Расчёт генератора, основные параметры и изготовление

• Главная
• >Изготовление генераторов

Основной показатель генератора это напряжение, а зная напряжение можно высчитать все другие параметры, такие как ток зарядки аккумулятора, и мощность генератора в целом. Генератор обычно строится для зарядки аккумуляторов имеенно для этого мы и попробуем рассчитать генератор. Напряжение катушек генератора зависит от числа витков в катушках, от магнитной индукции магнитов, и от скорости, с которой меняется магнитное поле. Проще говоря чем быстрее движутся магниты мимо катушек тем выше напряжение.

Для расчёта напряжения генератора воспользуемся простой формулой, она очень простая и не должна вызвать проблем. Подробнее с примером можно почитать здесь — Расчёт ЭДС генератора. Про фазы и соединения катушек будет ниже, а пока разберемся с напряжением генератора.

Формула E=B·V·L

где: Е-напряжение генератора (V). B-магнитная индукция магнитов(Тл). V-скорость движения магнитов (м/с). L-активная длина проводника (м).

С буквой Е — это напряжение генератора, которое нам нужно вычислить, а далее буква В — которая не известна, так-как мы не знаем какая магнитная индукция магнитов. Но если помучить поисковик и почитать форумы, то можно узнать что магнитная индукция неодимовых магнитов около 1,25Тл, конечно она разная для разных марок магнитов, но это среднее значение. Так-же известно что чем дальше от магнита — тем меньше и магнитная индукция. В общем если в случае изготовления дискового генератора расстояние между магнитами на противоположных дисках будет равно толщине магнитов, то магнитная индукция будет примерно 1.0Тл, если расстояние больше, то естественно магнитное поле будет слабее. Если к примеру у вас магниты толщиной 10мм, и вы делаете расстояние между магнитами 10мм, то индукция будет где то 1.0Тл, а статор в этом случае получится не более 8мм толщиной, и по 1мм на зазоры. Если расстояние будет скажем 12-14мм, то магнитная индукция упадет до 0.8-0.7Тл и ниже.

Для генераторов с железом принцип такой-же, но толщина магнитов может быть разная, некоторые ставят магниты толщиной 10-15мм, хотя для магнитной индукции в 1.0Тл достаточно толщины магнитов 3-4мм. Ещё важна толщина — магнито-пропускаемость статора, на зубы которого наматываются катушки. Если переборщить с толщиной магнитов то статор не сможет замкнуть всё магнитное поле и оно выйдет наружу, и к статору снаружи будет магнитися железо. То-есть это потери магнитного поля и нет смысла использовать слишком мощные магниты так-как часть магнитного поля не будет использоваться. Все конечно зависит от конкретных условий, но если не известна магнитная индукция, то лучше её брать как 0.8-1Тл.

Вернемся к формуле, V — это скорость движения магнитов, рассчитать её очень просто. К примеру если диаметр ротора с магнитами у нас 20см, то 20*3.14=62.8см. То-есть получается что за один оборот магниты проходят расстояние 62.8см или 0.62метра. Если диаметр ротора 8см, то аналогично 8*3.14=25.12см или 0.25м.

L — это активная длина проводника, то-есть это та длинна медного провода, которая попадает под магниты, ведь именно только тот участок провода вырабатывает электричество, который попадает под магнитное поле магнитов. Для дисковых аксиальных генераторов длинна активного проводника равна длинне магнитов. К примеру если у вас круглые магниты размером 30*10мм, то L=30мм, ну а если прямоугольные размером 50*30*10мм, то L=50мм. Для генераторов с железным статором активная длинна проводника равна ширине статора.

Активная длинна проводника

Теперь попробуем высчитать напряжение генератора, но сначало разберемся с катушками генератора

Генераторы бывают как однофазные, так и трёхфазные. Как правило новички делают однофазные генераторы считая их более простыми, но однофазные гудят при работе, так-как число магнитов и катушек у таких генераторов одинаковое. И получатся так что когда магниты набегают на катушки, то катушки сопротивляются этому и отталкивают магниты. В итоге происходит как-бы пик сопротивления и спад, от этого гудение и вибрации. Трёхфазные устроены иначе, там смещение катушек относительно магнитов 2/3, и за счёт этого нагрузка равномерно распределена, от этого вибрация значительно ниже. Так-же и характеристики по мощности несколько лучше, а схема не намного сложна.

Ниже схема соединения однофазного генератора

Регулирование ЭДС

В связи с изменениями параметров активных нагрузок возникает необходимость в выравнивании номинальных напряжений. Несмотря на то, что ЭДС индукции синхронного генератора связана со скоростью вращения ротора, однако, из-за требований по соблюдению стабильной частоты, этим способом нельзя изменять указанный параметр. Но параметры магнитной индукции можно изменить путём снижения или увеличения магнитного потока, который зависит от количества витков обмотки индуктора и величины тока возбуждения.

Регулирование осуществляется путём включения в цепь катушек возбуждения дополнительных реостатов, электронных схем или регулировкой тока генератора-возбудителя (Рис. 4). В случае использования альтернаторов с постоянными магнитами, в таких устройствах напряжение регулируется внешними стабилизаторами.

Благодаря малому весу и отличным токовым характеристикам синхронные генераторы переменного тока нашли применение во всех современных автомобилях. Поскольку бортовая сеть авто использует постоянный ток, конструкции автомобильных генераторов оборудованы трехфазным выпрямителем. Для выпрямляемых переменных токов частота не имеет значения, а вот напряжение должно быть стабильно. Этого добиваются с помощью внешних электронных устройств. На рисунке 5 представлена электрическая схема подключения генератора к бортовой сети современного автомобиля.

Соединение катушек

Соединение катушек трехфазного генератора

Меры безопасности

Осуществляя диагностику модуля, рекомендуется придерживаться правил:

• не замыкать контакты;
• не допускать попадания воды;
• отдельно хранить аккумулятор;
• следить за герметичностью конструкции;
• проверять уровень напряжения.

Во время снятия генератора проверяются комплектующие. Уделяется внимание правилам эксплуатации по инструкции. Установки функционируют в определенных режимах, оцениваются основные характеристики. Модули боятся соли и жидкостей. Установка генератора должна производиться специалистом.

Если подключать генератор к автомобилю, нужно проверить силовой выпрямитель. Необходимо вывести обмотки возбудителя, а также фазу. Отдельно проверяется регулятор напряжения. При установке запрещается производить проверку до момента полного подключения.

Выше подробно описано понятие генератора напряжения. Расписан базовый принцип работы и характеристики. Учитывается ампераж, скорость вращения и схема подключения.

Соединение катушек

Вернёмся к формуле E=B·V·L

. К примеру планируется намотать 18 катушек проводом 1.0 мм, и в катушку помещается по 80 витков, значит всего у нас витков 18*80=1440 витков. Если генератор однофазный то так и считаем по всем катушкам, а если трёхфазный то будем брать катушки одной фазы, в данном случае шесть катушек в фазе, а потом вычислим данные при соединении звездой или треугольником. Я буду считать трёхфазный, по этому беру шесть катушек 80*6=480витков.

Магниты у нас к примеру 30*10мм (по 12шт на диске), значит активная длинна проводника 0.03м, если статор железный, то берётся ширина статора. Диски с магнитами у нас к примеру диаметром 20см, но надо брать диаметр по центру магнитов, значит минус 1,5см по кругу и того 20-3см=17*3.14=53.38см или 0.53м. Хочу напомнить что толщина железных дисков должна быть не менее толщины магнитов, иначе магнитное поле выйдет за железо и не будет участвовать в выработке электричества и магнитная индукция будет ниже, а если у вас к примеру ротор асинхронного двигателя, то после проточки желательно одеть металлическую гильзу и на неё клеить магниты, или вытачивать цельно-металлический ротор, так магниты будут использоваться эффективнее и можно или получить больше мощности или сэкономить на толщине магнитов.

И так теперь у нас есть необходимые данные для расчёта напряжения генератора к примеру при 60об/м. Магнитную индукцию возьмём равной 1Тл. Скорость движения магнитов у нас за оборот 0.53м, значит при 60об/м будет 1об/с, то-есть 0.53м/с — скорость движения магнитов. Активная длинна проводника нам тоже известна и равна 0.03м. Тогда 0.03м нужно умножить на количество витков в катушке (80) и на количество катушек (6), и получится 0.03*480=14.4м.

Теперь представляем значения в формулу E=B(1Тл)*V(0.53м)*L(14.4м), получается E=7.632V. В общем при 60об/м получается напряжение фазы 7.6 вольт. Напряжение генератора растёт линейно в зависимости от оборотов, значит при 120об/м будет 15.2 вольта, а при 240об/м будет 30.4 вольт. А при 300об/м будет 38.0 вольт. Зарядка начнётся при 120об/м если соединить фазы генератора треугольником. При соединении звездой напряжение генератора будет выше в 1,7 раза, значит зарядка начнётся ещё раньше, при 90об/м.

Но если нарисовать виртуальный статор с катушками и магнитами, то можно увидеть что магнит не перекрывает собой полностью катушку и 30% активной зоны не перекрывается как бы не стоял магнит, а это значит что 30% не участвует в выработке напряжения и это надо учитывать. Часто получается так что магнит перекрывает только половину катушки, и это значит что только половина витков участвует в выработке электричества. Значит в нашем случае напряжение будет ниже на 30% чем получилось, то-есть не E=7.632V, а E=5V.

Теперь поговорим про ток генератора, его сопротивление и соединение звездой и треугольником

Напряжение мы теперь можем определить и подогнать начало зарядки под винт ветрогенератора, чтобы и винт мог раскрутится и зарядка начиналась на слабом ветру. Но зарядка осуществляется током в амперах, а сила тока зависит от сопротивления катушек и нагрузки в целом (провода и аккумулятор).
Чем меньше сопротивление — тем выше сила тока зарядки и меньше потерь на нагрев, по-этому сопротивление обмотки генератора нужно делать как можно меньше. В нашем генераторе состоящем из 18 катушек всего 18*80=1440 витков, это по 480 витков в фазе. Чтобы узнать сопротивление фазы нужно узнать длинну провода в фазе и его сечение. Длина одного витка в среднем примерно 0.08м, значит 0.08*480=38.4м. Сопротивление одного метра медного провода сечением 1мм равно 0.0224Ом. Далее 38.4*0.0224=0.86Ом.

Применение генераторов переменного тока на практике

Применяются такие генераторы практически во всех сферах человеческой деятельности, где требуется электрическая энергия. Причем принцип ее добычи отличается только способом приведения в движение вала устройства. Так работают и гидро-, и тепло- и даже атомные станции.

Данные станции запитывают по проводам общественные сети, к которым подключается конечный потребитель, то есть все мы. Однако существует множество объектов, к которым невозможно доставить электрическую энергию таким способом, например, транспорт, стройплощадки вдали от линий электропередач, очень далекие поселки, вахты, буровые установки и прочее.

Это означает только одно – требуется свой генератор и двигатель, приводящий его в движение. Давайте рассмотрим несколько небольших и часто встречающихся в нашей жизни устройств.

Автомобильные генераторы

Кто-то возможно тут же скажет: «Как? Это же генератор постоянного тока!». Да, действительно, так оно и есть, однако таковым его делает лишь наличие выпрямителя, который этот самый ток делает постоянным. Основной принцип работы ничем не отличается – все тот же ротор, все тот же электромагнит и прочее.

Это устройство функционирует таким образом, что вне зависимости от скорости вращения вала, оно вырабатывает напряжение в 12В, что обеспечивается регулятором, через который идет питание обмотки возбуждения. Обмотка возбуждения стартует, запитываясь от автомобильного аккумулятора, ротор агрегата приводится в движение двигателем автомобиля через шкив, после чего начинает индуцироваться ЭДС.

Для выпрямления трехфазного тока используется несколько диодов.

Таблица сопротивления медного провода

Теперь мы знаем сопротивление фазы, которое равняется 0.86Ом. Если соединить генератор звездой, то общее сопротивление генератора возрастет на 1.7, и так-же напряжение, а если треугольником, то общее сопротивление останется равным одной фазы, и напряжение тоже будет равно фазному. При звезде сопротивление станет 0.86*1.7=1.46Ом.

Чтобы узнать какой будет ток зарядки аккумулятора нужно знать напряжение генератора и его сопротивление, что мы уже знаем. Чтобы вычислить нужно от напряжения холостого хода генератора отнять напряжение генератора, и полученную сумму разделить на сопротивление, и получится ток зарядки. К примеру у нас при соединении звездой при 120об/м напряжение в холостую равно 10V*1.7=17 вольт. Тогда от 17 вольт отнимем напряжение аккумулятора 17-13 вольт и получим разницу в 4 вольта, разделим на сопротивление 1,46Ом, и получим 4:1.46=2.7Ампер. И так можно вычислить силу тока на каждых оборотах генератора, а чтобы получить мощность зарядки нужно амперы умножить на вольты, в данном случае 2.7*13=35.1 ватт*ч. А уже при 240об/м напряжение в холостую будет в два раза больше, так-как растёт линейно, тогда уже 20V-13=7:1.46=4.7 Ампер.

Но здесь играет роль не только сопротивление самого генератора, но и сопротивление провода от генератора до аккумулятора, сопротивление диодного моста, на котором падает до 1вольт напряжения, и сопротивление самого аккумулятора. Все это высчитать можно, но довольно сложно. Так-же изменяется сопротивление генератора во время работы, по-этому сумма общих потерь может составлять до 50% от мощности, и в итоге ток зарядки может оказаться в два раза меньше расчетного. И так-как это трудно все учесть на потери в среднем можно скинуть 30%, значит реально а аккумулятор пойдёт ток не 4.7Ампер при 240об/м, а значительно ниже, около 3.5-4 Ампера.

Такой расчёт дает примерное представление о будущем генераторе, но все-же это лучше чем делать как получится ничего не считая, и потом удивляться тому что или напряжение слишком низкое или высокое, или сопротивление слишком большое и смешной ток зарядки. Просчитав свои генераторы я убедился в справедливости такого расчёта генератора.

При расчете генератора нужно учитывать что его будет крутить ветроколесо ветрогенератора, и у ветроколеса есть свои обороты, и генератор нужно хоть примерно делать под будущий винт. Если это будет вертикальный ветряк, то его ветроколесо вращается очень медленно по сравнению с горизонтальным винтом. И в связи с этим нужно чтобы зарядка начиналась на очень низких оборотах генератора. Чтобы зарядка начиналась рано нужно чтобы напряжение было выше напряжения аккумулятора, отсюда нужно в катушках иметь как можно больше витков. Но чем больше витков тем длиннее провод, а значит и сопротивление, а сопротивление определяет силу тока зарядки. В итоге чтобы генератор был мощный и рано начиналась зарядка, нужно его рассчитать так чтобы и мощность была, и ветроколесо не перегрузить — иначе оно не выйдет на свои обороты и не наберет мощности.

С горизонтальным винтом генератор нужен не такой большой и материалоемкий как для вертикального, у горизонтальных винтов обороты в среднем в 5 раз выше, от этого и генератор нужен в пять раз меньше и во столько же раз дешевле. Расчёты витроколёс есть в даругих статьях из раздела «Расчёты ветряков». Советую вам и с этим материалом ознакомится, так-как ветрогенератор это единый механизм и его узлы должны быть подходящими по параметрам друг для друга, иначе или винт слишком мощный и малооборотистый или генератор слишком мощный, и толку от такого ветряка будет мало.

Пусковая мощность оборудования

Точней будет говорить о пусковом токе различных агрегатов, возникающем при их включении. Выход на рабочий режим, к примеру, компрессора холодильника или двигателя погружного насоса сопровождается резким скачком потребляемого тока от электросети. Нетрудно представить, какова эта перегрузка будет для сварочного аппарата. Эту особенность также следует учитывать при расчете мощности соответствующей нагрузки в виде повышающего коэффициента. Его приблизительные значения для бытовых приборов следующие:

• холодильник — 3;
• телевизор, пылесос и электроплита — 1,1;
• стиральная машина — 1,5;
• микроволновая печь — 2.

Для электроинструмента повышающий коэффициент будет следующим:

• электродрель — 1,1;
• циркулярная пила — 1,5;
• сварочный аппарат — 4;
• бетономешалка с электроприводом — 3.

Можно, правда, отметить, что в ряде моделей дизель-генераторов применяются специальные средства для нейтрализации пусковых токов в нагрузке. Но использовать эту систему для сварочного аппарата нельзя в силу принципа его функционирования. Ведь сварка — это постоянное возникновение пускового тока.

Рисунок генератора

Размеры катушки

Чтобы подогнать генератор под ветроколесо или наоборот потом ветроколесо под генератор нужно высчитать мощность генератора на разных оборотах, к примеру при 120об/м когда начнётся зарядка аккумулятора, и начнётся нагрузка на ветроколесо, и далее при 180,240,300,360,420,480,540,600об/м.

Исходя из выше рассчитанных данных мы получили 17вольт при 120об/м, сопротивление у нас 1.46Ом. более точные данные будут если мерить напряжение во время зарядки в реальном времени, но я для малого тока взял напряжение аккумулятора равным 13 вольт, а далее исходил из напряжения 14 вольт. В итоге ниже получились вот такие расчёты, но на более высоких оборотах при большой разнице холостого напряжения и напряжения при заряде аккумулятора КПД генератора будет падать и ток зарядки опять-же не будет таким большим, хотя генератор будет грузить винт на большую мощность, потери будут на нагреве катушек и в проводах. В общем ток зарядки будет ниже ещё на 10-20%.

при 120об/м — 17-13=4:1.46=2.7А*13=35ватт при 180об/м — 25.5-14=11.5:1.46=7.8А*14=110ватт при 240об/м — 34-14=20:1.46=13.6А*14=190ватт при 300об/м — 42.5-14=28.5:1.46=19.5А*14=273ватт при 360об/м — 51-14=37:1.46=25.3А*14=354ватт при 420об/м — 59-14=45:1.46=31А*14=436ватт при 480об/м — 68-14=54:1.46=36.9А*14=516ватт при 600об/м — 85-14=71:1.46=48.6А*14=680ватт

Но ветроколесо желательно при расчёте делать на 30% мощнее чем расчетные данные генератора, и так чтобы на низких оборотах ветроколесо было чуть мощнее генератора. У нас при 120об/м 35ватт с генератора, значит ветроколесо должно при 120об/м иметь мощность около 40-50ватт. Если ветроколесо будет слабее, то генератор не позволит ему раскрутится до своих оборотов и в итоге обороты будут ниже и мощность тоже. Подробнее про расчёты ветроколес смотрите статьи в разделе, там всё есть.

Работа асинхронного электродвигателя в генераторном режиме

Если отключенный от сети асинхронный двигатель привести во вращение от какого-либо первичного двигателя, то в соответствии с принципом обратимости электрических машин при достижении синхронной частоты вращения, на зажимах статорной обмотки под действием остаточного магнитного поля образуется некоторая ЭДС. Если теперь к зажимам статорной обмотки подключить батарею конденсаторов С, то в обмотках статора потечёт опережающий ёмкостный ток, являющийся в данном случае намагничивающим.

Ёмкость батареи С должна превышать некоторое критическое значение С0, зависящее от параметров автономного асинхронного генератора: только в этом случае происходит самовозбуждение генератора и на обмотках статора устанавливается трёхфазная симметричная система напряжений. Значение напряжения зависит, в конечном счёте, от характеристики машины и ёмкости конденсаторов. Таким образом, асинхронный короткозамкнутый электродвигатель может быть превращен в асинхронный генератор.

Стандартная схема включения асинхронного электродвигателя в качестве генератора.
Можно подобрать емкость так, чтобы номинальное напряжение и мощность асинхронного генератора равнялись соответственно напряжению и мощности при работе его в качестве электродвигателя.

В таблице 1 приведены емкости конденсаторов для возбуждения асинхронных генераторов (U=380 В, 750….1500 об/мин). Здесь реактивная мощность Q определена по формуле:

Q = 0,314·U2·C·10-6,

где С — ёмкость конденсаторов, мкФ.

Таблица1

Как видно из приведённых данных, индуктивная нагрузка на асинхронный генератор, понижающая коэффициент мощности, вызывает резкое увеличение потребной ёмкости. Для поддержания напряжения постоянным с увеличением нагрузки необходимо увеличивать и ёмкость конденсаторов, то есть подключать дополнительные конденсаторы. Это обстоятельство необходимо рассматривать как недостаток асинхронного генератора.

Частота вращения асинхронного генератора в нормальном режиме должна превышать асинхронную на величину скольжения S = 2…10%, и соответствовать синхронной частоте. Не выполнение данного условия приведёт к тому, что частота генерируемого напряжения может отличаться от промышленной частоты 50 Гц, что приведёт к неустойчивой работе частото-зависимых потребителей электроэнергии: электронасосов, стиральных машин, устройств с трансформаторным входом.

Особенно опасно снижение генерируемой частоты, так как в этом случае понижается индуктивное сопротивление обмоток электродвигателей, трансформаторов, что может стать причиной их повышенного нагрева и преждевременного выхода из строя.

В качестве асинхронного генератора может быть использован обычный асинхронный короткозамкнутый электродвигатель соответствующей мощности без каких-либо переделок. Мощность электродвигателя-генератора определяется мощностью подключаемых устройств. Наиболее энергоёмкими из них являются:

• бытовые сварочные трансформаторы;
• электропилы, электрофуганки, зернодробилки (мощность 0,3…3 кВт);
• электропечи типа «Россиянка», «Мечта» мощностью до 2 кВт;
• электроутюги (мощность 850…1000 Вт).

Особо хочу остановиться на эксплуатации бытовых сварочных трансформаторов. Их подключение к автономному источнику электроэнергии наиболее желательно, т.к. при работе от промышленной сети они создают целый ряд неудобств для других потребителей электроэнергии.

Если бытовой сварочный трансформатор рассчитан на работу с электродами диаметром 2…3 мм, то его полная мощность составляет примерно 4…6 кВт, мощность асинхронного генератора для его питания должна быть в пределах 5…7 кВт. Если бытовой сварочный трансформатор допускает работу с электродами диаметром 4 мм, то в самом тяжелом режиме — «резки» металла, потребляемая им полная мощность может достигать 10…12 кВт, соответственно мощность асинхронного генератора должна находиться в пределах 11…13 кВт.

В качестве трёхфазной батареи конденсаторов хорошо использовать так называемые ком-пенсаторы реактивной мощности, предназначенные для улучшения соsφ в промышленных осветительных сетях. Их типовое обозначение: КМ1-0,22-4,5-3У3 или КМ2-0,22-9-3У3, которое расшифровывается следующим образом. КМ — косинусные конденсаторы с пропиткой минеральным маслом, первая цифра-габарит (1 или 2), затем напряжение (0,22 кВ), мощность (4,5 или 9 квар), затем цифра 3 или 2 означает трёхфазное или однофазное исполнение, У3 (умеренный климат третьей категории).

В случае самостоятельного изготовления батареи, следует использовать конденсаторы типа МБГО, МБГП, МБГТ, К-42-4 и др. на рабочее напряжение не менее 600 В. Электролитические конденсаторы применять нельзя.

Рассмотренный выше вариант подключения трёхфазного электродвигателя в качестве генератора можно считать классическим, но не единственным. Существуют и другие способы, которые так же хорошо зарекомендовали себя на практике. Например, когда батарея конденсаторов подключается к одной или двум обмоткам электродвигателя-генератора.