Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети

Асинхронные трехфазные двигатели, а именно их, из-за широкого распространения, часто приходится использовать, состоят из неподвижного статора и подвижного ротора. В пазах статора с угловым расстоянием в 120 электрических градусов уложены проводники обмоток, начала и концы которых (C1, C2, C3, C4, C5 и C6) выведены в распределительную коробку. Обмотки могут быть соединены по схеме «звезда» (концы обмоток соединены между собой, к их началам подводится питающее напряжение) или «треугольник» (концы одной обмотки соединены с началом другой).

В распределительной коробке контакты обычно сдвинуты — напротив С1 не С4, а С6, напротив С2 — С4.

При подключении трехфазного двигателя к трехфазной сети по его обмоткам в разный момент времени по очереди начинает идти ток, создающий вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с ротором, заставляя его вращаться. При включении двигателя в однофазную сеть, вращающий момент, способный сдвинуть ротор, не создается.

Среди разных способов подключения трехфазных электродвигателей в однофазную сеть наиболее простой — подключение третьего контакта через фазосдвигающий конденсатор.

Частота вращения трехфазного двигателя, работающего от однофазной сети, остается почти такой же, как и при его включении в трехфазную сеть. К сожалению, этого нельзя сказать о мощности, потери которой достигают значительных величин. Точные значения потери мощности зависят от схемы подключения, условий работы двигателя, величины емкости фазосдвигающего конденсатора. Ориентировочно, трехфазный двигатель в однофазной сети теряет около 30-50% своей мощности.

Не все трехфазные электродвигатели способны хорошо работать в однофазных сетях, однако большинство из них справляются с этой задачей вполне удовлетворительно — если не считать потери мощности. В основном для работы в однофазных сетях используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (А, АО2, АОЛ, АПН и др.).

Асинхронные трехфазные двигатели рассчитаны на два номинальных напряжения сети — 220/127, 380/220 и т.д. Наиболее распространены электродвигатели с рабочим напряжением обмоток 380/220В (380В — для «звезды», 220 — для «треугольника). Большее напряжение для «звезды», меньшее — для «треугольника». В паспорте и на табличке двигателей кроме прочих параметров указывается рабочее напряжение обмоток, схема их соединения и возможность ее изменения.

Обозначение на табличке А говорит о том, что обмотки двигателя могут быть подключены как «треугольником» (на 220В), так и «звездой» (на 380В). При включении трехфазного двигателя в однофазную сеть желательно использовать схему «треугольник», поскольку в этом случае двигатель потеряет меньше мощности, чем при подключении «звездой».

Табличка Б информирует, что обмотки двигателя подсоединены по схеме «звезда», и в распределительной коробке не предусмотрена возможность переключить их на «треугольник» (имеется всего лишь три вывода). В этом случае остается или смириться с большой потерей мощности, подключив двигатель по схеме «звезда», или, проникнув в обмотку электродвигателя, попытаться вывести недостающие концы, чтобы соединить обмотки по схеме «треугольник».

Начала и концы обмоток (различные варианты)

Самый простой случай, когда в имеющемся двигателе на 380/220В обмотки уже подключены по схеме «треугольник». В этом случае нужно просто подсоединить токоподводящие провода и рабочий и пусковой конденсаторы к клеммам двигателя согласно схеме подключения.

Если в двигателе обмотки соединены «звездой», и имеется возможность изменить ее на «треугольник», то этот случай тоже нельзя отнести к сложным. Нужно просто изменить схему подключения обмоток на «треугольник», использовав для этого перемычки.

Определение начал и концов обмоток. Дело обстоит сложнее, если в распределительную коробку выведено 6 проводов без указания об их принадлежности к определенной обмотке и обозначения начал и концов. В этом случае дело сводится к решению двух задач (Но прежде чем этим заниматься, нужно попробовать найти в Интернете какую-либо документацию к электродвигателю. В ней может быть описано к чему относятся провода разных цветов.):

• определению пар проводов, относящихся к одной обмотке;
• нахождению начала и конца обмоток.

Первая задача решается «прозваниванием» всех проводов тестером (замером сопротивления). Если прибора нет, можно решить её с помощью лампочки от фонарика и батареек, подсоединяя имеющиеся провода в цепь последовательно с лампочкой. Если последняя загорается, значит, два проверяемых конца относятся к одной обмотке. Таким способом определяются три пары проводов (A, B и C на рисунке ниже) относящихся к трем обмоткам.

Вторая задача (определение начала и конца обмоток) несколько сложнее и требует наличия батарейки и стрелочного вольтметра. Цифровой не годится из-за инертности. Порядок определения концов и начал обмоток показан на схемах 1 и 2.

К концам одной обмотки (например, A) подключается батарейка, к концам другой (например, B) — стрелочный вольтметр. Теперь, если разорвать контакт проводов А с батарейкой, стрелка вольтметра качнется в ту или иную сторону. Затем необходимо подключить вольтметр к обмотке С и проделать ту же операцию с разрывом контактов батарейки. При необходимости меняя полярность обмотки С (меняя местами концы С1 и С2) нужно добиться того, чтобы стрелка вольтметра качнулась в ту же сторону, как и в случае с обмоткой В. Таким же образом проверяется и обмотка А — с батарейкой, подсоединенной к обмотке C или B.

В итоге всех манипуляций должно получиться следующее: при разрыве контактов батарейки с любой из обмоток на 2-х других должен появляться электрический потенциал одной и той же полярности (стрелка прибора качается в одну сторону). Теперь остается пометить выводы одного пучка как начала (А1, В1, С1), а выводы другого — как концы (А2, В2, С2) и соединить их по необходимой схеме — «треугольник» или «звезда» (если напряжение двигателя 220/127В).

Извлечение недостающих концов. Пожалуй, самый сложный случай — когда двигатель имеет соединение обмоток по схеме «звезда», и нет возможности переключить ее на «треугольник» (в распределительную коробку выведено всего лишь три провода — начала обмоток С1, С2, С3) (см. рисунок ниже). В этом случае для подключения двигателя по схеме «треугольник» необходимо вывести в коробку недостающие концы обмоток С4, С5, С6.

Чтобы сделать это, обеспечивают доступ к обмотке двигателя, сняв крышку и, возможно, удалив ротор. Отыскивают и освобождают от изоляции место спайки. Разъединяют концы и припаивают к ним гибкие многожильные изолированные провода. Все соединения надежно изолируют, крепят провода прочной нитью к обмотке и выводят концы на клеммный щиток электродвигателя. Определяют принадлежность концов началам обмоток и соединяют по схеме «треугольник», подсоединив начала одних обмоток к концам других (С1 к С6, С2 к С4, С3 к С5). Работа по выводу недостающих концов требует определенного навыка. Обмотки двигателя могут содержать не одну, а несколько спаек, разобраться в которых не так-то и просто. Поэтому если нет должной квалификацией, возможно, не останется ничего иного, как подключить трехфазный двигатель по схеме «звезда», смирившись со значительной потерей мощности.

Схемы подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть

Обеспечение пуска. Пуск трехфазного двигателя без нагрузки можно осуществлять и от рабочего конденсатора (подробнее ниже), но если электродвигатель имеет какую-то нагрузку, он или не запустится, или будет набирать обороты очень медленно. Тогда для быстрого пуска необходим дополнительный пусковой конденсатор Сп (расчет емкости конденсаторов описан ниже). Пусковые конденсаторы включаются только на время пуска двигателя (2-3 сек, пока обороты не достигнут примерно 70% от номинальных), затем пусковой конденсатор нужно отключить и разрядить.

Удобен запуск трехфазного двигателя с помощью особого выключателя, одна пара контактов которого замыкается при нажатой кнопке. При ее отпускании одни контакты размыкаются, а другие остаются включенными — пока не будет нажата кнопка «стоп».

Реверс. Направление вращения двигателя зависит от того, к какому контакту («фазе») подсоединена третья фазная обмотка.

Направлением вращения можно управлять, подсоединив последнюю, через конденсатор, к двухпозиционному тумблеру, соединенному двумя своими контактами с первой и второй обмотками. В зависимости от положения тумблера двигатель будет вращаться в одну или другую сторону.

На рисунке ниже представлена схема с пусковым и рабочим конденсатором и кнопкой реверса, позволяющая осуществлять удобное управление трехфазным двигателем.

Подключение по схеме «звезда». Подобная схема подключения трехфазного двигателя в сеть с напряжением 220В используется для электродвигателей, у которых обмотки рассчитаны на напряжение 220/127В.

Конденсаторы. Необходимая емкость рабочих конденсаторов для работы трехфазного двигателя в однофазной сети зависит от схемы подключения обмоток двигателя и других параметров. Для соединения «звездой» емкость рассчитывается по формуле:

Для соединения «треугольником»:

Где Ср — емкость рабочего конденсатора в мкФ, I — ток в А, U — напряжение сети в В. Ток рассчитывается по формуле:

Где Р — мощность электродвигателя кВт; n — КПД двигателя; cosф — коэффициент мощности, 1.73 — коэффициент, характеризующий соотношение между линейным и фазным токами. КПД и коэффициент мощности указаны в паспорте и на табличке двигателя. Обычно их значение находится в диапазоне 0,8-0,9.

На практике величину емкости рабочего конденсатора при подсоединении «треугольником» можно посчитать по упрощенной формуле C = 70•Pн, где Pн — номинальная мощность электродвигателя в кВт. Согласно этой формуле на каждые 100 Вт мощности электродвигателя необходимо около 7 мкФ емкости рабочего конденсатора.

Правильность подбора емкости конденсатора проверяется результатами эксплуатации двигателя. Если её значение оказалось больше, чем требуется при данных условиях работы, двигатель будет перегреваться. Если емкость оказалась меньше требуемой, выходная мощность электродвигателя будет слишком низкой. Имеет резон подбирать конденсатор для трехфазного двигателя, начиная с малой емкости и постепенно увеличивая её значение до оптимального. Если есть возможность, лучше подобрать емкость измерением тока в проводах подключенных к сети и к рабочему конденсатору, например токоизмерительными клещами. Значение тока должно быть наиболее близким. Замеры следует производить при том режиме, в котором двигатель будет работать.

При определении пусковой емкости исходят, прежде всего, из требований создания необходимого пускового момента. Не путать пусковую емкость с емкостью пускового конденсатора. На приведенных выше схемах, пусковая емкость равна сумме емкостей рабочего (Ср) и пускового (Сп) конденсаторов.

Если по условиям работы пуск электродвигателя происходит без нагрузки, то пусковая емкость обычно принимается равной рабочей, то есть пусковой конденсатор не нужен. В этом случае схема включения упрощается и удешевляется. Для такого упрощения и главное удешевления схемы, можно организовать возможность отключения нагрузки, например, сделав возможность быстро и удобно изменять положение двигателя для ослабления ременной передачи, или сделав для ременной передачи прижимной ролик, например, как у ременного сцепления мотоблоков.

Пуск под нагрузкой требует наличия дополнительной емкости (Сп) подключаемой на время запуска двигателя. Увеличение отключаемой емкости приводит к возрастанию пускового момента, и при некотором определенном ее значении момент достигает своего наибольшего значения. Дальнейшее увеличение емкости приводит к обратному результату: пусковой момент начинает уменьшаться.

Исходя из условия запуска двигателя под нагрузкой близкой к номинальной, пусковая емкость должна быть в 2-3 раза больше рабочей, то есть, если емкость рабочего конденсатора 80 мкФ, то емкость пускового конденсатора должна быть 80-160 мкФ, что даст пусковую емкость (сумма емкости рабочего и пускового конденсаторов) 160-240 мкФ. Но если двигатель имеет небольшую нагрузку при запуске, емкость пускового конденсатора может быть меньше или, как писалось выше, его вообще может не быть.

Пусковые конденсаторы работают непродолжительное время (всего несколько секунд за весь период включения). Это позволяет использовать при запуске двигателя наиболее дешевые пусковые электролитические конденсаторы, специально предназначенные для этой цели (http://www.platan.ru/cgi-bin/qweryv.pl/0w10609.html).

Отметим, что у двигателя подключенного к однофазной сети через конденсатор, работающего без нагрузки, по обмотке, питаемой через конденсатор, идет ток на 20-30% превышающий номинальный. Поэтому, если двигатель используется в недогруженном режиме, то емкость рабочего конденсатора следует уменьшить. Но тогда, если двигатель запускался без пускового конденсатора, последний может потребоваться.

Лучше использовать не один большой конденсатор, а несколько поменьше, отчасти из-за возможности подбора оптимальной емкости, подсоединяя дополнительные или отключая ненужные, последние можно использовать в качестве пусковых. Необходимое количество микрофарад набирается параллельным соединением нескольких конденсаторов, исходя из того, что суммарная емкость при параллельном соединении подсчитывается по формуле: C_общ = C₁ + C₁ + . + С_n.

В качестве рабочих используются обычно металлизированные бумажные или пленочные конденсаторы (МБГО, МБГ4, К75-12, К78-17 МБГП, КГБ, МБГЧ, БГТ, СВВ-60). Допустимое напряжение должно не менее чем в 1,5 раза превышать напряжение сети.

Как подключить асинхронный двигатель к однофазной сети

После своего изобретения трехфазные двигатели успешно используются до сих пор без каких-либо существенных изменений. Подключение асинхронного двигателя к однофазной сети было лишь делом времени, так как они намного проще в эксплуатации и обслуживании, чем их коллекторные собратья. А ведь в домашних условиях используется именно однофазная сеть, а хороший двигатель нужен не только на производстве. Какие электрические машины можно использовать дома или на даче, и как правильно их запустить в работу от обычных 220 В?

Одна фаза вместо трех

Самый распространенный вариант – трехфазный асинхронный двигатель. В пазах неподвижного статора уложены три обмотки со сдвигом 120 электрических градусов. Для пуска необходимо через них пропустить трехфазный ток, который, проходя по каждой обмотке в разное время, создает вращающий момент, раскручивающий ротор. При подключении однофазной сети такого не происходит. Поэтому здесь необходимы дополнительные элементы, такие как фазосдвигающий конденсатор. Это самый простой способ.

На скорость вращения ротора это не повлияет, а вот мощность такой электрической машины упадет. В зависимости от нагрузки на валу, емкости конденсатора, схемы подключения, потери составляют 30–50 %.

Стоит сразу отметить, что аппараты не всех марок работают по однофазной схеме. Но все-таки большинство позволяет проводить с собой подобные манипуляции. Всегда стоит обращать внимание на прикрепленные таблички. Там есть все характеристики, глядя на которые можно увидеть, какая это модель и где она будет работать.

Вторая (Б) показывает: электрическая машина рассчитана на 380 В, включение звездой. Теоретически, на меньшее напряжение переключиться возможно, но для этого нужно разбирать корпус, искать соединение обмоток и переключать их на треугольник. Можно, конечно, ничего не переключать просто поставив конденсатор. Однако потери мощности будут колоссальными.

Если на табличке написано: Δ/Ỵ 127/220, то к сети 220 В такой аппарат можно включать только звездой, иначе он сгорит!

Подключение фазосдвигающего конденсатора

Оптимальный вариант подключения трехфазной машины в работу от 220 вольт, это треугольником. Так потери составят около 30%. Два конца в борне идут непосредственно к сети, а между третьим концом и любым из этих двух включают конденсатор.

Такой пуск возможен если нет никакой серьезной нагрузки: например, при подключении вентилятора. Если будет нагрузка, то ротор либо не будет крутиться вообще, либо запуск будет происходить очень долго. В этом случае стоит добавить пусковой конденсатор.

При этом будет хорошо использовать выключатель, у которого один контакт замыкался бы и фиксировался, пока его не отключишь, а другой отключался, когда его отпускают. Так можно на непродолжительное время подсоединять в работу пусковой конденсатор. Направление вращения изменяется переключением конденсатора в схеме на другую фазу.

На практике это может выглядеть так:

Схема для пуска в работу трехфазного двигателя к однофазной цепи звездой тоже несложная. Потери будут больше, но иногда другого выхода просто нет.

Расчет конденсатора

Вполне естественный вопрос о том, конденсатор с какими параметрами нужно использовать для запуска и работы такого аппарата. Все зависит от того, звездой или треугольником соединены обмотки на трехфазной машине.

• Для звезды существует такой расчет: Cр = 2800•I/U.
• Треугольник:Cр = 4800•I/U.

Cр– емкость рабочего конденсатора в микрофарадах, I – ток в амперах, U – напряжение сети в вольтах.

• Ток можно посчитать таким образом: I = P/(1.73•U•n•cos ф).

Р – это мощность асинхронного аппарата, написанная на его бирке,n – его КПД. Он указан там же, рядом написан и cos ф.

Есть и упрощенный вариант расчета. Он выглядит таким образом: C = 70•Pн, где Pн – это номинальная мощность, кВт (на бирке). Из этой формулы можно сделать вывод, что на каждые 100 Вт должно быть около 7 мкФ емкости.

При завышенной емкости конденсатора обмотки будут сильно греться, при заниженной ротор будет тяжело раскручиваться. Поэтому идеальным вариантом является, когда после всех расчетов делается своеобразная «подгонка»: замеряется ток при помощи клещей и добавляются или убираются дополнительные конденсаторы.

Если нужен пусковой конденсатор, то необходимо подобрать его так, чтобы общая емкость (Ср+Сп) в 2–3 раза превышала рабочую(Ср).

Постепенный разгон

Как можно осуществить плавный пуск асинхронного двигателя в однофазной сети? Стоит сразу оговориться, что для домашнего использования это обойдется дорого. Сама схема очень сложна и пробовать собрать ее самостоятельно не имеет смысла. Существуют специальные устройства плавного пуска, которые успешно используются для этой цели. Суть их заключается в том, что первые секунды включения напряжение питания подается заниженным, вследствие чего занижен пусковой момент.

Но так как частота вращения роторатаких аппаратов зависит от частоты питающего напряжения, а не от его величины, то такой вариант подходит только тогда, когда нет значительной нагрузки на валу: насосы, вентиляторы. Если есть нагрузка, тогда лучше всего использовать частотный преобразователь. Он также обеспечит плавный запуск, а также много других замечательных возможностей. Правда, стоит он дороже. Из этого следует вывод: такие устройства больше подходят для использования на производстве, пусть даже небольшом. Для дома это дорого.

Как видно, этот частотник можно питать как трехфазным напряжением, так и одной фазой.

Одна фаза

Для того чтобы выполнить подключение однофазного асинхронного двигателя, достаточно двух кнопок: одна с фиксатором, другая без него. Стандартная схема: две обмотки, включенные последовательно (хотя, в зависимости от модели, могут быть варианты). Та, у которой большее сопротивление – пусковая, другая – рабочая.

Каждая модель электрической машины имеет свои характеристики, а значит, и варианты подключения могут различаться. У некоторых для запуска используется два конденсатора, у других – один.

Следовательно, начинать необходимо с выяснения модели и ее технических характеристик.

Как видно, запуск короткозамкнутых электрических машин возможен по-разному. Подключение возможно как в домашних условиях, так и на производстве, что сделало их такими популярными. И, по большому счету, более чем за сто лет не было придумано ничего лучше.