Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети без потери мощности

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети без потери мощности

Как известно, при включении трёхфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть, по распространенным конденсаторным схемам: «треугольник», или «звезда», мощность двигателя используется только наполовину (в зависимости от применяемого двигателя).

Кроме того, затруднён запуск двигателя под нагрузкой.

В предлагаемой статье описан метод подключения двигателя без потери мощности.

В различных любительских электромеханических станках и приспособлениях чаще всего используются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. К сожалению, трехфазная сеть в быту — явление крайне редкое, поэтому для их питания от обычной электрической сети любители применяют фазосдвигающий конденсатор, что не позволяет в полном объеме реализовать мощность и пусковые характеристики двигателя. Существующие же тринисторные «фазосдвигающие» устройства еще в большей степени снижают мощность на валу двигателей.

Вариант схемы устройства запуска трехфазного электродвигателя без потери мощности приведен на рис. 1.

Обмотки двигателя 220/380 В соединены треугольником, а конденсатор С1 включен, как обычно, параллельно одной из них. Конденсатору «помогает» дроссель L1, включенный параллельно другой обмотке. При определенном соотношении емкости конденсатора С1, индуктивности дросселя L1 и мощности нагрузки можно получить сдвиг фаз между напряжениями на трех ветвях нагрузки, равный точно 120°.

На рис. 2 приведена векторная диаграмма напряжений для устройства, представленного на рис. 1, при чисто активной нагрузке R в каждой ветви. Линейный ток Iл в векторном виде равен разности токов Iз и Ia, а по абсолютному значению соответствует величине Iф√3, где Iф=I1=I2=I3=Uл/R — фазный ток нагрузки, Uл=U1=U2=U3=220 В — линейное напряжение сети.

К конденсатору С1 приложено напряжение Uc1=U2, ток через него равен Ic1 и по фазе опережает напряжение на 90°.

Аналогично к дросселю L1 приложено напряжение UL1=U3, ток через него IL1 отстает от напряжения на 90°.

При равенстве абсолютных величин токов Ic1 и IL1 их векторная разность при правильном выборе емкости и индуктивности может быть равной Iл.

Сдвиг фаз между токами Ic1 и IL1 составляет 60°, поэтому треугольник из векторов Iл, Iс1 и IL1 — равносторонний, а их абсолютная величина составляет Iс1=IL1=Iл=Iф√3. В свою очередь, фазный ток нагрузки Iф=Р/ЗUL, где Р — суммарная мощность нагрузки.

Иными словами, если емкость конденсатора С1 и индуктивность дросселя L1 выбрать такими, чтобы при поступлении на них напряжения 220 В ток через них был бы равен Ic1=IL1=P/(√3⋅Uл)=P/380, показанная на рис. 1 цепь L1C1 обеспечит на нагрузке трехфазное напряжение с точным соблюдением сдвига фаз.

Таблица 1

В табл. 1 приведены значения тока Ic1=IL1. емкости конденсатора С1 и индуктивности дросселя L1 для различных величин полной мощности чисто активной нагрузки.

Реальная нагрузка в виде электродвигателя имеет значительную индуктивную составляющую. В результате линейный ток отстает по фазе от тока активной нагрузки на некоторый угол ф порядка 20. 40°.

На шильдиках электродвигателей обычно указывают не угол, а его косинус — широко известный cosφ, равный отношению активной составляющей линейного тока к его полному значению.

Индуктивную составляющую тока, протекающего через нагрузку устройства, показанного на рис. 1, можно представить в виде токов, проходящих через некоторые катушки индуктивности Lн, подключенные параллельно активным сопротивлениям нагрузки (рис. 3,а), или, что эквивалентно, параллельно С1, L1 и сетевым проводам.

Из рис. 3,б видно, что поскольку ток через индуктивность противофазен току через емкость, катушки индуктивности LH уменьшают ток через емкостную ветвь фазосдвигающей цепи и увеличивают через индуктивную. Поэтому для сохранения фазы напряжения на выходе фазосдвигающей цепи ток через конденсатор С1 необходимо увеличить и через катушку уменьшить

Векторная диаграмма для нагрузки с индуктивной составляющей усложняется. Ее фрагмент, позволяющий произвести необходимые расчеты, приведен на рис. 4.

Полный линейный ток Iл разложен здесь на две составляющие: активную Iлcosφ и реактивную Iлsinφ.

В результате решения системы уравнений для определения необходимых значений токов через конденсатор С1 и катушку L1:

IC1sin30° + IL1sin30° = Iлcosφ, IC1cos30° — IL1cos30° = Iлsinφ,

получаем следующие значения этих токов:

IC1 = 2/√3⋅Iлsin(φ+60°), IL1 = 2/√3⋅Iлcos(φ+30°).

При чисто активной нагрузке (φ=0) формулы дают ранее полученный результат Ic1=IL1=Iл.

На рис. 5 приведены зависимости отношений токов Ic1 и IL1 к Iл от cosφ, рассчитанные по этим формулам Для (cosφ = √3/2 = 0,87) ток конденсатора С1 максимален и равен 2/√3Iл = 1.15Iл, а ток дросселя L1 вдвое меньше.

Этими же соотношениями с хорошей степенью точности можно пользоваться для типовых значений cosφ, равных 0,85. 0,9.

Таблица 2

В табл. 2 приведены значения токов IC1, IL1, протекающих через конденсатор С1 и дроссель L1 при различных величинах полной мощности нагрузки, имеющей указанное выше значение cosφ = √3/2.

Для такой фазосдвигающей цепи используют конденсаторы МБГО, МБГП, МБГТ, К42-4 на рабочее напряжение не менее 600 В или МБГЧ, К42-19 на напряжение не менее 250 В.

Дроссель проще всего изготовить из трансформатора питания стержневой конструкции от старого лампового телевизора. Ток холостого хода первичной обмотки такого трансформатора при напряжении 220 В обычно не превышает 100 мА и имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения.

Если же в магнитопровод ввести зазор порядка 0,2. 1 мм, ток существенно возрастет, а зависимость его от напряжения станет линейной.

Сетевые обмотки трансформаторов ТС могут быть соединены так, что номинальное напряжение на них составит 220 В (перемычка между выводами 2 и 2′), 237 В (перемычка между выводами 2 и 3′) или 254 В (перемычка между выводами 3 и 3′). Сетевое напряжение чаще всего подают на выводы 1 и 1′. В зависимости от вида соединения меняются индуктивность и ток обмотки.

В табл. 3 приведены значения тока в первичной обмотке трансформатора ТС-200-2 при подаче на нее напряжения 220 В при различных зазорах в магнитопроводе и разном включении секций обмоток.

Сопоставление данных табл. 3 и 2 позволяет сделать вывод, что указанный трансформатор можно установить в фазосдвигающую цепь двигателя с мощностью примерно от 300 до 800 Вт и, подбирая зазор и схему включения обмоток, получить необходимую величину тока.

Индуктивность изменяется также в зависимости от синфазного или противофазного соединения сетевой и низковольтных (например, накальных) обмоток трансформатора.

Максимальный ток может несколько превышать номинальный ток в рабочем режиме. В этом случае для облегчения теплового режима целесообразно снять с трансформатора все вторичные обмотки, часть низковольтных обмоток можно использовать для питания цепей автоматики устройства, в котором работает электродвигатель.

Таблица 3

В табл. 4 приведены номинальные величины токов первичных обмоток трансформаторов различных телевизоров и ориентировочные значения мощности двигателя, с которыми их целесообразно использовать фазосдвигающую LC-цепь следует рассчитывать для максимально возможной нагрузки электродвигателя.

Таблица 4

При меньшей нагрузке необходимый сдвиг фаз уже не будет выдерживаться, но пусковые характеристики по сравнению с использованием одного конденсатора улучшатся.

Экспериментальная проверка проводилась как с чисто активной нагрузкой, так и с электродвигателем.

Функции активной нагрузки выполняли по две параллельно соединенных лампы накаливания мощностью 60 и 75 Вт, включенные в каждую нагрузочную цепь устройства (см рис. 1), что соответствовало общей мощности 400 Вт В соответствии с табл. 1 емкость конденсатора С1 составляла 15 мкф Зазор в магнитопроводе трансформатора ТС-200-2 (0,5 мм) и схема соединения обмоток (на 237 В) были выбраны из соображений обеспечения необходимого тока 1,05 А.

Измеренные на нагрузочных цепях напряжения U1, U2, U3 отличались друг от друга на 2. 3 В, что подтверждало высокую симметрию трехфазного напряжения.

Эксперименты проводились также с трехфазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором АОЛ22-43Ф мощностью 400 Вт. Он работал с конденсатором С1 емкостью 20 мкф (кстати, такой же, как и при работе двигателя только с одним фазосдвигающим конденсатором) и с трансформатором, зазор и соединение обмоток которого выбраны из условия получения тока 0,7 А.

В результате удалось быстро запустить двигатель без пускового конденсатора и заметно увеличить крутящий момент, ощущаемый при торможении шкива на валу двигателя.

К сожалению, провести более объективную проверку затруднительно, поскольку в любительских условиях практически невозможно обеспечить нормированную механическую нагрузку на двигатель.

Следует помнить, что фазосдвигающая цепь — это последовательный колебательный контур, настроенный на частоту 50 Гц (для варианта чисто активной нагрузки), и без нагрузки подключать к сети эту цепь нельзя.

Исключительно простой расщепитель фаз для получения трехфазного напряжения из однофазного

Если в вашей мастерской, к которой подведена одна фаза, появилось какое-либо трехфазное оборудование, то возникает проблема его питания. Приходится заводить три фазы, покупать соответствующий счетчик электроэнергии. Если три фазы завести невозможно, то вы вынуждены докупать так называемый расщепитель фаз, превращающий одну фазу в три. А стоит такое устройство немалых денег. Но если в вашем распоряжении есть трехфазный асинхронный двигатель соответствующей мощности, то можно самостоятельно собрать такой расщепитель, который будет работать не хуже промышленного. Для этого достаточно превратить его в трехфазный генератор.

Чем крутить?

Любой генератор нужно чем-то крутить, причем крутить с нужными оборотами, поскольку именно от частоты вращения зависит частота полученного напряжения. Но что мешает заставить крутиться такой «генератор» от одной фазы? Для этого достаточно добавить в схему питания пусковой конденсатор. Взглянем на схему, приведенную ниже. В той или иной вариации эта схема попадается чуть ли не на каждом углу.

Включение трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть для получения трехфазного напряжения

Включаем двигатель в сеть, нажимаем на кнопку, и мотор весело завращается, вырабатывая остальными обмотками недостающие фазы.

Важно! Вроде бы все красиво, но у такой схемы есть существенный недостаток, сводящий на «нет» достоинство конструкции – сильный перекос фаз.

Боремся с перекосом

Чтобы устранить перекос, достаточно доработать схему, добавив в нее автотрансформатор.

Такой генератор будет вырабатывать три фазы без перекоса

В своей самоделке автор этой идеи использовал четырехкиловаттный двигатель. При этом емкость фазосдвигающего конденсатора составила 39 мкФ. В схеме могут использоваться конденсаторы МБГО, МБГП, МБГТ, К42-4 на рабочее напряжение не ниже 600 В. Если в вашем распоряжении есть конденсатор МБГЧ, то он может иметь рабочее напряжение 250 В.

Автотрансформатор автор намотал на статоре семнадцатикиловаттного электродвигателя, сняв с него все обмотки и намотав взамен 400 витков провода сечением 6 мм—. Через каждые 40 витков делались отводы для точной подгонки фаз.

Полезно! Если вам кроме фаз нужен «ноль», то его можно взять с точки соединения обмоток, как было показано на предыдущей схеме.

Такая схема с успехом питала трехкиловаттную нагрузку. Совсем неплохой КПД для такой самоделки. Конечно, трехфазный двигатель стоит денег, но если у вас завалялся такой в гараже или на чердаке, то почему бы не воспользоваться его услугами?

Асинхронный двигатель как расщепитель фазы

Расщепитель фаз,электрическая машина, преобразующая однофазный переменный ток в многофазный (обычно трёхфазный) без изменения его частоты. Конструктивно Расщепитель фаз выполнен в виде асинхронной или синхронной машины с однофазной статорной обмоткой (называемой также двигательной, т.к. она обеспечивает вращение ротора машины), подключенной к источнику питания. Пульсирующее магнитное поле, возбуждаемое статорной обмоткой, можно рассматривать как суперпозицию двух вращающихся (встречно) магнитных полей: прямого (вектор напряжённости которого вращается в том же направлении, что и ротор) и обратного. Обратное поле почти полностью компенсируется (демпфируется) полем токов, наведённых в замкнутой накоротко обмотке вращающегося ротора, поэтому результирующее поле статорной и роторной обмоток представляет собой магнитное поле, вектор напряжённости которого вращается с частотой однофазного переменного тока. На статоре под прямым углом к двигательной обмотке расположена генераторная обмотка, в которой под действием вращающегося магнитного поля индуцируется переменный ток, вектор которого сдвинут по фазе на 90° относительно вектора питающего тока. Источником многофазного тока являются двигательная и генераторная обмотки, соответствующим образом соединённые между собой. Генераторная обмотка используется также для асинхронного пуска Расщепитель фаз при однофазном питании. Расщепитель фаз применяют на электрифицированном ж.-д. транспорте для преобразования однофазного тока контактной сети в трёхфазный ток, питающий вспомогательные асинхронные двигатели электровозов и электропоездов.

Лит.: Тихменев Б. Н., Трахтман Л. М., Подвижной состав электрических железных дорог, 3 изд., ч. 3, М., 1969; Козорезов М. А., Расщепители фаз электровозов переменного тока, М., 1961; Иоффе А. Б., Тяговые электрические машины, 2 изд., М. — Л., 1965.

Калининградский морской порт торговый, крупный советский порт на южном побережье Балтийского моря.
Кохма, город (с 1925) в Ивановском районе Ивановской области РСФСР.
Малакка (полуостров) Малакка (Malacca), полуостров на юго-востоке Азии, южная часть полуострова Индокитай.
Национальный комитет, 1) название местных органов государственной власти и управления Чехословацкой Социалистической Республики.
Перепад в гидротехнике, водопроводящее сооружение на канале, водосбросе или др.
Ратный червь, личинка насекомого из отряда двукрылых — ратного комарика (Sciara militaris).
Слизи, вещества растительного, животного или микробного происхождения, образующие вязкие водные растворы.
Ткач Дмитрий Васильевич [р. 29.8(11.9).1912, с.
Харизи, Алхаризи Иехуда бен Шломо (1165—1225), еврейский поэт.
Электромашинный динамометр, устройство для измерения вращающих моментов электродвигателей.
Армяне (самоназвание — хай), нация. В СССР А.
Бурятский язык, язык бурят, живущих в Бурятской АССР, Усть-Ордынском бурятском национальном округе Иркутской области, Агинском бурятском национальном округе Читинской области РСФСР, в северной части МНР и на северо-востоке КНР.
Гервинус Георг Готфрид Гервинус (Gervinus) Георг Готфрид (20.5.1805, Дармштадт, — 18.
Донорная примесь, примесь в полупроводнике постороннего химического элемента, атомы которого являются донорами.
Кайфын, город на В. Китая, в провинции Хэнань, на Великой Китайской равнине, близ южного берега р.

Какие бывают виды электродвигателей по фазам?

В современных условиях, без применения электродвигателей невозможна работа различного промышленного и бытового оборудования и агрегатов. На выбор необходимого типа агрегата влияют несколько аспектов, одним из основных является выбор электродвигателя в зависимости от количества фаз, необходимых для его работы.

При этом все электродвигатели подразделяются на 4 основные группы по этой характеристике:

• однофазные;
• двухфазные;
• трехфазные;
• многофазные.

Разберем каждый тип приборов более подробно.

Однофазные электрические двигатели

Это наиболее маломощные агрегаты, мощность которых не более 10 кВт. Область их применения достаточно широка, благодаря некоторым конструкционным особенностям и небольшим размерам. В основном это бытовое оборудование в однофазной сети. Различные стиральные машины, холодильники и маломощные вентиляторы – это не полный список мест установки однофазных приборов.

Эти агрегаты применяются и в промышленном оборудовании для вспомогательных операций.

Типы пуска однофазного оборудования

Их подразделяют на 2 типа:

1. Бифилярный, в этом случае обмотка не работает постоянно. Это используется как пусковое устройство, которое работает по несколько секунд до 30 раз за час. В этом случае при наборе номинальных оборотов, обмотка выключается. При увеличении сроков работы такого прибора может возникнуть поломка из-за перегрева витков обмотки.
2. Конденсаторный тип обеспечивает наиболее приемлемый пусковой момент и создание кругового магнитного поля. Принцип работы конденсаторного оборудования основан на основе вращения магнитного поля, при этом в устройстве присутствует 2 катушки находящиеся под постоянным напряжением.

Преимущества и недостатки однофазного оборудования

К преимущества относят:

• небольшие габариты и вес;
• невысокая цена по сравнению с трехфазным оборудованием;
• питание осуществляется от сети с переменным током;
• ротор выполнен короткозамкнутым – это позволило упростить конструкцию приборов.

К недостаткам оборудования относят:

• невысокий уровень КПД;
• оборудование обладает малым пусковым моментом;
• затруднения при регулировании частоты вращения.

Трехфазные электродвигатели

Этот вид приборов может устанавливаться в трехфазную и однофазную сеть переменного тока. По конструкции – это электрическая машина, работающая на переменном токе.

Она состоит из двух основных узлов:

• Статор. Это неподвижная деталь с тремя обмотками. Магнитное поле на них сдвинуто на 120 0 . При поступлении на них нагрузки возникает вращающееся магнитное поле в общей схеме прибора.
• Ротора. Это подвижная деталь, расположенная внутри статора. В зависимости от схемы и типа устройства могут быть с замедленным вращением ротора по отношению к магнитному полю статора. Эти приборы называют асинхронными. Выпускаются двигатели с одинаковой скоростью вращения – это оборудование называют синхронным.

Наибольшее распространение получили асинхронные электродвигатели трехфазного тока.

Особенности трехфазных двигателей

При преобразовании электрической энергии во вращение или в поступательное движение более 70% случаев применяются асинхронное оборудование, для всех типов электрических сетей, не зависимо от количества фаз.

Это связанно с некоторыми преимуществами такого электрооборудования. В основном это высокий уровень КПД при простой конструкции. Такие достоинства позволяют достигать минимальных затрат при обслуживании и эксплуатации. Данный вид может устанавливаться в однофазную сеть. При этом на одну обмотку поступает нагрузка в цепь с емкостью или индуктивностью. При этом происходит сдвиг фазы на 90 0 вперед или назад. Но при включении в однофазную сеть происходит небольшая потеря мощности.

Двухфазный агрегат

В этом случае особенность мотора – это 2 обмотки, сдвиг фазы составляет 90 0 . При подаче нагрузки происходит образование вращающегося магнитного поля. Для изготовления ротора применяется система короткозамкнутого типа. Как правило численность стержней не влияет на число парных полюсов. Если двигатель изготавливается с 2 парами полюсов, ротор может изготавливаться с 14 стержнями.

Нынешняя промышленность выпускает двухфазное оборудование с полым ротором. Такая конструкция позволяет применять их в системах автоматического регулирования мостов и другой техники.

Многофазные двигатели

Многофазные двигатели не получили широкого распространения. Возможность применения данного типа оборудования актуальна при необходимости получения более высокой синхронной скорости вращения вала при начале работы двигателя. Но такой тип потребует усложнения системы управления работой. При этом возрастает возможность динамических и статических ошибок при пуске.

В заключение несколько основных моментов. Электродвигатели – это незаменимое оборудование, предназначенное для работы бытовых приборов и промышленных станков. Наиболее распространен асинхронный тип агрегатов для трехфазной сети. Но это оборудование при необходимости может устанавливаться в однофазную сеть с небольшой потерей мощности.