуровневого мультимедийного введения в физику (загрузите анимацию на этой странице). Двигатели постоянного тока Простой двигатель постоянного тока имеет катушку с проволокой, которая может вращаться в магнитном поле. В ток в катушке подается через две щетки, которые обеспечивают подвижный контакт с разрезное кольцо.Катушка находится в постоянном магнитном поле. Силы приложили на токоведущих проводах создают крутящий момент на катушке. Сила F на проводе длиной L, по которому течет ток i в магнитном поле. B равно iLB, умноженному на синус угла между B и i, который будет равен 90 °, если поля были равномерно вертикальными. Направление F идет справа ручная линейка *, как показано здесь. Две силы, показанные здесь, равны и противоположны, но они смещены вертикально, поэтому создают крутящий момент.(Силы на две другие стороны катушки действуют по одной и той же линии и поэтому не создают крутящего момента.) * Для запоминания направления силы используется ряд различных символов. Некоторые используют правую руку, некоторые — левую. Студентам, знакомым с векторным умножением, легко использовать силу Лоренца напрямую: F = q v X B , откуда F = i dL В .Это источник диаграммы, показанной здесь. Катушку также можно рассматривать как магнитный диполь или небольшой электромагнит, как указано стрелкой SN: согните пальцы правой руки в направление течения, а ваш большой палец — северный полюс. В эскизе Справа изображен электромагнит, образованный катушкой ротора. как постоянный магнит, и тот же крутящий момент (север притягивает юг) действовать для выравнивания центрального магнита. Мы используем синий для Северного полюса и красный для Южного. Это просто соглашение, чтобы сделать ориентацию ясной: нет никакой разницы в материале на обоих концах магнита, и они обычно не окрашиваются в другой цвет. Обратите внимание на влияние щеток на разрезное кольцо . Когда плоскость вращающейся катушки достигает горизонтали, щетки разорвут контакт (теряется не так много, потому что это точка нулевого момента все равно — силы действовать внутрь).Угловой момент катушки переносит ее через этот разрыв. точка, и ток затем течет в противоположном направлении, что меняет направление на противоположное. магнитный диполь. Итак, после прохождения точки останова ротор продолжает движение. повернуть против часовой стрелки и начать выравнивание в обратном направлении. в В следующем тексте я буду в основном использовать картинку «крутящий момент на магните», но имейте в виду, что использование щеток или переменного тока может привести к появлению полюсов электромагнит, о котором идет речь, меняет положение, когда ток меняет направление. Крутящий момент, создаваемый в течение цикла, зависит от вертикального разделения две силы. Следовательно, это зависит от синуса угла между ось катушки и поле. Однако из-за разрезного кольца оно всегда в том же смысле. Анимация ниже показывает его изменение во времени, а вы можно остановить на любом этапе и проверить направление, приложив правую руку правило. Двигатели и генераторы Теперь двигатель постоянного тока также является генератором постоянного тока.Взгляните на следующую анимацию. В катушка, разрезное кольцо, щетки и магнит — это то же оборудование, что и двигатель выше, но катушка вращается, что генерирует ЭДС. Если вы используете механическую энергию для вращения катушки (N витков, область A) с равномерной угловая скорость ω в магнитном поле B , это создаст в катушке синусоидальную ЭДС. ЭДС (ЭДС или электродвижущая сила — это почти то же самое, что и напряжение).Пусть θ будет угол между B и нормалью к катушке, поэтому магнитный поток φ равен NAB.cos θ. Закон Фарадея дает: Приведенная выше анимация будет называться генератором постоянного тока. Как и в двигателе постоянного тока, концы катушки соединяются с разрезным кольцом, две половины которого контактируют кистями. Обратите внимание, что щетки и разрезное кольцо «исправляют» создаваемую ЭДС: контакты организованы так, что ток всегда будет течь в одном и том же направление, потому что, когда катушка проходит мимо мертвой точки, где щетки встречаются зазор в кольце, соединения между концами катушки и внешние клеммы перевернуты.ЭДС здесь (без учета мертвой зоны, которая обычно бывает при нулевом напряжении) равна | NBAω sin ωt |, как нарисовано. Генератор Если нам нужен AC, нам не нужно исправление, поэтому нам не нужны разрезные кольца. (Этот это хорошая новость, потому что разрезные кольца вызывают искры, озон, радиопомехи и дополнительный износ. Если ты хочешь Постоянного тока, часто лучше использовать генератор и выпрямлять диоды.) В следующей анимации две кисти соприкасаются с двумя непрерывными кольцами, поэтому две внешние клеммы всегда подключены к одним и тем же концам катушки.Результатом является не исправленная синусоидальная ЭДС, заданная NBAω sin ωt, который показан на следующей анимации. Это генератор переменного тока. Преимущества переменного и постоянного тока генераторы сравниваются в разделе ниже. Выше мы видели, что двигатель постоянного тока также является генератором постоянного тока. Точно так же генератор переменного тока также является двигателем переменного тока. Тем не мение, это довольно негибкий. (Смотри как настоящие электродвигатели работают для более подробной информации.) ЭДС задняя Теперь, как показывают первые две анимации, двигатели и генераторы постоянного тока могут быть то же самое. Например, двигатели поездов становятся генераторами, когда поезд замедляется: они преобразуют кинетическую энергию в электрическую и мощность обратно в сеть. В последнее время несколько производителей начали производить легковые автомобили. рационально. В таких автомобилях электродвигатели, используемые для привода автомобиля, также используется для зарядки аккумуляторов при остановке автомобиля — это называется регенеративным торможение. Итак, вот интересное следствие. Каждый двигатель — это генератор . Это правда, в некотором смысле, даже когда он функционирует как двигатель. ЭДС, что двигатель генерирует называется обратной ЭДС . Обратная ЭДС увеличивается с увеличением скорость из-за закона Фарадея. Итак, если двигатель не нагружен, он очень сильно крутится. быстро и разгоняется до появления обратной ЭДС плюс падение напряжения из-за потерь, равно напряжению питания. Обратную ЭДС можно рассматривать как «регулятор»: он останавливает двигатель, вращающийся бесконечно быстро (что избавляет физиков от некоторого затруднения).Когда двигатель загружен, то фаза напряжения становится ближе к фазе тока (начинает выглядят резистивными), и это кажущееся сопротивление дает напряжение. Итак, спина Требуемая ЭДС меньше, и двигатель вращается медленнее. (Чтобы добавить обратно ЭДС, которая является индуктивной, к резистивной составляющей необходимо добавить напряжения которые не совпадают по фазе. См. AC схем.) Катушки обычно имеют сердечники На практике (и в отличие от схем, которые мы нарисовали) генераторы и постоянный ток двигатели часто имеют сердечник с высокой проницаемостью внутри катушки, так что большие магнитные поля создаются умеренными токами.Это показано слева в рисунок ниже, на котором статоры (статические магниты) постоянные магниты. Моторы универсальные Магниты статора также могут быть выполнены в виде электромагнитов, как показано выше. справа. Два статора намотаны в одном направлении, чтобы поле в том же направлении, а ротор имеет поле, которое дважды меняет направление за цикл, потому что он подключен к щеткам, которые здесь не указаны.Один Преимущество наличия статоров в двигателе состоит в том, что можно сделать двигатель который работает от переменного или постоянного тока, так называемый универсальный двигатель . Когда вы едете у такого мотора с переменным током ток в катушке меняется дважды в каждом цикле (помимо изменений со щеток), а вот полярность статоров изменяется одновременно, поэтому эти изменения аннулируются. (К сожалению, кисти еще остались, хотя я спрятал их в этом наброске.) За преимущества и недостатки постоянного магнита по сравнению со статорами с обмоткой см. ниже. Также смотрите больше на универсальных моторах. Постройте простой мотор Чтобы построить этот простой, но странный мотор, вам понадобятся два довольно сильных магнита. (подойдут редкоземельные магниты диаметром около 10 мм, магниты), жёсткий медный провод (не менее 50 см), два провода с крокодилом зажимы на обоих концах, фонарь на шесть вольт, две банки для безалкогольных напитков, два блока дерева, липкой ленты и острого гвоздя. Сделайте катушку из жесткого медного провода, чтобы не нуждаться во внешних служба поддержки. Намотайте от 5 до 20 витков по кругу диаметром около 20 мм и два конца радиально направлены наружу в противоположных направлениях. Эти цели будут быть одновременно осью и контактами. Если провод имеет лаковую или пластиковую изоляцию, снимите его на концах. Опоры оси могут быть выполнены из алюминия, поэтому что они создают электрический контакт.Например, проткнуть безалкогольный напиток банки с гвоздем, как показано на рисунке. Расположите два магнита с севера на юг, так что магнитное поле проходит через катушку под прямым углом к оси. Заклейте или приклейте магниты к деревянным блокам (не показаны на диаграмме), чтобы они оставались на нужной высоте, затем переместите блоки поставить их на место, достаточно близко к катушке. Сначала поверните катушку так что магнитный поток через катушку равен нулю, как показано на схеме. Теперь возьмем аккумулятор и два провода с зажимами типа «крокодил». Соединять два вывода батареи к двум металлическим опорам для катушка и она должна повернуться. Обратите внимание, что у этого двигателя есть по крайней мере одна «мертвая зона»: он часто останавливается. в положении, когда на катушке отсутствует крутящий момент. Не уходи он горит слишком долго: он быстро разряжает аккумулятор. Оптимальное количество витков в катушке зависит от внутреннего сопротивление аккумулятора, качество опорных контактов и тип провода, поэтому вам следует поэкспериментировать с разными значениями. Как уже говорилось выше, это тоже генератор, но очень неэффективный. Чтобы увеличить ЭДС, используйте больше витков (может потребоваться использовать более тонкую проволоку и рамку для намотки.) Вы можете использовать например, электродрель, чтобы быстро ее повернуть, как показано на рисунке выше. Воспользуйтесь осциллографом, чтобы посмотреть на генерируемую ЭДС. Это переменный или постоянный ток? У этого двигателя нет разрезного кольца, почему он работает на DC? Проще говоря, если бы он был точно симметричным, это не сработало бы.Однако, если ток в одном полупериоде немного меньше, чем в другом, то средний крутящий момент не будет равен нулю, и, поскольку он вращается достаточно быстро, угловой момент, приобретенный во время полупериода с большим током, переносит его через полупериод, когда крутящий момент находится в противоположном направлении. По крайней мере два эффекта могут вызвать асимметрию. Даже если провода полностью зачищены и чистые, контактное сопротивление вряд ли будет одинаковым даже в состоянии покоя. Кроме того, само вращение приводит к прерывистому контакту, поэтому, если в течение одной фазы есть более длительные отскоки, этой асимметрии будет достаточно.В принципе, вы можете частично зачистить провода таким образом, чтобы ток был равен нулю за один полупериод. Альтернативная версия простого двигателя Джеймса Тейлор. Еще более простой двигатель (который также намного проще понять!) — это униполярный двигатель. Двигатели переменного тока С помощью переменного тока мы можем изменить направление поля без использования щеток.Это хорошие новости, потому что мы можем избежать дуги, образования озона и омическая потеря энергии, которую могут повлечь за собой щетки. Далее, потому что кисти контактируют между движущимися поверхностями, они изнашиваются. Первое, что нужно сделать в двигателе переменного тока, — это создать вращающееся поле. ‘Обычный’ Переменный ток от 2-х или 3-х контактной розетки — это однофазный переменный ток — он имеет одну синусоидальную разность потенциалов создается только между двумя проводами — активным и нейтральным. (Обратите внимание, что заземляющий провод не пропускает ток, за исключением электрические неисправности.) При однофазном переменном токе можно создать вращающееся поле. за счет генерации двух противофазных токов с помощью, например, конденсатора. В показанном примере два тока сдвинуты по фазе на 90 °, поэтому вертикальный составляющая магнитного поля синусоидальная, а горизонтальная косусоидальная, как показано. Это дает поле, вращающееся против часовой стрелки. (* Меня попросили объяснить это: из простого AC Теоретически, ни катушки, ни конденсаторы не имеют напряжения в фазе с электрический ток.В конденсаторе напряжение максимально, когда заряд закончил течь на конденсатор и вот-вот начнет стекать. Таким образом, напряжение отстает от тока. В чисто индуктивной катушке падение напряжения является наибольшим, когда ток изменяется наиболее быстро, что также когда ток равен нулю. Напряжение (падение) опережает ток. В моторных катушках фазовый угол меньше 90, потому что электрические энергия преобразуется в механическую энергию.) На этой анимации графики показывают изменение токов во времени. в вертикальной и горизонтальной катушках. График компонент поля B x и B y показывает, что векторная сумма этих двух полей является вращающейся поле. Основное изображение показывает вращающееся поле. Он также показывает полярность магнитов: как указано выше, синий представляет северный полюс, а красный — южный полюс. Если мы поместим постоянный магнит в эту область вращающегося поля, или если мы положим в катушке, ток которой всегда течет в одном и том же направлении, тогда это становится Синхронный двигатель .В широком диапазоне условий двигатель будет повернуть со скоростью магнитного поля. Если у нас много статоров, вместо этого всего двух пар, показанных здесь, то мы могли бы рассматривать его как шаговый двигатель: каждый импульс перемещает ротор на следующую пару задействованных полюсов. Пожалуйста, помните мое предупреждение об идеализированной геометрии: настоящие шаговые двигатели десятки полюсов и довольно сложные геометрические формы! Двигатели асинхронные Теперь, поскольку у нас есть изменяющееся во времени магнитное поле, мы можем использовать наведенную ЭДС в катушке — или даже просто вихревые токи в проводнике — чтобы ротор магнит.Правильно, если у вас есть вращающееся магнитное поле, вы можете просто вставил проводник и получается. Это дает несколько преимуществ асинхронные двигатели : отсутствие щеток или коммутатора означает более простое производство, нет износ, отсутствие искр, отсутствие образования озона и отсутствие связанных с этим потерь энергии с ними. Слева внизу схематическое изображение асинхронного двигателя. (Для фотографий настоящие асинхронные двигатели и дополнительную информацию см. в разделе Индукция. двигатели.) Ваш браузер не поддерживает видео тег. Анимация справа представляет двигатель с короткозамкнутым ротором . Белка клетка имеет (во всяком случае, в этой упрощенной геометрии!) два круглых проводника, соединенных несколькими прямыми стержнями. Любые два стержня и соединяющие их дуги образуют катушка — на что указывают синие черточки в анимации. (Только два из для простоты показано много возможных схем.) На этой схеме показано, почему их можно назвать двигателями с короткозамкнутым ротором.Реальность иная: фотографии и подробности см. В разделе «Индукция». моторы. Проблема с показанными асинхронными двигателями и двигателями с короткозамкнутым ротором в этой анимации показано, что конденсаторы высокой стоимости и высокого напряжения стоят дорого. Одним из решений является двигатель с экранированным полюсом, но его вращающийся поле имеет некоторые направления, в которых крутящий момент небольшой, и имеет тенденцию бежать назад при некоторых условиях. Самый простой способ избежать этого — использовать многофазные двигатели. Трехфазные асинхронные двигатели переменного тока Однофазный используется в домашних условиях для приложений с низким энергопотреблением, но у него есть недостатки. Во-первых, он выключается 100 раз в секунду (вы не обратите внимание, что флуоресцентные лампы мигают с такой скоростью, потому что ваши глаза слишком медленные: даже 25 изображений в секунду на экране телевизора достаточно, чтобы дать иллюзию непрерывного движения.) Во-вторых, это делает его неудобным для создания вращающихся магнитных полей.По этой причине некоторая высокая мощность (несколько кВт) для бытовых устройств может потребоваться трехфазная установка. Промышленное применение широко использовать трехфазный двигатель, трехфазный асинхронный двигатель является стандартным рабочая лошадка для приложений большой мощности. Три провода (не считая земли) несут три возможных разности потенциалов, которые не совпадают по фазе с каждым другое на 120 °, как показано на анимации ниже. Таким образом, три статора плавно вращающееся поле. (Посмотри это ссылка для получения дополнительной информации о трехфазном питании.) Если поместить постоянный магнит в такой набор статоров, он станет синхронным. трехфазный двигатель . На анимации изображена беличья клетка, в которой простота показана только одна из многих петель наведенного тока. Без механической нагрузки, он вращается практически синхронно с вращающимся полем. Ротор не обязательно должен быть беличьей клеткой: на самом деле любой проводник, который переносимые вихревые токи будут вращаться, стремясь следовать за вращающимся полем.Такая компоновка может дать асинхронный двигатель , обладающий высоким КПД, высокая мощность и высокие крутящие моменты в диапазоне скоростей вращения. Линейные двигатели Набор катушек можно использовать для создания магнитного поля, которое переводит, скорее, чем вращается. На паре катушек на анимации ниже подается импульс от слева направо, поэтому область магнитного поля перемещается слева направо. А постоянный или электромагнит будет стремиться следовать за полем.Так что простой плита из проводящего материала, потому что в ней наведены вихревые токи (не показаны) содержат электромагнит. В качестве альтернативы мы могли бы сказать, что из Фарадея закон, ЭДС в металлической плите всегда индуцируется, чтобы противодействовать любому изменению в магнитном потоке, а силы на токах, вызванные этой ЭДС, сохраняют поток в плите почти постоянный. (Вихревые токи на этой анимации не показаны.) В качестве альтернативы мы могли бы иметь комплекты катушек с питанием в подвижной части, и наводить вихревые токи в рельсе.В любом случае получается линейный двигатель, который был бы полезен, скажем, для поездов на магнитной подвеске. (В анимации геометрия как обычно на этом сайте, в высшей степени идеализирован, и только один вихретоковый ток показано.) Некоторые примечания к двигателям переменного и постоянного тока для приложений большой мощности Этот сайт изначально был написан в помощь старшеклассникам. и учителя в Новом Южном Уэльсе, Австралия, где сосредоточены новые учебные программы по истории и приложениям физики за счет самой физики, был введен.В новой программе в одной из точечных точек указано следующее: озадачивающее требование: «объясните, что двигатели переменного тока обычно производят малую мощность и связывают это с их использованием в электроинструментах «. Двигатели переменного тока используются для приложений с большой мощностью, когда это возможно. Три фазные асинхронные двигатели переменного тока широко используются для приложений большой мощности, в том числе тяжелая индустрия. Однако такие двигатели непригодны, если многофазность недоступна, или трудно доставить. Электропоезда тому пример: строить проще линии электропередач и пантографы, если нужен только один активный проводник, так что это обычно имеет постоянный ток, и многие двигатели поездов работают на постоянном токе.Однако из-за недостатков постоянного тока для высокой мощности, более современные поезда преобразуют постоянный ток в переменный, а затем бегут трехфазные двигатели. Однофазные асинхронные двигатели имеют проблемы при объединении приложений высокая мощность и гибкие условия нагрузки. Проблема заключается в создании вращающееся поле. Конденсатор может использоваться для подачи тока в один набор впереди катушки, но дорогие высоковольтные конденсаторы стоят дорого. Затененный Вместо них используются полюсы, но крутящий момент на некоторых углах невелик.Если нельзя создают плавно вращающееся поле, и если груз «проскальзывает» далеко за поле, то крутящий момент падает или даже меняется на противоположное. В электроинструментах и ​​некоторых приборах используются щеточные электродвигатели переменного тока. Кисти вводят потери (плюс образование дуги и озона). Полярность статора изменена. 100 раз в секунду. Даже если материал сердечника выбран так, чтобы минимизировать гистерезис потерь («потери в железе»), это способствует неэффективности и возможности перегрева.Эти моторы можно назвать универсальными. двигатели, потому что они могут работать на постоянном токе. Это дешевое, но грубое решение. и неэффективно. Для приложений с относительно низким энергопотреблением, таких как электроинструменты, неэффективность обычно экономически не важна. Если доступен только однофазный переменный ток, можно исправить переменный ток и использовать Двигатель постоянного тока. Раньше сильноточные выпрямители были дорогими, но сейчас они становятся все более дорогими. менее дорогой и более широко используемый. Если вы уверены, что понимаете принципы, пора перейти к разделу «Как настоящие электродвигатели работают Джона Стори.Или продолжайте здесь, чтобы найти о громкоговорителях и трансформаторах. Громкоговорители Громкоговоритель — это линейный двигатель с небольшим диапазоном. Имеет одинарное перемещение катушка, которая постоянно, но гибко подключена к источнику напряжения, поэтому кистей нет. The катушка движется в поле постоянного магнита, который обычно имеет форму для создания максимального усилия на катушке.Подвижная катушка не имеет сердечника, поэтому его масса невелика, и он может быстро ускоряться, что позволяет частота движения. В громкоговорителе катушка прикреплена к легкому весу. бумажный конус, который поддерживается на внутреннем и внешнем краях круглыми, плиссированные бумажные «пружины». На фотографии ниже динамик находится за пределами нормальный верхний предел его перемещения, поэтому катушка видна над полюса магнита. Для низкочастотного звука с большой длиной волны необходимы большие диффузоры.Диаметр динамика, показанного ниже, составляет 380 мм. Колонки, предназначенные для низкие частоты называются вуферами. Они имеют большую массу и поэтому трудно быстро разогнаться для высокочастотных звуков. На фотографии ниже часть вырезана, чтобы показать внутренние компоненты. Твитеры — громкоговорители, предназначенные для высоких частот — могут быть просто динамики аналогичной конструкции, но с небольшими диффузорами и катушками малой массы.В качестве альтернативы они могут использовать пьезоэлектрические кристаллы для перемещения конуса. Громкоговорители представляют собой линейные двигатели со скромным диапазоном — возможно, десятки мм. Подобные линейные двигатели, хотя, конечно, без бумажного конуса, часто используется для радиального перемещения считывающей и записывающей головок на дисководе. Громкоговорители как микрофоны На картинке выше вы можете видеть, что картонная диафрагма (конус громкоговорителя) соединена с катушкой провода в магнитном поле.Если звуковая волна перемещает диафрагму, катушка будет двигаться в поле, создавая напряжение. Это принцип динамического микрофона — хотя в большинстве микрофонов диафрагма гораздо меньше конуса громкоговорителя. Итак, громкоговоритель должен работать как микрофон. Хороший проект: все, что вам нужно, это громкоговоритель и два провода, чтобы подключить его ко входу осциллографа или микрофонному входу вашего компьютера. Два вопроса: как вы думаете, что масса диффузора и катушки повлияет на частотную характеристику? Как насчет длины волны звуков, которые вы используете? Предупреждение: настоящие двигатели сложнее Эскизы двигателей были схемами, чтобы показать принципы.Пожалуйста, не сердитесь, если, когда вы разбираете мотор, он выглядит больше. сложный! (Смотри как настоящие электродвигатели работают.) Например, типичный двигатель постоянного тока вероятно, будет иметь много отдельно намотанных катушек для обеспечения более плавного крутящего момента: всегда есть одна катушка, для которой синусоидальный член близок к единице. Это показано ниже для двигателя с обмотанными статорами (вверху) и постоянные статоры (внизу). Трансформаторы На фотографии изображен трансформатор, предназначенный для демонстрационных целей: первичная и вторичная обмотки четко разделены и могут быть удалены и заменен поднятием верхней части сердечника.Для наших целей отметим что у катушки слева меньше катушек, чем у правой (вставки показать крупные планы). На эскизе и схеме показан повышающий трансформатор. Чтобы сделать понижающий трансформатор, достаточно разместить источник справа, а нагрузку — слева. ( Важно Примечание по безопасности : для настоящего трансформатора вы можете только «подключить его задом наперед» только после проверки соответствия номинального напряжения.) Итак, как же трансформатор работает? Сердечник (заштрихован) имеет высокую магнитную проницаемость, т.е. материал, образующий магнитное поле намного легче, чем свободное пространство, из-за ориентации атомных диполей. (На фотографии сердцевина — ламинированное мягкое железо.) В результате поле сконцентрировано внутри ядра, и почти силовые линии не выходят из ядра. Если следует, что магнитные потоки φ через первичный и вторичный примерно равны, как показано.Из Фарадея По закону ЭДС на каждом витке первичной или вторичной обмотки составляет −dφ / dt. Если пренебречь сопротивлением и другими потерями в трансформаторе, вывод напряжение равно ЭДС. Для N p витков первичной обмотки, это дает Для N с витков вторичной обмотки это дает Разделение этих уравнений дает уравнение преобразователя где r — коэффициент поворотов. А что с током? Если пренебречь потерями в трансформатор (см. ниже раздел об эффективности), и если мы предположим, что напряжение и ток имеют одинаковое фазовое соотношение в первичной обмотке и вторичный, то из сохранения энергии мы можем записать в установившемся состоянии: Power in = power out, поэтому V p I p = V s I s , откуда I s / I p = N p / N s = 1 / r. Так что ничего не получишь даром: если увеличишь напряжение, то уменьшишься. ток (по крайней мере) в тот же коэффициент. Обратите внимание, что на фотографии катушка с большим количеством витков имеет более тонкий провод, потому что она предназначена для меньшего ток, чем тот, с меньшим количеством витков. В некоторых случаях целью упражнения является уменьшение силы тока. В силе линии передачи, например, потери мощности при нагревании проводов из-за их ненулевое сопротивление пропорционально квадрату тока.Таким образом, передача электроэнергии от электростанции позволяет сэкономить много энергии. в город при очень высоких напряжениях, так что токи невелики. Наконец, и снова предполагая, что трансформатор идеален, давайте спросим, ​​что резистор во вторичной цепи «похож» на первичную цепь. В первичном контуре: V p = V s / r и I p = Я с .г так V p / I p = V s / r 2 I s = Р / р 2 . R / r 2 называется отраженным сопротивлением . При условии, что частота не слишком высока, и при наличии сопротивления нагрузки (условия обычно встречается в практических трансформаторах), индуктивное сопротивление первичной обмотки намного меньше, чем это отраженное сопротивление, поэтому первичная цепь ведет себя как если бы источник управлял резистором номиналом R / r 2 . КПД трансформаторов На практике реальные трансформаторы имеют КПД менее 100%. Во-первых, это резистивные потери в катушках (потеря мощности I 2 .r). Для данного материала сопротивление катушек можно уменьшить, сделав их поперечное сечение большое. Удельное сопротивление также можно сделать низким, используя медь высокой чистоты. (См. Дрейф скорости и закон Ома.) Во-вторых, в сердечнике наблюдаются потери на вихревые токи.Это может быть уменьшается за счет ламинирования сердечника. Ламинирование уменьшает площадь цепей в ядре, и таким образом уменьшите ЭДС Фарадея, и, таким образом, текущий текущий в ядре, и таким образом теряется энергия. В-третьих, в сердечнике есть гистерезисные потери. Намагничивание и кривые размагничивания магнитных материалов часто немного отличаются (гистерезис или зависимость от истории), и это означает, что требуемая энергия намагничивать сердечник (при увеличении тока) не совсем восстанавливается во время размагничивания.Разница в энергии теряется в виде тепла. в основном. Наконец, геометрический дизайн, а также материал сердечника могут быть оптимизированным, чтобы гарантировать, что магнитный поток в каждой катушке вторичной обмотки почти такой же, как и в каждой катушке первичной обмотки. Подробнее о трансформаторах: генераторы переменного и постоянного тока Трансформаторы работают только от переменного тока, что является одним из больших преимуществ переменного тока. Трансформеры позволяют понижать 240 В до уровня, удобного для цифровой электроники (всего несколько вольт) или для других приложений с низким энергопотреблением (обычно 12 В).Трансформеры повышайте напряжение для передачи, как упомянуто выше, и понижайте для безопасности распределение. Без трансформаторов потери электроэнергии при распределении сети, и без того высокие, были бы огромными. Возможно преобразование напряжения в DC, но сложнее, чем в AC. Кроме того, такие преобразования часто неэффективно и / или дорого. Дополнительным преимуществом переменного тока является то, что его можно использовать на двигателях переменного тока, которые обычно предпочтительнее двигателей постоянного тока для приложений большой мощности. Другие ресурсы от нас Некоторые внешние ссылки на веб-ресурсы по двигателям и генераторам Гиперфизика: Электромоторы с сайта HyperPhysics в штате Джорджия. Отлично сайт в целом, и моторный отсек для этого идеально подходит. Хорошо использование веб-графики. Производит двигатели постоянного, переменного тока и асинхронные двигатели и имеет обширный ссылки Громкоговорители .. Еще больше хороших материалов от Государственной Гиперфизики Джорджии.Хорошая графика, хорошие объяснения и ссылки. Этот громкоговоритель сайт также включает в себя вложения. http://members.tripod.com/simplemotor/rsmotor.htm A сайт, описывающий двигатель, построенный студентами. Ссылки на другие двигатели, построенные тот же студент и ссылки также на сайты о моторах. http://www.specamotor.com A сайт, который сортирует двигатели различных производителей в соответствии со спецификациями, введенными пользователем. В чем разница между постоянными магнитами и наличие электромагнитов в двигателе постоянного тока? Это делает его более эффективным или более могущественный? Или просто дешевле? Когда я получил этот вопрос на Высшем Доска объявлений школьной физики, я отправил ее Джону Стори, который не только выдающийся астроном, но и строитель электромобилей.Вот его ответ: В общем, для небольшого двигателя намного дешевле использовать постоянные магниты. Материалы для постоянных магнитов продолжают совершенствоваться и стали настолько недорогими что даже правительство время от времени присылает вам бессмысленные магниты на холодильник через почту. Постоянные магниты также более эффективны, потому что нет энергии тратится на создание магнитного поля. Так зачем вообще использовать раневое поле Двигатель постоянного тока? Вот несколько причин: Если вы строите действительно большой двигатель, вам понадобится очень большой магнит и в какой-то момент раневое поле может подешеветь, особенно если очень для создания большого крутящего момента необходимо сильное магнитное поле.Имейте это в виду если вы проектируете поезд. По этой причине в большинстве автомобилей есть стартеры. которые используют поле раны (хотя некоторые современные автомобили теперь используют постоянные магнитные двигатели). У постоянного магнита магнитное поле имеет фиксированное значение (то есть что означает «постоянный»!) Напомним, что крутящий момент, создаваемый двигателем заданная геометрия равна произведению тока через якорь и напряженность магнитного поля.С двигателем с возбужденным полем у вас есть возможность изменения тока через поле и, следовательно, изменения моторные характеристики. Это открывает ряд интересных возможностей; Вы ставите обмотку возбуждения последовательно с якорем, параллельно, или кормить из отдельно контролируемого источника? Пока есть достаточно крутящий момент для преодоления нагрузки на двигатель, внутреннего трения и т. д., чем слабее магнитное поле, тем * быстрее * двигатель будет вращаться (при фиксированной Напряжение).Сначала это может показаться странным, но это правда! Итак, если вы хотите двигатель, который может производить большой крутящий момент в состоянии покоя, но при этом сильно вращаться скорости при низкой нагрузке (как продвигается конструкция поезда?), возможно раневое поле — вот ответ. Если вы хотите, чтобы ваш двигатель работал как от переменного, так и от постоянного тока (так называемый «универсальный» двигатель), магнитное поле должно менять полярность каждые полупериод Электропитание переменного тока, чтобы крутящий момент на роторе всегда был в одном и том же направлении.Очевидно, что для достижения этой цели вам понадобится мотор с возбужденным полем. Мнения, выраженные в этих заметках, принадлежат мне и не обязательно отражают политика Университета Нового Южного Уэльса или Школы физики. В анимации сделал Джордж Hatsidimitris. Джо Вулф / [email protected]/ 61-2-9385 4954 (UT + 10, +11 окт-март)

Электродвигатели и генераторы: преобразование электрической и механической энергии — Видео и стенограмма урока

Электромагнетизм

И двигатели, и генераторы работают из-за того, что называется электромагнитной индукцией .Обнаружил Майкл Фарадей, это когда напряжение индуцируется изменяющимся магнитным полем. С помощью электромагнитной индукции электрический ток может создаваться в катушке с проволокой, перемещая магнит внутрь или из этой катушки или перемещая катушку через магнитное поле. В любом случае напряжение создается движением.

Величина индуцированного напряжения зависит от количества витков в катушке с проводом, а также от скорости, с которой магнит перемещается через катушку. Чем больше катушек, тем больше индуцируется напряжение.Точно так же, чем быстрее магнит перемещается через катушку, тем большее напряжение вы получаете.

При чем здесь двигатели и генераторы? Итак, генератор вырабатывает электричество, вращая катушку в постоянном магнитном поле, а в двигателе через катушку пропускается ток, который заставляет ее вращаться. В обоих случаях применяется закон электромагнитной индукции Фарадея, позволяющий производить электричество в своем доме, а затем использовать его для пылесоса пола, мытья посуды в посудомоечной машине, сохранения свежих продуктов в холодильнике и многого другого.

Помните, раньше мы говорили, что двигатель и генератор — одно и то же устройство, но дают противоположные результаты? Здесь мы имеем в виду, что поток электричества обратный, а не то, что сама машина работает в обратном направлении. Итак, вы не можете просто взять генератор и превратить его в двигатель, «поменяв местами» компоненты машины. Точно так же с электродвигателем вы не можете просто щелкнуть выключателем, который заставляет компоненты работать в обратном направлении для выработки электричества. Вместо этого вам нужно изменить направление потока электричества: внутрь для двигателя и наружу для генератора.

Переменный и постоянный ток

Вы когда-нибудь слышали о переменном и постоянном токе? Мы не говорим об австралийской рок-группе — это ведь урок физики! Когда мы говорим о AC и DC для двигателей и генераторов, мы говорим о переменном и постоянном токе. Как следует из названия, переменный ток меняет направление при прохождении через цепь. Напротив, постоянный ток не меняет направления, когда он течет по цепи.

Двигатели и генераторы обычно бывают переменного или постоянного тока.Тип тока, используемого в устройстве, зависит от того, что вас больше волнует: эффективность или стоимость. Например, двигатели и генераторы переменного тока более эффективны, но и стоят дороже. Большая часть используемой вами электроники, такой как ваш мобильный телефон и планшет, зависит от мощности переменного тока из-за ее эффективности. В большинстве гибридных и электрических автомобилей также используется переменный ток.

Вы, наверное, слышали и о Томасе Эдисоне, и о Николе Тесла, но знаете ли вы, что они были вовлечены в долгую ожесточенную битву из-за этих двух типов течения? Вы не поверите, но такая простая вещь, как токи переменного и постоянного тока, долгое время вызывала широкие споры и конфликты!

В то время как Эдисон был ярым сторонником постоянного тока, Тесла поддерживал использование переменного тока.Оба были сильными и решительными личностями, и конфликт между ними привел к крупным ставкам, клеветническим кампаниям и натянутым отношениям между ними. В конце концов, поскольку AC лучше подходит для посылки большого количества энергии на большие расстояния, он победил в этой «текущей битве». Сегодня в результате ваш дом, офис и большинство других зданий подключены к сети переменного тока.

Краткое содержание урока

Хотя вы могли бы назвать их одним и тем же устройством, генератор и электродвигатель на самом деле больше похожи на две стороны одной медали.Генератор преобразует механическую энергию в электрическую, а двигатель наоборот — преобразует электрическую энергию в механическую. Оба устройства работают из-за электромагнитной индукции , когда напряжение индуцируется изменяющимся магнитным полем.

Двигатели и генераторы обычно AC или DC , то есть они работают от переменного или постоянного тока. Как следует из их названий, переменный ток меняет направление при протекании, в то время как постоянный ток не меняет направление при движении по цепи.

Большинство устройств, с которыми вы знакомы, используют переменный ток, потому что он намного более эффективен, чем постоянный ток. Гибридные и электрические автомобили, ваш дом, ваш мобильный телефон и даже ваш офис подключены к сети переменного тока. Но даже несмотря на то, что они используют один и тот же ток, важно помнить, что вы не можете «переключить» двигатель на генератор или генератор на двигатель. Обратный ход — это поток электричества, а не деятельность самой машины.

Результаты обучения

После того, как вы закончите этот урок, вы должны иметь возможность:

• Объяснять, что генераторы и электродвигатели похожи на две стороны одной медали
• Опишите, как работают генераторы и двигатели из-за электромагнитной индукции
• Различия между переменным и постоянным током, плюсы и минусы каждого из них

Мотор-генератор — обзор

Типы и функции двигателей

Электродвигатель / генератор M / G требуется для заряда и разряда накопленной кинетической энергии в маховике.Индукционные машины, машины с постоянным магнитом и синхронные машины с переменным сопротивлением обычно используются для накопления энергии маховиком [56]. Индукционные машины обычно дешевле и проще в производстве, и они могут быть изготовлены из высокопрочных материалов. Поскольку в них не используются постоянные магниты, нет необходимости беспокоиться о размагничивании и потерях, когда маховик вращается в вакууме. Однако из-за более низкой плотности мощности, ограниченной скорости и высокой температуры ротора они не являются наиболее подходящим кандидатом для сверхвысоких скоростей.Они также имеют низкий коэффициент мощности при небольшой нагрузке, высоком пусковом токе намагничивания, а регулирование скорости асинхронной машины сложнее по сравнению с машинами с постоянным магнитом и синхронными машинами с переменным магнитным сопротивлением.

Синхронные машины с переменным сопротивлением имеют низкие потери при запуске, они имеют высокий КПД, высокую удельную мощность и относительно легко рассеивают тепло. В них не используются постоянные магниты, поэтому нет проблем с размагничиванием и потерями, когда маховик вращается в вакууме.Роторы могут изготавливаться из высокопрочных и недорогих материалов. Однако они обладают сложными конструктивными особенностями, сложны в изготовлении, имеют низкий коэффициент мощности, имеют пульсации крутящего момента, вибрацию и шум, а их скорость трудно регулировать. У них также более высокая стоимость производства по сравнению с индукционными машинами.

Синхронные машины с постоянными магнитами имеют более высокую удельную мощность, эффективность, плотность крутящего момента, коэффициент мощности с диапазоном нагрузки и скорости, плотность нагрузки, более высокую скорость.Однако они имеют высокую стоимость из-за использования магнитов, риска размагничивания и сложных проблем управления температурным режимом.

Некоторые нестандартные конструкции машин также были исследованы для применения в маховиках для накопления энергии [57]. Безподшипниковые униполярные машины переменного тока, машины с осевым потоком на постоянных магнитах, многофазные электрические машины, машины с массивом постоянных магнитов Хальбаха [57]. Бессердечниковая машина с постоянным магнитом для применения в качестве накопителя энергии без вала с магнитным левитирующим маховиком представлена ​​в [58].В этой статье описывается использование статора без сердечника или железа и левитирующего маховика с магнитным подшипником. Таким образом, обмотку можно разместить на стационарной конструкции. Предлагаемая конструкция идентична существующей бессердечной машине для работы в вакууме и имеет удерживающую конструкцию на земле. Крепление обмоток к основанию с помощью удерживающих конструкций, расположенных на земле, отличается высокой прочностью, надежностью и простой механической конструкцией с точки зрения изготовления и обслуживания.

Требования к мощности, скорости и крутящему моменту для накопителя энергии с маховиком показаны на рис.51. Номинальная скорость ω ₁ , номинальный крутящий момент T _{номинальный} , а номинальная мощность P _{номинальный} . Время, необходимое для зарядки маховика до номинальной скорости в моторном режиме, составляет т ₁ . В течение этого периода входная мощность и частота вращения маховика увеличиваются до номинальной мощности и номинальной скорости. В течение т ₁ до произвольного времени т ₂ маховик вращается с минимальной мощностью и крутящим моментом, обозначенными P ₁ и T ₁ , соответственно, в вакууме при постоянная номинальная скорость.Эта мощность зависит от типа двигателя, потерь и эффективности насоса, необходимого для создания вакуума.

Рис. 51. Требования к конструкции электрической машины для маховикового накопителя энергии.

Маховик работает в генераторном режиме в течение т _{2 от} до т ₃ и разряжается с постоянной мощностью, в то время как его частота вращения снижается от номинального значения до ω ₂ об / мин .Временные интервалы t ₃ — t ₂ можно легко найти из кинетической энергии вращения Δ E и соотношения между мощностью и энергией следующим образом:

(57) ΔE = 12Jω12 − ω22

(58) Paverage = ΔEt3 − t2

, где J — момент инерции, ω ₁ и ω ₂ представляют начальную и конечную скорости маховика соответственно. В идеальном случае время, необходимое маховику для достижения ω ₂ , при средней мощности P _{средней} составляет т ₁ .Генератор должен обеспечивать постоянную мощность P _{номинальной} в течение т ₂ и т ₃ . Электродвигатель / генератор должен генерировать постоянную мощность P _{номинальной} при снижении скорости с ω ₁ и ω ₂ об / мин.