• 31.марта.2016
• Наталья Борисовна
• 0

 

 

Выполнили: Иоакиманский Евгений,  МБОУ Солонцовская СОШ,  9 класс, , 89631807887

Руководитель: Иоакиманский Н.Н, учитель черчения, руководитель научно-технического клуба «Панголина»,  МБОУ Солонцовская СОШ , , , 89029517873

 

Тезисы к работе

1. Актуальность работы

2. Удорожание производства топливно - энергетических ресурсов и растущее загрязнение окружающей среды выдвинули на первый план задачу поиска новых технологий энергопреобразования, разработки новой техники и создание таких экологически чистых энергосистем, которые бы обеспечивали удовлетворение нужд промышленности и населения при минимальных затратах материальных ресурсов. Наряду с другими подходами, в решении стоящих перед Российской Федерацией экологических и энергетических проблем, наиболее перспективным путем является разработка и широкое внедрение энергопреобразующих систем на основе ветрогенераторов

3. С появлением неодимовых магнитов появилась возможность создавать высокопроизводительные генераторы, работающие на малых оборотах, которые в свою очередь хорошо подходят для создания ветрогенераторов.

4. Напряжение и ток от генератора зависит от множества факторов, таких как обороты генератора, мощность магнитов, скорость движения магнитов на роторе, количество витков в обмотках участвующих в выработке электричества за единицу времени и др.

5. Наш разрабатываемый ветрогенератор можно отнести к микро-ветровой энергетике. К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветровой энергетике. Они применяются на яхтах, сельскохозяйственных фермах для водоснабжения и т. д.

 

Введение

Цель проекта:

Наглядная демонстрация преобразования механической энергии в электрическую на

при мере работы ветряного генератора

1. Спроектировать и изготовить низкооборотный генератор на неодимовых магнитах.

2. Провести примерный расчёт ожидаемой мощности генератора и практически проверить, подключая нагрузку.

3. Преобразовать полученный переменный трёхфазный ток в постоянный.

4. Смоделировать работу ветрогенератора.

Генератор переменного тока

Генера́тор переме́нного то́ка (устаревшее «альтерна́тор») — электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую энергию переменного тока.  Электрические машины, генерирующие переменный ток, были известны в простом виде со времён открытия магнитной индукции электрического тока. Ранние машины были разработаны Майклом Фарадеем и Ипполитом Пикси.

Фарадей разработал «вращающийся прямоугольник», действие которого было многополярным — каждый активный проводник пропускался последовательно через область, где магнитное поле было в противоположных направлениях. Первая публичная демонстрация наиболее сильной «альтернаторной системы» имела место в 1886 году. Большой двухфазный генератор переменного тока был построен британским электриком Джеймсом Эдвардом Генри Гордоном в 1882 году. Лорд Кельвин и Себастьян Ферранти также разработали ранний альтернатор, производивший переменный ток частотой между 100 и 300 герц. В 1891 году Никола Тесла запатентовал практический «высокочастотный» альтернатор (который действовал на частоте около 15000 герц). После 1891 года были изобретены многофазные альтернаторы.

Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцирование электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле. Или наоборот, прямоугольный контур вращается в однородном неподвижном магнитном поле.

Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом, вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью . Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок) являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется.

Устройство генератора переменного тока по конструкции можно выделить

генераторы с неподвижными магнитными полюсами и вращающимся якорем;

генераторы с вращающимися магнитными полюсами и неподвижным статором. Получили наибольшее распространение, так как благодаря неподвижности статорной обмотки отпадает необходимость снимать с ротора большой ток высокого напряжения с использованием скользящих контактов (щёток) и контактных колец.

Подвижная часть генератора называется ротор, а неподвижная — статор.

Статор собирается из отдельных железных листов, изолированных друг от друга. На внутренней поверхности статора имеются пазы, куда вкладываются провода статорной обмотки генератора.

Ротор изготавливается обычно из сплошного железа.  При вращении между статором и полюсными наконечниками ротора присутствует минимальный зазор для создания максимально возможной магнитной индукции. Геометрическая форма полюсных наконечников подбирается такой, чтобы вырабатываемый генератором ток был наиболее оптимальным.

Наши исследования

С появлением неодимовых магнитов появилась возможность создавать высокопроизводительные генераторы, работающие на малых оборотах, которые в свою очередь хорошо подходят для создания ветрогенераторов. В настоящее время магнитный аксиальный ветрогенератор завоевывает признание в России.  Мы  тоже решили смоделировать трехфазный генератор переменного тока на ниодимовых аксиальных магнитах с дальнейшим его практическим применением на ветрогенераторе.

1. Подбор магнитов и параметров катушек

Неодимовый магнит — постоянный мощный редкоземельный магнит, состоящий из сплава неодима, бора и железа. Известен своей мощностью притяжения и высокой стойкостью к размагничиванию. Имеет металлический внешний вид, очень востребован и применяется в разных областях промышленности, медицины, в быту и электронике. Неодимовые магниты теряют не более 1-2 % своей намагниченности за 10 лет. Но их можно легко размагнитить, нагрев до температуры +70 °C и более. Имея в своем распоряжении аксиальные  неодимовые магниты, диаметром 15 мм и толщиной 5 мм, в количестве 24 штук. Мы разместили по 12 штук на  каждом из двух стальных дисков, диаметром 120 мм, которые в сборе являются ротором генератора. (рис.1)

Полученные параметры ротора позволили определить размеры статора и катушек, которые должны оптимально расположиться на статоре, причем центр катушек и центры магнитов должны точно совпадать, а диаметр магнита и внутренний диаметр катушки должны быть одинаковыми т.е. 15 мм. Таких катушек получилось  9 и их толщина 5 мм.

Определив размеры катушек, мы определили диаметр проволоки и количество витков, которые  максимально могут уложиться в катушке. Для этого было проведено ряд экспериментов с подбором диаметра проволоки и количеством витков.

Наибольшее напряжение было получено на катушке с диаметром проволоки 0,25 мм и количеством витков 100.

Наличие стального сердечника  обеспечит усиление магнитопотока в катушке, однако вызывает небольшое залипание, которое затрудняет трогание с места. Поэтому мы отказались от сердечников.

Эксперименты с катушками так же показали, что расстояние между магнитами на дисках должно быть минимальным, чтобы магнитное поле не рассеивалось. Определив  все параметры, мы провели приблизительный расчет напряжения, которое можно получить от нашего генератора.  (рис. 2)

 

2. Расчёт напряжения трёхфазного генератора

Напряжение и ток от генератора зависит от множества факторов, таких как обороты генератора, мощность магнитов, скорость движения магнитов на роторе, количество витков в обмотках участвующих в выработке электричества за единицу времени и др. Основным показателем в выработке напряжения является линейная скорость движения магнитов, которая зависит от оборотов генератора и длинны окружности по которой эти магниты вращаются.

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:

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

Формула очень простая, скорость магнитов вычислить легко, достаточно вычислить длину окружности и умножить на количество оборотов генератора. Активная длина проводника это та часть, которую перекрывают магниты. А вот индукцию магнитов можно только измерить или вычислить путем прокрутки готового генератора. Если индукция магнитов неизвестна, 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 5 мм, индукция в зазоре будет примерно 0,8Тл.

Для нашего генератора Е=BVL.

Е=0,8*0,37*0,015=0,004 В

Напряжение фазы, состоящей из трех катушек, в каждой катушке 100 витков, будет равно:100*3*0,004=1,2 В

При соединении звездой (рис3.) напряжение увеличится в 1,7 раза, и будет =1.2*1,7=2,4В.

Т.к. магнит захватывает не все витки, а примерно половину, то реальное напряжение будет=1,2 В.

Вот так вычисляется напряжение генератора. Т.к. напряжение генератора пропорционально скорости движения магнитов, то при 60об/м=1,2вольта, при 120об/м=2,4вольта, при 180об/м=3,6 вольта, и так далее.

3.  Приблизительный расчёт мощности

Подключив нагрузку- лампочку, с номинальным напряжением 6,3 В и током 0.3 А , приборы показали напряжение 9В и ток 0,3 А. Можно подсчитать мощность:

P = U*I = 9В*3А =2,7 Вт

Этот расчёт можно принять с потерями на проводах и выпрямителе.

4.Получение постоянного тока

При использовании генератора в режиме постоянного тока мы спаяли выпрямитель из шести диодов ( рис. 4), который позволил заряжать аккумулятор от телефона (рис.5)

Заключение

В результате проделанной работы была получена рабочая модель трёхфазного генератора, способного выдавать напряжение до 18 В, при механическом приводе. Механический привод заменили лопастями ветряка, который мы раскрутили электрическим вентилятором. При этом было получено напряжение 5 В. Для того, чтобы получить более высокие показатели генератора, необходимо увеличить число и размеры магнитов. И соответственно число катушек, диаметр проволоки и количество витков. При этом обороты должны оставаться прежними  ( Рис. 6)

Наш разрабатываемый ветрогенератор можно отнести к микро-ветровой энергетике. К малой ветроэнергетике относятся установки мощностью менее 100 кВт. Установки мощностью менее 1 кВт относятся к микро-ветровой энергетике. Они применяются на яхтах, сельскохозяйственных фермах для водоснабжения и т. д.