Меню

Как определить количество витков катушки для генератора переменного тока



Расчёт генератора, основные параметры и изготовление

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

Ниже схема соединения однофазного генератора

Соединение катушек

Соединение катушек трехфазного генератора

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

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.

Таблица сопротивления медного провода

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.

Читайте также:  Генератор она для эми

Предварительный шаблон генератора

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.

Источник

Расчет трехфазного генератора на постоянных магнитах

Напряжение генератора переменного тока прямо пропорционально скорости движения магнитов, и соответственно оборотом генератора. То-есть если обороты увеличились в два раза, то и напряжение соответственно увеличится в два раза.

Чтобы вычислить напряжение генератора на определенных оборотах нужно магнитную индукцию магнитов (Тл) умножить на активную длину проводника (м), и умножить на скорость движения магнитов (м/с). Формула расчета выглядит так.

Формула очень простая, скорость магнитов вычислить легко, достаточно вычислить длину окружности и умножить на количество оборотов генератора. Активная длинна проводника это та часть которую перекрывают магниты. А вот индукцию магнитов можно только измерить или вычислить путем прокрутки готового генератора. Если индукция магнитов не известна то ее можно брать равной 0,8Тл. Это значение справедливо для аксиальных генераторов где расстояние между магнитами равно толщине самих магнитов. У генераторов с железными статорами не все так однозначно, но тоже при использовании разумной толщины магнитов (3-5мм) индукция в зазоре будет примерно 0,8Тл.

Пример расчета генератора

Так-как высота магнитов 40мм, то значит и активная длинна в катушках 40мм или 0,04м. За один оборот генератора магниты продавливают расстояние (L=2πr) 27/2*3,14=84,78см. Получается за один оборот магниты преодолеют 0,84м. Возьмем формулу выше E=B·V·L и подставим значения.

0,8*0,84*0,04=0,02V, это означает что при скорости вращения 1об/с или 60об/м напряжение одного витка катушки составит 0,02 вольта.

Чтобы узнать напряжение фазы генератора нужно посчитать количество витков. Из информации выше известно что в генераторе 18 катушек по 70 витков, значит в фазе 6 катушек. 6*70=420витков. теперь 420*0,02=8,4вольта. Таким образом мы знаем что напряжение фазы при 60об/м равно 8,4вольта. Если фазы генератора соединить в звезду то напряжение поднимется в 1,7раза, это значит 8,4*1,7=12,28вольта. Вот так вычисляется напряжение генератора. Так-как напряжение генератора пропорционально скорости движения магнитов, то при 60об/м=12,2вольта, при 120об/м=24,4вольта, при 180об/м=36,6вольта, и так далее.

Еще момент: Но если на бумаге начертить схему расположения магнитов и катушек в этом генераторе, то будет видно что магниты перекрывают лишь половину катушек фазы, это значит что не все сразу витки катушек фаз участвуют в выработке энергии. И это надо учитывать, выше написано что в фазе 420 витков, но только половина из них перекрывается магнитами значит всего 210витков будет вырабатывать напряжение. А это получается 420/2=210*0,02=4,2вольта при 60об/м с фазы, если фазы соединить в звезду, то 4,2*1,7=7,14 вольта. Площадь магнитов тоже не маловажный фактор.

Как вычислить силу тока генератора.

Можно посчитать какой ток выдаст генератор на аккумулятор, но не известно сопротивление фазы. Тогда можно сопротивление вычислить. Если в генераторе катушки намотаны проводом 1мм, а средняя длинна витка в катушке 0,08м, а витков в катушках по 70. Получается 420*0,08=33,6метра. Сопротивление 1м провода толщиной 1мм равно 0,0224Ом значит 33,6*0,0224=0,75Ом. Сопротивление фазы равно 0,75Ом, чтобы узнать сопротивление всего генератора при соединении звезду нужно сопротивление умножить на 1,7 получится 0,75*1,7=1,27Ом. Теперь когда известно сопротивление можно посчитать ток генератора.

Например нам надо узнать какой ток генератор выдаст на аккумулятор 14 вольт при 300об/м. Тогда от напряжения генератора 44,4вольта (7,4*6) нужно отнять напряжение аккумулятора 14 вольт и разделить на сопротивление генератора 44,4-14=30.4/1,27=23А. Получается что ток на аккумулятор составит 23А.

Но в реальности ток будет меньше потому что не учтено сопротивление аккумулятора, оно хоть и небольшое, но присутствует. Так-же сопротивление соединяющих проводов, например если провода 20 метров и он тонкий то это существенное сопротивление. Так-же есть еще активное и реактивное сопротивление генератора, которое может быть достаточно большим и значимым.

Из-за активного и реактивного генератора падает общий КПД самого генератора, так-как на внутреннем сопротивлении теряется мощность ( нагрев катушек и т.п.). Поэтому в реальности сила тока будет меньше. На малых оборотах и при небольшом токе можно КПД генератора брать около 0,8мм, тогда 23*0,8=18,4Ампер.В среднем из-за разных других потерь рекомендуют брать средний КПД около 0,5, тогда в реальности будет 23*0,5=11,5Ампер, но все же основной показатель это сопротивление генератора.

В общем для примерного расчета генератора нужны всего две основные формулы, это формула расчета напряжения генератора, и формула расчета силы тока генератора.

Конечно, как я уже упоминал здесь учитывается не все моменты от которых зависит напряжение и ток генератора, но основные моменты, от которых координатно зависят характеристики генератора здесь учтены. Если вооружиться этими двумя формулами и проверить готовые генераторы, все параметры которых известны, то результаты будут очень близки к реальным генераторам. Перед написанием статьи я проверил так-же и свои генераторы, если брать КПД 50% то данные практически совпадают, разброс на разных оборотах 10-20%.

Если возникли вопросы, или вы заметили неточности, то оставляйте комментарии под этой статьей.

Источник

Расчёт генератора для ветрогенератора

Расположение магнитов на дисках, расчёт диаметра

И так, весь расчёт генератора происходит от размеров и количества магнитов, именно от магнитов всё зависит. От магнитов строится диаметр будущего генератора, ротора и статора. Магниты на дисках должны располагаться с расстоянием в половину ширины магнитов, такое расстояние оптимально при классической схеме соотношения числа магнитов и катушек два к трём. При этом не важно какие у вас магниты, круглые, квадратные или прямоугольные. Когда магниты располагаются с расстоянием между сабой в пол-магнита, то размер (ширина) магнита и сектор катушки одинаковые по размерам, и магнит полностью перекрывает катушку не затрагивая соседние катушки. При этом происходит чёткая смена направления ЭДС в катушках фаз не затрагивая соседние фазы.

ЭДС — это электродвижущая сила, это собственно электричество, которое может протекать в одном направлении и это будет ПЛЮС или в другом и это будет МИНУС. Когда меняется магнитный полюс то и направление тока в катушке меняется, отсюда это называется переменным напряжением.

Но вообще генератор будет работать при любом варианте размещения магнитов, хоть вплотную, хоть с большим расстоянием, главное чтобы число катушек и магнитов соответствовало трёх-фазной системе. Но максимальная эффективность будет если магниты располагать на расстоянии в пол-магнита. Про однофазный вариант чуть дальше в статье.

Форма магнитов тоже имеет значение, лучше использовать прямоугольные магниты и делать вытянутые катушки. Дело в том что максимальная ЭДС витка катушки будет в том случае когда магнитное поле будет проходить максимально перпендикулярно витку катушки. А если виток катушки будет идти параллельно то ЭДС не будет возникать. По-этому самое правильное это прямые витки в том участке катушки который перекрывает магнит. Но прямые катушки по форме сектора намотать очень сложно, по-этому мотают вытянутые катушки в форме яйца или треугольника, хотя самое простое это круглые катушки, вот их в основном и делают повторяя конструкцию первых генераторов пришедших к нам из американского интернета, от Хью Пиготта.

Магниты тоже по форме желательно прямоугольные, так-как в отличие от круглых катушек магнитное поле здесь сосредоточено не в центре, а тоже вытянуто, от этого тоже возрастает эффективность генератора. Чем прямее витки в рабочей зоне катушки и чем распределённой по рабочей зоне магнитное поле тем лучше — эффективней.

Лобовые части катушки как правило выносят за пределы магнита, то-есть катушку делают с внутренним отверстием по высоте равным высоте магнита, а когда наматывают катушку то получается что снизу и сверху катушка становится больше на толщину намотки, и выходящие части называются лобовыми. В железных статорах лобовые части это медь выходящая за пределы пазов статора. Лобовые части это по сути соединители витков катушки, и так-как они сильно искривляются и становятся в своей верхушке параллельны движению магнитов то и ЭДС они вырабатывают минимальную.

Читайте также:  Клеммная колодка для генератора

И круглые катушки в дисковом аксиальном генераторе тоже мотают с внутренним отверстием равным высоте магнита, или если магнит круглый то равным его диаметру. Но как вы поняли максимальная ЭДС катушки сосредоточена в середине, а по мере закругления витков ЭДС и эффективность падает. По-этому участок попадающий под магнит должен быть максимально перпендикулярен движению магнитного поля. То-есть вытянутые треугольной формы катушки.

Пример расчёта диаметра дисков

Возьмём к примеру классический пример когда у нас имеется 24 магнита размером 50*30*10 мм, и мы исходя из этих магнитов будем строить генератор. Так-как магниты у нас должны располагаться по кругу с расстоянием в пол-магнита, а ширина магнитов у нас 30 мм, то добавляем по 15 мм и 12*45=540 мм. Значит длинна окружности у нас по внутреннему радиусу магнитов будет 540 мм. Теперь 540:π=171 мм. Внутренний диаметр по магнитам получился 171 мм, теперь прибавим к диаметру по 50мм (высота магнитов) и получим 171+50+50=271мм. Диаметр дисков получился 271 мм, или 27 см.

Теперь когда известен диаметр дисков то вырезаем диски и делим их на 12 секторов, клеим магниты в секторах и у нас получается расстояние между магнитами равное половине ширины магнитов. Если к примеру магниты шириной 20мм, то расстояние между магнитами должно быть равным 10 мм.

Чтобы рассчитать статор и размеры катушек сначала рисуем на бумаге круг диаметром 27 см, и делим его на 18 секторов. Генератор у нас трёх,фазный и значит при 12-ти полюсах на дисках должно быть 18 катушек в статоре, соотношение 2:3. От края круга отступаем 50 мм и это будет нижняя граница катушки (171 мм), за которую будут выходить лобовые витки. И по верхней границе по диаметру в 27 см будут выходить лобовые витки катушки, а магнитами будет перекрываться диаметр от 17 до 27 см.

Это и есть рабочая часть катушки, и если всё нарисовать то вы увидите что ширина сектора катушки по диаметру 171 мм будет равна 30 мм, равна ширине магнита. Значит в этом месте ширина катушки не должна превышать 30 мм, иначе все 18 катушек не поместятся по кругу. А по диаметру 271 мм ширина катушки будет 47 мм. Так-как нижняя ширина сектора 30 мм то намотка витков может быть максимальной в 15 мм, и соответственно оправка, на которую вы будете наматывать катушки должна быть или плоской или треугольной формы.

Но саму оправку трудно сделать такую тонкую и такой формы, по-этому борт катушки получится где-то 10-12 мм, если оправку начинать делать в нижней части 5-10 мм и на расширение, треугольной формы. И во время намотки витки катушки лягут не идеально натянуто и в середине будут немного выпирать, а это значит что борт катушки нужно мотать немного тоньше, чтобы она не вышла за пределы сектора. В итоге борт катушки будет шириной около 10мм.

Толщину катушки определяют по толщине магнитов, если магниты толщиной 10 мм, то и статор должен быть толщиной 10 мм. Можно делать статор и толще, но чем дальше магниты друг от друга тем меньше сила магнитного поля в зазоре, а значит и ЭДС. Можно и тоньше, но тонкий статор слишком хрупкий при таких диаметрах — это тоже надо учитывать. Вообще оптимально толщина магнитов от 10 мм и выше чтобы статор тоже получился толстый и прочный. Внешний диаметр статора должен быть естественно больше чем диаметр дисков так-как за пределы диаметра выходят лобовые части катушек. Диаметр тут на ваше усмотрение , его можно сделать больше сантиментов на пять чтобы остался запас для крепления статора.

Кстати многие спрашивают почему используют именно железные диски, они ведь тяжёлые, можно ведь и стеклопластик и пластмассу использовать. Дело в том что диски это магнитопровод, через который замыкается магнитное поле магнитов, и они как-бы подпитывают друг друга. От этого усиливается магнитное поле в зазоре между магнитами на противоположных дисках, которое пронизывает катушки статора. Рекомендуемая толщина дисков тоже должна равняться толщине магнитов, можно и тоньше, но толщина дисков должна быть такой чтобы с обратной стороны к железу нечего не притягивалось. Если притягивается значит магнитное поле выходит наружу за пределы железа и не участвует в выработке энергии.

Магниты на дисках должны чередоваться полюсами чтобы в катушках при вращении изменялось магнитное поле, при однородном магнитном поле энергия тоже не вырабатываться, магнитное поле должно изменяться, и чем быстрее оно изменяется тем выше ЭДС генератора, по-этому напряжение генератора чётко зависит от скорости движения магнитов, от оборотов в общем. Диски должны притягиваться друг к другу, по-этому когда ставятся диски магниты становятся друг на против друга противоположными полюсами.

Вроде нечего не забыл, если не понятно то попробуйте порисовать и ещё раз прочитать вышеописанное. Основное это то что генератор строится от размеров магнитов и соотношении числа магнитов к катушкам 2:3. Некоторые кстати делают и однофазные генераторы, но потом сталкиваются с проблемой сильной вибрации генератора при работе и его гудением. Это связано с тем что когда в статоре одна фаза, то пик нагрузки происходит когда магниты становятся напротив катушек, а когда проходят между то сопротивление магнитному полю катушек резко подает. Получается что во время вращения происходит ослабление и усиление сопротивления и от этого появляется сильная вибрация и гул генератора.

В трёх-фазном такой эффект почти незаметен так-как там три фазы, и когда магниты сходят с катушек одной фазы, то они набегают на следующую фазу, и получается что сопротивление первой фазы падает, а второй нарастает пропорционально падению первой, а далее третья и снова первая фаза. И так по кругу фазы компенсируют друг друга, при этом и напряжение генератора получается большей частоты. И за счёт создания эффекта вращающегося электрического поля мощность генератора возрастает в сравнении с однофазным, но сам я этого не проверял.

Расчёт напряжения генератора

Теперь когда размеры катушек и самого генератора известны исходя из имеющихся магнитов можно рассчитать напряжение генератора, которое зависит от количества витков в катушках. Для начала надо понимать что напряжение, то есть ЭДС зависит от магнитной индукции магнитов и от скорости изменения магнитного поля, то-есть от скорости движения магнитов. Скорость движения магнитов зависит от оборотов и от диаметра ротора, так-как при разном диаметре магниты проходят разное расстояние за один оборот, соответственно чем больше диаметр тем выше скорость движения магнитов при тех-же оборотах генератора и выше ЭДС.

Магнитную силу в зазоре между магнитами можно измерить специальным прибором, но гдеж его взять, а если его нет то при условии соблюдения зазора между магнитами равным или чуть больше толщины магнитов то магнитная индукция в зазоре будет равняться примерно 0,8 Тл если магниты N35, и около 1-1.2 если магниты N50 и сильнее.

Магнитная индукция это главный показатель от которого ведется весь расчёт, и если он не известен то берется в расчёт цифра 0,8 или 1 Тл если магниты N50. Как показывает практика такие цифры в итоге получается очень приближенными к реальным показателям генератора. Но всё будет зависеть от конкретного генератора и качества и точности изготовления, и соблюдения рекомендуемых размеров. Сама формула и метод расчёта расписаны у меня в других статьях Расчёт аксиального генератора, но попробую снова всё рассказать в этой статье.

И так чтобы узнать напряжение генератора сначала нам нужно высчитать напряжение одного витка катушки при определённых оборотах. Для этого сначала находим средний диаметр по магнитам, он у нас будет 22 см, так-как нижний 17 см, а верхний 27 см. По диаметру находим длину окружности, которая в нашем примере равняется 22*π=69 см, или 0.69 метра.

А так-же нам нужно узнать рабочую длину витков в катушке. Так-как магниты у нас по высоте 50 мм, то и рабочая активная часть катушки будет 50 мм, это 0.05 метра. Теперь 0.8Тл*0.69м*0.05м=0.0276 вольта. Вот эта цифра это и есть напряжение одного витка при 60об/м или 5об/с.

Теперь давайте посчитаем какое напряжение нам выдаст фаза генератора при 60об/м. У нас борт катушки получился шириной 10 мм, и толщина статора 10мм, это значит что объём под витки у нас 10*10 мм. Но провод начала катушки выходит из-под катушки, по-этому или статор делать толще на толщину этого провода, то-есть добавлять к общей толщине, или уменьшать толщину катушки на толщину сечения провода намотки. И так для примера возьмём провод диаметром 1 мм. По идее это значит что в 10мм по толщине войдёт десять рядов намотки, статор у нас толщиной 10мм, значит надо мотать 9 рядов, а 1 мм останется для выхода провода из-под катушки в статоре. Борт катушки у нас 10 мм, это значит что получается 10 витков по борту и 9 витков по толщине, всего войдет 10*9=90 витков. В общем получается по 90 витков в катушке если мотать проводом 1 мм.

Читайте также:  Генератор действующих карт visa

Катушек в фазе 6 штук, это значит витков всего в фазе 450, а ЭДС одного витка 0.0276 вольта, это значит 450*0.0276=12.42 вольта. В итоге напряжение фазы при 60 об/м составит 12.42 вольта, округлим до 12 вольт. И так-как напряжение зависит от оборотов линейно то при увеличении оборотов в два раза, до 120об/м напряжение поднимется до 24 вольта, а при 600об/м оно будет 120 вольт. Катушки в фазах соединяются последовательно, то-есть конец первой с началом второй, а конец второй катушки фазы с началом третьей, при этом направление намотки всех катушек должно быть в одну сторону, или по часовой или против. Катушки фаз идут по порядку, катушки первой фазы это катушки 1-4-7-10-13-16, второй фазы 2-5-8-11-14-17, а третьей 3-6-9-12-15-18.

Трёх-фазный генератор обычно соединяется звездой или треугольником, так вот если фазы соединить звездой то напряжение уже всего генератора после диодного моста поднимется в 1,7 раза от напряжения одной фазы. И уже при 60об/м получится 20 вольт, а при 600 об/м будет 200 вольт. При соединении звездой возрастает сопротивление генератора в два раза в сравнении с сопротивлением одной фазы, по-этому повышая напряжение соединением в звезду повышается и сопротивление, и как следствие падение тока и КПД генератора на высоких оборотах, но зато зарядка АКБ будет начинаться раньше.

А соединяя треугольником напряжение и сопротивление генератора будет равное фазному. Про соединение фаз посмотрите в других статьях на сайте. Если кратко то соединение фаз звездой выглядит так, все начала трёх фаз или их концы соединяются в одну точку и изолируются, а три другие конца подаются на трёх-фазный диодный мост. Треугольником соединение немного сложнее, надо конец первой фазы соединить с началом второй фазы, а конец второй фазы соединить с началом третьей, а конец третьей соединить с началом первой. В итоге получатся три точки соединения, которые подаются на трёх-фазный диодный мост.

Мощность генератора

Мощность генератора зависит от напряжения и сопротивления обмотки статора, чем меньше сопротивление катушек тем больше ток генератора. Но чем больше витков в катушках тем больше напряжение, а вот сопротивление из-за этого увеличивается так-как увеличивается длинна провода и приходится катушки наматывать проводом тоньше, чтобы поместились все витки в катушку. По-этому нужно искать баланс между сопротивлением и напряжением, а так-же подбирать правильный винт под генератор, чтобы и зарядка начиналась на слабом ветре 3-4м/с, и обороты были как можно выше чтобы не завышать напряжение генератора и не проигрывать в сопротивлении и КПД генератора.

Сопротивление одного метра провода сечением 1 мм равно 0,0224 Ом, у нас в фазе 450 витков, средняя длинна витка около 0,15 метра, а это значит 450*0,15*0,0224=1,5 Ом.Значит сопротивление фазы 1,5Ом, при соединении фаз звездой сопротивление станет 3 Ом. Если провод будет толще то понятно что сопротивление будет ниже, или если уменьшить количество витков, но при этом и напряжение станет ниже так-как витков станет меньше. Но напряжение и так высокое и в данном случае, которое больше подойдёт для АКБ 24 и 48 вольт нежели для АКБ 12в.

Теперь можно посчитать какую мощность может выдать генератор на зарядку АКБ. У нас при 60об/м получилось 20 вольт, если подключить аккумулятор то напряжение просядет до напряжения АКБ, примерно станет 13 вольт, и появится ток зарядки. А ток зарядки рассчитывается так, от напряжения в холостую (20в) нужно вычесть напряжение АКБ (30в-13в=7в) и полученную цифру разделить на сопротивление генератора (3 Ом), в итоге получится 7:3= 2,3 ампера. Вот ток зарядки при 60об/м составит 2,3 А, а мощность 2,3*13=29.9 ватт. При 180об/м получается 60в-13в=47:3=15,6А*13в=203 ватта. При 600об/м мощность генератора будет (200-13:3=62А*13=810ватт)

Если АКБ на 24 вольта будет то зарядка начнётся примерно при 80 об/м, а мощность при 180об/м составит (60-26:3=11.3А*26в=294ватт), а при тех-же 600об/м мощность будет (200-26:3=58А*26=1508ватт). Понятно что если на 48вольт АКБ то мощность будет ещё выше, но при этом начало зарядки будет позже, примерно при 150об/м. Всё это из-за сопротивления, которое определяет ток зарядки и КПД.

Вообще чем больше падение напряжения на аккумуляторе тем хуже КПД генератора, и при большом падении, когда напряжение падает в 3-4 раза КПД падает до 50% и даже ниже. Собственно по этому генератор может выдавать меньшую мощность так-как винт он будет грузить с учётом КПД и если винт не потянет то генератор не выйдет на расчётные обороты и не отдаст расчётную мощность. Данный генератор при работе на 12в АКБ будет иметь самый плохой КПД и реально генератор при отдаче мощности в 0.8кВт будет грузить винт более чем 1,5кВт.

Из этого следует что данные генератор если его наматывать проводом 1мм по 90 витков в катушках, больше подходит для АКБ на 24 или 48 вольт. Для 12 вольт АКБ зарядка начинается слишком рано и придётся ставить тихоходный винт, который будет мало-оборотистый и максимальные обороты составят не более 300-400 при ветре 10-12м/с, а диаметр винта будет около 2.7-3 метра. Сейчас есть программы для расчета винтов описание которых есть на сайте. Трехлопастной винт для зарядки АКБ 12в не подойдёт так-как не сможет раскрутится из-за ранней нагрузки, а с тихоходным винтом зарядка будет примерно с 3м/с, но максимальная мощность будет не более 300-400 ватт. Для 12 вольт нужно уменьшать количество витков и мотать более толстым проводом чтобы зарядка начиналась при 100-150об/м и был большой ток зарядки.

Если ветрогенератор будет работать на АКБ 24 вольта то можно ставить более скоростной винт, подобранный в программе под обороты и мощность ветрогенератора, и тогда можно ожидать так-же зарядку с 3м/с и максимальную мощность при ветре 10-12м/с около 1кВт. Винт при этом тоже будет не слишком быстроходный так-как зарядка будет начинаться уже при 80об/м.

А вот если ветрогенератор будет работать на систему 48 вольт, то применив скоростной трёх-лопастной винт с быстроходностью 5-6 можно получить и зарядку с 3м/с и номинальную мощность при ветре 10-12м/с и 600 об/м около 2кВт. Именно при работе на АКБ 48 вольт данный генератор с правильным винтом будет максимально эффективным, то-есть с максимальной отдачей от вложенных денег.

Если делать на 12 вольт такой генератор чтобы он смог выдавать до 1.5-2кВт, то количество витков надо уменьшать в четыре раза, а сечение провода увеличивать в два раза, и получится в катушках по 20 витков проводом 2мм. И винт должен быть с высокой быстроходностью, не менее 6.

Но многие просто повторяют конструкции увиденные на ютюбе, и делают одни и теже ошибки мотая большое количество витков и получая раннюю зарядку, при которой винты не могут раскрутится до своей номинальной быстроходности и соответственно не могут тянуть генератор. Или ставят винты с перебором по мощности и теряют в оборотах винта и соответственно в мощности генератора. Да и сам генератор из-за высокого сопротивления отдаёт небольшой ток с низким КПД и в итоге мощность маленькая по сравнению с дорогими магнитами, медным проводом и трудом, а отдача низкая. В итоге хорошие винты генератор не могут раскрутить, а тихоходные много-лопастные кое-как работают на слабом ветру и не раскручиваются до приличных оборотов.

При изготовлении и расчёте нужно учитывать не только напряжение чтобы зарядка АКБ начиналась при низких оборотах, но и сопротивление обмотки генератора, чтобы был хороший КПД, и ток зарядки. А так-же нужно представлять под какой винт делается генератор, так-как винт тоже должен делаться из чего-то, и бывает так что слишком большой сделать проблематично, по-этому можно сознательно уменьшать мощность генератора и делать тихоходный винт. Или наоборот делать хороший быстроходный винт и затачивать генератор на максимальную отдачу энергии в широком диапазоне ветров.

Расчёт генератора описанный выше так-же применим и к генераторам с железными статорами, так-как ЭДС так-же зависит от диаметра ротора и активной длинны проводника. Главное вычислить напряжение одного витка, а далее уже без проблем зная количество витков можно вычислить напряжение генератора. А вычислив сопротивление фазы можно рассчитать мощность генератора.

Ещё хочу ответить на такой вопрос — «А не повредит-ли высокое напряжение аккумулятор при зарядке от ветрогенератора». Дело в том что напряжение генератора высокое только когда он работает в холостую, но когда мы подключаем генератор к аккумулятору то он принимает заряд на себя. При этом напряжение падает до напряжения аккумулятора и появляется ток зарядки. Напряжение растёт по мере заряда аккумулятора. Во время заряда в зависимости от степени заряда напряжение аккумулятора повышается и при достижении 14 вольт аккумулятор считается условно заряжен. Если напряжение продолжит расти то будет пере-заряд аккумулятора, он начнёт активно кипеть и нагреваться, а это негативно сказывается на нём. По-этому чтобы напряжение не превышало 14 вольт нужно или отключать ветрогенератор или подключать дополнительную нагрузку, которая просадит напряжение и сожжёт лишнюю энергию.

14 вольт это условная цифра полного заряда АКБ, он будет заряжен полностью когда на нём будет 14 вольт при минимальном токе заряда, а если ток зарядки скажем 1:10 от ёмкости АКБ, то он ещё не заряжен. Вообще за зарядом аккумулятора должен следить контроллер, который сам будет управлять зарядом и ветрогенератором.

Источник