Низкооборотный генератор Белашова своими руками.

Самой важной характеристикой катушки является коэффициент намотки (степень заполнения обмоточного пространства многовитковой катушки медью) - отношение площади меди катушки к площади обмоточного пространства:

где:

W - число витков катушки,

q - сечение провода с изоляцией, мм²

S - площадь поперечного сечения обмоточного окна, мм².

При этом необходимо учитывать, что толстым проводом произвести намотку многовитковых обмоток статора очень сложно и тем более создать её точный профиль для правильного вхождения в магнитную систему ротора. Более тонким проводом можно увеличить коэффициент намотки, а при помощи параллельного или последовательного соединения обмоток статора довести расчётное сечение провода до нужной величины. Например, в статоре однофазного низкооборотного генератора МГБ-300-144-2, расположено два ряда многовитковых обмоток, которые были намотаны в беспорядочном виде проводом имеющего диаметр 0,29 мм (так как у меня не было возможности изготовить рядную обмотку). Внешние многовитковые обмотки статора имеют по 580 витков. Внутренние обмотки статора состоят из 360 витков. В итоге получается, что статор генератора содержит 16920 витков. Значит если на каждой многовитковой обмотке (с учётом коэффициента намотки) мы не домотали хотя бы по 20 витков, то в итоге у нас получается, что мы не смогли домотать на наш статор ещё 720 витков. Если в каждом ряду статора низкооборотного генератора расположено две фазы по два ряда многовитковых обмоток, то у нас получится, что мы потеряли 1440 витков, фиг.5.

Обычно обмоточный коэффициент находится в пределах 0,5 - 0,8, но необходимо знать, что чем выше коэффициент намотки, тем будут лучше характеристики низкооборотного генератора. Он наиболее высок при шахматной намотке многовитковых обмоток самоспекаемыми эмалированными проводами. Преимущество данных эмалированных проводов является то, что они склеиваются при помощи лака под действием тепла или растворителей. После спекания образуется самонесущая намотка. Применение самоспекаемых эмалированных проводов имеет преимущество в цене и при изготовлении, так как намоточные каркасы, клейкая лента, компаунд и пропиточные материалы могут быть сэкономлены. Причём необходимо обратить особое внимание на то, что для лучшего охлаждения многовитковых обмоток самоспекающиеся эмалированные катушки статора должны плотно примыкать через теплопроводящий диэлектрик к алюминиевому корпусу низкооборотного генератора, так как для нормальной работы генератора отвод тепла от многовитковых обмоток является главной задачей, которая влияет на КПД генератора.

Производители низкооборотных генераторов для ветряных установок, мини ГЭС или переносных электростанций, должны сообщать своим покупателям все преимущества и недостатки этих машин. Покупатели должны знать некоторые важные технические характеристики генератора:

- внутреннее сопротивление многовитковых обмоток генератора не только при 20°С, но и при изменении температуры многовитковых обмоток генератора от 20°С до 80°С,

- ток короткого замыкания многовитковых обмоток генератора на заданных количествах оборотах, не только при 20°С, но и при изменении температуры многовитковых обмоток генератора от 20°С до 80°С, где участвует только ro,

- рабочий ток генератора на заданных количествах оборотах, не только при 20°С, но и при изменении температуры многовитковых обмоток генератора от 20°С до 80°С, где участвует ro + rн,

- при изготовлении статора или ротора из стального магнитопровода, на котором установлены многовитковые обмотки, необходимо знать тормозной момент ротора генератора,

- рабочее напряжение генератора, на заданных количествах оборотах,

- напряжение холостого хода генератора (без какой-либо нагрузки),

- способ отвода тепла от многовитковых обмоток генератора.

Данные технические характеристики нужны для согласования внутреннего сопротивления многовитковых обмоток генератора с нагрузкой, так как для получения наибольшей мощности во внешней цепи сопротивление нагрузки должно быть равно внутреннему сопротивлению генератора. Например, если многовитковые обмотки генератора имеют большое внутреннее сопротивление, то данный тип генератора менее подвержен колебаниям выходного напряжения. У генератора имеющего маленькое внутреннее сопротивление, падение выходного напряжения может превышать 40%. Существуют и другие тонкости в выборе низкооборотных генераторов. Например, если измерение технических характеристик генератора производились при температуре 20°С, то при температуре 70°С вы можете недосчитаться больше половины от заявленной производителем мощности и так далее… Докажем это на конкретных примерах.

Изменение температуры статора низкооборотного генератора (как и других электрических машин) вызывает изменение сопротивления внутри многовитковых обмоток при его работе и даже в не рабочем положении тогда когда низкооборотный генератор был установлен на ветродвигателе, который расположен на Солнце.

Такое изменение сопротивления проводника от температуры, приходящееся на каждый Ом сопротивления данного проводника при изменении температуры его на 1°С, называют температурным коэффициентом «альфа» (a). Таким образом, температурный коэффициент характеризует чувствительность изменения сопротивления проводника к изменению температуры. В данном случае у нас медные обмотки, которые обладают температурным коэффициентом, а = 0,004041.

Например, зная температурный коэффициент меди, мы можем определить внутреннее сопротивление многовитковых обмоток статора, которое произошло при изменении температуры статора, который нагрелся на Солнце до 70°С.

Формула для определения температурного коэффициента выглядит так:

R₂ = R₁ + R₁ ∙ a ∙ (T₂ - T₁)

где :

R₁ – сопротивление данного проводника при одной температуре – T₁,

R₂– сопротивление того же проводника, но при другой температуре – T₂,

а – температурный коэффициент металла, из которого проводник сделан,

T₂ - конечная температура обмоток из которого проводник сделан проводник °С,

T₁ - начальная температура обмоток из которого проводник сделан проводник °С.

1. Определим сопротивление многовитковых обмоток статора при изменении температуры:

R₂ = R₁ + R₁ ∙ a ∙ (T₂ - T₁)

R₂ = 6 Ом + 6 Ом ∙ 0,004041 ∙ (70 – 20) = 7,2738 Ом

где :

R₁ – сопротивление многовитковых обмоток статора при 20°С = 6 Ом,

R₂ – сопротивление многовитковых обмоток статора при 70°С,

а – температурный коэффициент меди = 0,004041

T₁ - температура статора низкооборотного генератора при 20°С,

T₂ - температура статора низкооборотного генератора нагретого на Солнце до 70°С.

Определим ток низкооборотного генератора, на зажимах которого находится напряжение 12 Вольт при температуре окружающей среды = 20°С.

Определим ток низкооборотного генератора, на зажимах которого находится напряжение 12 Вольт при температуре нагретого на Солнце до 70°С.

Определим мощность низкооборотного генератора, на зажимах которого находится напряжение 12 Вольт при температуре окружающей среды = 20°С.

P = U ∙ I = 12 В ∙ 2 А = 24 Вт

Определим мощность низкооборотного генератора, на зажимах которого находится напряжение 12 Вольт при температуре нагретого на Солнце до 70°С.

P = U ∙ I = 12 В ∙ 1,649 А = 19,797 Вт

Определим падения КПД не работающего, а просто нагретого на Солнце низкооборотного генератора при повышении температуры с 20°С до 70°С. Это допустимая температура для работы электромеханических устройств и агрегатов. Если мы даже гипотетически представим себе, что КПД низкооборотного генератора при 20°С была = 100% (чего не может быть в природе), то мы можем узнать, какой будет потеря мощности при увеличении температуры любых электрических машин. Хотя многие производители электрических машин стараются обходить эти щекотливые вопросы, чтобы не распугать своих покупателей.

           24 Вт = 100% 19,797 Вт = Х%

Из этого следует, что низкооборотный генератор, который даже ещё не приступил к работе, но уже потерял 17,52% КПД и это будет только в том случае, если внутреннее сопротивление статора будет маленьким при низком напряжении на обмотках статора. При увеличении напряжения на зажимах генератора соответственно увеличивается внутреннее сопротивление генератора, что соответственно повлечёт за собой ещё больше потерь КПД генератора. При этом мы говорим только об активном сопротивлении многовитковых обмоток статора, не включая в расчёт реактивное сопротивление многовитковых обмоток статора, которое во много раз превышает активное сопротивление проводников. Рассмотрим конкретный пример, когда будет увеличено напряжение на зажимах генератора, которое повлечёт за собой увеличение внутреннего сопротивления многовитковых обмоток статора.

2. Определим сопротивление многовитковых обмоток статора при изменении температуры:

R₂ = R₁ + R₁ ∙ a ∙ (T₂ - T₁)

R₂ = 12 Ом + 12 Ом ∙ 0,004041 ∙ (70 – 20) = 29,0952 Ом

где :

R₁ – сопротивление многовитковых обмоток статора при 20°С = 12 Ом,

R₂ – сопротивление многовитковых обмоток статора при 70°С,

а – температурный коэффициент меди = 0,004041

T₁ - температура статора низкооборотного генератора при 20°С,

T₂ - температура статора низкооборотного генератора нагретого на Солнце до 70°С.

Определим ток низкооборотного генератора, на зажимах которого находится напряжение 24 Вольта при температуре окружающей среды = 20°С.

Определим ток низкооборотного генератора, на зажимах которого находится напряжение 24 Вольта при температуре нагретого на Солнце до 70°С.

Определим мощность низкооборотного генератора, на зажимах которого находится напряжение 24 Вольта при температуре окружающей среды = 20°С.

P = U ∙ I = 24 В ∙ 2 А = 48 Вт

Определим мощность низкооборотного генератора, на зажимах которого находится напряжение 24 Вольта при температуре нагретого на Солнце до 70°С.

P = U ∙ I = 24 В ∙ 0,824 А = 19,797 Вт

Определим падения КПД не работающего, а просто нагретого на Солнце низкооборотного генератора при повышении температуры с 20°С до 70°С.

           48 Вт = 100% 19,797 Вт = Х%

Это наглядный пример, когда низкооборотный генератор при увеличении напряжения на зажимах генератора и увеличения внутреннего сопротивления в два раза который, даже не приступая к работе, уже потерял 58,76% КПД. Как говорилось ранее, здесь даже не упоминалось о реактивном сопротивлении многовитковых обмоток статора, которое во много раз превышает активное сопротивление проводников. Потому что при начале работы генератора начинает возрастать активное и индуктивное сопротивление многовитковых обмоток статора, которые зависят от числа магнитных систем, количества многовитковых обмоток, способа их соединения и скорости вращения магнитной системы ротора. Поэтому если вам будут предлагать низкооборотный генератор, мощность которого при 220 Вольтах превышает 1000 Вт на 200 об/мин, то делайте выводы сами…

На этих небольших примерах я наглядно показал, как одна величина может сильно влиять на КПД низкооборотного генератора, но при разработке генераторов или электрических машин их множество. Например, при расчёте низкооборотного генератора можно вытянуть одну величину до нормальной характеристики, а две другие могут заметно ухудшить его параметры. Поэтому желательно к каждой ветряной установке или мини ГЭС подходить индивидуально и конкретно изготавливать низкооборотный генератор с учётом температуры окружающей среды, где он будет работать на расчётную нагрузку с учётом удалённости расстояния от первичных преобразователей и так далее…

Потребители низкооборотных генераторов должны знать и другие тонкости этого процесса. Печально вам сообщить, но в мире нет, и не может быть низкооборотных генераторов. В данном случае вы имеете очень мощную машину, которая используется на 5-30% от заложенной мощности. Например, если раскрутить генератор МГБ-300-144-2, до 2000 об/мин, то мы получим 13833 Вт. Данный казус потребители начинают понимать, когда происходит момент покупки, где цена генератора не соответствует заявленной мощности, по отношению к другим электрическим машинам. Если к определению названия отнестись философски, то для богатых это будет низкооборотный генератор, а для всех остальных мощная электрическая машина.

Для того чтобы изготовить низкооборотный генератор изображённый на фиг.4 имеющего:

- хорошее охлаждение,

- модульную конструкцию,

- высокую степень надежности,

- надежное сопротивление изоляции,

- небольшие габариты и небольшой вес,

- генератор, который может легко регулироваться по току и напряжению,

- генератор, который может быть изготовлен от нескольких Вт, до сотен кВт,

- диэлектрический статор, генератора который не имеет потерь на гистерезис,

- диэлектрический статор, генератора который не имеет потерь на вихревые токи,

- генератор, который может автоматически определять напряжение поступающего сигнала,

- генератор, диэлектрический статор которого не имеет потерь на реактивное сопротивление якоря,

- генератор, имеющий систему слежения и регулирования, которая способна автоматически изменять параметры машины,

- электрическую машину постоянного тока, которая способна работать от одного или нескольких независимых источников различного напряжения и тока, а в южных странах от энергии солнечных батарей.

При изготовлении низкооборотного генератора необходимо добиться того чтобы ветряная установка или мини ГЭС должна сама в процессе работы могла менять конструктивную величину генератора коммутируя многовитковые обмотки статора или отдельных модулей таким образом чтобы получить от установки максимальную мощность вырабатываемого сигнала.

Чтобы изготовить качественный низкооборотный генератор необходимо от заказчика получить техническое задание на его разработку, которое поможет определить для каких целей будет использован данный генератор. Например, нам нужен низкооборотный генератор для ветроэнергетической установки максимальной мощностью 800 Вт при 400 об/мин, а для этого необходимо знать.

1. Назначение. Низкооборотный генератор предназначен для ветроэнергетической установки в отдельном индивидуальном доме или отдаленном поселении, который расположен вдали от центральной электросети.

2. Область применения. Обеспечение местного электроосвещения, для питания электробытовой техники, радиостанций, телевизоров, радиоприемников, холодильников и других маломощных бытовых потребителей до (500 - 800) Вт.

3. Технические характеристики и требования к генератору.

3.1. Мощность генератора при 400 об/мин - 800 Вт.

3.2. Мощность генератора при 300 об/мин - 500 Вт.

3.3. Напряжение холостого хода при 400 об/мин - 80 В.

3.4. Напряжение холостого хода при 300 об/мин - 57 В.

3.5. Напряжение холостого хода при 200 об/мин – 40 В.

3.6. Напряжение холостого хода при 100 об/мин – 20 В.

3.7. Ток короткого замыкания при 50 об/мин - 1,46 А.

3.8. Частота переменного тока при 500 об/мин - 100 Гц.

3.9. Частота переменного тока при 300 об/мин - 60 Гц.

3.10. Напряжение и ток генератора - переменный пульсирующий.

3.11. Число фаз генератора - одна.

3.12. Возбуждение - магнитоэлектрическое. Материал магнитов Нм30Ди5к8рт с остаточной магнитной индукцией Br - 1,25 Тл.

3.13. Температура окружающей среды от - 40°С до + 60°С.

3.14. Начальный момент вращения винта не более - 0,02 кг∙м.

3.15. Габаритные размеры генератора:

3.16. Наружный диаметр корпуса - 320 мм.

3.17. Длина корпуса без вала - 130 мм.

3.18. Длина генератора с валом - 220 мм.

3.19. Масса генератора не более (уточняется).

3.20. Отвод напряжения из генератора через разъем (тип разъема и место его установки уточняется).

3.21. Система автоматического слежения и регулирования за изменениями конструктивной величины генератора (тип системы уточняется).

3.22. Конструктивное исполнение генератора:

3.23. Генератор сборно-разборный. Состоит генератор из корпуса, в котором размещены четыре идентичных съёмных модуля и один съёмный вал.

3.24. Конструкция идентичных модулей допускает использование их, как для первой, так и для второй фазы.

3.25. Корпус генератора выполнен в закрытом исполнении.

3.26. Количество многовитковых катушек статора - 36 шт.

3.27. Максимальное напряжение на одной катушке статора при 600 об/мин. - 13 В.

3.28. Естественный способ охлаждения - IC 0041 ГОСТ 20459-87.

3.29. Исполнение морское - тропическое, по степени защиты - IR 44 ГОСТ 17494 - 87.

3.30. Изоляция проводящих ток частей генератора - класса "В".

3.31. Режим работы генератора - длительный (S1).

3.32. По всем требованиям генератор должен соответствовать ГОСТ 183 - 74.

3.33. При расчете и конструировании генератора все технические характеристики и параметры машины могут отличаться от технического задания на 5 - 10%.

3.34. Отдельные пункты ТЗ могут уточняться и дополняться при взаимном соглашении сторон.

Однако для того чтобы составить техническое задание на разработку низкооборотного генератора необходимо прежде всего выбрать тип ветряного двигателя, сделать его предварительный расчёт и определить:

- тип ветряного двигателя,

- диаметр колеса ветряного двигателя,

- среднюю годовую скорость воздушного потока,

- на какую мощность рассчитан ветряной двигатель,

- коэффициент использования энергии ветра ветряным двигателем,

- вращающие моменты различных типов ветряных двигателей и так далее…

Для того чтобы использовать воздушный поток ветряного двигателя в полной мере необходимо исходить из того что материальная точка основания винта каждой лопасти, в зависимости от длины окружности винтов ветряного двигателя должна проходить расстояние равное скорости ветряного потока.

Например, вычислим количество оборотов низкооборотного генератора при использовании ветряного двигателя имеющего:

- диаметр винта 2 м,

- скорость воздушного потока = 6 м/с.

Из таблицы № 1, размещённой в Патенте Российской Федерации № 2247860, определим максимальную мощность воздушного потока при 6 м/с, которая = 836,54 Вт.