С незапамятных времен человек стремился облегчить свое существование, используя различные приспособления и двигатели. С открытием электричества особое место в его помыслах занимают электродвигатели, а развитие современных технологий заставляет, казалось бы, обыденные вещи и явления рассматривать под иным углом. Нередко желание удовлетворить интерес в какой-либо области заставляет нас двигаться от простого к сложному с прояснением непонятных деталей.
Электродвигатели, как незаменимые помощники, постоянно сопровождают нас на протяжении всей жизни. Поэтому среди домашних мастеров, например, проблема подключения трехфазного двигателя к однофазной сети занимает далеко не последнее место.
Основная причина состоит в том, что асинхронный трехфазный мотор отличается низкой себестоимостью, простой в изготовлении и эксплуатации, обладает высоким КПД и в силу этих причин получил массовое распространение.
В быту такими электродвигателями оснащаются различные устройства и механизмы (вентилятор, насос, циркулярная пила и прочее), но сфера их использования ограничивается наличием электросети с одной фазой и ее возможности не позволяют их использовать на полную мощность.
В этом направлении создано немало схем подключения трехфазных электромоторов, и их множество различается по сложности реализации. Тогда понятие о составе и принципе функционирования асинхронного двигателя приведет к осмысленному решению задачи.
Особенности асинхронного электродвигателя
Применительно к используемому роду тока электродвигатели разделяются на две большие группы: электродвигатели постоянного и переменного тока. Среди устройств переменного тока разнятся синхронные и асинхронные двигатели. Наряду с рядом достоинств асинхронного двигателя, его основной недостаток заключается в сложности регулирования скорости вращения его вала традиционными методами.
Основными элементами любого электродвигателя является неподвижный статор и подвижный ротор. Момент вращения в электродвигателе создается при взаимодействии статорного магнитного поля с роторным, когда возникает разность частоты их вращения.
Синхронный мотор переменного тока, по сравнению с асинхронным, имеет иную конструкцию ротора. В первом варианте ротором является постоянный магнит или электромагнит. В асинхронном двигателе может быть фазный ротор или короткозамкнутый из металлических стержней, соединенных с обеих сторон и называемых «беличьей клеткой».
Статор трехфазного электродвигателя содержит мощные рабочие обмотки, и их концы выводятся на общую клеммную колодку. При протекании по ним переменного тока создается движущееся по кругу магнитное поле, поэтому скорость вращения определяется частотой тока и числом создаваемых полюсов.
Между токами, протекающими по обмоткам, создается сдвиг между фазами, который определяется месторасположением обмоток на статоре. Для трехфазных электромоторов эта величина представляется 120 градусами.
В без коллекторном асинхронном двигателе под действием статорного магнитного поля протекающий ток в короткозамкнутой обмотке ротора превращает его в электромагнит с присущими ему противоположными полюсами. Подключенная нагрузка обуславливает протекание больших токов по обмоткам, и вся конструкция нагревается, поэтому для охлаждения асинхронного двигателя на валу ротора устанавливается вентилятор.
Главная особенность асинхронного электромотора в том, что под нагрузкой наблюдается «отставание» вращения ротора от движения магнитного поля статора. Иными словами неодновременный процесс отличается асинхронностью, а возникающее явление названо скольжением. В этом случае скорость вращения статорного магнитного поля в действительности всегда выше, чем у ротора.
В роторе мощных синхронных двигателей изменяемое электромагнитное поле создается за счет размещенных на нем обмоток, подключенных к коллектору. В момент пуска и разгона мотора кратковременно создается асинхронный режим, когда обмотки ротора нередко через реостат или накоротко замыкаются. При приближении скорости вращения к номинальной величине к проводникам ротора прикладывается постоянное напряжение, поэтому нередко моторы такого типа включают обмотку возбуждения.
Разность потенциалов на обмотки ротора подается посредством щеток, и протекающий ток в проводах изменяется одновременно с переменой полюсов магнитного поля, то есть синхронно. По этой причине скорость вращения вала синхронного электродвигателя практически не зависит от нагрузки, и он всегда вращается в одну сторону. В то же время, нагрузка должна быть согласована, чтобы мотор мог ее выдержать. В противном случае, неизбежны поломки синхронного электродвигателя.
По внешнему виду без разборки синхронный мотор переменного тока трудно отличить от асинхронного двигателя, который обычно имеет ребристый корпус и наличие вентилятора. Однако указанная на шильдике скорость вращения мотора однозначно характеризует его тип.
Синхронному устройству присуще обозначение скорости вращения в круглых значениях, например, для частоты 50 Гц 3000 об/мин или 1500 об/мин. Для асинхронного двигателя указанные значения отклоняются в меньшую сторону. Так, для таких моторов, к примеру, мощностью 750 Вт характерны значения 2730 или 1325 оборотов в минуту, то есть с величиной скольжения 0,053.
Проектирование и создание электродвигателей осуществляется с учетом работы их в трехфазной сети, так как в таком режиме они работают с минимальными потерями электроэнергии и имеют высокий КПД. Как правило, в заводском исполнении их обмотки соединены в виде треугольника или звезды. Иногда при подключении звездой нейтральный провод присоединяется к нулевой точке, что делать не нужно.
Когда применяется подключение трехфазного двигателя к однофазной сети, то он работает с отдачей неполной мощности. Ее потери в большинстве вариантов могут превышать 50%, что с чем необходимо считаться.
Создание режима работы трехфазного асинхронного двигателя при имеющейся единственной фазе добиваются многими способами. Поэтому неизбежно возникает вопрос, на каком же выборе схемы подключения остановиться? Для решения этой задачи рассмотрено несколько подходов, на основании которых предоставляется возможность выбрать приемлемое решение.
Кстати, самый простой запуск трехфазного электродвигателя, подключенного к однофазной сети с напряжением 220 вольт, осуществляется с помощью шнура. При этом шнур обматывается вокруг вала мотора, после чего, следует резкий рывок за свободный его конец. При таком способе большие потери мощности, он малоэффективный и им пользуются редко, но и он может пригодиться.
Фазосдигающий конденсатор для трехфазного двигателя
В домашних условиях электродвигатели по большей части применяются в подсобном хозяйстве. Когда к частному дому подключение электричества выполнено тремя фазами, то проблем обычно не возникает. Однако далеко не у всех домовладельцев имеется трехфазная электросеть, а острая необходимость вынуждает использовать электромоторы для удовлетворения возникающих потребностей.
Наиболее популярным и доступным подключением асинхронного трехфазного устройства к однофазной электрической сети является способ с применением фазосдвигающего конденсатора. Когда обмотки мотора спроектированы на оптимальное напряжение 127 В, то в существующей электросети применяется расположение их по схеме «звезда».
Для номинального разности потенциалов 220 В аналогичный способ используется редко, так как приводит к дополнительной потери мощности до 30%. Тогда используется соединение обмоток электромотора по схеме «треугольник».
В процессе включения и работы устройства может использоваться в схеме, как рабочий, так и пусковой конденсатор. В практическом плане рабочий конденсатор подбирается в среднем из расчета 7 мкФ на 100 Вт мощности устройства, а пусковая емкость, как правило, превышает вычисленную величину в 2-3 раза.
Под пусковой емкостью подразумевается суммарное значение емкости рабочего и пускового конденсатора. Надобность в нем нередко отпадает, если мотор запускается без нагрузки, но, когда он нагружен, то не в состоянии запуститься или обороты им набираются с замедлением.
Оптимальное значение конденсаторов определяется экспериментальным путем в избранном режиме работы электродвигателя. Если величина рабочей емкости больше требуемой, то мотор начинает перегреваться, а при слишком малом значении наблюдается пониженная им отдача мощности.
Когда же электродвигатель работает не под нагрузкой, то в обмотке с подключенной емкостью присутствует ток на 20-30% больше оптимального. Мотор работает в недогруженном режиме, и, следовательно, величину емкости рабочего конденсатора надо уменьшить.
В маломощных устройствах рабочая емкость нередко отсутствует, а используется лишь конденсатор в начале работы. Мотору требуется пусковая емкость для облегчения ускоренного запуска, но когда он набирает порядка 70% оборотов, то конденсатор пуска через 2-3 с отключается и разряжается.
Подобную операцию сподручнее делать с помощью специального переключателя, когда при утопленной клавише «Пуск» первая пара контактных соединений замыкается, а при ее освобождении размыкается, но в замкнутом состоянии остается другая пара соединителей, и они разрываются при нажатии клавиши «Стоп».
Конденсаторы выбираются из числа металлобумажных или пленочных типа: МБГО, МБГП, КГБ, МБГ4, БГТ, СВВ-60, К75-12, К78-17. Для улучшенного запуска электрического мотора на исполнение роли емкости пуска подыскивается специализированный конденсатор, а полярные конденсаторы обычно не используются.
Применяемые конденсаторы должны выдерживать предельное рабочее напряжение как минимум в 1,5 раза выше реального его значения, присутствующего в однофазной электросети. Так, в сетях с разностью потенциалов 220 В считается величина такого напряжения не ниже 350 В.
Конденсаторы большой емкости сподручнее применять в виде пусковых, а рабочий конденсатор практично набирать из более мелких путем их параллельного соединения. Тогда легче осуществлять маневрирование при подборе оптимальной емкости.
Известно более эффективное подключение трехфазного двигателя к однофазной сети с высоким КПД, когда в одной из обмоток используется фазосдвигающий конденсатор, сдвигающий фазу вперед, а во второй дроссель с индуктивным сопротивлением, сдвигающий ее в другом направлении. В третью обмотку включается резистор.
В этом варианте, конечно, увеличивается мощность асинхронного двигателя, но усложняется конструкция преобразователя и он потребляет столько же электроэнергии, что и мотор. Отсюда очевидно, что такое преобразование экономически не выгодно.
Использование фазосдвигающего конденсатора наиболее простой метод подключения трехфазного электромотора. Не меньшей популярностью пользуются без конденсаторные схемы на основе электронных ключей, использующих тиристоры и симисторы, но они отличаются сложностью реализации.
Преобразование однофазного напряжения в трехфазное
По самой сути электродвигатель является обратимым механизмом. С одной стороны, он преобразует электроэнергию в механическую энергию, а, с другой стороны, способен совершать обратные действия, выполняя функции генератора.
Неоднократно было подмечено, что после случайного исчезновения напряжения на одной из обмоток асинхронного двигателя вращение его вала не останавливается, а между выводами отключенной обмотки возникает ЭДС. Наличие этого факта натолкнуло на задействование трехфазного электродвигателя с целью преобразования однофазного напряжения в трехфазное.
Не вдаваясь в тонкости имеющегося явления, следует подчеркнуть, что трехфазный асинхронный двигатель, включенный в однофазную сеть, когда вращается в режиме холостого хода, является своего рода трансформатором.
Однако, тем не менее, возникающей разности потенциалов на его обмотках, вполне достаточно для питания других потребителей электроэнергии и, в частности, трехфазных электродвигателей. Если же придать мотору вращение от других источников энергии, например, от бензиновых или дизельных двигателей, то конструкцию успешно превращается в резервный источник питания.
Мощность асинхронного двигателя, функционирующего в этом режиме должна составлять по величине не менее 80% суммарной мощности предполагаемых потребителей. К однофазной электрической сети он подключается вначале без нагрузки, и для запуска можно обойтись небольшой емкостью фазосдвигающего конденсатора.
Так, для электрического мотора мощностью 3-4 кВт достаточно примерно 40-60 мкФ. В режиме использования обмоток по схеме «звезда» с выхода снимается 380 В, а вариант «треугольника» позволяет снимать 220 В, но нужно не упускать из внимания, что разность потенциалов 380 В более опасно для жизни человека.
Запуск мотора осуществляется без нагрузки после нажатия кнопки. Когда ротор достигнет оптимальных оборотов, кнопка отпускается и подключается нагрузка. Такой преобразователь мощностью 4 кВт на холостом ходу потребляет порядка 200 Вт электроэнергии.
Частота, вырабатываемого трехфазного тока по такой схеме, несколько отличается от 50 Гц, а слабым ее местом является некоторый перекос фаз, то есть на одной из обмоток присутствует повышенное напряжение. Вследствие этого незначительно уменьшается КПД преобразователя, а также электродвигателей, подключенных к нему.
В принципе, большинство потребителей нечувствительны к такому отклонению величины напряжения и работают стабильно. Однако для повышения эффективности преобразователя в обмотку с повышенным напряжением можно дополнительно включить автотрансформатор, который позволит в то же время регулировать потребляемую мощность. С этой целью подойдет ЛАТР или специально изготовленный трансформатор на основе торроидального магнитопровода от сгоревшего мощного электродвигателя.
Так, например, самодельный автотрансформатор на магнитопроводе от электродвигателя 5 кВт может содержать 300 витков эмалированного провода сечением до 4 мм2 с отводами от каждых 30 витков. Если используется магнитопровод других размеров, то число витков уточняется по формуле:
W=220·45/S,
где S = a x b – площадь магнитопровода, в см2.
Итак, преобразование однофазного напряжения в трехфазное с помощью электродвигателя сопряжено с основными требованиями:
- электродвигатель-преобразователь с малым числом оборотов в минуту (от 1000 и ниже), по сравнению с высокоскоростным, легче запускается и создает более «мягкую нагрузку на электросеть;
- мощность используемого мотора должна превышать суммарную мощность подключенных потребителей;
- величина потребляемого электродвигателем тока в рабочем режиме должна соответствовать паспортным данным;
- на число оборотов вала двигателя-генератора напряжение однофазной электросети практически не оказывает влияния;
- вырабатываемые значения напряжений пропорциональны аналогичной разности потенциалов питающей сети, но немного меньше;
- первым обязательно включается электродвигатель–преобразователь, а затем уже нагрузка, но выключение осуществляется в обратном порядке.
Частотный преобразователь для трехфазного двигателя
Скорость вращения трехфазного электродвигателя переменного тока, как известно, зависит от числа создаваемых полюсов и от того насколько быстро движется в нем магнитное поле. В существующей трехфазной сети число полюсов ограничено, а частота вращения магнитного поля жестко связана с аналогичным параметром сети. Поэтому регулировка скорости вращения трехфазного электродвигателя, а, следовательно, и отдаваемая им мощность ограничена узким диапазоном.
Частотный метод регулирования скорости асинхронного двигателя основан на принципе изменения частоты f напряжения питания по известной со школьной скамьи формуле изменять скорость движения магнитного поля статора при постоянном числе пар полюсов р:
Теория управления электроприводами при помощи частоты известна с 30-х годов прошлого столетия с использованием тиристоров, но практическую реализацию она получила совсем недавно. Разработка устройств на ее основе сдерживалась развитием элементной базы.
С созданием биполярных GBT-транзисторов с изолированным затвором и силовых схем на их базе, появились широкие возможности использования инверторов. Разработка микропроцессорных систем с высокой производительностью позволило создавать современные частотные преобразователи с приемлемой стоимостью.
Основная задача частотных преобразователей заключается в широком диапазоне регулировки скорости вращения асинхронных трехфазных двигателей, то есть с их выходов снимается переменное трехфазное напряжение с регулируемой частотой. Суть работы любого инвертора состоит в преобразовании постоянного тока в переменный. Поэтому для него не важен источник происхождения постоянного напряжения: будь то трехфазная или однофазная сеть.
Поэтому частотный преобразователь, в принципе, осуществляет трансформацию однофазного напряжения в трехфазное без существенных потерь. По своим характеристикам он выгодно отличаются от других аналогичных способов преобразования для трехфазного двигателя, что оказалось основной причиной применения их в быту.
Принцип действия частотного преобразователя
Стабильная работа электродвигателя зависит от формы подаваемого на него напряжения, каковой является синусоида. Преобразователь частоты формирует синусоиду из дискретного, то есть цифрового сигнала.
В соответствии с теоремой Котельникова дискретные отсчеты разные по амплитуде или скважности любого аналогового сигнала, пропущенные через фильтр низкой частоты (ФНЧ), восстанавливают исходную его форму. Это явление относится к основополагающему принципу работы частотного преобразователя, где роль ФНЧ нередко исполняют обмотки электродвигателя.
Современный частотный преобразователь включает несколько основных электронных каскадов:
- однофазное или трехфазное выпрямительное устройство;
- сетевой фильтр;
- каскад инверторов;
- схему управления с встроенной или независимой панелью;
- импульсный источник электропитания;
- систему охлаждения.
При включении пульсации выпрямленного напряжения электросети сглаживаются фильтром, где также частично компенсируется реактивная составляющая. В блоке силовых ключей на IGBT-транзисторах методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ) в каждом из трех каналов (по количеству фаз) формируется соответствующее двух уровневое ШИМ-регулируемое напряжение. Управление выходными транзисторами в каскаде инвертирования осуществляется от драйверов ШИМ посредством оптической развязки.
За управление и настройку частотного преобразователя отвечает микроконтроллер по алгоритму заложенному в программное обеспечение. В измерении параметров устройства участвуют датчики тока Холла. Выходного напряжения приближается к синусоидальной форме с повышением частоты работы ШИМ. Наиболее часто в этом каскаде используются значения частот 4кГц, 8 кГц, 16 кГц, которые могут меняться при подготовке к функционированию.
Однако, чем выше частота переключения инвертора, тем более сложное устройство выходного фильтра, компенсирующего импульсные помехи, что отражается на производительности системы.
Окончательный результат работы частотного преобразователя представляется в виде трехфазного напряжения близком к синусоидальной форме. Частота этого напряжения может регулироваться от 1 до 800 Гц.
Выбор частотного преобразователя
Определяющим критерием выбора частотного преобразователя является его стоимость. Сейчас доступно множество моделей таких устройств и чем больше в них заложено функций, тем они дороже. Однако в быту обычно применяются асинхронные двигатели мощностью не выше 3 кВт, поэтому возможности мощного и «накрученного» частотного преобразователя далеко не всегда востребованы. Тогда достаточно обойтись простой моделью, которая выполняет основное назначение в конкретных условиях.
В то же время, следует выбирать модель устройства с некоторым запасом мощности, так как в критических условиях у него сработает защита по температуре или, в худшем случае, выйдет из строя. Во всех частотных преобразователях используется общий принцип действия, а основное различие в схеме управления ими и используемой элементной базы. С встроенным микроконтроллером, конечно, изделие дороже.
В своем выборе лучше остановиться на простой схеме управления частотным преобразователем, но с повышенной его мощностью. Покупать устройство лучше у проверенных поставщиков и с обязательным условием гарантии. От предлагаемых изделий частными лицами по сравнительно низким ценам сомнительно ожидать высоких результатов от такого ответственного узла.
Наибольшей популярностью пользуется продукция от таких производителей, как Siemens, ABB или Danfoss, которая проста в наладке, но ее цены «кусаются». Торговую сеть в подавляющем большинстве заполонили азиатские компании. Имеются неплохие устройства и у отечественных производителей, но их качество зависит от многих, порой даже непредсказуемых факторов, например, зависящих от дня недели сборки изделия.
При выборе частотного преобразователя следует учитывать следующее.
- Согласование мощности с используемой нагрузкой.
- Какой основной источник питания: однофазная или трехфазная электросеть или постоянное напряжение.
- Какие типы электродвигателей поддерживаются: асинхронные, синхронные и др.
- Скалярный или векторный механизм управления двигателем, который предпочтительнее.
- Допустимых диапазон регулировок и питающих напряжений, когда устройство работает без сбоев.
- Возможности программного обеспечения, панели управления прибором и варианты ее использования: встроенная, выносная.
- Длительность гарантированного срока эксплуатации в соответствии с техническими характеристиками.
Как подключить частотный преобразователь
Устройство предназначено для прямого подключения к электросети с использованием дополнительного электрооборудования и силовых кабелей сечением, соответствующих требованиям ПУЭ. Когда источником частотного преобразователя мощностью до 3 кВт служит однофазная электросеть, к нему подключается трехфазный электродвигатель с обмотками, соединенными треугольником, чтобы не потерялась его мощность.
При питании от трехфазной электросети обмотки электродвигателя соединяются звездой. Если в моторах мощностью более 5 кВт предусмотрена возможность работы в обоих режимах, то с целью сокращения момента пуска вначале используется схема треугольника, а после достижении оптимальных оборотов следует переход к звезде.
При переключении на вторую схему обороты электродвигателя могут существенно снизиться. Тогда восстановление скорости вращения мотора осуществляется путем повышения силы тока, но такая система отличается сложностью и, как правило, в быту не используется.
Собранную систему к электросети рекомендуется подключать через соответствующий автоматический выключатель. Тогда в случае короткого замыкания она отключится полностью. В дополнение ко всему не повредит включение в цепь внешнего тормозного резистора. Для измерения величины напряжения на выходе можно использовать также вольтметр.
Отсюда очевидно, что частотный преобразователь для трехфазного двигателя, по сравнению с другими методами его пуска и работы отличается универсальностью, компактностью и наименьшими потерями мощности. Его преимущества заключаются в следующем:
- возможность создания почти синусоидальной формы трехфазного тока;
- создаются условия, исключающие потери мотором мощности;
- обеспечивается работа любой конструкции электродвигателей;
- простота конструкции устройства и небольшое потребление ею мощности.
Преобразователь однофазного напряжения в трехфазное своими руками
В домашней однофазной сети обычно используются электродвигатели, мощность которых колеблется в пределах 1 кВт. Поэтому нет резона отказываться от преобразователей однофазного напряжения в трехфазное, созданными своими руками.
Эта задача не представляет собой сложности, а в интернете размещено множество схем и инструкций по сборке аналогичных устройств. Однако для более мощных моторов все-таки лучше использовать промышленные образцы.
На выбор схемы преобразователя оказывают влияние не только его конечная стоимость, но и условия, в которых ему предстоит работать. Главное, чтобы устройство было надежное и успешно решало назревшие задачи в бытовых условиях. Особо тщательно следует выбрать переключающие транзисторы, рассчитанные на большое значение протекающего тока, например, типа IRG4BC30W или аналогичные.
С целью компактности в самодельных конструкциях, как и заводских, используются импульсные блоки питания, которые вырабатывают необходимые значения напряжений. Если схема ориентирована на использование микроконтроллера, то потребуется программатор и жидкокристаллический индикатор. Приведенные ниже для примера схемы не отличаются оригинальностью, но заслуживают внимания по причине простоты и доступности электронных элементов.
Схема инвертора
Схема блока питания.
Вследствие большого объема материала порядок сборки и отладки не приводится, но аналогичные сведения и соответствующая схема размещены в журнале «Радио» 2001 г. №4.
Таким образом, схема подключения трехфазного двигателя к однофазной сети может быть создана на основе различных способов. В быту обычно возникает такая задача с подключением маломощных асинхронных трехфазных двигателей, которая наиболее эффективно решается применением частотного преобразователя. В домашнем хозяйстве находят применение простейшие схемы таких устройств, созданные своими руками.
P.S. Основным инструментом заработка в сети и не только является компьютер. Как придать ему надежность, сделав быстрым и бессмертным, а также ускорить его работу до 30 раз приводится в следующей рассылке: barabyn.ru/wp/computer.
