Бывает необходимость использовать трёхфазный двигатель в бытовой однофазной сети, при этом сразу возникают вопросы:
- какие двигатели можно использовать для этих целей;
- какую выбрать схему подключения;
- какие элементы могут понадобиться;
- нужно ли производить расчёт пускового конденсатора.
Об этих и некоторых других вопросах мы поговорим в данной статье.
Асинхронные электродвигатели
В современной промышленности и в быту наибольшее распространение получили электродвигатели переменного тока. Это обусловлено рядом преимуществ:
- простота конструкции;
- надёжность;
- долговечность;
- высокая эффективность;
- хорошие массогабаритные показатели.
Всё это привело к тому, что это не только самые распространённые, но и наиболее доступные электродвигатели с точки зрения цены и возможности их приобретения для обычных людей.
Прежде чем перейти непосредственно к теме пусковых конденсаторов, необходимо понять принципы работы этих машин. Есть три основных типа.
- Асинхронные с короткозамкнутым ротором.
- Асинхронные с фазным ротором.
- Синхронные.
Скорее всего, вы столкнётесь с необходимостью подключения первого типа двигателей, поэтому о них мы и будем говорить в дальнейшем.
Конструктивно электродвигатель состоит из неподвижного элемента — статора и вращающегося — ротора. На статоре намотана обмотка из медных проводов, концы и начала которых выведены в клеммную коробку. Обмотка ротора представляет собой алюминиевые стержни, залитые в специальные пазы в металлическом сердечнике ротора и замкнутые по краям кольцами из того же материала (поэтому данные машины и называются короткозамкнутыми). Вращение ротора возникает в результате взаимного воздействия магнитных полей статора и ротора друг на друга. В подавляющем большинстве случаев эти машины трёхфазные.
Принцип работы электродвигателя
При подключении электродвигателя к трёхфазной сети в статоре будет наводиться вращающееся магнитное поле, ротор начинает вращаться. Если же такой двигатель подключить к бытовой однофазной сети, магнитное поле машины будет пульсирующим и двигатель вращаться не будет.
Объяснить это состояние двигателя можно так. Представьте циферблат, где двенадцать часов, это точка, с которой двигатель начинает вращаться. Пульсирующее магнитное поле толкает ротор с одинаковой силой то вправо, то влево. Происходит это с большой частотой, и из-за инерционности ротора он не успевает разогнаться ни влево, ни вправо, при этом двигатель соответствующим образом гудит. Это опасное состояние, при котором он быстро перегревается и без использования защитных средств выйдет из строя. Если в этот момент рукой провернуть вал ротора в любую сторону, то двигатель начнёт вращаться.
Запускать электродвигатель таким способом неудобно, не всегда возможно и небезопасно. Поэтому при подключении трёхфазных двигателей к однофазной сети используют пусковой конденсатор, он позволяет сместить магнитное поле одной из обмоток и тем самым создать пусковой момент, под действием которого ротор начнёт вращаться.
Подключение трёхфазного электродвигателя к однофазной сети
Прежде чем производить расчёт ёмкости, необходимо убедиться, что двигатель может быть использован для сети 220 Вольт. Для начала смотрим на шильдик (металлическая пластинка с характеристиками) электродвигателя. Если там указано, что возможна работа при напряжении 380/220 Вольт или 220/127 Вольт, то такой двигатель нам подходит. Имейте в виду, что большее напряжение применяется при подключении электродвигателя звездой, а меньшее — при подключении треугольником.
На статоре намотано три одинаковых обмотки, при подключении звездой начала всех обмоток соединены в одну точку, а к концам подключается питающее напряжение. При подключении треугольником конец первой обмотки подключается к началу второй, конец второй — к началу третьей, конец третьей — к началу первой, а питающее напряжение подключается к точкам соединения двух обмоток.
Теперь вскрываем клеммную коробку и смотрим, как соединены обмотки. Начала и концы обмоток имеют следующее обозначение (в скобках указана новая маркировка):
- первая С1 (U1) — C4 (U2);
- вторая C2 (V1) — C5 (V2);
- третья C3 (W1) — C6 (W2).
Определить тип подключения можно при помощи подсказки, расположенной на внутренней стороне клеммной коробки.
При любой схеме подключения от двигателя будет идти три провода. В случае с однофазной цепью к двум из них подводится питающее напряжение, а третий провод соединяется с сетью через ёмкость, это и есть конденсатор для запуска двигателя и его работы. Для нормальной работы необходимо, чтобы этот конденсатор был подключён постоянно, и поэтому он называется рабочим. Конденсатор, который подключается для создания высокого пускового момента, называется пусковым.
Рабочий конденсатор
Подбор ёмкости для трехфазного электродвигателя — не такая простая задача, как может показаться. Для устойчивой работы в однофазной сети смещение магнитного поля в третьей обмотке должно присутствовать постоянно, для этого и рабочий конденсатор подключён к сети всё время работы двигателя. Поэтому конденсатор для пуска электродвигателя должен быть пригодным для длительной работы в сетях переменного тока.
В первую очередь, это специально изготовленные для этих целей конденсаторы с соответствующим рабочим напряжением. На корпусе таких элементов, кроме номинальной ёмкости, изображён значок переменного напряжения и указана его величина. В нашей сети напряжение 220 Вольт, значит, номинальное напряжение конденсатора должно быть больше или равно этой величине.
В советское время были широко распространены металлизированные бумажные герметизированные конденсаторы типа МБГО и аналогичные им. Благодаря тому, что они обладают хорошими показателями ёмкости и рабочего напряжения, а также из-за их надёжности они до сих пор широко используются домашними мастерами, в том числе и в качестве рабочих конденсаторов при переделке двигателей. На корпусе таких конденсаторов указано постоянное рабочее напряжение, поэтому нужно, чтобы оно превышало напряжение сети не менее чем в полтора раза. Для наших целей подойдут те, у которых рабочее напряжение выше 400 Вольт.
Расчёт конденсатора для трёхфазного двигателя
Для точного определения величины ёмкости конденсатора нужно провести несложный расчёт. При желании в сети можно найти онлайн-калькулятор, предназначенный для этих целей, или таблицы, в которых указаны различные мощности двигателей и соответствующие им величины ёмкости конденсаторов. Если есть необходимость произвести расчёт самостоятельно, то формулы имеют следующий вид:
Ср = (2800 · I) / Uc
Ср = (4800 · I) / Uc
Где:
- Ср — величина ёмкости, мкФ;
- 2800 коэффициент для схем с подключением звездой;
- 4800 коэффициент для схем с подключением треугольником;
- I — ток в схеме, А;
- Uc — напряжение сети, В.
Ток можно рассчитать по формуле:
I = P / (1,73 · Uc · cosφ · η)
Где:
- Р — мощность, Вт;
- cosφ — коэффициент мощности;
- η — КПД.
Все необходимые для расчёта данные можно найти на шильдике машины. При их отсутствии запомните, что для этого типа машин коэффициент мощности составляет примерно 0.9, а КПД около 0.75.
Для примера, произведём расчёт ёмкости конденсатора для двигателя мощностью 2 кВт при его включении треугольником к сети переменного тока напряжением 220 В. Рассчитаем ток в схеме (мощность из киловатт переводим в ватты):
I = P / (1,73 · Uc · cosφ · η) = 2000 / (1,73 · 220 · 0,9 · 0,75) = 7,78 А
Тогда ёмкость:
Ср = (4800 · I) / Uc = (4800 · 7,78) / 220 = 169,7 мкФ
В результате получили, что необходима ёмкость в 170 микрофарад. В продаже вы не найдёте конденсатор такой ёмкости для напряжения 220 В, но его можно собрать из нескольких, руководствуясь следующими формулами расчёта суммарной ёмкости:
- при параллельном соединении С = С1 + С2;
- при последовательном соединении С = (С1 · С2) / (С1 + С2).
Величина ёмкости собранной батареи может несколько отличаться от расчётной, но следует помнить, что увеличение ёмкости приведёт к росту тока в обмотках двигателя и, как результат, к его повышенному нагреву, поэтому лучше подобрать ёмкость батареи меньше расчётной.
Величина ёмкости зависит и от нагрузки на валу. Так как учесть эту величину при расчёте затруднительно, а ещё из-за того, что номинальные ёмкости конденсаторов могут отличаться от указанных на них, крайне желательно после запуска и выхода электродвигателя на рабочие обороты проверить токи в обмотках, и если они выше номинальных, то необходимо уменьшить суммарную ёмкость батареи.
Выбор пускового конденсатора для электродвигателя
Для устойчивого пуска и работы двигателей сравнительно небольшой мощности достаточно рабочего конденсатора, но для мощных машин необходимо применение пускового конденсатора. В схему он включается параллельно рабочему через выключатель. В отличие от рабочего, на пусковой напряжение подаётся только в момент пуска, и после разгона электродвигателя он отключается. Его величина выбирается из расчёта две или три величины ёмкости рабочего конденсатора.
Конденсаторы для запуска электродвигателя подключаются всего на несколько секунд, поэтому для бытовых нужд в качестве пусковых можно применять электролитические (полярные) конденсаторы. Их плюс в том, что они обладают значительно большей ёмкостью, чем неполярные, при тех же размерах и значительно дешевле. Много таких конденсаторов в старых ламповых телевизорах, так что найти их не составит особого труда. Требования по напряжению такие же, как и к рабочим конденсаторам.
Однофазные двигатели переменного тока
Большая потребность в двигателях переменного тока для бытовых нужд привела к появлению однофазных машин. Отличие их от ранее рассмотренных в том, что на их статоре расположено не три, а две обмотки: пусковая и рабочая. Как и для трёхфазных машин, для их работы в пусковой обмотке необходим фазосдвигающий элемент, поэтому схема подключения однофазного двигателя содержит конденсатор.
В завершение хотелось бы отметить, что при конденсаторной схеме включения трёхфазных двигателей в бытовую сеть их характеристики становятся значительно хуже.
Мощность уменьшается примерно на 30%, что в некоторых случаях делает невозможным эксплуатацию электрооборудования. Решить эту проблему можно заменой электродвигателя на более мощный.- Небольшой пусковой момент. Это ещё один значительный недостаток такой схемы подключения, поэтому запускать такие двигатели желательно без нагрузки.
- Низкий КПД и коэффициент мощности.
Что касается частоты вращения, то она остаётся неизменной и соответствует номинальной.
При монтаже и наладке схемы необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. Не забывайте, что в схеме присутствуют конденсаторы, поэтому после отключения питания необходимо дать им время для разрядки, прежде чем касаться токопроводящих частей схемы.
