Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2004 № 10
С подобными проблемами, кстати, столкнулись в США, Канаде и других странах с большими территориями. Стало ясно, что электрификация начинает как бы вступать в новую фазу, которую решать путем централизованного производства электроэнергии уже не выгодно.
На этом этапе, назовем его электрификацией медвежьих уголков, нужно строить небольшие электростанции: одну на целое село или лучше даже на отдельный дом. Электростанции на одно-два села, в просторечии называемые «движками», получили у нас широкое распространение. Но они требуют серьезного ухода, а главное — ответственного отношения, что далеко не всегда, в особенности сегодня, встречается на селе. («Тусклый свет сельского движка» многократно описан в художественной литературе.)
На Западе в последние двадцать лет развернулось массовое производство мини-электростанций мощностью 0,5 — 10 кВт. Они экономичны и надежны, запускаются простым нажатием кнопки, рассчитаны на отдельную ферму или отдельный дом.
По зарубежным меркам они стоят совсем недорого: примерно месячный заработок рабочего средней квалификации. В нашей стране соотношение цен совсем иное. Мини-электростанции сельскому жителю практически недоступны. Остается лишь делать их самостоятельно.
На рисунке 1 — мини-электростанция, разработанная в Московском государственном техническом университете (МАМИ).
Она работает от двигателя бензопилы и развивает мощность около одного кВт. Такой двигатель найдется в хозяйстве у многих, а вот генераторы мощностью 1–2 кВт дефицитны и дороги. И все же малая электростанция может оказаться дешевой, если использовать как генератор обычный асинхронный двигатель.
Поясним, что это такое.
Электродвигателей, разных по конструкции и принципам работы, известны сотни. Асинхронные двигатели отличаются исключительной простотой и надежностью. Однофазный двигатель чаще всего имеет на статоре две обмотки, трехфазный — три. Статор набран из отдельных пластин электротехнической стали. Эта сталь под действием внешнего магнитного поля, меняющего свое направление, быстро и легко перемагничивается. Из пластин такой же стали сделан ротор.
Он не имеет обмотки в обычном смысле этого слова. Роль ее выполняют запрессованные в него толстые медные стержни. Ток в них возникает под действием переменного магнитного поля обмоток, поэтому какие-либо контакты для подачи тока не требуются. Ротор получается очень дешевым и прочным, а двигатель в целом чрезвычайно надежным и долговечным.
Случалось, что такие электромоторы работали до 50 лет и более. Старые образцы отличаются солидными габаритами и весом, поэтому их считают устаревшими и заменяют новыми. Именно такого «старичка» вы легко можете найти на свалке или в пункте утильсырья. После замены шарикоподшипников «дедушка» проработает еще столько же.
Если начать вращать вал такого двигателя, то на его клеммах появится напряжение в десятые доли вольта, поскольку и статор и ротор размагничены не полностью. Толку от такого генератора мало. Но если параллельно каждой фазе двигателя включить конденсатор на 50 — 100 мКф (рис. 2), то через него пойдет ток, который усилит магнитное поле. Оно начнет создавать все более сильный ток, и в конце концов электродвигатель превратится в полноценный электрогенератор трехфазного тока. Напряжение на его выходе зависит от скорости вращения вала, а мощность — от мощности привода генератора.
Современные мини-электростанции производят по всем правилам инженерного искусства. Они выдают ток, стабильный по частоте и напряжению при любых нагрузках, отличаются низким расходом топлива. Ваша первая электростанция будет пригодна только для освещения дома. Для нее, повторим, следует подыскать небольшой бензиновый мотор с ручным стартером и вентилятором для охлаждения цилиндра. Например, двигатель от старой бензопилы. До установки на электростанцию его следует запустить. Во избежание отравления угарным газом все работы по отделке и запуску бензинового мотора следует вести только на открытом воздухе.
Поскольку для освещения дома вполне достаточно однофазного тока, то в любом асинхронном двигателе, предназначенном для переделки в генератор, вы можете использовать только одну фазу. Это означает, что обмотки других могут иметь обрыв или даже вообще отсутствовать. Таким образом, вам подойдет практически любой двигатель со свалки, лишь бы легко вращался его вал.
На этикетке асинхронного двигателя обычно указываются номинальная мощность и число оборотов. Поскольку если в режиме генератора мы будем получать от двигателя однофазный ток, используя лишь одну фазу из трех, то и максимальная мощность будет не более одной трети от номинальной.
Если номинальная скорость вращения вала двигателя составляет 3000 об/мин, то генератор можно соединить с двигателем бензопилы непосредственно, если меньше — потребуется понижающая передача.
Для непосредственного соединения валы бензомотора и генератора следует расположить на одной оси и соединить их муфтой с резиновыми прокладками (рис. 3). Такая муфта хорошо работает даже при недостаточно точном расположении валов.
Рис. 3
Собрав свою электростанцию, присоедините к клеммам выбранной катушки конденсаторную батарею емкостью 50 — 100 мкФ и рабочим напряжением не менее 400 В. При первом испытании следует нагрузить генератор несколькими включенными параллельно лампами накаливания на общую мощность 150–200 Вт. После этого запускайте бензиновый мотор и, регулируя число его оборотов при помощи дроссельной заслонки, добейтесь, чтобы на лампы устойчиво подавалось напряжение 220 В. После этого полезно измерить число оборотов вала. Если оно отличается от номинального, значит, частота переменного тока не равна 50 Гц.
Для работы ламп и электроинструмента это не имеет значения. Что касается телевизоров или компьютеров, то их подключать к генератору не следует. В простейшей электростанции всегда может произойти случайное изменение напряжения и частоты, которое выведет их из строя. Избежать этого можно лишь установкой на электростанции систем автоматической стабилизации частоты.
В.ХОРТОВ, кандидат технических наук
СДЕЛАЙ ДЛЯ ШКОЛЫ
Урок внутри вольтметра
Показывая классу опыты по электричеству, в школах пользуются демонстрационными гальванометрами. Однако шкалы этих приборов хорошо видны далеко не всем. А стоит сделать прибор покрупнее, он станет громоздким, неудобным в обращении. Выход из положения прост — сделать гальванометр настолько большим, чтобы внутрь его умещался… весь класс.
Эту идею учителя пытались осуществить давно. На стене ставили зеркальный гальванометр, у которого роль стрелки выполнял отклоняемый зеркалом луч света. Он отбрасывал зайчик на огромную шкалу во всю стену класса. Казалось бы, все хорошо, но источником света служила лампочка карманного фонаря, и ее лучик виден был только при полном затемнении. К тому же зеркальный гальванометр портился от малейшего сотрясения. А в любом классе, как известно, несколько раз в день случается «землетрясение»…
Так что идея эта ни в одной школе не прижилась. И вот сегодня мы вам предлагаем ее осуществить, воспользовавшись опытом… танкостроителей.
Основой прибора (рис. 1) служит «двухтактный» усилитель, одно из плеч которого собрано на транзисторах VT2, VT4, VT6, а второе — на транзисторах с обратным типом проводимости VT3, VT5, VT7. Между общей точкой (эмиттерами) выходного каскада и средней точкой источника питания (GB2, GB3) включен маломощный электромотор Ml. Его направление вращения зависит от того, какое из плеч выходного каскада открыто и подает питание двигателю. Нетрудно видеть, что при отпирании транзистора VT6 ток от батареи GB2 течет через обмотку «движка» M1 слева направо, а при включении VT7 ток от батареи GB3 течет через обмотку справа налево. При этом направление вращения изменяется на противоположное. Ось моторчика соединена с понижающим редуктором. Линейно перемещающийся штифт кинематически связан с лазерной указкой EL1, поворачивающейся на опоре на некоторый угол, при этом «кидая» световой зайчик на экран с неподвижным изображением шкалы, градуированной в единицах измеряемых прибором величин.
Подобная система использована в танковых дальномерах и выдерживает любую тряску. А луч лазерной указки хорошо виден даже в солнечный день.
Чтобы прибор «чувствовал» величину измеряемого напряжения и соответственно управлял поворотом указки на угол, пропорциональный напряжению, ко входам усилителя (базы транзисторов VT2, VT3 и их общая эмиттерная точка) присоединена диагональ измерительного мостика. Он образован переменным резистором R5, ползунок которого связан с осью указки, а также постоянным резистором R4 и коллектор-эмиттерным переходом транзистора VT1. Сопротивление этого перехода может изменяться в широких пределах в зависимости от величины измеряемого напряжения, подаваемого на базовый делитель R1, R2.
