Електрически генератор у дома - Първи стъпки.

Електричеството е навсякъде около нас, а идеята за свободни и нови източници на енергия не спира своето развитие. Целта на тази статия е да запознае любителите на електротехниката как работят различните видове електрически машини основно в генераторен режим, без задълбочаване в теория или математика. Също и кратки съвети за модификации и подобрения.

Видове Електрически машини

 * Променливотокови. ( Асинхронни, синхронни, ротационни преобразуватели)
 * Постояннотокови. (Колекторни, /безколекторни, стъпкови,)
 * Универсални. (AC, DC)

Видове Асинхронни машини

 * 1) Асинхронен двигател с навит ротор от намотки изведени на пръстени.
 * 2) Асинхроннен двигател с накъсо съединен ротор- (най- разпространен)
 * 3) Кондензаторен асинхронен двигател – (двуфазно захранване)
 * 4) Асинхронен двигател с екранирани полюси и с накъсо съединен ротор
 * 5) Линеен асинхронен двигател с постъпателно движение..
 * 6) Аксиален асинхронен двигател..

Принцип на работа
Асинхронната машина по отношение принципа си на действие представлява трансформатор, чиято вторична намотка е намотката на ротора или самото работно тяло. Когато асинхронната машина работи като двигател, работното тяло изостава спрямо статорното поле (хлъзга). , Честотата на индуцираните токове монотонно намалява, но не достига нула, защото при нулева честота не би имало индукция, съответно, би изчезнала причината за индукция, а оттам – и за движение на работното тяло.

> Обратно, когато асинхронната машина работи в генераторен режим, нейното статорно поле изостава спрямо движението на работното тяло или ротора.

Генератор от асинхронен двигател.
'''Асинхронните двигатели са изключително разпространени и поне във всеки дом има един. Използват се основно като генератори във ветроенергетиката и отчасти във ВЕЦ.'''

Асинхронният генераторен режим е съпроводен с някои трудности, като най- честата е, че не винаги в магнитопровода, който се прави от магнитно мек материал, е наличен нужния остатъчен магнетизъм, за да се самовъзбуди системата. Това е особено голям проблем при монофазните двигатели и тези за няколко работни скорости. За да проверите дали вашият двигател има нужния остатъчен магнетизъм, може даползвате мултицет настроен на най- ниската стойност за напрежение или да свържите светодиод на изводите му.. Ако светодиодът свети или уреда отчете показания ,можете да преминете към следващата стъпка. Ако това не се случи ще е нужно за кратко да захраните двигателя. Ето защо е необходимо двигателят, или да се присъедини моментно към мрежа под напрежение, или да се присъедини към кондензатори, заредени първоначално от остатъчния магнетизъм и осигуряващи необходимата по време на работа реактивна мощност. Аналогична е и работата на асинхронeн генератор в паралел със синхронен двигател, служещ като компенсатор на фактора на мощността. к|Особеност при генераторния режим в паралел с мрежата е, че честотата на въртене на ротора трябва да е по-висока от тази в двигателен режим. Тогава започва да се отдава активна енергия. Това понякога налага избор на определен модел двигател със съответните обороти удобни за целта. ☀http://www.acadpubl.eu/hub/2018-118-21/articles/21c/65.pdf

За да изберете необходимия капацитет за всяка фаза, можете да използвате следните данни, базирани на мощността на генератора: й|В случаите на самостоятелна работа извън мрежата., като генератор с присъединени кондензатори, достигането на надсинхронни обороти не е задължително условие, когато честотата и големината на изходното напрежение е допустимо да бъдат различни от мрежовите параметри. Това се постига чрез различни по напрежение или капацитет кондензатори според желаното съотношение /напрежение и обороти. При всички случаи на вала на асинхронната машина съществува съпротивителен момент от енергията, необходима за консумиране на реактивна мощност от кондензаторите, което може да е проблем в някои случаи.  Специфично е и балансирането на токовете във фазите, когато трябва да се използва само една или две от фазите. Това се постига чрез различни схеми на свързване в зависимост от вида на консуматорите и техните характеристики. Асинхронните генератори могат ефективно да задвижват други двигатели с мощност само около 1/5 до 1/10 от собствената си мощност като това зависи и от вида на двигателя.
 * 750 W - 20 uF
 * 2 kW - капацитет 60 uF
 * 3,5 kW - капацитет 100 микрофарада
 * 5 kW - 138 микрофарада
 * 7 kW - 182 микрофарада
 * 10 kW - 245 микрофарада
 * 15 kW - 342 микрофарада

'''Причината трифазните асинхронни двигатели да се самовъзбуждат по-лесно в генераторен режим е в големият диаметър на ротора и площ на намотките в сравнение с малката въздушна междина.. От това следва, че върху всеки кондензатор е приложено почти удвоен напрежение, индуцирано от остатъчния магнетизъм, отколкото в друг вид малък асинхроннен двигател. Изменението на това напрежение е почти еквивалентно на пулсиращо изправено. Кривата на напрежението на асинхронните генератори е подобна на тази на постояннотоковите машини с паралелно възбуждане. Паралелно свързаните кондензатори със статорните намотки създават своеобразен трептящ кръг, в който се обменя енергията.''

Поради предимствата на трифазната система, е напрежението в кондензаторната батерия не достига нулева стойност. Имайте предвид, че ако използвате кондензатори при вашия асинхронен генератор, то напреженията и токовете може да бъдат опасни . Винаги разреждайте кондензаторите и правете промени само при изключен невъртящ се вал на генератора. 'Едни много популярен начин за модификация на генератор е добавянето на магнити закрепени в ротора. Тогава отпада и нуждата от кондензатори, но тогава вече не може да се нарече АСИНХРОННА машина дори външно да изглежда такава. Магнитите обаче не могат да бъдат подредени в случайни позиции и това често е звързано със създаването специална конфигурация на подредба. Като цяло тази модификация има смисъл при малки двигатели, които могат да бъдат и удобни за ръчно и вятърно задвижван генератор.'

.

.

. '''Някои асинхронни двигатели като тези с екранирани полюси например не са подходящи за работа в генераторен режим, тъй като екранираните полюси пречат за индуцирането на напрежение в основната намотка. Тези полюси са накъсо съединени статорни намотки.''' Друга причина е, че този вид двигатели са с най-нисък КПД и мощности и се ползват само за вентилации и дребни механизми. Модификация с магнити на ротора ще даде някакво по - добро напрежение, но то няма да много близо до това получавано от друг вид двигател със същите размери.

За линейните асинхронни машини, генераторният режим е трудно постижим поради конструктивни особености и ограниченото приложение. Проблем е постигането на стабилно напрежение при наличие напостъпателно движение.

..

,,

,

,,

,

,

,

,

,

.

.

.

Синхронни електрически генератори.
Те са особено важен елемент в енергетиката, тъй като подържат мрежовата честота неизменна, независимо от натоварването. Като двигатели те имат малко приложение в битовата техника, но те са изключително ефективни в генераторен режим, особено трифазните генератори. Малки синхронни двигатели, които може да ползвате като генератор има най-често в пералните машини, микровълновите и други фурни, механични таймери,компресори на климатик и още други специализирани уредби. Тези двигатели най-често са с магнитен ротор тяло с поне два полюса и поне една статорна намотка за 220v или три за 380 V. В определени случай двигателите с магнитни ротори са по-близки като принцип на безколекторните двигатели. По- мощните модели използват дори неодимови магнити. При генератори за мощност над няколко десетки киловата в ротора вече се използват електромагнити наричани възбудителни намотки, които позволяват достигане на много големи стойности на индукцията. Това обаче изисква и сериозна допълнителна механична енергия от задвижващия механизъм. Ако решите да ползвате такъв генератор, то е възможно да се наложи отделен захранващ източник или регулатор на напрежението за намотките на ротора. Един от най-разпространените видове малък синхронен генератор с възбудителна намотка е автомобилният алтернатор. ☀ Той работи ефективно до максимум около 4000об/мин. - по-високите обороти над тези не увеличават мощността. За разлика от мрежовите синхронни генератори, честотата на напрежението при автомобилния алтернатор достига по- високи стойности. Възбуждането на ротора на автомобилния алтернатор употребява около 2% от произведената енергия. То се осъществява чрез три диода изправящи напрежението от статора и го прехвърлят към намотката на ротора. Отделно са и 6- те диода за заряд на акумулатора.

Ако се цели използваема честота от 50 Hz за напрежението от автомобилен алтернатор, то употребата на възбудителна намотка става неефективно при ниските обороти тъй като изисква по- голяма консумация от втори източник за възбуждане.

'''Такива автомобилни алтернатори често биват модифицирани от любители на вятърната енергия, чрез премахване на възбудителната намотка и поставянето на постоянни магнити при различни тактики на изпълнение с цел по-лесно задвижване от вятъра поради липсата на колектор и четки и нуждата от външен захранващ източник. Едно научно изследване на подобна преработка може да видите тук :'''☀https://www.degruyter.com/view/j/phys.2017.15.issue-1/phys-2017-0108/phys-2017-0108.xml

Някои производители дори поставят магнити в каналите.>> https://www.google.com/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjehd3Kv6ffAhXDDewKHbRGA8MQjRx6BAgBEAU&url=https%3A%2F%2Fendless-sphere.com%2Fforums%2Fviewtopic.php%3Ft%3D31584&psig=AOvVaw23mBMjSfES5GbIb7B3TPLu&ust=1545157687300192



Съществуват и линейни синхронни двигатели, които имат добри характеристики в генераторен режим. '''Също както и при асинхронния генератор, самовъзбуждането при всички видове СГ. създава протиположен въртящ момент поради обмен на енергията консумирана от ротора. '''

,,

.

.

.

Ротационни преубразуватели
Това са специални електрически машини преобразуващи по механичен път един вид напрежение в друго. Днес също ги варичат умформер. Оснодно са се ползвал в миналото за захранване на железниците с постоянен ток. Най- известни са механичните токоизправители изобретени от Тесла. И най-хубавото е че работят без никакви диоди или транзистори и разни модерни неща. Тези машини обединяват в себе си качествата на постояннотоковата и синхронната. Все ще не можем да кажем доколко е рационално използването на такава машина като генератор, тъй като не са много разпространени.

..

.

.

.

Генератор от постояннотоков колекторен двигател.
Постоянно токовият колекторен двигател е с много широко приложение почти колкото и асинхронния. Тези двигатели може да се регулират лесно за много скорости, повечето дори много по-големи от скоростта на синхронен двигател., За определени случаи често са в комбинация с редуктор.

Този вид ПТ двигатели изключително лесно могат да се използват като генератор, особено тези с магнити в статора, които съответстват на схемата с независимо възбуждане. За получаването на повече мощност обаче, магнитите са заменени от статорни възбудителни намотки, което позволява дори и директна работа с променливи напрежения.Точно това е универсалният колекторен двигател. В случай, че вместо с магнити двигателят е с намотки на статора и ротора, '''За да работи в генераторен режим, статорната намотка се свързва паралелно на четките на ротора или с последователен нискоомен товар. Така при въртене на ротора се получава затворена магнитна и електрическа система и настъпва условие за самовъзбуждане. Тук кондензаторите вероятно няма да помогнат особено. Поради самовъзбуждането съпротива ще възниква дори и без захранен консуматор.''' Недостатък е загубата на енергия поради триене в колектора и по- голямо електрическо съпротивление в четките. Друга особеност е че, винаги ще получавате само постоянно генерирано напрежение.

Разликата между универсалният двигател за АС и този за чисто изправено напрежение е в начина на изработка на намотките на първия вид, така че да работи като двигател и с променливо напрежение. Тенденцията е колекторните двигатели да бъдат заменяни с безколекторни (безчеткови).

Колекторните електрически машини могат да бъдат с паралелно, последователно и смесено възбуждане. Това се определя от начина на захранването на намотките. според начина на регулиране са с зависимо и независимо възбуждане.

Генератор от безчетков постояннотоков двигател.
Безчетковите (безколекторни) двигатели за постоянен ток са широко разпространени. Използват се във всички нови дронове, скутери, ховърборди и различни места където е необходимо едновременно и точност на позицията и плавно регулирана скорост в големи граници. Най-широко се използват в дискови устройства- харддискове, флопидискове, СД плеъри.

Те са изключително безшумни и устойчиви на замърсявания. '''Това може би е един от най-добрите варианти за генератор, тъй като с малки размери на машината се постига много добра изходна мощност. Почти винаги използват неодимови магнити в ротора ,което гарантира най-доброто.''' .
 * В двигателен режим тези двигатели използват контролер (вид инвертор) ,тъй като не могат да бъдат захранени директно от батерия или мрежа. Този контролер играе ролята на колектор. Ако директно бъдат захранени от източник на понижено трифазно напрежение те се превръщат в синхронен двигател.
 * В генераторен режим инвертор често не е нужен. От такъв двигател, генерираното напрежението, винаги ще бъде променливо и още по-често трифазно. За да получите чисто постоянно изправено напрежение трите извода се свързват към трифазен изправител с диоди 6 броя.

.

Генератор от стъпков двигател
Стъпковият двигател е специализиран двигател за прицизно позициониране. '''Почти всички стъпкови двигатели имат постоянни магнити в работното си тяло (ротор). Това изключително много спомага за работата им като генератор.''' Друга полезна особеност при тях е ,че могат да генерират електричество при много ниски обороти поради специалното си конструктивно изпълнение и това премахва нуждата от редуктори. Съществуват и линейни стъпкови двигатели. .

.

.

.

-

Обобщение
Независимо кой вариант ще изберете, има някой общи принципи.

Механичната енергия, която влагате в задвижване на генератора, никога няма да бъде 100% равна на електрическата енергия на изхода поради загубите, които варират в големи граници при различните електрически машини и изпълнения на задвижване.

Има определена граница, при която задвижването от човешка сила не може да надвиши получаването на дадено количество енергия, дори и при минимални електрически и механични загуби или ако е избрана по-голяма мощност. Мощност- вертикалната ос: Време - хоризонталната☀

Да вземем за пример енергия от 315 килоджаула. С тази енергия вие можете да : тичате 6 минути ,  карате колело 10 минути ,  ходите бързо 15 минути. Това количество енергия може да движи кола 7 секунди с 80км/ч , захранва електрическа крушка от 60 вата за час и половина.

2kw бензинов четиритактов синхронен генератор гори по 350мl бедзин на киловат, но това не означава че с 100 вата консумация ще гори 35мl.

Не по-малко важно е лагерното окачване на механичната част. Ако е нужно да намалите загубите от триене при по -високи обороти, препоръчително е използването на търкалящи лагери с метални щитове и смазани с чисто машинно масло, след като е била почистена гъстата смазка. Ако механизмът е с плъзгащи се лагери това няма да е голям проблем ако използвате редуктор със зъбни предавки. Недостатък при зъбния редуктор е нуждата от чиста среда,а също и по-голямото натоварване в зъбите, когато редуктора се задвижва от към ниската скорост.

Понякога изходното напрежение при удобни по-ниски обороти може да е по-ниско от необходимото. Ако генераторът е променливотоков имате предимство. Всяко генерирано променливо напрежение може да бъде преобразувано директно с трансформатор, независимо от стойността на неговите първоначални изходни параметри при по-малки загуби отколкото ако е постояннотоков. Единственото условие е да има съвместимост между съпротивленията на трансформатора и генератора и техните напрежения.

Магнитна верига.
В електрическите машини магнитната врига е от съществено значение за тяхната ефективност. Тя е аналогична на електрическа верига и често е представяна като такава чрез заместващи схеми. При проектирането това включва брой полюси, брой канали и намотки, фази и др параметри свързани с геометричните характеристики и свойства. В практиката магнитната верига е с най- малки загуби при минимална въздушна междина между статор и ротор, а също между намотка на статор и намотка( или магнит) на ротор.

демонстрация за принципа на работа.
Ако все пак искате да сглобите сами нещо набързо, което да генерира електричество с цел демонстрация.Необходими ви са само намотка с голям брой навивки от тънък проводник върху макара, големи магнити при възможност неодимови и светодиод. https://www.youtube.com/watch?v=8VrPK6zFgzU

Източници
2. ^ http://clubs.dir.bg/showflat.php?Board=electro&Number=1952595729&part=all
 * 1) ^ Част от информацията може да се препокрива със статия от Уикипедия, но тя е проверена от същия автор на тази статия.

3. ^ http://oe.tu-sofia.bg/files/Asinhrinen%20dvigatel.pdf

4. ^ https://www.energy.gov/eere/wind/how-do-wind-turbines-work

5. ^  https://www.electricaleasy.com/2014/01/losses-in-dc-machine.html

6. ^  http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/motorac.html

7. ^  http://electricalengineeringdesigns.blogspot.com/2012/07/induction-generator-basic-information.html

8. ^ https://ritam4tb.com/%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D0%B5%D1%82%D0%B5-%D0%BB%D0%B8-%D1%87%D0%B5/

9. ^☀https://www.offroad-bulgaria.com/showthread.php?t=100049