ТРЕХФАЗНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
В ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ

Первый способ подключения

Иногда в домашних условиях возникает необходимость подключения трехфазного электродвигателя переменного тока в однофазную сеть.

Возникла такая необходимость и у меня при подключении промышленной швейной машины. На швейной фабрике такие машины работают в цехе, имеющем трехфазную сеть, и проблем не возникает.

Первое, что пришлось сделать - это изменить схему подключения обмоток электродвигателя со "звезды" на "треугольник", соблюдая полярность соединения обмоток (начало - конец) (рис.1). Это переключение позволяет включать электродвигатель в однофазную сеть 220 В.

Мощность электродвигателя швейной машины по табличке - 0,4 кВт. Приобрести рабочие, а тем более пусковые металлобумажные конденсаторы типа МБГО, МБГП, МБГЧ емкостью соответственно 50 и 100 мкФ на рабочее напряжение 450...600 В оказалось задачей непосильной из-за их высокой стоимости на "блошином рынке". Использование вместо металлобумажных полярных (электролитических) конденсаторов и мощных выпрямительных диодов Д242, Д246. положительного результата не дало. Электродвигатель упорно не запускался, по-видимому, из-за конечного сопротивления диодов в прямом направлении.

Поэтому в голову пришла абсурдная с первого взгляда идея запуска электродвигателя с помощью кратковременного подключения обычного электролитического конденсатора в сеть переменного тока (рис.2). После запуска (разгона) электродвигателя электролитический конденсатор отключается, и электродвигатель работает в двухфазном режиме, теряя при этом до 50% своей мощности. Но если заранее предусмотреть запас по мощности, или заведомо известно, что такой запас существует (как в моем случае), то с этим недостатком можно смириться. Между прочим, и при работе электродвигателя с рабочим фазосдвигающим конденсатором электродвигатель также теряет до 50% своей мощности.

Рис 1.

Теперь о самом важном. Электролитический конденсатор, будучи включенным, непосредственно в сеть переменного тока, быстро разогревается, электролит вскипает, и происходит его взрыв - это знают многие. Как показал эксперимент, на это уходит около 10... 15 с. Известно, что сопротивление конденсатора в цепи переменного тока промышленной частоты определяется по формуле.

где С - емкость конденсатора в микрофарадах.

Величина тока в цепи с конденсатором

Но если электролитический конденсатор включить через небольшое сопротивление (в моем случае это комплексное сопротивление фазы обмотки электродвигателя Z = r + jx), и к тому же кратковременно, на время разгона электродвигателя (где-то 1...1,5 с), то электролитический конденсатор не повреждается, так как не успевает разогреться.

Кратковременность включения может обеспечить кнопка ПНВС-10УХЛ2,

Рис 2.

применяемая в домашних стиральных машинах. Кнопка имеет три контакта: два - с фиксацией (SB 1.1, SB1.3) и один - без фиксации (SB 1.2). Он и включает конденсатор, и при прекращении нажатия на кнопку возвращается в исходное отключенное положение.

Формулы для расчета пускового конденсатора неоднократно печатались, но тем не менее хочу повторить их для схемы соединения обмотки статора электродвигателя в "треугольник".

где U - напряжение сети; Iн - номинальный ток, потребляемый электродвигателем.

где Р - мощность электродвигателя, кВт; U - напряжение сети. В; n - коэффициент полезного действия электродвигателя (обычно 0,8...0,9); cosф - коэффициент мощности (обычно 0,85).

Электролитические конденсаторы должны быть на напряжение не менее 450 В. Желательно набирать емкость из нескольких конденсаторов (улучшается тепловой режим). Конденсаторы помещают в защитную коробку.

Четырехлетний опыт эксплуатации электродвигателя показал жизнеспособность указанной схемы его запуска. Данную схему повторили и некоторые мои знакомые, правда, эксперименты проводились с электродвигателями мощностью до 1 кВт. Для электродвигателей более 1 кВт на время пуска, как мне кажется, необходимо включение последовательно с конденсатором небольшого токоограничивающего резистора с соответствующей рассеиваемой мощностью.

Литература

1. Смирнов К.0. Работа трехфазного электродвигателя в однофазной сети. - Радиолюбитель, 1993, N6, С.27.

2. Кухаренко А. Трехфазный электродвигатель в однофазной сети. - Радиолюбитель, 1996, N2, С.28.

Второй способ подключения

Трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором обычно подключают к однофазной сети по схеме, показанной на рис. 1.

Расчет показывает, а практика подтверждает, что даже при оптимальном выборе емкости фазосдвигающего конденсатора С1 вращающий момент на валу включенного подобным образом двигателя не превышает 35% номинального. Это объясняется тем, что ток, протекающий по обмотке III двигателя, сдвинут по фазе относительно токов в об­мотках I и II таким образом, что в суммар­ном магнитном поле статора, кроме ком­поненты, вращающей ротор в нужном на­правлении, образуется еще одна, вращаю­щаяся в другую сторону. Она тормозит ро­тор, уменьшая момент на валу и бесполезно расходуя свою энергию на нагревание проводов и магнитопровода двигателя. Отключив обмотку III (рис. 2), удается увеличить вращающий момент до 41% номинального. Он возрастает еще больше, до 58%,если вновь подключить эту обмотку, изменив направление тока в ней (рис. 3).

Эффект достигается не только за счет смены направления вращения "вредной" компоненты магнитного поля. Проис­ходит взаимная компенсация создаваемых обмотками II и III составляющих полей, сов­падающих по направлению с полем обмот­ки I и потому не участвующих во вращении ротора. Экспериментально установлено, что применение двух фазосдвигающих кон­денсаторов облегчает и пуск двигателя.

Емкости конденсаторов С1 и С2 долж­ны быть одинаковы. Их рассчитывают по известной формуле С=2800*I_ф/U, где I_Ф — номинальный фазный ток электродвига­теля, A; U=220 В. Пригодны конденсаторы МБГО, МБГП, МБГТ, К42-4 на постоянное рабочее напряжение не менее 600 В или МБГЧ, К42-19 на переменное напряжение не менее 250 В. Правильность выбора конденсаторов можно проверить, изме­рив напряжения на каждой из трех обмо­ток двигателя под нагрузкой. Они должны быть приблизительно равны.

Равенство напряжений на обмотках II и III электродвигателя дает возможность соединить их встречно - параллельно, как показано на рис. 3 штриховой лини­ей. Конденсаторы С1 и С2 в этом случае заменяют одним удвоенной емкости.

ЛИТЕРАТУРА

Бирюков С. Три фазы — без потери мощности. — Радио, 2000, № 7, с. 37—39.
Карвовский Г., Окороков С. Справоч­ник по асинхронным двигателям и пускорегулирующей аппаратуре. — М.: Энергия, 1969.
Бессонов Л. Теоретические основы электротехники. — М.: Высшая школа, 1964.

Еще о подключении

В радиолюбительской практике очень часто возникает необходимость в использовании трехфазных электродвигателей для различных целей. Однако для их питания совсем не обязательно наличие трехфазной сети. Наиболее эффективный способ пуска электродвигателя - это подключение третьей обмотки через фазосдвигающий конденсатор.

Чтобы двигатель с конденсаторным пуском работал нормально, емкость конденсатора должна меняться в зависимости от числа оборотов. Поскольку это условие трудновыполнимо, на практике управляют двигателем двухступенчато. Включают двигатель с расчетной (пусковой) емкостью, оставляя рабочую. Пусковой конденсатор отключают вручную переключателем В2.
Рабочая емкость конденсатора (в микрофарадах) для трехфазного двигателя определяется по формуле Cp=28001/U,
если обмотки соединены по схеме "звезда" (рис.1),

или Ср=48001/U, если обмотки соединены по схеме "треугольник" (рис.2).

При известной мощности электродвигателя ток (в амперах) можно определить из выражения:
I=P/1,73 U?cos?,

Где:

Р — мощность двигателя, указанная в паспорте (на щитке) , Вт;
    U — напряжение сети, В; cos? — коэффициент мощности;
    ? —КПД.

Конденсатор пусковой Сп должен быть в 1,5—2 раза больше рабочего Ср.
Рабочее напряжение конденсаторов должно быть в 1,5 раза больше напряжения сети, а конденсатор — обязательно бумажным, например, типа МБГО, МБГП и др.
Для электродвигателя с конденсаторным пуском существует очень простая схема реверсирования. При переключении переключателя В1 двигатель меняет направление вращения. Эксплуатация двигателей с конденсаторным пуском имеет некоторые особенности. При работе электродвигателя вхолостую по обмотке, питаемой через конденсатор, протекает ток на 20-40% больше номинального. Поэтому при работе двигателя с. нагрузкой необходимо соответственно уменьшить рабочую емкость.
При перегрузке двигатель может остановиться, тогда для его запуска необходимо снова включить пусковой конденсатор.
Необходимо знать, что при таком включении мощность, развиваемая электродвигателем, составляет 50% от номинального значения.
В однофазную сеть могут быть включены любые трехфазные электродвигатели. Но одни из них в однофазной сети работают плохо, например, двигатели с двойной клеткой короткозамкнутого ротора серии МА, а другие при правильном выборе схемы включения и параметров конденсаторов — хорошо (асинхронные электродвигатели серий А, АО, АО2, Д, АОЛ, АПН, УАД).

И еще один способ.

В радиолюбительской литературе неоднократно поднимался вопрос о подключении трехфазного потребителя к однофазной сети.

Авторы статей указывают на недостатки описанных способов:

- потеря 50% мощности от номинальной;
- не все марки электродвигателей хорошо запускаются при питании от однофазной сети;
- необходимость применения двух емкостей (пусковой и рабочей);
- ступенчатая регулировка номинала емкости в разных режимах работы;
- необходимость изменения номинала емкости при изменении нагрузки на валу;
- на холостом ходу по обмотке электродвигателя протекает ток на 40% больше номинального;
- лишние "навороты" для автоматизации отключения пускового конденсатора и при замене бумажных конденсаторов электролитическими.

Предлагаю еще один вариант подключения трехфазных потребителей к однофазной сети.

Если посмотреть па график трехфазного напряжения, видно, что каждая кривая сдвинута относительно другой на 1/3 периода (рис.1).

рис.1

Частота сети равна 50 Гц, следовательно, период Т равен 20 мс. Отсюда следует, что 1/3 периода составляет 6,666... мс. Пусть Ua на рис.1 - однофазное синусоидальное напряжение 220 В, 50 Гц. Пропустив Ua через схему задержки на 6,666... мс, получим сдвинутое на 1/3 периода напряжение Uв, по амплитуде и частоте равное Ua. "Пропустив" через аналогичную схему задержки напряжение Uв, получим сдвинутое на 1/3 периода относительно напряжения Uв напряжение Uс.
Принципиальная схема такого устройства приведена на рис.2.

рис.2

Устройство состоит из блока питания и генератора импульсов положительной полярности на трансформаторе Т1. В блок питания входят обмотка II трансформатора Т1, выпрямительный мост VD1 ...VD4 и стабилизатор DA1. Генератор импульсов собран на обмотке III трансформатора Т1, резисторе R1 и выпрямителе на диодах VD5, VD6. Стабилитрон VD7 защищает входы элемента DD1.1 от случайного превышения напряжения более 12 В. На элементе DD1.1 собран формирователь прямоугольных импульсов. Можно применить и компаратор, подробно описанный в [6]. На выходе формирователя DD1.1 присутствуют импульсы прямоугольной формы частотой 50 Гц положительной полярности. Предположим, что это импульсы напряжения Uа (рис.1). Импульсы с выхода "А" элемента DD1.1 подаются на вход схемы задержки, собранной на элементах DD2.1, DD2.2. R2, С3. На выходе элемента DD2.2 появляются импульсы, задержанные на 1/3 периода относительно импульсов "А", т.е. импульсы "В". Импульсы "В" подаются на вход второй схемы задержки на элементах DD2.3, DD2.4, R3, С4, на выходе которой (элемент DD2.4) присутствуют импульсы, соответствующие напряжению Uс на рис.1, сдвинутые на 1/3 периода относительно "Uв". Импульсы "А", "В", "С", сдвинутые друг относительно друга на 6,666... мс, поступают на ключевые каскады VT1, VS 1; VT2, VS2 и VT3, VS3 соответственно. С выходов ключей  (симисторов VS1...VS3) импульсное напряжение частотой 50 Гц подается на обмотки трансформаторов Т2...Т4. С выходных обмоток трансформаторов получаем синусоидальные напряжения, сдвинутые на 1/3 периода или на 120° одно относительно другого, т.е. трехфазное напряжение.
Детали и регулировка схемы. Формирователь прямоугольных импульсов можно выполнить по любой из известных схем. Вместо диодов VD1...VD4 можно применить мост КЦ405. Симисторы VS1...VS3 заменяются тиристорами КУ202, т.к. на их входы подается постоянное напряжение. Постоянная времени т RC-цепей R2, С3 и R3, С4 рассчитана по формуле T=1,4RC. Приняв емкость конденсаторов СЗ, С4 равной 0,01 мкФ, находим сопротивление резисторов R2, R3, которое составляет 476,186 к. При этом постоянная времени т составляет 6,666604 мс, что практически равно сдвигу на 1/3 периода. Для более точной подгонки т RC-цепей резисторы R2, R3 состоят из последовательно соединенных постоянного и подстроечного резисторов общим номиналом около 510 к. Подстроеч-ным резистором подгоняют т RC-цепей, контролируя сдвиг фаз на выходах трансформаторов Т2...Т4 фазометром, так чтобы сдвиг фаз оказался как можно ближе к 120°.
При трансформации трехфазного тока используются либо три однофазных, либо специальные трехфазные трансформаторы с сердечником в форме трех закороченных стержней. Схема соединения отдельных трансформаторов (рис.3) соответствует схеме включения "звезда/звезда". Такое соединение показано на рис.3 [7].

рис.3

Трансформатор Т 1 (рис.2)-заводской. Напряжения обмоток: II - до 30 В (Umax.вх DA1); III-12 В. Т2...Т4 - повышающие. На вход "+U2" подается штатное напряжение, на которое рассчитаны обмотки Т2...Т4, т.е. 12 В при Uii=12 В, 24 В при Uii=24 В и т.д. Трансформаторы Т2...Т4 - готовые на соответствующие токи и напряжения или самодельные.

Литература
1. Трехфазный электродвигатель в однофазной сети. - Радиолюбитель, 1992,N12,C.20.
2. Смирнов К. О работе трехфазного электродвигателя в однофазной сети. - Радиолюбитель, 1993, N6, С.27.
3. Кухаренко А. Трехфазный двигатель в однофазной сети. - Радиолюбитель, 1996, N2, С.28; 1996, N3, С.27.
4. Новик А. Полярный конденсатор в цепи переменного тока. Радиолюбитель, 1996.N9.C.17.
5. Еговкин В. Выбор диодов для пусковых оксидных конденсаторов. - Радиолюбитель, 1997, N7, С.12.
6. Ильин А.Г. Стабилизатор переменного напряжения. - Радиолюбитель, 1997,N8,C.25. 7. Воробьев А.В. Электротехника и электрооборудование строительных процессов. - М.: Изд-во "АСВ", 1995. 8. Гинкин Г.Г. Справочник по радиотехнике. - ГЭИ, 1948.

© Silver Hawk г.Канск