Включение 3-х фазного двигателя в однофазную сеть, от теории к практике

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.

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.