Асинхронные электродвигатели широко применяются в промышленности благодаря относительной простоте конструкции, хорошим рабочим характеристикам, удобству управления.
Подобные устройства часто попадают в руки домашнего мастера и он, пользуясь знанием основ электротехники, подключает такой электродвигатель для работы от однофазной сети 220 вольт. Чаще всего его используют для наждака, обработки древесины, измельчения зерен и выполнения других простых работ.
Даже на отдельных промышленных станках и механизмах с приводами встречаются образцы различных двигателей, способных работать от одной или трех фаз.
Чаще всего у них используется конденсаторный запуск, как наиболее простой и приемлемый, хотя это не единственный способ, известный большинству грамотных электриков.
Принцип работы трехфазного двигателя
Промышленные асинхронные электрические устройства систем 0,4 кВ выпускаются с тремя обмотками статора. К ним прикладываются напряжения, сдвинутые по углу на 120 градусов и вызывающие токи аналогичной формы.
Для запуска электродвигателя токи направляют таким образом, чтобы они создали суммарное вращающееся электромагнитное поле, оптимально воздействующее на ротор.
Конструкция статора, используемая для этих целей, представлена:
1. корпусом;
2. магнитопроводом сердечника с уложенными в него тремя обмотками;
3. клеммными выводами.
В обычном исполнении изолированные провода обмоток собраны по схеме звезды за счет установки перемычек между винтами клемм. Кроме этого способа еще существует подключение, называемое треугольником.
В обоих случаях обмоткам назначено направление: начало и конец, связанное со способом монтажа — навивки при изготовлении.
Обмотки нумеруются арабскими цифрами 1, 2, 3. Их концы обозначаются К1, К2, К3, а начала — Н1, Н2, Н3. У отдельных типов двигателей подобный способ маркировки может быть изменен, например, С1, С2, С3 и С4, С5, С6 или другими символами либо вообще не применяться.
Правильно нанесенная маркировка упрощает подключение проводов питания. При создании на обмотках симметричной схемы расположения напряжений, обеспечивается создание номинальных токов, осуществляющих оптимальную работу электродвигателя. В этом случае их форма в обмотках полностью соответствует подводимому напряжению, повторяет его без каких-либо искажений.
Естественно, следует понимать, что это чисто теоретическое заявление, ибо на практике токи преодолевают различные сопротивления, незначительно отклоняются.
Наглядному восприятию происходящих процессов помогает изображение векторных величин на комплексной плоскости. Для трехфазного двигателя токи в обмотках, создаваемые приложенным симметричным напряжением, изображаются следующим образом.
При питании электродвигателя системой напряжений с тремя равномерно разнесенными по углу и одинаковыми по величине векторами в обмотках протекают такие же симметричные токи.
Каждый из них образует электромагнитное поле, сила индукции которого наводит в обмотке ротора собственное магнитное поле. В результате сложного взаимодействия трех полей статора с полем ротора создается вращательное движение последнего, обеспечивается создание максимальной механической мощности, вращающей ротор.
Принципы подключения однофазного напряжения к трехфазному двигателю
Для полноценного подключения к трем одинаковым статорным обмоткам, разнесенных по углу на 120 градусов, два вектора напряжения отсутствуют, имеется только один из них.
Можно подать его всего в одну обмотку и заставить ротор вращаться. Но, эффективно использовать такой двигатель не получится. Он будет обладать очень малой выходной мощностью на валу.
Поэтому возникает задача подключения этой фазы таким образом, чтобы она в разных обмотках создавала симметричную систему токов. Другими словами, нужен преобразователь напряжения однофазной сети в трехфазную. Подобная задача решается разными методами.
Если отбросить сложные схемы современных инверторных установок, то можно реализовать следующие распространенные способы:
1. использование конденсаторного запуска;
2. применение дросселей, индуктивных сопротивлений;
3. создание различных направлений токов в обмотках;
4. комбинированный способ с выравниванием сопротивлений фаз для образования одинаковых амплитуд у токов.
Кратко разберем эти принципы.
Отклонение тока при прохождении через емкость
Наиболее широко практикуется конденсаторный запуск, позволяющий отклонять ток в одной из обмоток за счет подключения емкостного сопротивления, когда создается опережение тока от вектора приложенного напряжения на 90 градусов.
В качестве конденсаторов обычно используются металлобумажные конструкции серий МБГО, МБГП, КБГ и подобные. Электролиты не приспособлены для пропускания переменного тока, быстро взрываются, а схемы, предусматривающие их использование, отличаются сложностью, низкой надежностью.
В этой схеме ток отличается по углу от номинальной величины. Он отклоняется всего на 90 градусов, не доходя на 30 о (120-90=30).
Отклонение тока при прохождении через индуктивность
Ситуация аналогична предыдущей. Только здесь ток отстает от напряжения на те же 90 градусов, а тридцати недобирает. Кроме того, конструкция дросселя не такая простая, как у конденсатора. Его надо рассчитать, собрать, настроить под индивидуальные условия. Этот способ не получил широкого распространения.
При использовании конденсаторов или дросселей токи в обмотках электродвигателя не доходят до требуемого угла на тридцатиградусный сектор, показанный красным цветом на картинке, что уже создает повышенные потери энергии. Но, с ними приходится мириться.
Они мешают созданию равномерного распределения сил индукции, создают тормозящий эффект. Точно оценить его влияние сложно, но при простом подходе деления углов получается (30/120=1/4) потеря 25%. Однако, можно ли так считать?
Отклонение тока подачей напряжения обратной полярности
В схеме звезды принято фазный провод напряжения подключать на вход обмотки, а нулевой — на ее конец.
Если в две разнесенные на 120 о фазы подать одно и то же напряжение, но разделить их, а во второй изменить полярность, то токи сдвинутся по углу относительно друг друга. Они станут формировать электромагнитные поля разного направления, влияющего на вырабатываемую мощность.
Только при этом способе по углу получается отклонение токов на небольшое значение — 30 о.
Этим методом пользуются в отдельных случаях.
Способы комплексного применения конденсаторов, индуктивностей, изменения полярности обмоток
Первые три перечисленных метода не позволяют поодиночке создавать оптимально симметричное отклонение токов в обмотках. Всегда возникает их перекос по углу относительно стационарной схемы, предусмотренной для трехфазного полноценного питания. За счет этого происходит образование противодействующих моментов, тормозящих раскрутку, снижающих КПД.
Поэтому исследователи провели многочисленные эксперименты, основанные на разных сочетаниях этих способов с целью создания преобразователя, обеспечивающего наибольшую эффективность работы трехфазного двигателя. Эти схемы с подробным разбором электротехнических процессов приводятся в специальной учебной литературе. Их изучение повышает уровень теоретических знаний, но в своем большинстве они редко применяются на практике.
Хорошая картина распределения токов создается в схеме, когда:
1. на одну обмотку подается фаза прямого включения;
2. на вторую и третью обмотки напряжение подключают через конденсатор и дроссель, соответственно;
3. внутри схемы преобразователя осуществляется выравнивание амплитуд токов за счет подбора реактивных сопротивлений с компенсацией дисбаланса активными резисторами.
Хочется обратись внимание на третий пункт, которому многие электрики не придают значения. Просто посмотрите на следующую картинку и сделайте вывод о возможности равномерного вращения ротора при симметричном приложении к нему сил одинаковых и разных по величине.
Комплексный метод позволяет создать довольно сложную схему. Она очень редко применяется на практике. Один из вариантов ее реализации для электродвигателя мощностью в 1кВт показан ниже.
Для изготовления преобразователя необходимо создать непростой дроссель. Это требует затрат времени и материальных средств.
Также трудности возникнут при поиске резистора R1, который будет работать с токами, превышающими 3 ампера. Он должен:
обладать мощностью, превышающей 700 ватт;
хорошо охлаждаться;
надежно изолироваться от токоведущих частей.
Существует еще несколько технических сложностей, которые придется преодолеть для создания такого преобразователя трехфазного напряжения. Однако, он довольно универсален, позволяет подключать двигатели с мощностью до 2,5 киловатт, обеспечивает их устойчивую работу.
Итак, технический вопрос подключения трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть решен посредством создания сложной схемы преобразователя. Но, он не нашел практического применения по одной простой причине, от которой невозможно избавиться — завышенное потребление электроэнергии самим преобразователем.
Мощность, затрачиваемая на создание схемы трехфазных напряжений подобной конструкцией, превышает минимум в полтора раза потребности самого электродвигателя. При этом суммарные нагрузки, создаваемые на подводящую питание электропроводку, сравнимы с работой старых сварочных аппаратов.
Электрический счетчик, к радости продавцов электроэнергии, очень быстро начинает перечислять деньги из кошелька домашнего мастера на счет энергоснабжающей организации, а это хозяевам совсем не нравится. В итоге сложное техническое решение создания хорошего преобразователя напряжения оказалось ненужным для практического применения в домашнем хозяйстве, да и на промышленных предприятиях тоже.
4 заключительных вывода
1. Технически использовать однофазное подключение трехфазного двигателя можно. Для этого создано много разнообразных схем с различной элементной базой.
2. Практически применять этот способ для длительной работы приводов в промышленных станках и механизмах нецелесообразно из-за больших потерь энергии потребления, создаваемых посторонними процессами, ведущими к низкому КПД системы, повышению материальных затрат.
3. В домашних условиях схему можно использовать для выполнения кратковременных работ на неответственных механизмах. Длительно работать подобные устройства могут, но при этом оплата электроэнергии значительно возрастает, а мощность работающего привода не обеспечивается.
4. Для эффективной эксплуатации асинхронного двигателя лучше использовать полноценную трехфазную сеть питания. Если такой возможности нет, то лучше отказаться от этой затеи и приобрести соответствующей мощности.
Как известно, для запуска трехфазного электродвигателя (ЭД) с короткозамкнутым ротором от однофазной сети наиболее часто в качестве фазосдвигающего элемента применяют конденсатор. При этом емкость пускового конденсатора должна быть в несколько раз больше емкости рабочей конденсатора. Для ЭД чаще всего применяемых в домашнем хозяйства (0,5...3 кВт), стоимость пусковых конденсаторов соизмерима со стоимость к электродвигателя. Поэтому желательно избежать применения дорогостоящих пусковых конденсаторов, работающих лишь кратковременно. В тожe время применение рабочих, постоянно включенных фазосдвигающих конденсоторов можно считать целесообразным, так как они позволяют загрузить двигатель на75...85% его мощности при 3-фазном включении (безконденсаторов его мощность снижается примерно на 50%).
Вращающий момент, вполне достаточный для запуска указанных ЭД от однофазной сети 220 В/50 Гц, можно получить за счет сдвига токов по фазе в фазных обмотках ЭД, применив для этого двунаправленные электронные ключи, включение которых осуществляется в определенное время.
Исходя из этого, для пуска 3-фазных ЭД от однофазной сети автором были разработаны и отлажены две простые схемы. Обе схемы опробованы на ЭД мощностью 0,5...2,2 кВт и показали очень хорошие результаты (время пуска не намного больше, чем в трехфазном режиме). В схемах применяются симисторы, управляемые импульсами разной полярности, и симметричный динистор, который формирует управляющие сигналы в течение каждого полупериода питающего напряжения.
Первая схема (рис.1) предназначена для пуска ЭД с номинальной частотой вращения, равной или меньше 1500 об/мин, обмотки которых соединены в треугольник. За основу этой схемы была взята схема , которая упрощена до предела. В этой схеме электронный ключ (симистор VS1) обеспечивает сдвиг тока в обмотке «С» на некоторый угол (50...70°), что обеспечивает достаточный вращающий момент.
Фазосдвигающим устройством является RC-цепочка. Изменяя сопротивление R2, получают на конденсаторе С напряжение, сдвинутое относительно питающего напряжения на некоторый угол. В качестве ключевого элемента в схеме применен симметричный динистор VS2. В момент, когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения переключения динистора, он подключит заряженный конденсатор к управляющему выводу симистора VS1 i включит этот двунаправленный силовой ключ.
Вторая схема (рис.2) предназначена для пускс ЭД с номинальной частотой вращения равной 3000 об/мин, а также для электродвигателей, работающих на механизмы с большим моментом сопротивле ния при пуске. В этих случаях требуется значительно больший пусковой момент. Поэтому была применена схема соединения обмоток ЭД «разомкнутая звезда (, рис. 14,в), которая обеспечивает максимальный пусковой момент. В указанной схеме фазосдвигающие конденсаторы заменены двумя электронными ключами Один ключ включен последовательно с обмоткой фазы «А» и создает в ней «индуктивный» (отстающий)
сдвиг тока, второй - включен параллельно обмотке фазы «В» и создает в ней «емкостной» (опережающий) сдвиг тока. Здесь учитывается то, что сами обмотки ЭД смещены в пространстве на 120 электрических градусов одна относительно другой.
Наладка заключается в подборе оптимального угла сдвига токов в фазных обмотках, при котором происходит надежный запуск ЭД. Это можно сделать без применения специальных приборов. Выполняется она следующим образом.
Подача напряжения на ЭД осуществляется пускателем нажимного «ручного» типа ПНВС-10, через средний полюс которого подключается фазосдвигающая цепочка. Контакты среднего полюса замкнуты только при нажатой кнопке «Пуск».
Нажав кнопку «Пуск», путем вращения движка подстроечного сопротивления R2 подбирают необходимый пусковой момент. Так поступают при наладке схемы, показанной на рис.2.
При наладке схемы рис.1 из-за прохождения больших пусковых токов некоторое время (до разворота) ЭД сильно гудит и вибрирует. В этом случае лучше изменять величину R2 ступенями при снятом напряжении, а затем, путем кратковременной подачи напряжения, проверять, как происходит запуск ЭД. Если при этом угол сдвига напряжения далек от оптимального, то ЭД гудит и вибрирует очень сильно. По мере приближения к оптимальному углу двигатель «пытается» вращаться в ту или другую сторону, а при оптимальном запускается достаточно хорошо.
Автор производил отладку схемы, показанной на рис.1, на ЭД 0,75 кВт 1500 об/мин и 2,2 кВт 1500 об/мин, а схемы, показанной на рис.2, на ЭД 2,2 кВт 3000 об/мин.
При этом опытным путем установлено, что подобрать значения R и С фазовращающей цепочки, соответствующие оптимальному углу, можно предварительно. Для этого нужно последовательно с ключом (симистором) соединить лампу накаливания 60 Вт и включить их в сеть ~220 В. Изменяя величину R, надо установить напряжение на лампе 1 70 В (для схемы рис.1 ) и 1 00 В (для схемы рис.2). Эти напряжения замерялись стрелочным прибором магнитоэлектрической системы, хотя форма напряжения на нагрузке не синусоидальная.
Необходимо отметить, что добиться оптимальных углов сдвига токов можно при различных сочетаниях значений R и С фазосдвигающей цепочки, т.е. изменив номинал емкости конденсатора, придется подобрать и соответствующее ему значение сопротивления.
Детали
Эксперименты проводились с симисторами ТС-2-10 и ТС-2-25 без радиаторов. В этой схеме они работали очень хорошо. Можно применить и другие симисторы с двухполярным управлением на соответствующие рабочие токи и класса напряжения не ниже 7. При использовании импортных симисторов в пластмассовом корпусе их следует установить на радиаторы.
Симметричный динистор DB3 можно заменить отечественным КР1125. У него немного меньше напряжение переключения. Возможно, это и лучше, но этот динистор очень сложно найти в продаже.
Конденсаторы С любые неполярные, рассчитанные на рабочее напряжение не менее 50 В (лучше - 100 В). Можно применить также два полярных конденсатора, включенных последовательно-встречно (в схеме рис.2 их номинал должен быть 3,3 мкФ каждый).
Внешний вид электропривода измельчителя травы с описанной схемой запуска и ЭД 2,2 кВт 3000 об/мин показан на фото 1.
В. В. Бурлоко, г. Мориуполь
Литература
1. // Сигнал. - 1999. - №4.
2. С.П. Фурсов Использование трехфазных
электродвигателей в быту. - Кишинев: Картя
молдовенскэ, 1976.
У магнитного пускателя есть силовые контакты предназначенные для коммутации цепей под нагрузкой и блок-контакты которые используются в цепях управления.
Контакты делятся на нормально-разомкнутые — контакты которые в своем нормальном положении, т.е. до подачи напряжения на катушку магнитного пускателя или до механического воздействия на них, находятся в разомкнутом состоянии и нормально-замкнутые — которые в своем нормальном положении находятся в замкнутом состоянии.
В новых магнитных пускателях имеется три силовых контакта и один нормально-разомкнутый блок-контакт. При необходимости наличия большего количества блок-контактов (например при сборке ), на магнитный пускатель сверху дополнительно устанавливается приставка с дополнительными блок-контактами (блок контактов) которая, как правило, имеет четыре дополнительных блок-контакта (к примеру два нармально-замкнутых и два нормально-разомкнутых).
Кнопки для управления электродвигателем входят в состав кнопочных постов, кнопочные посты могут быть однокнопочные, двухкнопочные, трехкнопочные и т.д.
Каждая кнопка кнопочного поста имеет по два контакта — один из них нормально-разомкнутый, а второй нормально-замкнутый, т.е. каждая из кнопок может использоваться как в качестве кнопки «Пуск» так и в качестве кнопки «Стоп».
Схема прямого включения электродвигателя
Данная схема является самой простой схемой подключения электродвигателя, в ней отсутствует цепь управления, а включение и отключение электродвигателя осуществляется автоматическим выключателем.
Главными достоинствами данной схемы является дешевизна и простота сборки, к недостаткам же данной схемы можно отнести то, что автоматические выключатели не предназначены для частого коммутирования цепей это, в сочетании с пусковыми токами, приводит к значительному сокращению срока службы автомата, кроме того в данной схеме отсутствует возможность устройства дополнительной защиты электродвигателя.
Схема подключения электродвигателя через магнитный пускатель
Эту схему так же часто называют схемой простого пуска электродвигателя , в ней, в отличии от предыдущей, кроме силовой цепи появляется так же цепь управления.
При нажатии кнопки SB-2 (кнопка «ПУСК») подается напряжение на катушку магнитного пускателя KM-1, при этом пускатель замыкает свои силовые контакты KM-1 запуская электродвигатель, а так же замыкает свой блок-контакт KM-1.1, при отпускании кнопки SB-2 ее контакт снова размыкается, однако катушка магнитного пускателя при этом не обесточивается, т.к. ее питание теперь будет осуществляться через блок-контак KM-1.1 (т.е. блок-контак KM-1.1 шунтирует кнопку SB-2). Нажатие на кнопку SB-1 (кнопка «СТОП») приводит к разрыву цепи управления, обесточиванию катушки магнитного пускателя, что приводит к размыканию контактов магнитного пускателя и как следствие, к остановке электродвигателя.
Реверсивная схема подключения электродвигателя (Как изменить направление вращения электродвигателя?)
Что бы поменять направление вращения трехфазного электродвигателя необходимо поменять местами любые две питающие его фазы:
При необходимости частой смены направления вращения электродвигателя применяется :
В данной схеме применяется два магнитных пускателя (KM-1, KM-2) и трехкнопочный пост, магнитные поскатели применяемые в данной схеме кроме нормально-разомкнутого блок-контакта должны так же иметь и нормально замкнутый контакт.
При нажатии кнопки SB-2 (кнопка «ПУСК 1») подается напряжение на катушку магнитного пускателя KM-1, при этом пускатель замыкает свои силовые контакты KM-1 запуская электродвигатель, а так же замыкает свой блок-контакт KM-1.1 который шунтирует кнопку SB-2 и размыкает свой блок-контакт KM-1.2 который защищает электродвигатель от включения в обратную сторону (при нажатии кнопки SB-3) до его предварительной остановки, т.к. попытка запуска электродвигателя в обратную сторону без предварительного отключения пускателя KM-1 приведет к короткому замыканию. Что бы запустить электродвигатель в обратную сторону необходимо нажать кнопу «СТОП» (SB-1), а затем кнопку «ПУСК 2» (SB-3) которая запитает катушку магнитного пускателя KM-2 и запустит электродвигатель в обратную сторону.
10Как 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
| P, Вт | IC1=IL1, A | C1, мкФ | L1, Гн |
|---|---|---|---|
| 100 | 0.26 | 3.8 | 2.66 |
| 200 | 0.53 | 7.6 | 1.33 |
| 300 | 0.79 | 11.4 | 0.89 |
| 400 | 1.05 | 15.2 | 0.67 |
| 500 | 1.32 | 19.0 | 0.53 |
| 600 | 1.58 | 22.9 | 0.44 |
| 700 | 1.84 | 26.7 | 0.38 |
| 800 | 2.11 | 30.5 | 0.33 |
| 900 | 2.37 | 34.3 | 0.30 |
| 1000 | 2.63 | 38.1 | 0.27 |
| 1100 | 2.89 | 41.9 | 0.24 |
| 1200 | 3.16 | 45.7 | 0.22 |
| 1300 | 3.42 | 49.5 | 0.20 |
| 1400 | 3.68 | 53.3 | 0.19 |
| 1500 | 3.95 | 57.1 | 0.18 |
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
| P, Вт | IC1, A | IL1, A | C1, мкФ | L1, Гн |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 0.35 | 0.18 | 5.1 | 3.99 |
| 200 | 0.70 | 0.35 | 10.2 | 2.00 |
| 300 | 1.05 | 0.53 | 15.2 | 1.33 |
| 400 | 1.40 | 0.70 | 20.3 | 1.00 |
| 500 | 1.75 | 0.88 | 25.4 | 0.80 |
| 600 | 2.11 | 1.05 | 30.5 | 0.67 |
| 700 | 2.46 | 1.23 | 35.6 | 0.57 |
| 800 | 2.81 | 1.40 | 40.6 | 0.50 |
| 900 | 3.16 | 1.58 | 45.7 | 0.44 |
| 1000 | 3.51 | 1.75 | 50.8 | 0.40 |
| 1100 | 3.86 | 1.93 | 55.9 | 0.36 |
| 1200 | 4.21 | 2.11 | 61.0 | 0.33 |
| 1300 | 4.56 | 2.28 | 66.0 | 0.31 |
| 1400 | 4.91 | 2.46 | 71.1 | 0.29 |
| 1500 | 5.26 | 2.63 | 76.2 | 0.27 |
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
| Зазор в магнитопроводе, мм |
Ток в сетевой обмотке, A, при соединении выводов на напряжение, В |
||
|---|---|---|---|
| 220 | 237 | 254 | |
| 0.2 | 0.63 | 0.54 | 0.46 |
| 0.5 | 1.26 | 1.06 | 0.93 |
| 1 | - | 2.05 | 1.75 |
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
| Трансформатор | Номинальный ток, A |
Мощность двигателя, Вт |
|---|---|---|
| ТС-360М | 1.8 | 600...1500 |
| ТС-330К-1 | 1.6 | 500...1350 |
| СТ-320 | 1.6 | 500...1350 |
| СТ-310 | 1.5 | 470...1250 |
| ТСА-270-1, ТСА-270-2, ТСА-270-3 |
1.25 | 400...1250 |
| ТС-250, ТС-250-1, ТС-250-2, ТС-250-2М, ТС-250-2П |
1.1 | 350...900 |
| ТС-200К | 1 | 330...850 |
| ТС-200-2 | 0.95 | 300...800 |
| ТС-180, ТС-180-2, ТС-180-4, ТС-180-2В |
0.87 | 275...700 |
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.
Из всех видов электропривода наибольшее распространение получили . Они неприхотливы в обслуживании, нет щеточно-коллекторного узла. Если их не перегружать, не мочить и периодически обслуживать или менять подшипники, то он прослужит почти вечность. Но есть одна проблема - большинство асинхронных двигателей, которые вы можете купить на ближайшей барахолке, трёхфазные, так как предназначены для использования на производстве. Несмотря на тенденцию к переходу на трёхфазное электроснабжение в нашей стране, подавляющее большинство домов до сих пор с однофазным вводом. Поэтому давайте разбираться, как выполнить подключение трехфазного двигателя к однофазной и трехфазной сети.
Что такое звезда и треугольник у электродвигателя
Для начала давайте разберемся, какими бывают схемы подключения обмоток. Известно, что у односкоростного трёхфазного асинхронного электродвигателя есть три обмотки. Они соединяются двумя способами, по схемам:
- звезда;
- треугольник.
Такие способы соединения характерны для любых видов трёхфазной нагрузки, а не только для электродвигателей. Ниже изображено, как они выглядят на схеме:
Питающие провода подключаются к клеммной колодке, которая расположена в специальной коробке. Её называют брно или борно. В неё выведены провода от обмоток и закреплены на клеммниках. Сама коробка снимается с корпуса электродвигателя, как и клеммники, расположенные в ней.
В зависимости от конструкции двигателя в брно может быть 3 провода, а может быть и 6 проводов. Если там 3 провода - то обмотки уже соединены по схеме звезды или треугольника и, при необходимости, перекоммутировать их быстро не получится, для этого нужно вскрывать корпус, искать место соединения, разъединять его и делать отводы.
Если в брно 6 проводов, что встречается чаще, то вы можете в зависимости от характеристик двигателя и напряжения питающей сети (об этом читайте далее) соединить обмотки так, как посчитаете нужным. Ниже вы видите брно и клеммники, которые в него устанавливаются. Для 3-проводного варианта в клеммнике будет 3 шпильки, а для 6-проводного - 6 шпилек.
К шпилькам начала и концы обмоток подключаются не просто «как попало» или «как удобно», а в строго определенном порядке, таким образом, чтобы одним набором перемычек вы могли соединить и треугольник, и звезду. То есть начало первой обмотки над концом третьей, начало второй концом первой и начало третьей над концом второй.
Таким образом, если вы установите перемычки на нижние контакты клеммника в линию - получаете соединение обмоток звездой, а установив три перемычки вертикально параллельно друг другу - соединение треугольником. На двигателях «в заводской комплектации» в качестве перемычек используются медные шинки, что удобно использовать для подключения - не нужно гнуть проволочки.
Кстати, на крышках брна электродвигателя часто наносят соответствие расположения перемычек этим схемам.
Подключение к трёхфазной сети
Теперь, когда мы разобрались как подключаются обмотки, давайте разберемся как они подключаются к сети.
Двигатели с 6 проводами позволяют переключать обмотки для разных питающих напряжений. Так получили распространение электродвигатели с питающими напряжениями:
- 380/220;
- 660/380;
- 220/127.
Причем большее напряжение для схемы подключения звездой, а меньшее - для треугольника.
Дело в том, не всегда трёхфазная сеть имеет привычное напряжение в 380В. Например, на кораблях встречается сеть с изолированной нейтралью (без нуля) на 220В, да и в старых советских постройках первой половины прошлого века и сейчас иногда встречается сеть 127/220В. В то время как сеть с линейным напряжением 660В встречается редко, чаще на производстве.
Об отличиях фазного и линейного напряжения вы можете прочитать в соответствующей статье на нашем сайте: .
Итак, если вам нужно подключить трехфазный электродвигатель к сети 380/220В, осмотрите его шильдик и найдите питающее напряжение.
Электродвигатели на шильдике которых указано 380/220 можно подключить только звездой к нашим сетям. Если вместо 380/220 написано 660/380 - подключайте обмотки треугольником. Если вам не повезло и у вас старый двигатель 220/127 - здесь нужен либо понижающий трансформатор, либо однофазный с трёхфазным выходом (3х220). Иначе подключить его к трём фазам 380/220 не получится.
Самый худший вариант - это когда номинальное напряжение двигателя с тремя проводами с неизвестной схемой соединения обмоток. В этом случае нужно вскрывать корпус и искать точку их соединения и, если это возможно, и они соединены по схеме треугольника - переделывать в схему звезды.
С подключением обмоток разобрались, теперь поговорим о том какие бывают схемы подключения трехфазного электродвигателя к сети 380В. Схемы показаны для контакторов с катушками с номинальным напряжением 380В, если у вас катушки на 220В - подключайте их между фазой и нулем, то есть второй провод к нулю, а не к фазе «B».
Электродвигатели почти всегда подключаются через (или ). Схему подключения без реверса и самоподхвата вы видите ниже. Она работает таким образом, что двигатель будет вращаться только тогда, когда нажата кнопка на пульте управления. При этом кнопка выбирается без фиксации, т.е. замыкает или размыкает контакты пока удерживается в нажатом положении, как те, что используются в клавиатурах, мышках и дверных звонках.
Принцип работы этой схемы: при нажатии кнопки «ПУСК» начинает протекать ток через катушку контактора КМ-1, в результате якорь контактора притягивается и силовые контакты КМ-1 замыкаются, двигатель начинает работать. Когда вы отпустите кнопку «ПУСК» - двигатель остановится. QF-1 – это , который обесточивает и силовую цепь и цепь управления.
Если вам нужно чтобы вы нажали кнопку и вал начал вращаться - вместо кнопки ставьте тумблер или кнопку с фиксацией, то есть контакты которой после нажатия остаются замкнутыми или разомкнутыми до следующего нажатия.
Но так делают нечасто. Гораздо чаще электродвигатели пускают с пультов с кнопками без фиксации. Поэтому к предыдущей схеме добавляется еще один элемент - блок-контакт пускателя (или контактора), подключенный параллельно кнопке «ПУСК». Такая схема может использоваться для подключения электровентиляторов, вытяжек, станков и любого другого оборудования, механизмы которого вращаются только в одном направлении.
Принцип работы схемы:
Когда автоматический выключатель QF-1 переводят во включенное состояние на силовых контактах контактора и цепи управления появляется напряжение. Кнопка «СТОП» — нормально замкнутая, т.е. её контакты размыкаются, когда на неё нажимают. Через «СТОП» подаётся напряжение на нормально-разомкнутую кнопку «ПУСК», блок-контакт и в конечном итоге катушку, поэтому когда вы на неё нажмёте, то цепь управления катушкой обесточится и контактор отключится.
На практике в кнопочном посте каждая кнопка имеет нормально-разомкнутую и нормально-замкнутую пару контактов, клеммы которых расположены на разных сторонах кнопки (см. фото ниже).
Когда вы нажимаете кнопку «ПУСК», ток начинает протекать через катушку контактора или пускателя КМ-1 (на современных контакторах обозначается, как A1 и A2), в результате его якорь притягивается и замыкаются силовые контакты КМ-1. КМ-1.1 – это нормально-разомкнутый (NO) блок-контакт контактора, при подаче напряжения на катушку он замыкается одновременно с силовыми контактами и шунтирует кнопку «ПУСК».
После того как вы отпустите кнопку «ПУСК» - двигатель продолжит работать, так как ток на катушку контактора теперь подаётся через блок-контакт КМ-1.1.
Это и называется «самоподхват».
Основная сложность, которая возникает у новичков в понимании этой базовой схемы, состоит в том, что не сразу становится понятно, что кнопочный пост располагается в одном месте, а контакторы в другом. При этом КМ-1.1, который подключается параллельно кнопке «ПУСК», на самом деле может находится и за десяток метров.
Если вам нужно чтобы вал электродвигателя вращался в обе стороны, например, на лебедке или другом грузоподъёмном механизме, а также разных станках (токарный и пр.) - используйте схему подключения трехфазного двигателя с реверсом.
Кстати эту схему часто называют «реверсивная схема пускателя».
Реверсивная схема подключения – это две нереверсивных схемы с некоторыми доработками. КМ-1.2 и КМ-2.2 - то нормально-замкнутые (NC) блок-контакты контакторов. Они включены в цепь управления катушкой противоположного контактора, это так называемая «защита от дурака», она нужна чтобы не произошло в силовой цепи.
Между кнопкой «ВПЕРЁД» или «НАЗАД» (их назначение такое же, что в предыдущей схеме у «ПУСК») и катушкой первого контактора (КМ-1) подключается нормально-замкнутый (NC) блок-контакт второго контактора (КМ-2). Таким образом, когда включается КМ-2 - нормально-замкнутый контакт размыкается соответственно и КМ-1 уже не включится, даже если вы нажмёте «ВПЕРЁД».
И наоборот, NC от КМ-2 установлен в цепь управления КМ-1, чтобы предотвратить одновременное их включение.
Чтобы запустить двигатель в противоположном направлении, то есть включить второй контактор, нужно отключить действующий контактор. Для этого нажимаете на кнопку «СТОП», и цепь управления двумя контакторами обесточивается, и уже после этого нажимайте на кнопку запуска в противоположном направлении вращения.
Это нужно, чтобы не допустить короткого замыкания в силовой цепи. Обратите внимание на левую часть схемы, отличия подключения силовых контактов КМ-1 и КМ-2 состоят в порядке подключения фаз. Как известно для смены направления вращения асинхронного двигателя (реверса) нужно поменять местами 2 из 3 фаз (любые), здесь поменяли местами 1 и 3 фазу.
В остальном работа схемы аналогична предыдущей.
Кстати на советских пускателях и контакторах были совмещенные блок-контакты, т.е. один из них был замкнутым, а второй разомкнутым, в большинстве современных контакторов нужно устанавливать сверху приставку блок-контактов, в которой есть 2-4 пары дополнительных контактов как раз для этих целей.
Подключение к однофазной сети
Для подключения трёхфазного электродвигателя 380В к однофазной сети 220В чаще всего используется схема с фазосдвигающими конденсаторами (пусковыми и рабочими). Без конденсаторов двигатель может и запустится, но только без нагрузки, и придется при запуске крутануть его вал от руки.
Проблема состоит в том, что для работы АД нужно вращающееся магнитное поле, которое нельзя получить от однофазной сети без дополнительных элементов. Но подключив одну из обмоток через , можно сдвинуть фазу напряжения до -90˚ а с помощью на +90˚ относительно фазы в сети. Подробнее вопрос сдвига фаз мы рассматривали в статье: .
Чаще всего для сдвига фаз используют именно конденсаторы, а не дроссели. Таким образом получают не вращающееся, а эллиптическое. В результате вы теряете около половины мощности от номинала. Однофазные АД работают при таком включении лучше, за счет того, что у них обмотки изначально рассчитаны и расположены на статоре для такого подключения.
Типовые схемы подключения двигателя без реверса для схем звезды или треугольника вы видите ниже.
На схеме ниже нужен для разрядки конденсаторов, так как после отключения питания на его выводах останется напряжение и вас может ударить током.
Ёмкость конденсатора для подключения трёхфазного двигателя к однофазной сети вы можете выбрать исходя из таблицы ниже. Если вы наблюдаете сложный и затяжной запуск - зачастую нужно увеличить пусковую (а иногда и рабочую) ёмкость.
Если двигатель мощный или запускается под нагрузкой (например, в компрессоре) - нужно подключить и пусковой конденсатор.
Чтобы упростить включение вместо кнопки «РАЗГОН» используют «ПНВС». Это кнопка для запуска двигателей с пусковым конденсатором. У неё три контакта, на два из них подключается фаза и ноль, а через третий – пусковой конденсатор. На лицевой панели расположено две клавиши - «ПУСК» и «СТОП» (как на автоматах АП-50).
Когда вы включаете двигатель и нажимаете первую клавишу до упора, замыкаются три контакта, после того как двигатель раскрутился, и вы отпускаете «ПУСК», средний контакт размыкается, а два крайних остаются замкнутыми, из цепи выводится пусковой конденсатор. При нажатии кнопки «СТОП» все контакты разомкнуться. Схема подключения при этом почти аналогична.
Подробно о том, что такое и как правильно подключить ПНВС, вы можете посмотреть в следующем видео:
Схема подключения электродвигателя 380В к однофазной сети 220В с реверсом изображена ниже. За реверс отвечает переключатель SA1.
Обмотки двигателя 380/220 соединяют треугольником, а у двигателей 220/127 – звездой, так чтобы напряжение питания (220 вольт) соответствовало номинальному напряжению обмоток. Если всего три выхода, а не шесть, то вы не сможете изменять схемы подключения обмоток без вскрытия. Здесь есть два варианта:
- Номинальное напряжение 3х220В - вам повезло, и используйте приведенные выше схемы.
- Номинальное напряжение 3х380В - вам меньше повезло, так как двигатель может плохо запускать или вообще не запускаться если подключать его в сеть 220В, но стоит попробовать, возможно работать будет!
Но при подключении электродвигателя 380В на 1 фазу 220В через конденсаторы есть одна большая проблема - потери мощности. Они могут достигать 40-50%.
Главным и действенным способом подключения без потери мощности является использование частотника. Однофазные частотные преобразователи выдают на выходе 3 фазы с линейным напряжением 220В без нуля. Таким образом вы можете подключать двигатели до 5 кВт, для большей мощности просто очень редко встречаются преобразователи, способные работать с однофазным вводом. В этом случае вы не только получите полную мощность двигателя, но и сможете полноценно регулировать его обороты и реверсировать его.
Теперь вы знаете, как подключить трехфазный двигатель на 220 и 380 Вольт, а также что для этого нужно. Надеемся, предоставленная информация помогла вам разобраться в вопросе!
Материалы