Решая вопросы электроснабжения вновь построенного здания, его владелец сталкивается с многочисленными задачами, которые требуется решать техническими и организационными способами.
При этом первоначально следует определиться с необходимым количеством фаз, требующихся для питания электроприборов. Обычно люди довольствуются однофазным электроснабжением, а определенная категория выбирает трехфазное, руководствуясь стоящими перед ними задачами.
Сравнение преимуществ и недостатков однофазного и трехфазного подключения дома
При выборе схемы следует учесть ее влияние на конструкцию проводки и условия эксплуатации, создаваемые разными системами.
Потребляемая мощность
Среди отдельных домовладельцев бытует надежда, что переход на трехфазное питание позволяет увеличить разрешенную мощность потребления, интенсивнее пользоваться электроэнергией. Однако, этот вопрос необходимо решать в сбытовой организации, у которой, скорее всего, лишних резервов уже нет. Поэтому значительно увеличить расход электричества таким способом вряд ли получится.
Та величина разрешенной мощности, которую вам предоставят, станет основой для создания . За счет распределения ее по двум проводам в однофазной схеме толщина сечения жил кабеля всегда требуется больше, чем в трёхфазной цепи, где нагрузка равномерно разнесена по трем симметричным цепочкам.
При одинаковой мощности в каждой жиле трехфазной схемы будут протекать меньшие номинальные токи. Под них потребуются уменьшенные номиналы автоматических выключателей. Несмотря на это их габариты, как и других защит и электросчетчика, все равно будут больше за счет применения утроенной конструкции. Потребуется более емкий распределительный щит. Его размеры могут значительно ограничивать свободное пространство внутри небольших помещений.
Трёхфазные потребители
Асинхронные электродвигатели механических приводов, другие электроприборы, рассчитанные на эксплуатацию в трехфазной сети, эффективнее, оптимально работают в ней. Чтобы их необходимо создавать преобразователи напряжения, которые будут потреблять дополнительную энергию. Причем, в большинстве случаев происходит снижение КПД таких механизмов и расход мощности на преобразователе.
Использование трехфазных потребителей основано на равномерном распределении нагрузки в каждой фазе, а подключение мощных однофазных приборов способно создать пофазный перекос токов, когда часть их начинает протекать по жиле рабочего нуля.
При большом перекосе токов на перегруженной фазе снижается напряжение: начинают тускло светиться лампы накаливания, наблюдаются сбои электронных устройств, хуже работают электродвигатели. В этой ситуации владельцы трехфазной электропроводки могут перекоммутировать часть нагрузки на ненагруженную фазу, а потребителям двухпроводной схемы требуется эксплуатировать стабилизаторы напряжения или резервные источники.
Условия работы изоляции электропроводки
Владельцы трехфазной схемы должны учитывать действие линейного напряжения 380, а не фазного 220 вольт. Его номинал представляет бо́льшую опасность для человека и изоляции электропроводки или приборов.
Габариты оборудования
Однофазная электропроводка и все входящие в нее компоненты более компактны, требуют меньше места для монтажа.
На основе сравнения этих характеристик можно сделать вывод, что трехфазное подключение частного дома зачастую может быть в современных условиях нецелесообразным. Его имеет смысл применять в том случае, если существует необходимость эксплуатации мощных трехфазных потребителей типа электрических котлов или станочного оборудования для постоянной работы в определённые сезоны.
Большинство же бытовых электрических потребностей вполне может обеспечить однофазная электропроводка.
Как выполнить трехфазное подключение частного дома
Когда вопрос трехфазного подключения частного дома стоит остро, то придется:
1. заниматься подготовкой технической документации;
2. решать технические вопросы.
Какие документы необходимо подготовить
Обеспечить законность трехфазного подключения могут только следующие свидетельства и паспорта:
1. технические условия от энергоснабжающей организации;
2. проект производства электроснабжения здания;
3. акт разграничения по балансовой принадлежности;
4. протоколы измерений основных электрических параметров собранной схемы подключения дома электротехнической лабораторией (монтаж разрешено выполнять после получения первых трех документов) и акт осмотра электротехнического оборудования;
5. заключение договора с энергосбытовой организацией, дающее право на получение наряда на включение.
Технические условия
Для их получения требуется заранее подать заявку в электроснабжающую организацию, где должны быть отражены требования к абоненту и электроустановке с указанием:
способов подключения;
использования защит;
мест размещения электроприборов и щитов;
ограничение доступа посторонних лиц;
характеристики нагрузки.
Проект производства электроснабжения
Разрабатывается проектной организацией на основе действующих нормативов и правил эксплуатации электроустановок с целью предоставления бригаде электромонтажников подробной информации по технологии монтажа электрической схемы.
В состав проекта входят:
1. пояснительная записка с отчетом;
2. исполнительные принципиальные и монтажные схемы;
3. ведомости;
4. требования нормативных документов и предписаний.
Акт разграничения по балансовой принадлежности
Определяются границы ответственности между электроснабжающей организацией и потребителем, указывается разрешенная мощность, категория надежности электроприемника, схема электропитания, некоторые другие сведения.
Протоколы электротехнических замеров
Они выполняются электрической измерительной лабораторией после полного окончания монтажных работ. В случае получения положительных результатов измерений, отраженных в протоколах, предоставляется акт осмотра оборудования с заключением, дающим право на обращение в электросбытовую организацию.
Договор с энергосбытом
После его заключения на основе документов от электротехнической лаборатории можно обращаться в электроснабжающую организацию на включение смонтированной электроустановки в работу по специальному наряду.
Технические вопросы трехфазного подключения частного дома
Принцип подвода электрической энергии к отдельно стоящему жилому зданию осуществляется по следующему принципу: от трансформаторной подстанции по линии электропередачи подается напряжение по четырем проводам, включающим три фазы (L1, L2, L3) и один общий нулевой проводник PEN. Подобная система выполняется по , которая максимально распространена до сих пор в нашей стране.
Линия электропередачи чаще всего может быть воздушной или реже кабельной. На обоих конструкциях могут возникнуть неисправности, которые быстрее устраняются у воздушных ЛЭП.
Особенности разделения PEN проводника
Старые линии электропередач энергетики постепенно начинают модернизировать, переводить на новый стандарт TN-C-S, а строящиеся сразу создают по нормативам TN-S. В нем четвертый проводник PEN от питающей подстанции подается не одной, а двумя разветвленными жилами: РЕ и N. В итоге у этих схем используется уже пять жил для проводников.
Трехфазное подключение частного дома основано на том, что все эти жилы подключаются к вводному устройству здания, а от него электроэнергия поступает на электрический счетчик и далее — в распределительный щит для осуществления внутренней разводки по помещениям и потребителям здания.
Практически все бытовые приборы работают от фазного напряжения 220 вольт, которое присутствует между рабочим нулем N и одним из потенциальных проводников L1, L2 или L3. А между линейными проводами образовано напряжение 380 вольт.
Внутри вводного устройства, использующего стандарт TN-C-S, делается выделение рабочего нуля N и защитного РЕ из проводника PEN, который соединяют здесь же с ГЗШ — главной заземляющей шиной. Ее подключают к повторному контуру заземлению здания.
Все присоединения проводников на ГЗШ выполняют болтовым соединением с шайбами и гайками, прочно затягивая резьбовое соединение. Этим добиваются минимального значения переходного электрического сопротивления в месте соединения контактов. Каждый кабель подключается на отдельное посадочное отверстие для удобного размыкания схемы с целью проведения различных измерений.
Основным материалом для ГЗШ служит медь, а в отдельных случаях допускается применять стальные сплавы. Использовать алюминий для главной защитной шины запрещено. На провода, подключаемые к ней, нельзя монтировать наконечники из алюминиевых сплавов.
От вводного устройства рабочие и защитные нули идут изолированными цепочками, которые запрещено объединять в любой другой точке схемы электропроводки.
По старым правилам, действовавшим в схеме заземления TN-C, расщепление проводника PEN не делалась, а фазное напряжение бралось прямо между ним и одним из линейных потенциалов.
Конечный промежуток линии между ее опорой до ввода в дом прокладывают по воздуху или под землей. Его называют ответвлением. Оно находится на балансе электроснабжающей организации, а не хозяина жилого здания. Поэтому все работы по подключению дома на этом участке должны выполняться с ведома и по решению владельца ЛЭП. Соответственно, законодательно они потребуют согласования и оплаты.
У подземной кабельной линии ответвление монтируют в металлическом шкафу, который размещают поблизости с трассой, а для воздушной ЛЭП — непосредственно на опоре. В обоих случаях важно обеспечить безопасность их эксплуатации, закрыть доступ посторонних людей и выполнить надежную защиту от повреждения вандалами.
Выбор места расщепления PEN проводника
Оно может быть выполнено:
1. на ближайшей опоре;
2. или на вводном щите, расположенном на стене либо внутри дома.
В первом случае ответственность за безопасную эксплуатацию несет электроснабжающая организация, а во втором — владелец здания. Доступ жильцов дома к работам на конце PEN проводника, расположенного на опоре, запрещен правилами.
При этом надо учесть, что провода на воздушной линии способны обрываться по различным причинам и на них могут возникать неисправности. Во время аварии на питающей ЛЭП с обрывом PEN проводника ее ток потечет через провод, подключенный к дополнительному контуру заземления. Его материал и сечение должны надежно выдерживать такие повышенные мощности. Поэтому их выбирают не тоньше, чем основная жила линии электропередачи.
Когда расщепление выполняется прямо на опоре, то к нему и контуру прокладывают линию, называемую повторным заземлением. Ее удобно изготавливать из металлической полосы, заглубленной в землю на 0,3÷1 м.
Поскольку через нее в грозу создается путь протекания молнии в землю, то ее надо отводить от дорожек и мест возможного размещения людей. Рационально прокладывать ее под забором здания и в подобных труднодоступных местах, а все соединения выполнять сваркой.
Когда расщепление производится в водном щите здания, то через линию ответвления с подключенными проводами будут протекать аварийные токи, которые могут выдержать только проводники с сечением фазных жил ЛЭП.
Вводное распределительное устройство электроэнергии
Оно отличается от простого вводного устройства тем, что в его конструкцию внесены элементы, осуществляющие распределение электричества по группам потребителей внутри здания. Его монтируют на вводе электрического кабеля в пристройке или каком-то отдельном помещении.
ВРУ устанавливают внутри металлического шкафа, куда заводят все три фазы, PEN проводник и шину контура повторного заземления в схеме подключения здания по системе TN-C-S.
Для TN-S во вводно распределительный шкаф заводят пять жил — три фазы и два нуля: рабочий и защитный, как показано на картинке ниже.
Внутри шкафа вводного распределительного устройства фазные проводники подключаются к клеммам входного автоматического выключателя или силовых предохранителей, а PEN проводник к своей шине. Через нее выполняется его расщепление на PE и N с образованием главной заземляющей шины и ее подключением к повторному контуру заземления.
Ограничители повышения напряжения работают по импульсному принципу, защищают схему цепей фаз и рабочего нуля от воздействий возможного проникновения посторонних внешних разрядов, отводят их через РЕ проводник и главную защитную шину с контуром заземления на потенциал земли.
При возникновении высоковольтных импульсных разрядов больших мощностей в питающей линии и прохождении их через последовательную цепочку из автоматического выключателя и УЗИП вполне возможен выход из строя силовых контактов автомата из-за подгорания и даже приваривания их.
Поэтому защита этой цепочки мощными предохранителями, выполняемая простым перегоранием плавкой вставки, остается актуальной, широко применяется на практике.
Трехфазный электрический счетчик учитывает расходуемую мощность. После него подключаемые нагрузки распределяются по группам потребления через правильно подобранные автоматические выключатели и устройства защитного отключения. Также на вводе может стоять дополнительное УЗО, выполняющее противопожарные функции у всей электрической проводки здания.
После каждой группы УЗО может производиться дополнительное деление потребителей по степеням защиты индивидуальными автоматами или обходиться без них, как показано разными участками на схеме.
На выходные клеммы щита и защит подключаются кабели, идущие к группам конечных потребителей.
Особенности конструкции ответвления
Чаще всего трехфазное подключение частного дома на питающей ЛЭП выполняется воздушной линией, на которой может возникнуть короткое замыкание или обрыв. Чтобы их предотвратить следует обратить внимание на:
общую механическую прочность создаваемой конструкции;
качество изоляции внешнего слоя;
материал токоведущих жил.
Современные самонесущие алюминиевые кабели обладают небольшим весом, хорошими токопроводящими свойствами. Они хорошо подходят для монтажа воздушного ответвления. При трехфазном питании потребителей сечения жилы СИП 16 мм2 будет достаточно для длительного получения 42 кВт, а 25 мм кв — 53 кВт.
Когда ответвление выполняется подземным кабелем, то обращают внимание на:
конфигурацию прокладываемого маршрута, его недоступность для повреждения посторонними людьми и механизмами при работах в грунте;
защиту выходящих из земли концов металлическими трубами на высоту не меньше среднего человеческого роста. Лучшим вариантом считается полное размещение кабеля в трубе вплоть до ввода в ВУ и распределительный шкаф.
Для подземной прокладки используют только цельный кусок кабеля с прочной броневой лентой или выполняют его защиту трубами или металлическими коробами. При этом медные жилы предпочтительнее, чем алюминиевые.
Технические аспекты трехфазного подключения частного дома в большинстве случаев требуют бо́льших затрат и усилий чем при однофазной схеме.
Среди различных способов запуска трехфазных электродвигателей в однофазную сеть наиболее простой базируется на подключении третьей обмотки через фазосдвигающий конденсатор. Полезная мощность, развиваемая двигателем в этом случае, составляет 50...60% от его мощности в трехфазном включении.
Не все трехфазные электродвигатели, однако, хорошо работают при подключении к однофазной сети. Среди таких электродвигателей можно выделить, например, модель с двойной клеткой короткозамкнутого ротора серии МА.
В связи с этим при выборе трехфазных электродвигателей для работы в однофазной сети следует отдать предпочтение двигателям серий А, АО, АО2, АПН, УАД и др.
Для нормальной работы электродвигателя с конденсаторным пуском необходимо, чтобы емкость используемого конденсатора менялась в зависимости от числа оборотов. На практике это условие выполнить довольно сложно, поэтому используют двухступенчатое управление двигателем. При пуске двигателя подключают два конденсатора, а после разгона один конденсатор отключают и оставляют только рабочий конденсатор.
Расчет параметров и элементов электродвигателя
Если, например, в паспорте электродвигателя указано напряжение его питания 220/380 В, то двигатель включают в однофазную сеть по схеме, представленной на рис. 1.
После включения пакетного выключателя П1 замыкаются контакты П1.1 и П1.2, после этого необходимо сразу же нажать кнопку "Разгон".
После набора оборотов кнопка отпускается. Реверсирование электродвигателя осуществляется путем переключения фазы на его обмотке тумблером SA1.
Емкость рабочего конденсатора Ср в случае соединения обмоток двигателя в "треугольник" определяется по формуле:
- U -напряжение в сети, В.
А в случае соединения обмоток двигателя в "звезду" определяется по формуле:
- Ср - емкость рабочего конденсатора, в мкФ;
- I - потребляемый электродвигателем ток, в А;
- U -напряжение в сети, В.
Потребляемый электродвигателем ток в вышеприведенных формулах, при известной мощности электродвигателя, можно вычислить из следующего выражения:
- Р - мощность двигателя, в Вт, указанная в его паспорте;
- h - КПД;
- cos j - коэффициент мощности;
- U -напряжение в сети, В.
Емкость пускового конденсатора Сп выбирают в 2...2,5 раза больше емкости рабочего конденсатора. Эти конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в 1,5 раза больше напряжения сети.
Для сети 220 В лучше использовать конденсаторы типа МБГО, МБПГ, МБГЧ с рабочим напряжением 500 В и выше. При условии кратковременного включения в качестве пусковых конденсаторов можно использовать и электролитические конденсаторы типа К50-3, ЭГЦ-М, КЭ-2 с рабочим напряжением не менее 450 В.
Для большей надежности электролитические конденсаторы соединяют последовательно, соединяя между собой их минусовые выводы, и шунтируют диодами (рис. 2)
Общая емкость соединенных конденсаторов составит:
На практике величину емкостей рабочих и пусковых конденсаторов выбирают в зависимости от мощности двигателя. Значение емкостей рабочих и пусковых конденсаторов трехфазного электродвигателя в зависимости от его мощности при включении в сеть 220 В.
Мощность трехфазного
двигателя, кВт:
- 0,4;
- 0,6;
- 0,8;
- 1,1;
- 1,5;
- 2,2.
Минимальная емкость рабочего
конденсатора Ср, мкФ:
- 100;
- 150;
- 230.
Минимальная емкость пускового
конденсатора Ср, мкФ:
- 120;
- 160;
- 200;
- 250;
- 300.
Следует отметить, что у электродвигателя с конденсаторным пуском в режиме холостого хода по обмотке, питаемой через конденсатор, протекает ток, на 20...30 % превышающий номинальный. В связи с этим, если двигатель часто используется в недогруженном режиме или вхолостую, емкость конденсатора С р следует уменьшить. Может случиться, что во время перегрузки электродвигатель остановился, тогда для его запуска снова подключают пусковой конденсатор, сняв нагрузку вообще или снизив ее до минимума.
Емкость пускового конденсатора С п можно уменьшить при пуске электродвигателей на холостом ходу или с небольшой нагрузкой. Для включения, например, электродвигателя АО2 мощностью 2,2 кВт на 1420 об./мин можно использовать рабочий конденсатор емкостью 230 мкФ, а пусковой - 150 мкФ. В этом случае электродвигатель уверенно запускается при небольшой нагрузке на валу.
Переносной универсальный блок для пуска трехфазных электродвигателей мощностью около 0,5 кВт от сети 220 В
Для запуска электродвигателей различных серий мощностью около 0,5 кВт от однофазной сети без реверсирования можно собрать переносной универсальный пусковой блок (рис. 3).
При нажатии на кнопку SB1 срабатывает магнитный пускатель КМ1 (тумблер SA1 замкнут) и своей контактной системой КМ 1.1, КМ 1.2 подключает электродвигатель М1 к сети 220 В.
Одновременно с этим третья контактная группа КМ 1.3 замыкает кнопку SB1.
После полного разгона двигателя тумблером SA1 отключают пусковой конденсатор С1.
Остановка двигателя осуществляется нажатием на кнопку SB2.
Детали
В устройстве используется электродвигатель А471А4 (АО2-21-4) мощностью 0,55 кВт на 1420 об./мин и магнитный пускатель типа ПМЛ, рассчитанный на переменный ток напряжением 220 В. Кнопки SB1 и SB2 - спаренные типа ПКЕ612. В качестве переключателя SA1 используется тумблер Т2-1. В устройстве постоянный резистор R1 - проволочный, типа ПЭ-20, а резистор R2 типа МЛТ-2. Конденсаторы С1 и С2 типа МБГЧ на напряжение 400 В. Конденсатор С2 составлен из параллельно соединенных конденсаторов по 20 мкФ 400 В. Лампа HL1 типа КМ-24 и 100 мА.
Пусковое устройство смонтировано в металлическом корпусе размером 170х140х50 мм (рис. 4):
- 1- корпус;
- 2 - ручка для переноски;
- 3 - сигнальная лампа;
- 4 - тумблер отключения пускового конденсатора;
- 5 -кнопки "Пуск" и "Стоп";
- 6 - доработанная электровилка;
- 7- панель с гнездами разъема.
На верхней панели корпуса расположены кнопки "Пуск" и "Стоп" - сигнальная лампа и тумблер для отключения пускового конденсатора. На передней панели корпуса устройства находится разъем для .
Для отключения пускового конденсатора можно использовать дополнительное реле К1, тогда надобность в тумблере SA1 отпадает, а конденсатор будет отключаться автоматически (рис.5).
При нажатии на кнопку SB1 срабатывает реле К1 и контактной парой К1.1 включает магнитный пускатель КМ1, а К1.2 - пусковой конденсатор С п. КМ1 самоблокируется с помощью своей контактной пары КМ 1.1, а контакты КМ 1.2 и КМ 1.3 подсоединяют электродвигатель к сети.
Кнопку "Пуск" держат нажатой до полного разгона двигателя, а после отпускают. Реле К1 обесточивается и отключает пусковой конденсатор, который разряжается через резистор R2. В это же время магнитный пускатель КМ 1 остается включенным и обеспечивает питание электродвигателя в рабочем режиме.
Для остановки электродвигателя следует нажать кнопку "Стоп". В усовершенствованном пусковом устройстве по схеме рис.5 можно использовать реле типа МКУ-48 или ему подобное.
Использование электролитических конденсаторов в схемах запуска электродвигателей
При включении трехфазных асинхронных электродвигателей в однофазную сеть, как правило, используют обычные бумажные конденсаторы. Практика показала, что вместо громоздких бумажных конденсаторов можно использовать оксидные (электролитические) конденсаторы, которые имеют меньшие габариты и более доступны в плане покупки.
Схема замены обычног бумажного конденсатора дана на рис. 6.
Положительная полуволна переменного тока проходит через цепочку VD1, С2, а отрицательная VD2, С2. Исходя из этого можно использовать оксидные конденсаторы с допустимым напряжением в два раза меньшим, чем для обычных конденсаторов той же емкости.
Например, если в схеме для однофазной сети напряжением 220 В используется бумажный конденсатор на напряжение 400 В, то при его замене по вышеприведенной схеме можно использовать электролитический конденсатор на напряжение 200 В. В приведенной схеме емкости обоих конденсаторов одинаковы и выбираются аналогично методике выбора бумажных конденсаторов для пускового устройства.
Включение трехфазного двигателя в однофазную сеть с использованием электролитических конденсаторов
Схема включения трехфазного двигателя в однофазную сеть с использованием электролитических конденсаторов приведена на рис.7.
В приведенной схеме SA1 - переключатель направления вращения двигателя, SB1 - кнопка разгона двигателя, электролитические конденсаторы С1 и С3 используются для пуска двигателя, С2 и С4 - во время работы.
Подбор электролитических конденсаторов в схеме рис. 7 лучше производить с помощью токоизмерительных клещей. Измеряют токи в точках А, В, С и добиваются равенства токов в этих точках путем ступенчатого подбора емкостей конденсаторов. Замеры проводят при нагруженном двигателе в том режиме, в котором предполагается его эксплуатация.
Диоды VD1 и VD2 для сети 220 В выбираются с обратным максимально допустимым напряжением не менее 300 В. Максимальный прямой ток диода зависит от мощности двигателя. Для электродвигателей мощностью до 1 кВт подойдут диоды Д245, Д245А, Д246, Д246А, Д247 с прямым током 10 А.
При большей мощности двигателя от 1 кВт до 2 кВт нужно взять более мощные диоды с соответствующим прямым током или поставить несколько менее мощных диодов параллельно, установив их на радиаторы.
Следует обратить внимание на то, что при перегрузке диода может произойти его пробой и через электролитический конденсатор потечет переменный ток, что может привести к его нагреву и взрыву.
Включение мощных трехфазных двигателей в однофазную сеть
Конденсаторная схема включения трехфазных двигателей в однофазную сеть позволяет получить от двигателя не более 60% от номинальной мощности, в то время как предел мощности электрифицированного устройства ограничивается 1,2 кВт. Этого явно недостаточно для работы электрорубанка или электропилы, которые должны иметь мощность 1,5...2 кВт. Проблема в данном случае может быть решена использованием электродвигателя большей мощности, например 3...4 кВт. Такого типа двигатели рассчитаны на напряжение 380 В, их обмотки соединены «звездой», и в клеммной коробке содержится всего 3 вывода.
Включение такого двигателя в сеть 220 В приводит к снижению номинальной мощности двигателя в 3 раза и на 40 % при работе в однофазной сети. Такое снижение мощности делает двигатель непригодным для работы, но может быть использовано для раскрутки ротора вхолостую или с минимальной нагрузкой. Практика показывает, что большая часть электродвигателей уверенно разгоняется до номинальных оборотов, и в этом случае пусковые токи не превышают 20 А.
Доработка трехфазного двигателя
Наиболее просто можно осуществить перевод мощного трехфазного двигателя в рабочий режим, если переделать его на однофазный режим работы, получая при этом 50 % номинальной мощности. Переключение двигателя в однофазный режим требует небольшой его доработки.
Вскрывают клеммную коробку и определяют, с какой стороны крышки корпуса двигателя подходят выводы обмоток. Отворачивают болты крепления крышки и вынимают ее из корпуса двигателя. Находят место соединения трех обмоток в общую точку и подпаивают к общей точке дополнительный проводник с сечением, соответствующим сечению провода обмотки. Скрутку с подпаянным проводником изолируют изолентой или поливинилхлоридной трубкой, а дополнительный вывод протягивают в клеммную коробку. После этого крышку корпуса устанавливают на место.
Схема коммутации электродвигателя в этом случае будет иметь вид, показанный на рис. 8.
Во время разгона двигателя используется соединение обмоток «звездой» с подключением фазосдвигающего конденсатора Сп. В рабочем режиме в сеть остается включенной только одна обмотка, и вращение ротора поддерживается пульсирующим магнитным полем. После переключения обмоток конденсатор Сп разряжается через резистор Rр. Работа представленной схемы была опробована с двигателем типа АИР-100S2Y3 (4 кВт, 2800 об./мин), установленном на самодельном деревообрабатывающем станке, и показала свою эффективность.
Детали
В схеме коммутации обмоток электродвигателя в качестве коммутационного устройства SA1 следует использовать пакетный переключатель на рабочий ток не менее 16 А, например переключатель типа ПП2-25/Н3 (двухполюсный с нейтралью, на ток 25 А). Переключатель SA2 может быть любого типа, но на ток не менее 16 А. Если реверс двигателя не требуется, то этот переключатель SA2 можно исключить из схемы.
Недостатком предложенной схемы включения мощного трехфазного электродвигателя в однофазную сеть можно считать чувствительность двигателя к перегрузкам. Если нагрузка на валу достигнет половины мощности двигателя, то может произойти снижение скорости вращения вала вплоть до полной его остановки. В этом случае снимается нагрузка с вала двигателя. Переключатель переводится сначала в положение «Разгон», а потом в положение «Работа», после чего продолжают дальнейшую работу.
Для того чтобы улучшить пусковые характеристики двигателей, кроме пускового и рабочего конденсатора можно использовать еще и индуктивность, что улучшает равномерность загрузки фаз.
Бывают в жизни ситуации, когда нужно включить какое-то промышленное оборудование в обычную домашнюю сеть электропитания. Тут же возникает проблема с числом проводов. У машин, предназначенных для эксплуатации на предприятиях, выводов, как правило, три, а бывает и четыре. Что с ними делать, куда их подключать? Те, кто пытался испробовать различные варианты, убедились, что моторы просто так крутиться не хотят. Возможно ли вообще однофазное подключение трехфазного двигателя? Да, добиться вращения можно. К сожалению, в этом случае неизбежно падение мощности почти вдвое, но в некоторых ситуациях это - единственный выход.
Напряжения и их соотношение
Для того чтобы понять, как подключить трехфазный двигатель к обычной розетке, следует разобраться, как соотносятся напряжения в промышленной сети. Общеизвестны величины напряжений - 220 и 380 Вольт. Раньше еще было 127 В, но в пятидесятые годы от этого параметра отказались в пользу более высокого. Откуда взялись эти «волшебные цифры»? Почему не 100, или 200, или 300? Вроде бы круглые цифры считать легче.
Большая часть промышленного электрооборудования рассчитана на подключение к трехфазной сети Напряжение каждой из фаз по отношению к нейтральному проводу составляет 220 Вольт, совсем как в домашней розетке. Откуда же берутся 380 В? Это очень просто, достаточно рассмотреть равнобедренный треугольник с углами в 60, 30 и 30 градусов, который представляет собой векторная диаграмма напряжений. Длина самой длинной стороны будет равна длине бедра, умноженной на cos 30°. После нехитрых подсчетов можно убедиться, что 220 х cos 30°= 380.
Устройство трехфазного двигателя
Не все типы промышленных двигателей могут работать от одной фазы. Самые распространенные из них - «рабочие лошадки», составляющие большинство электромашин на любом предприятии - асинхронные машины мощностью в 1 - 1,5 кВА. Как работает такой трехфазный двигатель в трехфазной сети, для которой он предназначен?
Изобретателем этого революционного устройства стал русский ученый Михаил Осипович Доливо-Добровольский. Этот выдающийся электротехник был сторонником теории трехфазной питающей сети, которая в наше время стала главенствующей. трехфазный работает по принципу индукции токов от обмоток статора на замкнутые проводники ротора. В результате их протекания по короткозамкнутым обмоткам в каждой из них возникает магнитное поле, вступающее во взаимодействие с силовыми линиями статора. Так получается вращающий момент, приводящий к круговому движению оси двигателя.
Обмотки расположены под углом 120°, таким образом, вращающееся поле, создаваемое каждой из фаз, последовательно толкает каждую намагничиваемую сторону ротора.
Треугольник или звезда?
Трехфазный двигатель в трехфазной сети может включаться двумя способами - с участием нейтрального провода или без него. Первый способ называется «звезда», в этом случае каждая из обмоток находится под (между фазой и нулем), равным в наших условиях 220 В. Схема подключения трехфазного двигателя «треугольником» предполагает последовательное соединение трех обмоток и подачу линейного (380 В) напряжения на узлы коммутации. Во втором случае двигатель будет выдавать большую примерно в полтора раза мощность.
Как включить мотор в обратном направлении?
Управление трехфазным двигателем может предполагать необходимость изменения направления вращения на противоположное, то есть реверс. Чтобы этого добиться, нужно просто поменять местами два провода из трех.
Для удобства изменения схемы в клеммной коробке двигателя предусмотрены перемычки, выполненные, как правило, из меди. Для включения «звездой» нежно соединить три выходных провода обмоток вместе. «Треугольник» получается немного сложнее, но и с ним справится любой электрик средней квалификации.
Фазосдвигающие емкости
Итак, порой возникает вопрос о том, как подключить трехфазный двигатель в обычную домашнюю розетку. Если просто попробовать подсоединить к вилке два провода, он вращаться не станет. Для того чтобы дело пошло, нужно сымитировать фазу, сдвинув подаваемое напряжение на какой-то угол (желательно 120°). Добиться этого эффекта можно, если применить фазосдвигающий элемент. Теоретически это может быть и индуктивность, и даже сопротивление, но чаще всего трехфазный двигатель в однофазной сети включается с использованием электрических обозначаемых на схемах латинской буквой С.
Что касается применений дросселей, то оно затруднено по причине сложности определения их значения (если оно не указано на корпусе прибора). Для замера величины L требуется специальный прибор или собранная для этого схема. К тому же выбор доступных дросселей, как правило, ограничен. Впрочем, экспериментально любой фазосдвигающий элемент подобрать можно, но это дело хлопотное.
Что происходит при включении двигателя? На одну из точек соединения подается ноль, на другую - фаза, а на третью - некое напряжение, сдвинутое на некоторый угол относительно фазы. Понятно и неспециалисту, что работа двигателя не будет полноценной в отношении механической мощности на валу, но в некоторых случаях достаточно самого факта вращения. Однако уже при запуске могут возникать некоторые проблемы, например, отсутствие начального момента, способного сдвинуть ротор с места. Что делать в этом случае?
Пусковой конденсатор
В момент пуска валу требуются дополнительные усилия для преодоления сил инерции и трения покоя. Чтобы увеличить момент вращения, следует установить дополнительный конденсатор, подключаемый к схеме только в момент старта, а затем отключающийся. Для этих целей лучшим вариантом является применение замыкающей кнопки без фиксации положения. Схема подключения трехфазного двигателя со стартовым конденсатором приведена ниже, она проста и понятна. В момент подачи напряжения следует нажать на кнопку «Пуск», и создаст дополнительной сдвиг фазы. После того как двигатель раскрутится до нужных оборотов, кнопку можно (и даже нужно) отпустить, и в схеме останется только рабочая емкость.
Расчет величины емкостей
Итак, мы выяснили, что для того, чтобы включить трехфазный двигатель в однофазной сети, требуется дополнительная схема подключения, в которую, помимо пусковой кнопки, входят два конденсатора. Их величину нужно знать, иначе работать система не будет. Для начала определим величину электрической емкости, необходимую для того, чтобы заставить ротор тронуться с места. При параллельном включении она представляет собой сумму:
С = С ст + Ср, где:
С ст - стартовая дополнительная отключаемая после разбега емкость;
С р - рабочий конденсатор, обеспечивающий вращение.
Еще нам потребуется величина номинального тока I н (она указана на табличке, прикрепленной к двигателю на заводе-изготовителе). Этот параметр также можно определить с помощью нехитрой формулы:
I н = P / (3 х U), где:
U - напряжение, при подключении «звездой» - 220 В, а если «треугольник», то 380 В;
P - мощность трехфазного двигателя, ее иногда в случае утери таблички определяют на глаз.
Итак, зависимости требуемой рабочей мощности вычисляются по формулам:
С р = Ср = 2800 I н / U - для «звезды»;
С р = 4800 I н / U - для «треугольника»;
Пусковой конденсатор должен быть больше рабочего в 2-3 раза. Единица измерения - микрофарады.
Есть и совсем уж простой способ вычисления емкости: C = P /10, но эта формула скорее дает порядок цифры, чем ее значение. Впрочем, повозиться в любом случае придется.
Почему нужна подгонка
Метод расчета, приведенный выше, является приблизительным. Во-первых, номинальное значение, указанное на корпусе электрической емкости, может существенно отличаться от фактического. Во-вторых, бумажные конденсаторы (вообще говоря, вещь недешевая) часто используются бывшие в употреблении, и они, как всякие прочие предметы, подвержены старению, что приводит к еще большему отклонению от указанного параметра. В-третьих, ток, который будет потребляться двигателем, зависит от величины механической нагрузки на валу, а потому оценить его можно только экспериментально. Как это сделать?
Здесь потребуется немного терпения. В результате может получиться довольно объемный набор конденсаторов, Главное - после окончания работы все хорошенько закрепить, чтобы не отваливались припаянные концы от вибраций, исходящих от мотора. А потом не лишним будет еще раз проанализировать результат и, возможно, упростить конструкцию.
Составление батареи емкостей
Если в распоряжении у мастера нет специальных электролитических клещей, позволяющий замерять ток без размыкания цепей, то следует подключить амперметр последовательно к каждому проводу, который входит в трехфазный двигатель. В однофазной сети будет протекать суммарное значение, а подбором конденсаторов следует стремиться к наиболее равномерной загрузке обмоток. При этом следует помнить о том, что при последовательном подключении общая емкость уменьшается по закону:
Также необходимо не забывать и о таком важном параметре, как напряжение, на которое рассчитан конденсатор. Оно должно быть не менее номинального значения сети, а лучше с запасом.
Разрядный резистор
Схема трехфазного двигателя, включенного между одной фазой и нейтральным проводом, иногда дополняется сопротивлением. Оно служит для того, чтобы на стартовом конденсаторе не накапливался заряд, остающийся после того, как машина уже выключена. Эта энергия может вызвать электрический удар, не опасный, но крайне неприятный. Для того чтобы обезопасить себя, следует параллельно с пусковой емкостью соединить резистор (у электриков это называется «зашунтировать»). Величина его сопротивления большая - от половины мегома до мегома, а по размерам он невелик, поэтому довольно и полуваттной мощности. Впрочем, если пользователь не боится быть «ущипнутым», то без этой детали вполне можно и обойтись.
Использование электролитов
Как уже отмечалось, пленочные или бумажные электрические емкости дорогие, и прибрести их не так просто, как хотелось бы. Можно произвести однофазное подключение трехфазного двигателя с использованием недорогих и доступных электролитических конденсаторов. При этом совсем уж дешевыми они тоже не будут, так как должны выдерживать 300 Вольт постоянного тока. Для безопасности их следует зашунтировать полупроводниковыми диодами (Д 245 или Д 248, например), но нелишним будет помнить о том, что при пробитии этих приборов переменное напряжение попадет на электролит, и он сперва сильно нагреется, а потом взорвется, громко и эффектно. Поэтому без крайней необходимости лучше все же использовать конденсаторы бумажного типа, работающие под напряжением хоть постоянным, хоть переменным. Некоторые мастера вполне допускают применение электролитов в пусковых цепях. В силу кратковременного воздействия на них переменного напряжения, они могут и не успеть взорваться. Лучше не экспериментировать.
Если нет конденсаторов
Где обычные граждане, не имеющие доступа к пользующимся спросом электрическим и электронным деталям, их приобретают? На барахолках и «блошиных рынках». Там они лежат, заботливо выпаянные чьими-то (обычно пожилыми) руками из старых стиральных машин, телевизоров и прочей вышедшей из обихода и строя бытовой и промышленной техники. Просят за эти изделия советского производства немало: продавцы знают, что если деталь нужна, то ее купят, а если нет - и даром не возьмут. Бывает, что как раз самого необходимого (в данном случае конденсатора) как раз и нет. И что же делать? Не беда! Сойдут и резисторы, только нужны мощные, желательно керамические и остеклованные. Конечно, идеальное сопротивление (активное) фазу не сдвигает, но в этом мире ничего нет идеального, и в нашем случае это хорошо. Каждое физическое тело обладает собственной индуктивностью, электрической мощностью и резистивностью, будь оно крошечной пылинкой или огромной горой. Включение трехфазного двигателя в розетку становится возможным, если на вышеприведенных схемах заменить конденсатор сопротивлением, номинал которого вычисляется по формуле:
R = (0,86 x U) / kI, где:
kI - величина тока при трехфазном подключении, А;
U - наши верные 220 Вольт.
Какие двигатели подойдут?
Перед тем как приобретать за немалые деньги мотор, который рачительный хозяин собирается использовать в качестве привода для точильного круга, циркулярной пилы, сверлильного станка или другого какого-либо полезного домашнего устройства, не помешает подумать о его применимости для этих целей. Не каждый трехфазный двигатель в однофазной сети вообще сможет работать. Например, серию МА (у него короткозамкнутый ротор с двойной клеткой) следует исключить, дабы не пришлось тащить домой немалый и бесполезный вес. Вообще, лучше всего сначала поэкспериментировать или пригласить опытного человека, электромеханика, например, и посоветоваться с ним перед покупкой. Вполне подойдет асинхронный двигатель трехфазный серии УАД, АПН, АО2, АО и, конечно же, А. Эти индексы указаны на заводских табличках.
В домашнем хозяйстве иногда возникает необходимость запустить 3х фазный асинхронный электродвигатель (АД). При наличии 3х фазной сети это не составляет трудностей. При отсутствии 3х фазной сети двигатель можно запустить и от однофазной сети, добавив в схему конденсаторы.
Конструктивно АД состоит из неподвижной части – статора, и подвижной – ротора. На статоре в пазах укладываются обмотки. Обмотка статора представляет собой трёхфазную обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл. градусов. Концы и начала обмоток выводятся в соединительную коробку. Обмотки образуют пары полюсов. От числа пар полюсов зависит номинальная частота вращения ротора двигателя. Большинство общепромышленных двигателей имеют 1-3 пары полюсов, реже 4. АД с большим числом пар полюсов имеют низкий КПД, больше габариты, поэтому используются редко. Чем больше пар полюсов, тем меньше частота вращение ротора двигателя. Общепромышленые АД выпускаются с рядом стандартных скоростей вращения ротора: 300, 1000, 1500, 3000 об/мин.
Ротор АД представляет собой вал, на котором находится короткозамкнутая обмотка. В АД малой и средней мощности обмотку обычно изготавливают путём заливки расплавленного алюминиевого сплава в пазы сердечника ротора. Вместе со стержнями отливают короткозамкнутые кольца и торцевые лопасти, осуществляющие вентиляцию машины. В машинах большой мощности обмотку выполняют из медных стержней, концы которых соединяют с короткозамкнутыми кольцами при помощи сварки.
При включении АД в 3ф сеть по обмоткам по очереди в разный момент времени начинает идти ток. В один период времени ток проходит по полюсу фазы А, в другой по полюсу фазы В, в третий по полюсу фасы С. Проходя через полюса обмоток, ток поочередно создает вращающее магнитное поле, которое взаимодействует с обмоткой ротора и заставляет его вращаться, как бы подталкивая его в разных плоскостях в разный момент времени.
Если включить АД в 1ф сеть, вращающий момент будет создаваться только одной обмоткой. Действовать на ротор такой момент будет в одной плоскости. Такого момента не достаточно, чтоб сдвинуть и вращать ротор. Чтобы создать сдвиг фазы тока полюса, относительно питающей фазы, применяют фазосдвигающие конденсаторы рис.1.
Конденсаторы можно применять любых типов, кроме электролитических. Хорошо подходят конденсаторы типа МБГО, МБГ4, К75-12, К78-17. Некоторые данные конденсаторов приведены в таблице 1.
Если необходимо набрать определенную емкость, то конденсаторы следует соединить параллельно.
Основные электрические характеристики АД приводятся в паспорте рис.2.
Рис.2
Из паспорта видно, что двигатель трехфазный, мощностью 0,25 кВт, 1370 об/мин, есть возможность менять схему соединения обмоток. Схема соединения обмоток «треугольник» при напряжении 220В, «звезда», при напряжении 380В,соответственно ток 2,0/1,16А.
Схема соединения «звезда» изображена на рис.3. При таком включении к обмоткам электродвигателя между точками АВ (линейное напряжение U л) подводится напряжение в раза больше напряжения между точками АО (фазное напряжение U ф).
Рис.3 Схема подключения «звезда».
Таким образом линейное напряжение в раза больше фазного напряжения: . При этом фазный ток I ф равен линейному току I л.
Рассмотрим схему соединения «треугольник» рис. 4:
Рис.4 Схема соединения «треугольник»
При таком соединении линейное напряжение U Л равное фазному напряжению U ф., а ток в линии I л в раза больше фазного тока I ф: .
Таким образом если АД рассчитан на напряжение 220/380 В, то для его подключения к фазному напряжению 220 В используется схема соединения обмоток статора «треугольник». А для подключения к линейному напряжению 380 В – соединение «звезда».
Для пуска данного АД от однофазной сети напряжением 220В нам следует включить обмотки по схеме «треугольник», рис.5.
Рис.5 Схема соединения обмоток ЭД по схеме «треугольник»
Схема соединение обмоток в выводной коробке показана на рис. 6
Рис.6 Соединение в выводной коробке ЭД по схеме «треугольник»
Чтобы подключить электродвигатель по схеме «звезда» необходимо две фазные обмотки подключить непосредственно в однофазную сеть, а третью – через рабочий конденсатор С р к любому из проводов сети рис. 6.
Соединение в выводной коробке для схемы «звезда» изображено на рис. 7.
Рис.7 Схема соединения обмоток ЭД по схеме «звезда»
Схема соединение обмоток в выводной коробке показана на рис. 8
Рис.8 Соединение в выводной коробке ЭД по схеме «звезда»
Емкость рабочего конденсатора С р для данных схем рассчитывается по формуле:
,
где I н - номинальный ток, U н - номинальное рабочее напряжение.
В нашем случае, для включения по схеме «треугольник» емкость рабочего конденсатора C р = 25 мкФ.
Рабочее напряжение конденсатора должно быть в 1.15 раз больше номинального напряжения питающей сети.
Для пуска АД не большой мощности обычно достаточно рабочего конденсатора, но при мощности более 1.5 кВт двигатель либо не запускается, либо очень медленно набирает обороты, поэтому необходимо применить еще пусковой конденсатор С п. Емкость пускового конденсатора должна быть в 2.5-3 раза больше емкости рабочего конденсатора.
Схема соединения обмоток электродвигателя, соединенных по схеме «треугольник» с применением пусковых конденсаторов С п представлена на рис. 9.
Рис.9 Схема соединения обмоток ЭД по схеме «треугольник» с применением пусковых конденсатов
Схема соединения обмоток двигателя «звезда» с применением пусковых конденсаторов представлена на рис. 10.
Рис.10 Схема соединения обмоток ЭД по схеме «звезда» с применением пусковых конденсаторов.
Пусковые конденсаторы С п подключают параллельно рабочим конденсаторам при помощи кнопки КН на время 2-3 с. При этом скорость вращения ротора электродвигателя должна достигнуть 0.7…0.8 от номинальной скорости вращения.
Для запуска АД с применением пусковых конденсаторов удобно применять кнопку рис.11.
Рис.11
Конструктивно кнопка представляет собой трехполюсный выключатель, одна пара контактов которого замыкается, когда кнопка нажата. При отпускании контакты размыкаются, а остальная пара контактов остается включенной, до тех пор, пока не будет нажата кнопка стоп. Средняя пара контактов выполняет функцию кнопки КН (рис.9, рис.10), через которую подключают пусковые конденсаторы, две остальных пары работают как выключатель.
Может оказаться так, что в соединительной коробке электродвигателя концы фазных обмоток выполнены внутри двигателя. Тогда АД можно подключить только по схемам рис.7, рис. 10, в зависимости от мощности.
Существует еще схема соединения обмоток статора трехфазного электродвигателя - неполная звезда рис. 12. Выполнение соединения по данной схеме возможно, если начала и концы фазных обмоток статора выведены в соединительную коробку.
Рис.12
Подключать ЭД по такой схеме целесообразно, когда необходимо создать пусковой момент, превышающий номинальный. Такая необходимость возникает в приводах механизмов с тяжелыми условиями пуска, при пуске механизмов под нагрузкой. Следует отметить, что результирующий ток в питающих проводах превышает номинальный ток на 70-75%. Это необходимо учитывать при выборе сечения провода для подключения электродвигателя
Емкость рабочего конденсатора С р для схемы рис. 12 рассчитывается по формуле:
.
Емкости пусковых конденсаторов должны быть в 2.5-3 раза больше емкости С р. Рабочее напряжение конденсаторов в обеих схемах должно быть в 2.2 раза больше номинального напряжения.
Обычно выводы статорных обмоток электродвигателей маркируют металлическими или картонными бирками с обозначением начал и концов обмоток. Если же бирок по каким-либо причинам не окажется, поступают следующим образом. Сначала определяют принадлежность проводов к отдельным фазам статорной обмотки. Для этого следует взять любой из 6 наружных выводов электродвигателя и присоединить его к какому-либо источнику питания, а второй вывод источника подсоедините к контрольной лампочке и вторым проводом от лампы поочередно прикоснитесь к оставшимся 5 выводам статорной обмотки, пока лампочка не загорится. Загорание лампочки означает, что 2 вывода принадлежат к одной фазе. Условно пометим бирками начало первого провода С1 ,а его конец - С4. Аналогично найдем начало и конец второй обмотки и обозначим их С2 и С5, а начало и конец третьей - С3 и С6.
Следующим и основным этапом будет определение начала и конца статорных обмоток. Для этого воспользуемся способом подбора, который применяется для электродвигателей мощностью до 5 кВт. Соединим все начала фазных обмоток электродвигатели согласно ранее присоединенным биркам в одну точку (используя схему «звезда») и включим электродвигатель в однофазную сеть с использованием конденсаторов.
Если двигатель без сильного гудения сразу наберет номинальную частоту вращения, это означает, что в общую точку попали все начала или все концы обмотки. Если при включении двигатель сильно гудит и ротор не может набрать номинальную частоту вращения, то в первой обмотке следует поменять местами выводы С1 и С4. Если это не помогает, концы первой обмотки необходимо вернуть в первоначальное положение и теперь уже выводы С2 и С5 поменяйте местами. То же самоё сделайте; в отношении третьей пары, если двигатель продолжает гудеть.
При определении начал и концов обмоток строго придерживайтесь правил техники безопасности. В частности, прикасаясь к зажимам статорной обмотки, провода держите только за изолированную часть. Это необходимо делать еще и потому, что электродвигатель имеет общий стальной магнитопровод и на зажимах других обмоток может появиться большое напряжение.
Для изменения направления вращения ротора АД, включенного в однофазную сеть по схеме «треугольник» (см. рис.5), достаточно третью фазную обмотку статора (W) подсоединить через конденсатор к зажиму второй фазной обмотки статора (V).
Чтобы изменить направление вращения АД, включенного в однофазную сеть по схеме «звезда» (см. рис.7), нужно третью фазную обмотку статора (W) подсоединить через конденсатор к зажиму второй обмотки (V).
При проверке технического состояния электродвигателей нередко можно с огорчением заметить, что после продолжительной работы появляются посторонний, шум и вибрация, а ротор трудно повернуть вручную. Причиной этого может быть плохое состояние подшипников: беговые дорожки покрыты ржавчиной, глубокими царапинами и вмятинами, повреждены отдельные шарики и сепаратор. Во всех случаях необходимо осмотреть электродвигатель и устранить имеющиеся неисправности. При незначительном повреждении достаточно промыть подшипники бензином, и смазать их.
Среди разных методов пуска трехфазных электродвигателей в однофазную сеть, более обычный базируется на подключении третьей обмотки через фазосдвигающий конденсатор. Нужная мощность развиваемая движком в данном случае составляет 50…60% от его мощности в трехфазном включении. Не все трехфазные электродвигатели, однако, хорошо работают при подключении к однофазной сети. Среди таких электродвигателей можно выделить, к примеру, с двойной секцией короткозамкнутого ротора серии МА. В связи с этим при выборе трехфазных электродвигателей для работы в однофазной сети следует дать предпочтение движкам серий А, АО, АО2, АПН, УАД и др.
Для обычной работы электродвигателя с конденсаторным запуском нужно, чтоб емкость применяемого конденсатора изменялась зависимо от числа оборотов. На практике это условие выполнить достаточно трудно, потому употребляют двухступенчатое управление движком. При пуске мотора подключают два конденсатора, а после разгона один конденсатор отключают и оставляют только рабочий конденсатор.
1.2. Расчет характеристик и частей электродвигателя.
Если, к примеру, в паспорте электродвигателя обозначено напряжение его питания 220/380, то движок включают в однофазную сеть по схеме, представленной на рис. 1
Схема включения трехфазного электродвигателя в сеть 220 В
С р – рабочий конденсатор;
С п – пусковой конденсатор;
П1 – пакетный выключатель
После включения пакетного выключателя П1 замыкаются контакты П1.1 и П1.2, после чего нужно сразу надавить кнопку “Разгон”. После набора оборотов кнопка отпускается. Реверсирование электродвигателя осуществляется методом переключения фазы на его обмотке переключателем SA1.
Емкость рабочего конденсатора Ср в случае соединения обмоток мотора в “ треугольник” определяется по формуле:
, где
U -напряжение в сети, В
А в случае соединения обмоток мотора в “звезду” определяется по формуле:
, где
Ср – емкость рабочего конденсатора в мкФ;
I – потребляемый электродвигателем ток в А;
U -напряжение в сети, В
Потребляемый электродвигателем ток в выше приведенных формулах, при известной мощности электродвигателя, можно вычислить из последующего выражения:
, где
Р – мощность мотора в Вт, обозначенная в его паспорте;
h – КПД;
cos j – коэффициент мощности;
U -напряжение в сети, В
Емкость пускового конденсатора Сп выбирают в 2..2,5 раза больше емкости рабочего конденсатора. Эти конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение в 1,5 раза больше напряжения сети. Для сети 220 В лучше использовать конденсаторы типа МБГО, МБПГ, МБГЧ с рабочим напряжением 500 В и выше. При условии краткосрочного включения в качестве пусковых конденсаторов можно использовать и электролитические конденсаторы типа К50-3, ЭГЦ-М, КЭ-2 с рабочим напряжением более 450 В. Для большей надежности электролитические конденсаторы соединяют поочередно, соединяя меж собой их минусовые выводы, и шунтируют диодами (рис. 2)
Схема соединения электролитических конденсаторов для использования их в качестве пусковых конденсаторов.
Общая емкость соединенных конденсаторов составит (С1+С2)/2.
На практике величину емкостей рабочих и пусковых конденсаторов выбирают зависимо от мощности мотора по табл. 1
Таблица 1. Значение емкостей рабочих и пусковых конденсаторов трехфазного электродвигателя зависимо от его мощности при включении в сеть 220 В.
Необходимо подчеркнуть, что у электродвигателя с конденсаторным запуском в режиме холостого хода по обмотке, питаемой через конденсатор, протекает ток на 20…30 % превосходящий номинальный. В связи с этим, если движок нередко используется в недогруженном режиме либо вхолостую, то в данном случае емкость конденсатора Ср следует уменьшить. Может случиться, что во время перегрузки электродвигатель тормознул, тогда для его пуска опять подключают пусковой конденсатор, сняв нагрузку полностью либо снизив ее до минимума.
Емкость пускового конденсатора Сп можно уменьшить при пуске электродвигателей на холостом ходу либо с маленькой нагрузкой. Для включения, к примеру, электродвигателя АО2 мощностью 2,2 кВт на 1420 об/мин можно использовать рабочий конденсатор емкостью 230 мкФ, а пусковой – 150 мкФ. В данном случае электродвигатель уверенно запускается при маленький нагрузке на валу.
1.3. Переносной универсальный блок для запуска трехфазных электродвигателей мощностью около 0,5 кВт от сети 220 В .
Для пуска электродвигателей разных серий, мощностью около 0,5 кВт, от однофазной сети без реверсирования, можно собрать переносной универсальный пусковой блок (рис. 3)
Схема переносного универсального блока для запуска трехфазных электродвигателей мощностью около 0,5 кВт от сети 220 В без реверса.
При нажатии на кнопку SB1 срабатывает магнитный пускатель КМ1 (переключатель SA1 замкнут) и собственной контактной системой КМ 1.1, КМ 1.2 подключает электродвигатель М1 к сети 220 В. Сразу с этим 3-я контактная группа КМ 1.3 замыкает кнопку SB1. После полного разгона мотора переключателем SA1 отключают пусковой конденсатор С1. Остановка мотора осуществляется нажатием на кнопку SB2.
1.3.1. Детали.
В устройстве используется электродвигатель А471А4 (АО2-21-4) мощностью 0,55 кВт на 1420 об/мин и магнитный пускатель типа ПМЛ, рассчитанный на переменный ток напряжением 220 В. Кнопки SB1 и SB2 – спаренные типа ПКЕ612. В качестве тумблера SA1 используется переключатель Т2-1. В устройстве постоянный резистор R1 – проволочный, типа ПЭ-20, а резистор R2 типа МЛТ-2. Конденсаторы С1 и С2 типа МБГЧ на напряжение 400 В. Конденсатор С2 составлен из параллельно соединенных конденсаторов по 20 мкФ 400 В. Лампа HL1 типа КМ-24 и 100 мА.
Пусковое устройство смонтировано в железном корпусе размером 170х140х50 мм (рис. 4)
1 – корпус
2 – ручка для переноски
3 – сигнальная лампа
4 – переключатель отключения пускового конденсатора
5 – кнопки “Запуск” и “Стоп”
6 – доработанная электровилка
7 – панель с гнездами разъема
На верхней панели корпуса размещены кнопки “Запуск” и “Стоп” – сигнальная лампа и переключатель для отключения пускового конденсатора. На фронтальной панели корпуса устройства находится разъем для подключения электродвигателя.
Для отключения пускового конденсатора можно использовать дополнительное реле К1, тогда надобность в тумблере SA1 отпадает, а конденсатор будет отключаться автоматом (рис.5)
Схема пускового устройства с автоматическим отключением пускового конденсатора.
При нажатии на кнопку SB1 срабатывает реле К1 и контактной парой К1.1 включает магнитный пускатель КМ1, а К1.2 – пусковой конденсатор Сп. Магнитный пускатель КМ1 само блокируется при помощи собственной контактной пары КМ 1.1, а контакты КМ 1.2 и КМ 1.3 подсоединяют электродвигатель к сети. Кнопку “Запуск” держат нажатой до полного разгона мотора, а после отпускают. Реле К1 обесточивается и отключает пусковой конденсатор, который разряжается через резистор R2. В это время магнитный пускатель КМ 1 остается включенным и обеспечивает питание электродвигателя в рабочем режиме. Для остановки электродвигателя следует нажать кнопку “Стоп”. В улучшенном пусковом устройстве по схеме рис.5, можно использовать реле типа МКУ-48 либо ему схожее.
2. Внедрение электролитических конденсаторов в схемах пуска электродвигателей.
При включении трехфазных асинхронных электродвигателей в однофазную сеть, обычно используют простые бумажные конденсаторы. Но практика показала, что вместо массивных бумажных конденсаторов можно использовать оксидные (электролитические) конденсаторы, которые имеют наименьшие габариты и более доступны в плане покупки. Схема эквивалентной замены обычного бумажного конденсатора дана на рис. 6
Схема задмены бумажного конденсатора (а) электролитическим (б, в).
Положительная полуволна переменного тока проходит через цепочку VD1, С2, а отрицательная VD2, С2. Исходя из этого можно использовать оксидные конденсаторы с допустимым напряжением вдвое наименьшим, чем для обычных конденсаторов той же емкости. К примеру, если в схеме для однофазной сети напряжением 220 В употребляется бумажный конденсатор на напряжение 400 В, то при его подмене, по вышеприведенной схеме, можно использовать электролитический конденсатор на напряжение 200 В. В приведенной схеме емкости обоих конденсаторов схожи и выбираются аналогично методике выбора бумажных конденсаторов для пускового устройства.
2.1. Включение трехфазного мотора в однофазовую сеть с внедрением электролитических конденсаторов.
Схема включения трехфазного мотора в однофазную сеть с внедрением электролитических конденсаторов приведена на рис.7.
Схема включения трехфазного мотора в однофазовую сеть с помощью электролитических конденсаторов.
В приведенной схеме, SA1 – тумблер направления вращения мотора, SB1 – кнопка разгона мотора, электролитические конденсаторы С1 и С3 используются для запуска мотора, С2 и С4 – во время работы.
Подбор электролитических конденсаторов в схеме рис. 7 лучше создавать при помощи токоизмерительных клещей. Определяют токи в точках А, В, С и достигает равенства токов в этих точках методом ступенчатого подбора емкостей конденсаторов. Замеры проводят при нагруженном движке в том режиме, в каком подразумевается его эксплуатация. Диоды VD1 и VD2 для сети 220 В выбираются с оборотным очень допустимым напряжением более 300 В. Наибольший прямой ток диода находится в зависимости от мощности мотора. Для электродвигателей мощностью до 1 кВт подходят диоды Д245, Д245А, Д246, Д246А, Д247 с прямым током 10 А. При большей мощности мотора от 1 кВт до 2 кВт необходимо взять большие диоды с подходящим прямым током, либо поставить несколько меньших диодов параллельно, установив их на радиаторы.
Следует обратить ВНИМАНИЕ на то, что при перегрузке диода может произойти его пробой и через электролитический конденсатор потечет переменный ток, что может привести к его нагреву и взрыву.
3. Включение мощных трехфазных движков в однофазную сеть.
Конденсаторная схема включения трехфазных движков в однофазовую сеть позволяет получить от мотора менее 60% от номинальной мощности, в то время как предел мощности электрифицированного устройства ограничивается 1,2 кВт. Этого очевидно недостаточно для работы электрорубанка либо электрической пилы, которые обязаны иметь мощность 1,5…2 кВт. Неувязка в этом случае может быть решена внедрением электродвигателя большей мощности, к примеру, с мощностью 3…4 кВт. Такового типа движки рассчитаны на напряжение 380 В, их обмотки соединены «звездой» и в клеммной коробке содержится всего 3 вывода. Включение такового мотора в сеть 220 В приводит к понижению номинальной мощности мотора в 3 раза и на 40 % при работе в однофазовой сети. Такое понижение мощности делает движок неприменимым для работы, но может быть применено для раскрутки ротора вхолостую либо с малой нагрузкой. Практика указывает, что большая часть электродвигателей уверенно разгоняется до номинальных оборотов, и в данном случае пусковые токи не превосходят 20 А.
3.1. Доработка трехфазного мотора.
Более просто можно выполнить перевод мощного трехфазного мотора в рабочий режим, если переработать его на однофазовый режим работы, получая при всем этом 50 % номинальной мощности. Переключение мотора в однофазный режим требует его доработки. Вскрывают клеммную коробку и определяют, с какой стороны крышки корпуса мотора подходят выводы обмоток. Отворачивают болты крепления крышки и вынимают ее из корпуса мотора. Находят место соединения 3-х обмоток в общую точку и подпаивают к общей точке дополнительный проводник с сечением, подходящим сечению провода обмотки. Скрутку с подпаянным проводником изолируют изолентой либо поливинилхлоридной трубкой, а дополнительный вывод протягивают в клеммную коробку. После чего крышку корпуса устанавливают на место.
Схема коммутации электродвигателя в данном случае будет иметь вид, показанный на рис. 8.
Схема коммутации обмоток трехфазного электродвигателя для включения в однофазовую сеть.
Во время разгона мотора используется соединение обмоток «звездой» с подключением фазосдвигающего конденсатора Сп. В рабочем режиме в сеть остается включенной только одна обмотка, и вращение ротора поддерживается пульсирующим магнитным полем. После переключения обмоток конденсатор Сп разряжается через резистор Rр. Работа представленной схемы была опробована с движком типа АИР-100S2Y3 (4 кВт, 2800 об/мин), установленном на самодельном деревообрабатывающем станке и показала свою эффективность.
3.1.1. Детали.
В схеме коммутации обмоток электродвигателя, в качестве коммутационного устройства SA1 следует использовать пакетный тумблер на рабочий ток более 16 А, к примеру, тумблер типа ПП2-25/Н3 (двухполюсный с нейтралью, на ток 25 А). Тумблер SA2 может быть любого типа, но на ток более 16 А. Если реверс мотора не требуется, то этот тумблер SA2 можно исключить из схемы.
Недостатком предложенной схемы включения мощного трехфазного электродвигателя в однофазную сеть можно считать чувствительность мотора к перегрузкам. Если нагрузка на валу достигнет половины мощности мотора, то может произойти понижение скорости вращения вала прямо до полной его остановки. В данном случае снимается нагрузка с вала мотора. Тумблер переводится поначалу в положение «Разгон», а позже в положение «Работа» и продолжают последующую работу.
