Трехфазные асинхронные двигатели совершенно заслужено являются самыми массовыми в мире, благодаря тому, что они очень надежны, требуют минимального технического обслуживания, просты в изготовлении и не требуют при подключении каких-либо сложных и дорогостоящих устройств, если не требуется регулировка скорости вращения. Большинство станков в мире приводятся в действие именно трёхфазными асинхронными двигателями, они также приводят в действие насосы, электроприводы различных полезных и нужных механизмов.
Но как быть тем, кто в личном домовладении не имеет трехфазного электроснабжения, а в большинство случаев это именно так. Как быть, если хочется в домашней мастерской поставить стационарную циркулярную пилу, электрофуганок или токарный станок? Хочется порадовать читателей нашего портала, что выход из этого затруднительного положения есть, причем достаточно просто реализуемый. В этой статье мы намерены рассказать, как подключить трехфазный двигатель в сеть 220 В.
Принципы работы трехфазных асинхронных двигателей
Рассмотрим кратко принцип работы асинхронного двигателя в своих «родных» трехфазных сетях 380 В. Это очень поможет впоследствии адаптировать двигатель для работы в других, «не родных» условиях – однофазных сетях 220 В.
Устройство асинхронного двигателя
Большинство производимых в мире трехфазных двигателей – это асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ), которые не имеют никакой электрической контактной связи статора и ротора. В этом их основное преимущество, так как щетки и коллекторы, – самое слабое место любого электродвигателя, они подвержены интенсивному износу, требуют технического обслуживания и периодической замены.
Рассмотрим устройство АДКЗ. Двигатель в разрезе показан на рисунке.
В литом корпусе (7) собран весь механизм электродвигателя, включающий две главные части – неподвижный статор и подвижный ротор. В статоре имеется сердечник (3), который набран из листов специальной электротехнической стали (сплава железа и кремния), которая обладает хорошими магнитными свойствами. Сердечник набран из листов по причине того, что в условиях переменного магнитного поля в проводниках могут возникнуть вихревые токи Фуко, которые в статоре нам абсолютно не нужны. Дополнительно каждый лист сердечника еще покрыт с обеих сторон специальным лаком, чтобы вообще свести на нет протекание токов. Нам от сердечника нужны только магнитные его свойства, а не свойства проводника электрического тока.
В пазах сердечника уложена обмотка (2), выполненная из медного эмалированного провода. Если быть точным, то обмоток в трехфазном асинхронном двигателе как минимум три – по одной на каждую фазу. Причем уложены это обмотки в пазы сердечника с определенным порядком – каждая расположена так, что находится под угловым расстоянием в 120° к другой. Концы обмоток выведены в клеммную коробку (на рисунке она расположена в нижней части двигателя).
Ротор помещен внутрь сердечника статора и свободно вращается на валу (1). Зазор между статором и ротором для повышения КПД стараются сделать минимальным – от полумиллиметра до 3 мм. Сердечник ротора (5) также набран из электротехнической стали и в нем тоже имеются пазы, но они предназначены не для обмотки из провода, а для короткозамкнутых проводников, которые расположены в пространстве так, что напоминают беличье колесо (4), за что и получили свое название.
Беличье колесо состоит из продольных проводников, которые связаны и механически, и электрически с торцевыми кольцами Обычно беличье колесо изготавливают путем заливки в пазы сердечника расплавленного алюминия, а заодно еще формуют монолитом и кольца, и крыльчатки вентиляторов (6). В АДКЗ большой мощности в качестве проводников клетки применяют медные стержни, сваренные с торцевыми медными кольцами.
Что такое трехфазный ток
Для того чтобы понять какие силы заставляют вращаться ротор АДКЗ, надо рассмотреть что такое трехфазная система электроснабжения, тогда все встанет на свои места. Мы все привыкли к обычной однофазной системе, когда в розетке есть только два или три контакта, один из которых (L), второй рабочий ноль (N), а третий защитный ноль (PE). Среднеквадратичное фазное напряжение в однофазной системе (напряжение между фазой и нулем) равно 220 В. Напряжение (а при подключении нагрузки и ток) в однофазных сетях изменяются по синусоидальному закону.
Из приведенного графика амплитудно-временной характеристики видно, что амплитудное значение напряжения не 220 В, а 310 В. Чтобы у читателей не было никаких «непоняток» и сомнений, авторы считают своим долгом сообщить, что 220 В – это не амплитудное значение, а среднеквадратичное или действующее. Он равно U=U max /√2=310/1,414≈220 В. Для чего это делается? Только для удобства расчетов. За эталон принимают постоянное напряжение, по его способности произвести какую-то работу. Можно сказать, что синусоидальное напряжение с амплитудным значением в 310 В за определенный промежуток времени произведет такую же работу, которое бы сделало постоянное напряжение 220 В за тот же промежуток времени.
Надо сразу сказать, что практически вся генерируемая электрическая энергия в мире трехфазная. Просто с однофазной энергией проще управляться в быту, большинству потребителей электроэнергии достаточно и одной фазы для работы, да и однофазные проводки гораздо дешевле. Поэтому из трехфазной системы «выдергивается» один фазный и нулевой проводник и направляются к потребителям – квартирам или домам. Это хорошо видно в подъездных щитах, где видно, как с одной фазы провод идет в одну квартиру, с другой во вторую, с третьей в третью. Это так же хорошо видно на столбах, от которых линии идут к частным домовладениям.
Трехфазное напряжение, в отличие от однофазного, имеет не один фазный провод, а три: фаза A, фаза B и фаза C. Фазы еще могут обозначать L1, L2, L3. Кроме фазных проводов, естественно, присутствует еще общий для всех фаз рабочий ноль (N) и защитный ноль (PE). Рассмотрим амплитудно-временную характеристику трехфазного напряжения.
Из графиков видно, что трехфазное напряжение – это совокупность трех однофазных, с амплитудой 310 В и среднеквадратичным значением фазного (между фазой и рабочим нулем) напряжения в 220 В, причем фазы смещены относительно друг друга с угловым расстоянием 2*π/3 или 120°. Разность потенциалов между двумя фазами называют линейным напряжением и оно равно 380 В, так как векторная сумма двух напряжений будет U л =2* U ф * sin(60°)=2*220* √3/2=220* √3=220*1,73=380,6 В , где U л – линейное напряжение между двумя фазами, а U ф – фазное напряжение между фазой и нулем.
Трехфазный ток легко генерировать передавать к месту назначения и в дальнейшем преобразовывать в любой нужный вид энергии. В том числе и в механическую энергию вращения АДКЗ.
Как работает трехфазный асинхронный двигатель
Если подать переменное трехфазное напряжение на обмотки статора, то через них начнут протекать токи. Они, в свою очередь, вызовут магнитные потоки, также изменяющиеся по синусоидальному закону и также сдвинутые по фазе на 2*π/3=120°. Учитывая, что обмотки статора расположены в пространстве на таком же угловом расстоянии – 120°, внутри сердечника статора образуется вращающееся магнитное поле.
трехфазный электродвигатель
Это постоянно изменяющееся поле пересекает «беличье колесо» ротора и вызывает в нем ЭДС (электродвижущую силу), которая также будет пропорциональна скорости изменения магнитного потока, что на математическом языке означает производную от магнитного потока по времени. Так как магнитный поток изменяется по синусоидальному закону, значит, ЭДС будет изменяться по закону косинуса, ведь (sinx )’= cosx . Из школьного курса математики известно, что косинус «опережает» синус на π/2=90°, то есть, когда косинус достигает максимума, синус его достигнет через π/2 — через четверть периода.
Под воздействием ЭДС в роторе, а, точнее, в беличьем колесе возникнут большие токи, учитывая, что проводники замкнуты накоротко и имеют низкое электрическое сопротивление. Эти токи образуют свое магнитное поле, которое распространяется по сердечнику ротора и начинает взаимодействовать с полем статора. Разноименные полюса, как известно, притягиваются, а одноименные отталкиваются друг от друга. Возникающие силы создают момент заставляющий ротор вращаться.
Магнитное поле статора вращается с определенной частотой, которая зависит от питающей сети и количества пар полюсов обмоток. Рассчитывается частота по следующей формуле:
n 1 = f 1 *60/ p, где
- f 1 – частота переменного тока.
- p – число пар полюсов обмоток статора.
С частотой переменного тока все понятно – она в наших сетях электроснабжения составляет 50 Гц. Число пар полюсов отражает, сколько пар полюсов имеется на обмотке или обмотках, принадлежащих одной фазе. Если к каждой фазе подключается одна обмотка, отстоящая на 120° от других, то число пар полюсов будет равно единице. Если одной к одной фазе подключаются две обмотки, тогда число пар полюсов будет равно двум и так далее. Соответственно и меняется угловое расстояние между обмотками. Например, при числе пар полюсов равным двум, в статоре размещается обмотка фазы A, которая занимает сектор не 120°, а 60°. Затем за ней следует обмотка фазы B, занимающая такой же сектор, а затем и фазы C. Далее чередование повторяется. При увеличении пар полюсов соответственно уменьшаются сектора обмоток. Такие меры позволяют уменьшить частоту вращения магнитного поля статора и соответственно ротора.
Приведем пример. Допустим, трехфазный двигатель имеет одну пару полюсов и подключен к трехфазной сети частотой 50 Гц. Тогда магнитное поле статора будет вращаться с частотой n 1 =50*60/1=3000 об/мин. Если увеличить количество пар полюсов – во столько же раз уменьшится частота вращения. Чтобы поднять обороты двигателя, надо увеличить частоту , питающего обмотки. Чтобы изменить направление вращения ротора, надо поменять местами две фазы на обмотках
Следует отметить, что частота вращения ротора всегда отстает от частоты вращения магнитного поля статора, поэтому двигатель и называется асинхронным. Почему это происходит? Представим, что ротор вращается с той же скоростью, что и магнитное поле статора. Тогда беличье колесо не будет «пронизывать» переменное магнитное поле, а оно будет для ротора постоянным. Соответственно не будет наводиться ЭДС и перестанут протекать токи, не будет взаимодействия магнитных потоков и исчезнет момент, приводящий ротор в движение. Именно поэтому ротор находится «в постоянном стремлении» догнать статор, но никогда не догонит, так как исчезнет энергия, заставляющая вращаться вал двигателя.
Разницу частот вращения магнитного поля статора и вала ротора называют частотой скольжения, и она рассчитывается по формуле:
∆ n= n 1 -n 2 , где
- n1 – частота вращения магнитного поля статора.
- n2 – частота вращения ротора.
Скольжением называется отношение частоты скольжения к частоте вращения магнитного поля статора, оно рассчитывается по формуле: S=∆ n/ n 1 =(n 1 — n 2)/ n 1 .
Способы подключения обмоток асинхронных двигателей
Большинство АДКЗ имеет три обмотки, каждая из которых соответствует своей фазе и имеет начало и конец. Системы обозначения обмоток могут быть разными. В современных электродвигателях принята система обозначения обмоток U, V и W, а их выводы обозначают цифрой 1 начало обмотки и цифрой 2 – ее конец, то есть обмотка U имеет два вывода U1 и U2, обмотка V–V1 и V2, а обмотка W – W1 и W2.
Однако еще до сих пор в эксплуатации находятся асинхронные двигатели, сделанные во времена СССР и имеющие старую систему маркировки. В них начала обмоток обозначаются C1, C2, C3, о концы C4, C5, C6. Значит, первая обмотка имеет выводы C1 и C4, вторая C2 и C5, а третья C3 и C6. Соответствие старых и новых систем обозначений представлено на рисунке.
Рассмотрим, как могут соединяться обмотки в АДКЗ.
Соединение звездой
При таком соединении все концы обмоток объединяют в одной точке, а к их началам подключают фазы. На принципиальной схеме такой способ подключения действительно напоминает звезду, за что и получил название.
При соединении звездой к каждой обмотке в отдельности приложено фазной напряжение в 220 В, а к двум обмоткам, соединенных последовательно линейное напряжение 380 В. Главное преимущество такого способа подключения – это небольшие токи запуска, так как линейное напряжение приложено к двум обмоткам, а не к одной. Это позволяет двигателю «мягко» стартовать, но мощность его будет ограничена, так как протекающие токи в обмотках будут меньше, чем при другом способе подключения.
Соединение треугольником
При таком соединении обмотки объединяют в треугольник, когда начало одной обмотки соединяется с концом следующей – и так по кругу. Если линейное напряжение в трехфазной сети 380 В, то через обмотки будут протекать токи гораздо больших величин, чем при соединении звездой. Поэтому мощность электродвигателя будет выше.
При соединении треугольником в момент запуска АДКЗ потребляет большие пусковые токи, которые могут в 7-8 раз превышать номинальные и способны вызвать перегрузку сети, поэтому на практике инженеры нашли компромисс – запуск двигателя и его раскручивание до номинальных оборотов производится по схеме звезда, а затем происходит автоматическое переключение на треугольник.
Как определить, по какой схеме подключены обмотки двигателя?
Прежде чем подключать трехфазный двигатель к однофазной сети 220 В, необходимо выяснить по какой схеме подключены обмотки и при каком рабочем напряжении может работать АДКЗ. Для этого необходимо изучить табличку с техническими характеристиками – «шильдик», который должен быть на каждом двигателе.
На такой табличке — «шильдике», можно узнать много полезной информации
На табличке имеется вся необходимая информация, которая поможет подключить двигатель к однофазной сети. На представленном шильдике видно, что двигатель имеет мощность 0,25 кВт и количество оборотов 1370 об/мин, что говорит о наличии двух пар полюсов обмоток. Значок ∆/Y означает, что обмотки можно соединить как треугольником, так и звездой, причем следующий показатель 220/380 В свидетельствует о том, что при соединении треугольником напряжение питающей сети должно быть 220 В, а при соединении звездой – 380 В. Если такой двигатель подключить в сеть 380 В треугольником, то обмотки его сгорят.
На следующем шильдике можно увидеть, что такой двигатель можно подключить только звездой и только в сеть 380 В. Скорее всего в клеммной коробке у такого АДКЗ будет только три вывода. Опытные электрики смогут подключить и такой двигатель к сети 220 В, но для этого надо будет вскрывать заднюю крышку, чтобы добраться до выводов обмоток, затем найти начало и конец каждой обмотки и произвести необходимую коммутацию. Задача сильно усложняется, поэтому авторы не рекомендуют подключать такие двигатели к сети 220 В, тем более что большинство современных АДКЗ могут подключаться по-разному.
На каждом двигателе есть клеммная коробка, расположенная чаще всего сверху. В этой коробке есть входы для питающих кабелей, а сверху она закрыта крышкой, которую необходимо снять при помощи отвертки.
Как говорят электрики и паталогоанатомы: «Вскрытие покажет»
Под крышкой можно увидеть шесть клемм, каждая из которых соответствует или началу, или концу обмотки. Помимо этого клеммы соединяются перемычками, и по их расположению можно определить, по какой схеме подключены обмотки.
Вскрытие клеммной коробки показало, что у «пациента» очевидная «звездная болезнь»
На фото «вскрытой» коробки видно, что провода, ведущие к обмоткам подписаны и перемычками соединены в одну точку концы всех обмоток – V2, U2, W2. Это свидетельствует о том, что имеет место соединение звездой. С первого взгляда может показаться, что концы обмоток расположены в логичном порядке V2, U2, W2, а начала «перепутаны» - W1, V1, U1. Однако, это сделано с определенной целью. Для этого рассмотрим клеммную коробку АДКЗ с подключенными обмотками по схеме треугольник.
На рисунке видно, что положение перемычек меняется – соединяются начала и концы обмоток, причем клеммы расположены так, что те же перемычки используются для перекоммутации. Тогда становится понятно почему «перепутаны» клеммы – так легче перебрасывать перемычки. На фотографии видно, что клеммы W2 и U1 соединены отрезком провода, но в базовой комплектации новых двигателей всегда присутствуют именно три перемычки.
Если после «вскрытия» клеммной коробки обнаруживается такая картина, как на фотографии, то это означает, что двигатель предназначен для звезды и трехфазной сети 380 В.
Такому двигателю лучше возвращаться в свою «родную стихию» — в цепи трехфазного переменного тока
Видео: Отличный фильм про трехфазные синхронные двигатели, который еще не успели раскрасить
Подключить трехфазный двигатель в однофазную сеть 220 В можно, но при этом надо быть готовым пожертвовать значительным снижением его мощности – в лучшем случае она составит 70% от паспортной, но для большинства целей это вполне приемлемо.
Основной проблемой подключения является создание вращающегося магнитного поля, которое наводит ЭДС в короткозамкнутом роторе. В трехфазных сетях реализовать это просто. При генерации трехфазной электроэнергии в обмотках статора наводится ЭДС из-за того, что внутри сердечника вращается намагниченный ротор, который приводится в движение энергией падающей воды на ГЭС или паровой турбиной на ГЭС и АЭС. Он создает вращающееся магнитное поле. В двигателях происходит обратное преобразование – изменяющееся магнитное поле приводит во вращение ротор.
В однофазных сетях получить вращающееся магнитное поле сложнее - надо прибегнуть к некоторым «хитростям». Для этого надо сдвинуть фазы в обмотках по отношению друг к другу. В идеальном случае нужно сделать так, что фазы будут сдвинуты по отношению друг к другу на 120°, но на практике это трудно реализовать, так как такие устройства имеют сложные схемы, стоят достаточно дорого и их изготовление и настройка требуют определенной квалификации. Поэтому в большинстве случаев применяют простые схемы, при этом несколько жертвуя мощностью.
Сдвиг фаз при помощи конденсаторов
Электрический конденсатор известен своим уникальным свойством не пропускать постоянный ток, но пропускать переменный. Зависимость токов, протекающих через конденсатор, от приложенного напряжения показана на графике.
Ток в конденсаторе всегда будет «лидировать» на четверть периода
Как только к конденсатору прикладывают возрастающее по синусоиде напряжение, он сразу «накидывается» на него и начинает заряжаться, так как изначально был разряжен. Ток в этот момент будет максимальным, но по мере заряда он будет уменьшаться и достигнет минимума в тот момент, когда напряжение достигнет своего пика.
Как только напряжение будет уменьшаться, конденсатор среагирует на это и будет начинать разряжаться, но ток при этом будет идти в обратном направлении, по мере разряда он будет увеличиваться (со знаком минус) до тех пор, пока уменьшается напряжение. К моменту, когда напряжение равно нулю ток достигает своего максимума.
Когда напряжение начинает расти со знаком минус, то идет перезаряд конденсатора и ток постепенно приближается от своего отрицательного максимума к нулю. По мере уменьшения отрицательного напряжения и стремлении его к нулю идет разряд конденсатора с увеличением тока через него. Далее, цикл повторяется заново.
Из графика видно, что за один период переменного синусоидального напряжения, конденсатор два раза заряжается и два раза разряжается. Ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на четверть периода, то есть — 2* π/4= π/2=90° . Вот таким простым путем можно получить фазовый сдвиг в обмотках асинхронного двигателя. Сдвиг фаз в 90° не является идеальным в 120°, но вполне достаточен для того, чтобы на роторе появился необходимый вращательный момент.
Сдвиг фаз также можно получить, применив катушку индуктивности. В этом случае все произойдет наоборот – напряжение будет опережать ток на 90°. Но на практике применяют больше емкостной сдвиг фаз из-за более простой реализации и меньших потерь.
Схемы подключения трехфазных двигателей в однофазную сеть
Существует очень много вариантов подключения АДКЗ, но мы рассмотрим только наиболее часто используемые и наиболее просто реализуемые. Как было рассмотрено ранее, для сдвига фазы достаточно подключить параллельно какой-либо из обмоток конденсатор. Обозначение C р говорит о том, что это рабочий конденсатор.
Следует отметить, что соединение обмоток в треугольник предпочтительней, так как с такого АДКЗ можно «снять» полезной мощности больше, чем со звезды. Но существуют двигатели, предназначенные для работы в сетях с напряжением 127/220 В. О чем обязательно должна быть информация на шильдике.
Если читателям встретится такой двигатель, то - это можно считать удачей, так как его можно включать в сеть 220 В по схеме звезда, а это обеспечит и плавный пуск, и до 90% от паспортной номинальной мощности. Промышленностью выпускаются АДКЗ специально предназначенные для работы в сетях 220 В, которые могут называть конденсаторными двигателями.
Как двигатель не называй — он все равно асинхронный с короткозамкнутым ротором
Следует обратить внимание, что на шильдике указано рабочее напряжение 220 В и параметры рабочего конденсатора 90 мкФ (микрофарад, 1 мкФ=10 -6 Ф) и напряжение 250 В. Можно с уверенностью сказать, что этот двигатель фактически является трехфазным, но адаптированный для однофазного напряжения.
Для облегчения пуска мощных АДКЗ в сетях 220 В кроме рабочего применяют еще и пусковой конденсатор, который включается на непродолжительное время. После старта и набора номинальных оборотов пусковой конденсатор отключают, и вращение ротора поддерживает только рабочий конденсатор.
Пусковой конденсатор «дает пинка» при старте двигателя
Пусковой конденсатор – C п, подключают параллельно рабочему C р. Из электротехники известно, что при параллельном соединении емкости конденсаторов складываются. Для его «активации» применяют кнопочный выключатель SB, удерживаемый несколько секунд. Емкость пускового конденсатора обычно минимум в два с половиной раза выше, чем рабочего, причем сохранять заряд он может достаточно долго. При случайном прикосновении к его выводам можно получить довольно сильно ощутимый разряд через тело. Для того чтобы разрядить C п применяют резистор, подключенный параллельно. Тогда после отключения пускового конденсатора от сети, будет происходить его разряд через резистор. Его выбирают с достаточно большим сопротивлением 300 кОм-1 мОм и рассеиваемой мощностью не менее 2 Вт.
Расчет емкости рабочего и пускового конденсатора
Для уверенного запуска и устойчивой работы АДКЗ в сетях 220 В следует наиболее точно подобрать емкости рабочего и пускового конденсаторов. При недостаточной емкости C р на роторе будет создаваться недостаточный момент для подключения какой-либо механической нагрузки, а избыточная емкость может привести к протеканию слишком высоких токов, что в результате может привести к межвитковому замыканию обмоток, которое «лечится» только очень дорогостоящей перемоткой.
| Схема | Что рассчитывается | Формула | Что необходимо для расчетов |
|---|---|---|---|
 | Емкость рабочего конденсатора для подключения обмоток звездой – Cр, мкФ | Cр=2800*I/U; I=P/(√3*U*η*cosϕ); Cр=(2800/√3)*P/(U^2*n* cosϕ)=1616,6*P/(U^2*n* cosϕ) | Для всех: I – ток в амперах, A; U – напряжение в сети, В; P – мощность электродвигателя; η – КПД двигателя выраженное в величинах от 0 до 1 (если на шильдике двигателя оно указано в процентах, то этот показатель надо разделить на 100); cosϕ – коэффициент мощности (косинус угла между вектором напряжения и тока), он всегда указывается в паспорте и на шильдике. |
| Емкость пускового конденсатора для подключения обмоток звездой – Cп, мкФ | Cп=(2-3)*Cр≈2,5*Cр | ||
 | Емкость рабочего конденсатора для подключения обмоток треугольником – Cр, мкФ | Cр=4800*I/U; I=P/(√3*U*η*cosϕ); Cр=(4800/√3)*P/(U^2*n* cosϕ)=2771,3*P/(U^2*n* cosϕ) | |
| Емкость пускового конденсатора для подключения обмоток треугольником – Cп, мкФ | Cп=(2-3)*Cр≈2,5*Cр |
Приведенных формул в таблице вполне достаточно для того, чтобы рассчитать необходимую емкость конденсаторов. В паспортах и на шильдиках может указываться КПД или рабочий ток. В зависимости от этого можно вычислить необходимые параметры. В любом случае тех данных будет достаточно. Для удобства наших читателей, можно воспользоваться калькулятором, который быстро рассчитает необходимую рабочую и пусковую емкость.
Бывают в жизни ситуации, когда нужно включить какое-то промышленное оборудование в обычную домашнюю сеть электропитания. Тут же возникает проблема с числом проводов. У машин, предназначенных для эксплуатации на предприятиях, выводов, как правило, три, а бывает и четыре. Что с ними делать, куда их подключать? Те, кто пытался испробовать различные варианты, убедились, что моторы просто так крутиться не хотят. Возможно ли вообще однофазное подключение трехфазного двигателя? Да, добиться вращения можно. К сожалению, в этом случае неизбежно падение мощности почти вдвое, но в некоторых ситуациях это - единственный выход.
Напряжения и их соотношение
Для того чтобы понять, как подключить трехфазный двигатель к обычной розетке, следует разобраться, как соотносятся напряжения в промышленной сети. Общеизвестны величины напряжений - 220 и 380 Вольт. Раньше еще было 127 В, но в пятидесятые годы от этого параметра отказались в пользу более высокого. Откуда взялись эти «волшебные цифры»? Почему не 100, или 200, или 300? Вроде бы круглые цифры считать легче.
Большая часть промышленного электрооборудования рассчитана на подключение к трехфазной сети Напряжение каждой из фаз по отношению к нейтральному проводу составляет 220 Вольт, совсем как в домашней розетке. Откуда же берутся 380 В? Это очень просто, достаточно рассмотреть равнобедренный треугольник с углами в 60, 30 и 30 градусов, который представляет собой векторная диаграмма напряжений. Длина самой длинной стороны будет равна длине бедра, умноженной на cos 30°. После нехитрых подсчетов можно убедиться, что 220 х cos 30°= 380.
Устройство трехфазного двигателя
Не все типы промышленных двигателей могут работать от одной фазы. Самые распространенные из них - «рабочие лошадки», составляющие большинство электромашин на любом предприятии - асинхронные машины мощностью в 1 - 1,5 кВА. Как работает такой трехфазный двигатель в трехфазной сети, для которой он предназначен?
Изобретателем этого революционного устройства стал русский ученый Михаил Осипович Доливо-Добровольский. Этот выдающийся электротехник был сторонником теории трехфазной питающей сети, которая в наше время стала главенствующей. трехфазный работает по принципу индукции токов от обмоток статора на замкнутые проводники ротора. В результате их протекания по короткозамкнутым обмоткам в каждой из них возникает магнитное поле, вступающее во взаимодействие с силовыми линиями статора. Так получается вращающий момент, приводящий к круговому движению оси двигателя.
Обмотки расположены под углом 120°, таким образом, вращающееся поле, создаваемое каждой из фаз, последовательно толкает каждую намагничиваемую сторону ротора.
Треугольник или звезда?
Трехфазный двигатель в трехфазной сети может включаться двумя способами - с участием нейтрального провода или без него. Первый способ называется «звезда», в этом случае каждая из обмоток находится под (между фазой и нулем), равным в наших условиях 220 В. Схема подключения трехфазного двигателя «треугольником» предполагает последовательное соединение трех обмоток и подачу линейного (380 В) напряжения на узлы коммутации. Во втором случае двигатель будет выдавать большую примерно в полтора раза мощность.
Как включить мотор в обратном направлении?
Управление трехфазным двигателем может предполагать необходимость изменения направления вращения на противоположное, то есть реверс. Чтобы этого добиться, нужно просто поменять местами два провода из трех.
Для удобства изменения схемы в клеммной коробке двигателя предусмотрены перемычки, выполненные, как правило, из меди. Для включения «звездой» нежно соединить три выходных провода обмоток вместе. «Треугольник» получается немного сложнее, но и с ним справится любой электрик средней квалификации.
Фазосдвигающие емкости
Итак, порой возникает вопрос о том, как подключить трехфазный двигатель в обычную домашнюю розетку. Если просто попробовать подсоединить к вилке два провода, он вращаться не станет. Для того чтобы дело пошло, нужно сымитировать фазу, сдвинув подаваемое напряжение на какой-то угол (желательно 120°). Добиться этого эффекта можно, если применить фазосдвигающий элемент. Теоретически это может быть и индуктивность, и даже сопротивление, но чаще всего трехфазный двигатель в однофазной сети включается с использованием электрических обозначаемых на схемах латинской буквой С.
Что касается применений дросселей, то оно затруднено по причине сложности определения их значения (если оно не указано на корпусе прибора). Для замера величины L требуется специальный прибор или собранная для этого схема. К тому же выбор доступных дросселей, как правило, ограничен. Впрочем, экспериментально любой фазосдвигающий элемент подобрать можно, но это дело хлопотное.
Что происходит при включении двигателя? На одну из точек соединения подается ноль, на другую - фаза, а на третью - некое напряжение, сдвинутое на некоторый угол относительно фазы. Понятно и неспециалисту, что работа двигателя не будет полноценной в отношении механической мощности на валу, но в некоторых случаях достаточно самого факта вращения. Однако уже при запуске могут возникать некоторые проблемы, например, отсутствие начального момента, способного сдвинуть ротор с места. Что делать в этом случае?
Пусковой конденсатор
В момент пуска валу требуются дополнительные усилия для преодоления сил инерции и трения покоя. Чтобы увеличить момент вращения, следует установить дополнительный конденсатор, подключаемый к схеме только в момент старта, а затем отключающийся. Для этих целей лучшим вариантом является применение замыкающей кнопки без фиксации положения. Схема подключения трехфазного двигателя со стартовым конденсатором приведена ниже, она проста и понятна. В момент подачи напряжения следует нажать на кнопку «Пуск», и создаст дополнительной сдвиг фазы. После того как двигатель раскрутится до нужных оборотов, кнопку можно (и даже нужно) отпустить, и в схеме останется только рабочая емкость.
Расчет величины емкостей
Итак, мы выяснили, что для того, чтобы включить трехфазный двигатель в однофазной сети, требуется дополнительная схема подключения, в которую, помимо пусковой кнопки, входят два конденсатора. Их величину нужно знать, иначе работать система не будет. Для начала определим величину электрической емкости, необходимую для того, чтобы заставить ротор тронуться с места. При параллельном включении она представляет собой сумму:
С = С ст + Ср, где:
С ст - стартовая дополнительная отключаемая после разбега емкость;
С р - рабочий конденсатор, обеспечивающий вращение.
Еще нам потребуется величина номинального тока I н (она указана на табличке, прикрепленной к двигателю на заводе-изготовителе). Этот параметр также можно определить с помощью нехитрой формулы:
I н = P / (3 х U), где:
U - напряжение, при подключении «звездой» - 220 В, а если «треугольник», то 380 В;
P - мощность трехфазного двигателя, ее иногда в случае утери таблички определяют на глаз.
Итак, зависимости требуемой рабочей мощности вычисляются по формулам:
С р = Ср = 2800 I н / U - для «звезды»;
С р = 4800 I н / U - для «треугольника»;
Пусковой конденсатор должен быть больше рабочего в 2-3 раза. Единица измерения - микрофарады.
Есть и совсем уж простой способ вычисления емкости: C = P /10, но эта формула скорее дает порядок цифры, чем ее значение. Впрочем, повозиться в любом случае придется.
Почему нужна подгонка
Метод расчета, приведенный выше, является приблизительным. Во-первых, номинальное значение, указанное на корпусе электрической емкости, может существенно отличаться от фактического. Во-вторых, бумажные конденсаторы (вообще говоря, вещь недешевая) часто используются бывшие в употреблении, и они, как всякие прочие предметы, подвержены старению, что приводит к еще большему отклонению от указанного параметра. В-третьих, ток, который будет потребляться двигателем, зависит от величины механической нагрузки на валу, а потому оценить его можно только экспериментально. Как это сделать?
Здесь потребуется немного терпения. В результате может получиться довольно объемный набор конденсаторов, Главное - после окончания работы все хорошенько закрепить, чтобы не отваливались припаянные концы от вибраций, исходящих от мотора. А потом не лишним будет еще раз проанализировать результат и, возможно, упростить конструкцию.
Составление батареи емкостей
Если в распоряжении у мастера нет специальных электролитических клещей, позволяющий замерять ток без размыкания цепей, то следует подключить амперметр последовательно к каждому проводу, который входит в трехфазный двигатель. В однофазной сети будет протекать суммарное значение, а подбором конденсаторов следует стремиться к наиболее равномерной загрузке обмоток. При этом следует помнить о том, что при последовательном подключении общая емкость уменьшается по закону:
Также необходимо не забывать и о таком важном параметре, как напряжение, на которое рассчитан конденсатор. Оно должно быть не менее номинального значения сети, а лучше с запасом.
Разрядный резистор
Схема трехфазного двигателя, включенного между одной фазой и нейтральным проводом, иногда дополняется сопротивлением. Оно служит для того, чтобы на стартовом конденсаторе не накапливался заряд, остающийся после того, как машина уже выключена. Эта энергия может вызвать электрический удар, не опасный, но крайне неприятный. Для того чтобы обезопасить себя, следует параллельно с пусковой емкостью соединить резистор (у электриков это называется «зашунтировать»). Величина его сопротивления большая - от половины мегома до мегома, а по размерам он невелик, поэтому довольно и полуваттной мощности. Впрочем, если пользователь не боится быть «ущипнутым», то без этой детали вполне можно и обойтись.
Использование электролитов
Как уже отмечалось, пленочные или бумажные электрические емкости дорогие, и прибрести их не так просто, как хотелось бы. Можно произвести однофазное подключение трехфазного двигателя с использованием недорогих и доступных электролитических конденсаторов. При этом совсем уж дешевыми они тоже не будут, так как должны выдерживать 300 Вольт постоянного тока. Для безопасности их следует зашунтировать полупроводниковыми диодами (Д 245 или Д 248, например), но нелишним будет помнить о том, что при пробитии этих приборов переменное напряжение попадет на электролит, и он сперва сильно нагреется, а потом взорвется, громко и эффектно. Поэтому без крайней необходимости лучше все же использовать конденсаторы бумажного типа, работающие под напряжением хоть постоянным, хоть переменным. Некоторые мастера вполне допускают применение электролитов в пусковых цепях. В силу кратковременного воздействия на них переменного напряжения, они могут и не успеть взорваться. Лучше не экспериментировать.
Если нет конденсаторов
Где обычные граждане, не имеющие доступа к пользующимся спросом электрическим и электронным деталям, их приобретают? На барахолках и «блошиных рынках». Там они лежат, заботливо выпаянные чьими-то (обычно пожилыми) руками из старых стиральных машин, телевизоров и прочей вышедшей из обихода и строя бытовой и промышленной техники. Просят за эти изделия советского производства немало: продавцы знают, что если деталь нужна, то ее купят, а если нет - и даром не возьмут. Бывает, что как раз самого необходимого (в данном случае конденсатора) как раз и нет. И что же делать? Не беда! Сойдут и резисторы, только нужны мощные, желательно керамические и остеклованные. Конечно, идеальное сопротивление (активное) фазу не сдвигает, но в этом мире ничего нет идеального, и в нашем случае это хорошо. Каждое физическое тело обладает собственной индуктивностью, электрической мощностью и резистивностью, будь оно крошечной пылинкой или огромной горой. Включение трехфазного двигателя в розетку становится возможным, если на вышеприведенных схемах заменить конденсатор сопротивлением, номинал которого вычисляется по формуле:
R = (0,86 x U) / kI, где:
kI - величина тока при трехфазном подключении, А;
U - наши верные 220 Вольт.
Какие двигатели подойдут?
Перед тем как приобретать за немалые деньги мотор, который рачительный хозяин собирается использовать в качестве привода для точильного круга, циркулярной пилы, сверлильного станка или другого какого-либо полезного домашнего устройства, не помешает подумать о его применимости для этих целей. Не каждый трехфазный двигатель в однофазной сети вообще сможет работать. Например, серию МА (у него короткозамкнутый ротор с двойной клеткой) следует исключить, дабы не пришлось тащить домой немалый и бесполезный вес. Вообще, лучше всего сначала поэкспериментировать или пригласить опытного человека, электромеханика, например, и посоветоваться с ним перед покупкой. Вполне подойдет асинхронный двигатель трехфазный серии УАД, АПН, АО2, АО и, конечно же, А. Эти индексы указаны на заводских табличках.
В статье собраны советы, как можно подключить такой электродвигатель в однофазную сеть без использования конденсаторной батареи или частотного преобразователя за счет импульса тока от электронного ключа. Они дополняются схемами и видеороликом.
Принцип работы электронного ключа
Если собрать обмотки асинхронного электродвигателя по схеме треугольника и подключить к напряжению однофазной сети 220 вольт, то через них станут протекать одинаковые токи, как показано на графике ниже.
Угловое смещение любой обмотки относительно других составляет 120 градусов. Поэтому магнитные поля от каждой из них будут складываться, устранять взаимное влияние.
Создаваемое результирующее магнитное поле статора не будет оказывать влияние на ротор: он останется в состоянии покоя.
Чтобы электродвигатель начал вращение необходимо через его обмотки пропустить сдвинутые на 120° токи, как это делается в нормальной трехфазной системе питания или за счет . Тогда двигатель станет вырабатывать мощность с минимальными потерями, обладая наибольшим КПД.
Широко распространённые промышленные позволяет ему работать, но с меньшим КПД и большими потерями, что, чаще всего, вполне допустимо.
Альтернативными методами являются:
- Механическая раскрутка ротора, например, за счет ручной намотки шнура на вал и резкого его прокручивания рывком при поданном напряжении;
- Сдвиг фаз токов за счет кратковременного использования электронного ключа, коммутирующего электрическое сопротивление одной обмотки.
Поскольку первый способ «намотал и дернул» не вызывает трудностей, то сразу анализируем второй.
На верхней схеме показан подключенный параллельно обмотке B электронный ключ «k». Это довольно условное обозначение принято для объяснения принципа работы электродвигателя за счет формирования токового импульса.
Как запускается двигатель
Обмотки статора подключены по схеме треугольника. На одну из них (A) подается напряжение 220 вольт. Параллельно ей подключена еще одна цепочка из двух последовательных обмоток (B+C).
По закону Ома напряжение сети создает в них токи. Их величина зависит от сопротивления. Все обмотки одинаковы. Поэтому в (A) ток больше, а (B+C) в 2 раза меньше по величине. Причем по фазе они совпадают. При такой ситуации они не способны создать вращающееся магнитное поле, достаточное для запуска ротора.
Параллельно обмотке (B) подключена электронная схема, обозначенная как ключ K. Он находится в разомкнутом состоянии, но кратковременно замыкается в момент достижения максимального напряжения на обмотке С.
Электронный ключ закорачивает обмотку В и падение напряжения на обмотке С скачком возрастает в два раза, что в итоге и обеспечивает сдвиг фаз токов в обмотках А и С. Важно отметить, что ток в обмотках (А) и (В+С) в этот момент равен нулю.
Угол сдвига фаз φ, необходимый для запуска двигателя, достаточно выдержать в интервале 50÷70°, хотя идеальный вариант - 120.
Конструкция фазосдвигающего электронного ключа может собираться из разных деталей. Наиболее подходящие устройства для бытовых целей по мере их сложности представлены ниже.
Схема запуска электродвигателя до 2 кВт
Ее описание можно найти в №6 журнала Радио за 1996 год. Автор статьи В Голик предлагает конструкцию двунаправленного (положительной и отрицательной полугармоник) электронного ключа на двух диодах и тиристорах с управлением транзисторным блоком.
Описание технологии
Силовые диоды VD1 и VD2 совместно с тиристорами VS1, VS2 образуют мост, который управляется прямым и обратным биполярными транзисторами. Положение подстроечного резистора R7 влияет на напряжение открытия VT1, VT2.
Срабатывание транзисторного ключа обеспечивает кратковременный сдвиг фаз токов в обмотках и создание вращающегося магнитногого поля, раскручивающего ротор.
Благодаря приложенному моменту магнитных сил к ротору, последний начинает вращение. Его энергия постоянно пополняется на каждой полуволне очередным импульсом.
Особенности монтажа
Автор выполнил электронный ключ на стеклопластиковой плате и поместил его в изолированный корпус с возможностью подключения входных и выходных цепей через контактные выводы. Вариант исполнения схемы навесным монтажом тоже имеет право на реализацию.
Для работы электродвигателей небольших мощностей допустимо силовые диоды и тиристоры размещать без радиаторов. Но обеспечить хороший теплоотвод с них и надежную работу лучше заранее, включив эти элементы в конструкцию электронного ключа.
Номиналы электронных компонентов указаны прямо на схеме.
С целью обеспечения безопасности следует хорошо выполнить изоляцию корпуса электронного блока, исключить случайное прикосновение к его деталям во время работы: они все находятся под напряжением 220 вольт.
Принципы наладки
Ползунок резистора R7 «Режим» имеет два крайних положения:
- минимального;
- и максимального сопротивления.
В первом случае электронный ключ открыт и создает максимальный импульс сдвига тока в обмотке, а во втором - закрыт: вращение ротора исключено.
Запуск трехфазного двигателя осуществляют на максимально допустимом сдвиге фазы тока внутри обмотки. Затем положением R7 выставляют его рабочие обороты и мощность.
Проверенные модели
- числом оборотов 1360 и мощностью 370 ватт (АААМ63В4СУ1);
- 1380 об/мин, 2 кВт.
Результаты экспериментов его устроили.
Две схемы на симисторах
Следующие 2 конструкции электронного ключа описал В Бурлако в 1999 году. Они опубликованы в журнале Сигнал №4.
Запуск легкого электродвигателя
Устройство разработано для двигателей с мощностью до 2,2 кВт, имеет минимальный набор электронных деталей.
Конденсатор С, обладая емкостным сопротивлением, под действием приложенного к его пластинам напряжения, сдвигает вектор тока вперед на 90 градусов, направляя его на управление динистором VS2.
Разность потенциалов на конденсаторе регулируется суммарным сопротивлением R1, R2. Импульс динистора поступает на управляющий электрод симистора VS1, который вбрасывает ток в обмотку электродвигателя.
Схема пуска двигателя под нагрузкой
Для станков и механизмов, создающих большое противодействие раскрутке ротора, можно порекомендовать переключить обмотки на схему разомкнутой звезды с созданием двух раскручивающих моментов.
Полярность обмоток двигателя указана точками на схеме. Фазосдвигающие цепочки импульсов тока работают по той же технологи, что и в предыдущих случаях. Номиналы электрических деталей проставлены рядом с их графическими обозначениями.
Особенности наладки
Все три контакта этого пускателя при нажатии на кнопку «Пуск» замыкаются одновременно, а при отпускании:
- два крайних остаются в замкнутом состоянии;
- средний - разрывается, отключая цепь пусковой обмотки.
Через этот средний контакт в обеих схемах подается импульс тока. Схема работает только на время, необходимое для раскрутки двигателя, после чего выводится из работы, отключается от питающего напряжения.
Момент запуска двигателя в каждой схеме подбирают после подачи напряжения изменением сопротивления R2. При этом в треугольнике до момента раскрутки ротора проходят большие токи, вызывающие сильные вибрации конструкции. Для их уменьшения рекомендуется подбирать фазосдвигающий импульс ступенями, а не плавно.
При оптимальном положении R2 двигатель запускается без вибраций.
Для двигателей небольшой мощности можно осуществлять монтаж симисторов без радиаторов охлаждения, но последние все же повышают надежность схемы.
Мое мнение о методе
В трех рассмотренных схемах ток рабочего режима протекает по всем подключенным обмоткам. Полное расходование приложенной энергии тратится не рентабельно. Только около 30% ее мощности создает вращение ротора. Остальная часть порядка 70% - безвозвратные потери.
Если кого-то устраивает запуск трехфазного двигателя в однофазной сети по этой схеме, то это ваш выбор. Я же сделал обзор этих схем, чтобы показать их положительные и отрицательные стороны, не навязывая собственное мнение.
Этой темой стали массово пользоваться создатели видеороликов на Ютубе, набирая количество просмотров и подписчиков, как ЮКА ЛАХТ, в своем видео «Без конденсаторный запуск трехфазного двигателя».
Делайте выбор осознанно, а если остались вопросы по теме, то сейчас вам удобно задать их в комментариях.
Многие любители и профессионалы применяют в работе электрооборудование различного предназначения. И во многих случаях электрооборудование приводится в движение трехфазными двигателями. Но трехфазная сеть зачастую недоступна в гаражных боксах и индивидуальных домовладениях. И тогда на помощь приходят схемы подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть.
Наиболее распространены и применяются в станках трехфазные асинхронные двигатели переменного тока с короткозамкнутым ротором. Их подключение к однофазной сети мы и будем рассматривать. При включении двигателя в трехфазную сеть по трем обмоткам, в разный момент времени протекает переменный ток. Этот ток создает вращающееся магнитное поле, которое начинает вращать ротор двигателя.
При подключении двигателя к однофазной сети, ток по обмоткам течет, но вращающегося магнитного поля нет, ротор не крутится. Выход из этой ситуации был найден. Самым простым и действенным способом оказалось к одной из обмоток двигателя. Конденсатор, импульсно получая и отдавая энергию создает смещение фазы, в обмотках двигателя получается вращающееся магнитное поле и он работает. Емкость постоянно находится под напряжением и называется рабочим .
Как правильно подобрать конденсаторы
Теоретически предполагается осуществлять расчет необходимой емкости путем деления силы тока на напряжение и полученную величину умножить на коэффициент. Для разного типа соединений обмоток коэффициент составляет:
- звездой – 2800;
- треугольником -- 4800.
Недостатком этого метода является то, что не всегда на электродвигателе сохранилась табличка с данными. Невозможно точно знать коэффициент мощности и мощность двигателя, а следовательно и силу тока. К тому же на силу тока могут действовать такие факторы как отклонения напряжения в сети и величина нагрузки на двигатель.
| Мощность электродвигателя, кВт | 0,4 | 0,6 | 0,8 | 1,1 | 1,5 | 2,2 |
| Ёмкость конденсатора C2 в номинальном режиме, мкФ | 40 | 60 | 80 | 100 | 150 | 230 |
| Ёмкость конденсатора C2 в недогруженном режиме, мкФ | 25 | 40 | 60 | 80 | 130 | 200 |
| Ёмкость пускового конденсатора C1 в номинальном режиме, мкФ | 80 | 120 | 160 | 200 | 250 | 300 |
| Ёмкость конденсатора C1 в недогруженном режиме, мкФ | 20 | 35 | 45 | 60 | 80 | 100 |
Поэтому следует применять упрощенный расчет емкости рабочих конденсаторов. Просто учесть, что на каждые 100 ватт мощности необходимо 7 микрофарад емкости. Удобнее использовать несколько параллельно соединенных конденсаторов малой, желательно одинаковой емкости, чем один большой. Просто суммируя емкость собранных конденсаторов, можно легко определить и подобрать оптимальное значение. Для начала лучше процентов на десять занизить суммарную емкость.
Если двигатель легко запускается и мощности его достаточно для работы, то все подобрано правильно. Если нет – нужно еще подсоединять конденсаторы, пока двигатель не достигнет оптимальной мощности.
СПРАВКА. При подключении трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в однофазную сеть теряется не менее трети его мощности.
Следует помнить, что много не всегда хорошо, и при превышении оптимальной емкости рабочих конденсаторов двигатель будет перегреваться. Перегрев может привести к сгоранию обмоток и выходу электродвигателя из строя.
ВАЖНО! Конденсаторы следует соединять между собой параллельно.
Желательно выбирать конденсаторы с рабочим напряжением не менее 450 вольт. Самыми распространенными являются так называемые бумажные конденсаторы, с буквой Б в наименовании. В настоящее время выпускаются и специализированные, так называемые моторные конденсаторы, например К78-98.
ВНИМАНИЕ! Желательно выбирать конденсаторы для переменного тока. Использование иных тоже возможно, но связано с усложнением схемы и возможными нежелательными последствиями.
В случае, если запуск двигателя осуществляется под нагрузкой и происходит тяжело, необходим еще и пусковой конденсатор. Он включается параллельно рабочему на непродолжительное время пуска электродвигателя. Его емкость должна быть равной или не более чем в два раза превышать емкость рабочего.
Схема подключения электродвигателя 380 на 220 вольт с конденсатором
Подключить трехфазный двигатель в однофазную сеть несложно и с этим справится даже электромонтер-любитель. Если возникают затруднения, следует обратиться к друзьям или знакомым. Рядом всегда найдется грамотный электрик.
Обмотки трехфазных двигателей с рабочим напряжением 380 на 220 для работы в сети на триста восемьдесят вольт соединены по схеме звезда. Это значит, что концы обмоток соединены между собой, а начала подсоединяются в сеть. Для возможности работы электродвигателя в однофазной сети 220 вольт необходимо для начала его обмотки переключить на схему треугольник. Т.е. конец первой соединить с началом второй, конец второй с началом третьей и конец третьей с началом первой.
Эти соединения и будут выводами двигателя для подключения к электропитанию. Два вывода необходимо через двухполюсной выключатель подсоединить к нулю и фазе сети в 220 вольт. Третий вывод через рабочие конденсаторы, соединить с каким либо из первых двух выводов из двигателя. Можно пробовать запускать.
Если запуск прошел успешно, двигатель работает с приемлемой мощностью и не сильно греется, то можно ничего не менять. Получилась работоспособная схема только с рабочими конденсаторами.
В случае запуска под нагрузкой или просто тяжелого пуска двигателя, он может раскручиваться долго и не достигать приемлемой мощности. Тогда потребуется включить в схему еще и пусковую емкость. Пусковые конденсаторы выбираются того же типа, что и рабочие. Одинаковой или в два раза превышающей ёмкость рабочих. И подключаются параллельно им. Используются только для пуска электродвигателя.
Очень удобно для такого пуска использовать своеобразный выключатель серии АП. Важно чтобы он был в исполнении с блок контактами. В нем при нажатии кнопки Пуск пара контактов остается замкнутыми до нажатия на кнопку Стоп. К ним подключают выводы двигателя и электросеть. Третий контакт замкнут только во время удержания кнопки Пуск, через него и подсоединяется пусковой конденсатор. Выключатели такого типа, только без предохранительной аппаратуры часто устанавливали на старые советские центрифуговые стиральные машинки.
Схема подключения электродвигателя без конденсаторов
Реально работающих схем подключения трехфазного двигателя в бытовую сеть 220 вольт без конденсаторов нет. Некоторые изобретатели предлагают подключать двигатели через индукционные катушки или сопротивления. Якобы, таким образом, создается сдвиг фаз на необходимый угол и двигатель вращается. Другие предлагают тиристорные схемы подключения. На практике это не работает, и не стоит изобретать велосипед. Когда есть дешевый и проверенный способ пуска посредством конденсаторов.
Действительно рабочим вариантом является подключение трехфазного асинхронного двигателя через преобразователь частоты. Преобразователь подключается в бытовую сеть и выдает трехфазный ток, причем с возможностью плавного пуска и регулировки оборотов. Но стоит такое чудо примерно от 7000 рублей с подключаемой мощностью всего в 250 ватт. Мощные приборы стоят гораздо дороже. За такие деньги можно приобрести электрооборудование с возможностью подключения к однофазной цепи. Будь то мини токарный станок, циркулярка, насос или компрессор.
Как подключить с реверсом
Обеспечить вращение ротора в обратную сторону не представляет затруднения. В схему подключения двигателя необходимо добавить двухпозиционный переключатель. Средний контакт переключателя подсоединяется к одному из контактов конденсаторов, а крайние к выводам двигателя.
ВНИМАНИЕ! Сначала необходимо переключателем выбрать направление вращения, и только потом запустить двигатель. При работающем электродвигателе переключателем направления вращения пользоваться нельзя.
Рассмотренные варианты подключения промышленных двигателей в бытовую сеть не представляют большой сложности при их реализации. Важно только внимательно отнестись к некоторым нюансам и оборудование, хоть и с небольшой потерей мощности, прослужит долго и принесет пользу.
В домашнем хозяйстве иногда возникает необходимость запустить 3х фазный асинхронный электродвигатель (АД). При наличии 3х фазной сети это не составляет трудностей. При отсутствии 3х фазной сети двигатель можно запустить и от однофазной сети, добавив в схему конденсаторы.
Конструктивно АД состоит из неподвижной части – статора, и подвижной – ротора. На статоре в пазах укладываются обмотки. Обмотка статора представляет собой трёхфазную обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл. градусов. Концы и начала обмоток выводятся в соединительную коробку. Обмотки образуют пары полюсов. От числа пар полюсов зависит номинальная частота вращения ротора двигателя. Большинство общепромышленных двигателей имеют 1-3 пары полюсов, реже 4. АД с большим числом пар полюсов имеют низкий КПД, больше габариты, поэтому используются редко. Чем больше пар полюсов, тем меньше частота вращение ротора двигателя. Общепромышленые АД выпускаются с рядом стандартных скоростей вращения ротора: 300, 1000, 1500, 3000 об/мин.
Ротор АД представляет собой вал, на котором находится короткозамкнутая обмотка. В АД малой и средней мощности обмотку обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями отливают короткозамкнутые кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности обмотку выполняют из медных стержней, концы которых соединяют с короткозамкнутыми кольцами при помощи сварки.
При включении АД в 3ф сеть по обмоткам по очереди в разный момент времени начинает идти ток. В один период времени ток проходит по полюсу фазы А, в другой по полюсу фазы В, в третий по полюсу фасы С. Проходя через полюса обмоток, ток поочередно создает вращающее магнитное поле, которое взаимодействует с обмоткой ротора и заставляет его вращаться, как бы подталкивая его в разных плоскостях в разный момент времени.
Если включить АД в 1ф сеть, вращающий момент будет создаваться только одной обмоткой. Действовать на ротор такой момент будет в одной плоскости. Такого момента не достаточно, чтоб сдвинуть и вращать ротор. Чтобы создать сдвиг фазы тока полюса, относительно питающей фазы, применяют фазосдвигающие конденсаторы рис.1.
Конденсаторы можно применять любых типов, кроме электролитических. Хорошо подходят конденсаторы типа МБГО, МБГ4, К75-12, К78-17. Некоторые данные конденсаторов приведены в таблице 1.
Если необходимо набрать определенную емкость, то конденсаторы следует соединить параллельно.
Основные электрические характеристики АД приводятся в паспорте рис.2.
Рис.2
Из паспорта видно, что двигатель трехфазный, мощностью 0,25 кВт, 1370 об/мин, есть возможность менять схему соединения обмоток. Схема соединения обмоток «треугольник» при напряжении 220В, «звезда», при напряжении 380В,соответственно ток 2,0/1,16А.
Схема соединения «звезда» изображена на рис.3. При таком включении к обмоткам электродвигателя между точками АВ (линейное напряжение U л) подводится напряжение в раза больше напряжения между точками АО (фазное напряжение U ф).
Рис.3 Схема подключения «звезда».
Таким образом линейное напряжение в раза больше фазного напряжения: . При этом фазный ток I ф равен линейному току I л.
Рассмотрим схему соединения «треугольник» рис. 4:
Рис.4 Схема соединения «треугольник»
При таком соединении линейное напряжение U Л равное фазному напряжению U ф., а ток в линии I л в раза больше фазного тока I ф: .
Таким образом если АД рассчитан на напряжение 220/380 В, то для его подключения к фазному напряжению 220 В используется схема соединения обмоток статора «треугольник». А для подключения к линейному напряжению 380 В – соединение «звезда».
Для пуска данного АД от однофазной сети напряжением 220В нам следует включить обмотки по схеме «треугольник», рис.5.
Рис.5 Схема соединения обмоток ЭД по схеме «треугольник»
Схема соединение обмоток в выводной коробке показана на рис. 6
Рис.6 Соединение в выводной коробке ЭД по схеме «треугольник»
Чтобы подключить электродвигатель по схеме «звезда» необходимо две фазные обмотки подключить непосредственно в однофазную сеть, а третью – через рабочий конденсатор С р к любому из проводов сети рис. 6.
Соединение в выводной коробке для схемы «звезда» изображено на рис. 7.
Рис.7 Схема соединения обмоток ЭД по схеме «звезда»
Схема соединение обмоток в выводной коробке показана на рис. 8
Рис.8 Соединение в выводной коробке ЭД по схеме «звезда»
Емкость рабочего конденсатора С р для данных схем рассчитывается по формуле:
,
где I н - номинальный ток, U н - номинальное рабочее напряжение.
В нашем случае, для включения по схеме «треугольник» емкость рабочего конденсатора C р = 25 мкФ.
Рабочее напряжение конденсатора должно быть в 1.15 раз больше номинального напряжения питающей сети.
Для пуска АД не большой мощности обычно достаточно рабочего конденсатора, но при мощности более 1.5 кВт двигатель либо не запускается, либо очень медленно набирает обороты, поэтому необходимо применить еще пусковой конденсатор С п. Емкость пускового конденсатора должна быть в 2.5-3 раза больше емкости рабочего конденсатора.
Схема соединения обмоток электродвигателя, соединенных по схеме «треугольник» с применением пусковых конденсаторов С п представлена на рис. 9.
Рис.9 Схема соединения обмоток ЭД по схеме «треугольник» с применением пусковых конденсатов
Схема соединения обмоток двигателя «звезда» с применением пусковых конденсаторов представлена на рис. 10.
Рис.10 Схема соединения обмоток ЭД по схеме «звезда» с применением пусковых конденсаторов.
Пусковые конденсаторы С п подключают параллельно рабочим конденсаторам при помощи кнопки КН на время 2-3 с. При этом скорость вращения ротора электродвигателя должна достигнуть 0.7…0.8 от номинальной скорости вращения.
Для запуска АД с применением пусковых конденсаторов удобно применять кнопку рис.11.
Рис.11
Конструктивно кнопка представляет собой трехполюсный выключатель, одна пара контактов которого замыкается, когда кнопка нажата. При отпускании контакты размыкаются, а остальная пара контактов остается включенной, до тех пор, пока не будет нажата кнопка стоп. Средняя пара контактов выполняет функцию кнопки КН (рис.9, рис.10), через которую подключают пусковые конденсаторы, две остальных пары работают как выключатель.
Может оказаться так, что в соединительной коробке электродвигателя концы фазных обмоток выполнены внутри двигателя. Тогда АД можно подключить только по схемам рис.7, рис. 10, в зависимости от мощности.
Существует еще схема соединения обмоток статора трехфазного электродвигателя - неполная звезда рис. 12. Выполнение соединения по данной схеме возможно, если начала и концы фазных обмоток статора выведены в соединительную коробку.
Рис.12
Подключать ЭД по такой схеме целесообразно, когда необходимо создать пусковой момент, превышающий номинальный. Такая необходимость возникает в приводах механизмов с тяжелыми условиями пуска, при пуске механизмов под нагрузкой. Следует отметить, что результирующий ток в питающих проводах превышает номинальный ток на 70-75%. Это необходимо учитывать при выборе сечения провода для подключения электродвигателя
Емкость рабочего конденсатора С р для схемы рис. 12 рассчитывается по формуле:
.
Емкости пусковых конденсаторов должны быть в 2.5-3 раза больше емкости С р. Рабочее напряжение конденсаторов в обеих схемах должно быть в 2.2 раза больше номинального напряжения.
Обычно выводы статорных обмоток электродвигателей маркируют металлическими или картонными бирками с обозначением начал и концов обмоток. Если же бирок по каким-либо причинам не окажется, поступают следующим образом. Сначала определяют принадлежность проводов к отдельным фазам статорной обмотки. Для этого следует взять любой из 6 наружных выводов электродвигателя и присоединить его к какому-либо источнику питания, а второй вывод источника подсоедините к контрольной лампочке и вторым проводом от лампы поочередно прикоснитесь к оставшимся 5 выводам статорной обмотки, пока лампочка не загорится. Загорание лампочки означает, что 2 вывода принадлежат к одной фазе. Условно пометим бирками начало первого провода С1 ,а его конец - С4. Аналогично найдем начало и конец второй обмотки и обозначим их С2 и С5, а начало и конец третьей - С3 и С6.
Следующим и основным этапом будет определение начала и конца статорных обмоток. Для этого воспользуемся способом подбора, который применяется для электродвигателей мощностью до 5 кВт. Соединим все начала фазных обмоток электродвигатели согласно ранее присоединенным биркам в одну точку (используя схему «звезда») и включим электродвигатель в однофазную сеть с использованием конденсаторов.
Если двигатель без сильного гудения сразу наберет номинальную частоту вращения, это означает, что в общую точку попали все начала или все концы обмотки. Если при включении двигатель сильно гудит и ротор не может набрать номинальную частоту вращения, то в первой обмотке следует поменять местами выводы С1 и С4. Если это не помогает, концы первой обмотки необходимо вернуть в первоначальное положение и теперь уже выводы С2 и С5 поменяйте местами. То же самоё сделайте; в отношении третьей пары, если двигатель продолжает гудеть.
При определении начал и концов обмоток строго придерживайтесь правил техники безопасности. В частности, прикасаясь к зажимам статорной обмотки, провода держите только за изолированную часть. Это необходимо делать еще и потому, что электродвигатель имеет общий стальной магнитопровод и на зажимах других обмоток может появиться большое напряжение.
Для изменения направления вращения ротора АД, включенного в однофазную сеть по схеме «треугольник» (см. рис.5), достаточно третью фазную обмотку статора (W) подсоединить через конденсатор к зажиму второй фазной обмотки статора (V).
Чтобы изменить направление вращения АД, включенного в однофазную сеть по схеме «звезда» (см. рис.7), нужно третью фазную обмотку статора (W) подсоединить через конденсатор к зажиму второй обмотки (V).
При проверке технического состояния электродвигателей нередко можно с огорчением заметить, что после продолжительной работы появляются посторонний, шум и вибрация, а ротор трудно повернуть вручную. Причиной этого может быть плохое состояние подшипников: беговые дорожки покрыты ржавчиной, глубокими царапинами и вмятинами, повреждены отдельные шарики и сепаратор. Во всех случаях необходимо осмотреть электродвигатель и устранить имеющиеся неисправности. При незначительном повреждении достаточно промыть подшипники бензином, и смазать их.