Альтернатор (автомобильный генератор переменного тока). Нужен хотя бы один, но лучше два.
Старые генераторы переменного тока можно приобрести за бесценок на автомобильных свалках. На этих распродажах хлама для вашего удобства альтернаторы уже сняты с машин. Я не рекомендую тратиться на новый генератор, ибо б/у устройства стоят гораздо меньше денег и так же хорошо подходят для целей этого эксперимента.
Я настоятельно рекомендую использовать генератор переменного тока марки Delco-Remy. Этот тип используется на автомобилях General Motors (GMC, Chevrolet, Cadillac, Buick, Oldsmobile). Одна конкретная модель производилась Delco-Remy с начала 1960-х годов с небольшими изменениями в конструкции. Это очень распространённое устройство, которое можно найти на свалке, и с ним очень легко работать.
Если у вас есть два генератора переменного тока, вы можете использовать один в качестве генератора, а другой в качестве двигателя. Шаги, необходимые для подготовки генератора переменного тока в качестве трёхфазного генератора и трёхфазного двигателя, одинаковы.
Альтенатор представляет собой трёхфазный генератор со встроенной выпрямительной схемой, состоящей из шести диодов. Поскольку шкив (ну, большинство людей называют это «шкивом») вращается за счёт ременной передачи, соединённой с коленчатым валом автомобильного двигателя, магнит вращается вокруг стационарного набора трёхфазных обмоток (называемых статором), обычно соединённых в Y-конфигурацию.
Вращающийся магнит на самом деле является электромагнитом, а не постоянным магнитом. Генераторы переменного тока сконструированы таким образом, чтобы можно было контролировать напряжённость магнитного поля, чтобы выходное напряжение можно было регулировать независимо от скорости вращения ротора.
Эта магнитная катушка ротора (называемая катушкой возбуждения, полевой катушкой или просто полем) питается от батареи, так что требуется небольшое количество электроэнергии, подводимой к генератору переменного тока, чтобы заставить его генерировать большую выходную мощность.
Электроэнергия подаётся на катушку вращающегося поля через пару медных «токосъёмных колец», установленных концентрически на валу, контактирующих с неподвижными угольными «щётками». Щётки удерживаются в плотном контакте с контактными кольцами за счёт давления пружины.
Многие современные генераторы переменного тока оснащены встроенными схемами «регулятора», которые автоматически включают и выключают питание батареи на обмотке ротора для регулирования выходного напряжения. Эта цепь, если она присутствует в генераторе переменного тока, который вы выбрали для эксперимента, не нужна и будет только мешать вашему исследованию, если оставить её на своём месте.
Не стесняйтесь «хирургически удалить» «регулятор», просто убедитесь, что вы оставили доступ к клеммам щёток, чтобы вы могли питать катушку возбуждения с полностью собранным генератором переменного тока.
Иллюстрации
Рис. 2. Иллюстрация: условное изображение альтернатора (автомобильного генератора переменного тока).
Ход эксперимента
Во-первых, обратитесь к руководству по ремонту автомобилей по конкретным деталям вашего альтернатора. Документация, представленная в книге, которую вы сейчас читаете, является настолько общей, насколько это возможно, для различных марок генераторов переменного тока. Вам может понадобиться более конкретная информация, и лучше всего её получить в официальном руководстве по обслуживанию.
В этом эксперименте вы будете подключать провода к катушкам внутри генератора переменного тока и протягивать их за пределы корпуса генератора, чтобы упростить подключение к испытательному оборудованию и цепям. К сожалению, клеммы для подключения, предоставленные производителем, здесь нам не подходят, так что вам придётся смастерить свои собственные подключения.
Разберите блок и найдите клеммы для подключения к двум угольным щёткам. Припаяйте к этим клеммам пару проводов (размером не менее 20 калибра AWG) и протяните эти провода через вентиляционные отверстия в корпусе генератора, убедившись, что они не зацепятся за вращающийся ротор при повторной сборке и использовании генератора.
Найдите соединения трёхфазной линии, идущие от обмоток статора, и также подключите к ним провода, вытянув эти провода за пределы корпуса генератора через несколько вентиляционных отверстий. Для этих проводов используйте провод самого большого сечения, с которым удобно работать, так как по ним может проходить значительный ток.
Как и в случае с проводами возбуждения, проложите их таким образом, чтобы ротор мог свободно вращаться при повторной сборке генератора переменного тока. Клеммы линии обмотки статора легко найти: три из них подключаются к трём клеммам на диодной сборке, обычно с наконечниками типа «кольцо», припаянными к концам проводов.
Рис. 3. Подключение проводов к клеммам альтернатора.
Я рекомендую вам припаять клеммы с кольцевыми наконечниками к вашим проводам и прикрепить их под гайками клемм вместе с концами проводов статора, чтобы каждая клемма диодного блока закрепляла два кольцевых наконечника.
Соберите генератор, закрепив угольные щётки в убранном положении, чтобы ротор не повредил их при повторной установке. В генераторах Delco-Remy на задней половине корпуса, а также в передней части узла щёткодержателя предусмотрено небольшое отверстие, через которое можно вставить скрепку или тонкую проволоку, чтобы удерживать щётки от давления пружины. Обратитесь к официальному руководству по обслуживанию для получения более подробной информации о сборке генератора переменного тока.
Когда генератор собран, попробуйте провернуть вал и прислушайтесь к любым звукам, указывающим на сталкивающиеся детали или зацепившиеся провода. Если есть какая проблема, разберите его снова и исправьте всё, что не так.
Если и когда он свободно крутится как надо, подключите два «полевых» провода к 6-вольтовой батарее. Подсоедините вольтметр к любым двум трёхфазным линиям:
Рис. 4. Подключение альтернатора к источнику питания.
С мультиметром, настроенным на функцию «DC volts» (т.е. измеряем напряжение), медленно вращайте вал генератора. Показания вольтметра должны чередоваться с положительными и отрицательными значениями при вращении вала: это и есть демонстрация генерации очень медленного переменного напряжения (напряжения переменного тока). Если этот тест прошёл успешно, переключите мультиметр на настройку «AC volts» (т.е. измеряем силу тока) и повторите вращательные манипуляции. Попробуйте вращать вал то медленно, то быстро, сравнивая показания между разными скоростями.
Закоротите любые два провода трёхфазной линии и попробуйте раскрутить генератор. Что вы должны заметить, так это то, что вал генератора стало труднее вращать. Большая электрическая нагрузка, которую вы создали из-за короткого замыкания, создаёт большую механическую нагрузку на генератор переменного тока, поскольку механическая энергия преобразуется в электрическую.
Теперь попробуйте подключить 12 вольт постоянного тока к полевым проводам. Повторите описанные выше тесты вольтметра постоянного тока, вольтметра переменного тока и короткого замыкания. Какие различия вы заметили?
Найдите какие-нибудь нечувствительные к полярности нагрузки на 6 или 12 вольт, например маленькие лампы накаливания, и подключите их к трёхфазным линейным проводам. Оберните тонкую веревку или тяжёлую веревку вокруг канавки шкива и быстро раскрутите генератор переменного тока, и нагрузки должны работать.
Если у вас есть второй генератор переменного тока, модифицируйте его так же, как вы модифицировали первый, подключив пять собственных проводов к клеммам щёток возбуждения и линии статора соответственно. Затем вы можете использовать его как трёхфазный двигатель, питаемый от первого генератора переменного тока.
Подсоедините каждый из проводов трёхфазной линии первого генератора переменного тока к соответствующим проводам второго генератора переменного тока. Подключите полевые провода одного генератора к 6-вольтовой батарее. Этот альтернатор будет выполнять роль генератора. Оберните верёвку вокруг шкива, чтобы подготовить его к вращению. Возьмите два провода возбуждения второго генератора и соедините их вместе. Этот альтернатор будет выполнять роль двигателя:
Рис. 5. Один альтернатор из пары – генератор, другой – двигатель.
Вращайте вал генератора, наблюдая за вращением вала двигателя. Попробуйте поменять местами любые два соединения трёхфазной линии между двумя блоками и снова запустить генератор. Что изменилось на этот раз?
Подсоедините провода возбуждения моторного блока к 6-вольтовой батарее (вы можете параллельно соединить это поле с полем генератора через одни и те же клеммы батареи, если батарея достаточно мощная, чтобы подавать ток в несколько ампер в обе стороны). Катушки будут сближаться. Это намагнитит ротор двигателя. Попробуйте снова прокрутить генератор и обратите внимание на любые различия в работе.
В первой установке двигателя, где провода возбуждения были просто закорочены, двигатель работал как асинхронный двигатель. Во второй установке, где ротор двигателя был намагничен, он работал как синхронный двигатель.
А теперь поднимем ваш модифицированный генератор на новый уровень.
Если вы чувствуете себя особенно амбициозным и хорошо разбираетесь в методах обработки металлов, вы можете собрать свою собственную платформу мощного генератора, подключив модифицированный генератор переменного тока к велосипеду. Я построил схему, которая выглядит следующим образом:
Заднее колесо приводит в движение шкив генератора с помощью длинного клинового ремня. Этот ремень также поддерживает заднюю часть велосипеда, поддерживая постоянное натяжение, когда велосипедист крутит педали. Генератор висит на стальной опорной конструкции (я использовал сварную 2-дюймовую квадратную трубу, но раму можно было сделать и из дерева). Эта машина не только практична, но и достаточно надёжна, чтобы её можно было использовать в качестве тренажера, и её недорого изготовить:
Рис. 7. Велотренажёр своими руками (альтернатор + велосипед).
За блоком велосипеда (в левом нижнем углу фотографии) виден блок из трёх лампочек «РВ» на 12 вольт, которые я использую в качестве нагрузки при езде на велосипеде в качестве тренажера. В передней части велосипеда установлен набор из трёх переключателей, с помощью которых я могу включать и выключать нагрузки во время езды.
Выпрямляя вырабатываемую трёхфазную мощность переменного тока, генератор переменного тока может питать собственную катушку возбуждения постоянным напряжением, что устраняет необходимость в батарее. Тем не менее, для запуска по-прежнему будет необходим некоторый независимый источник постоянного напряжения, поскольку катушка возбуждения должна быть запитана до того, как можно будет производить какую-либо мощность переменного тока.
