Трехфазный двигатель в однофазной сети без конденсаторного запуска
В статье собраны советы, как можно подключить такой электродвигатель в однофазную сеть без использования конденсаторной батареи или частотного преобразователя за счет импульса тока от электронного ключа. Они дополняются схемами и видеороликом.
Принцип работы электронного ключа
Если собрать обмотки асинхронного электродвигателя по схеме треугольника и подключить к напряжению однофазной сети 220 вольт, то через них станут протекать одинаковые токи, как показано на графике ниже.
Угловое смещение любой обмотки относительно других составляет 120 градусов. Поэтому магнитные поля от каждой из них будут складываться, устранять взаимное влияние.
Создаваемое результирующее магнитное поле статора не будет оказывать влияние на ротор: он останется в состоянии покоя.
Чтобы электродвигатель начал вращение необходимо через его обмотки пропустить сдвинутые на 120° токи, как это делается в нормальной трехфазной системе питания или за счет подключения частотного преобразователя. Тогда двигатель станет вырабатывать мощность с минимальными потерями, обладая наибольшим КПД.
Широко распространённые промышленные схемы запуска трехфазного двигателя в однофазной сети позволяет ему работать, но с меньшим КПД и большими потерями, что, чаще всего, вполне допустимо.
Альтернативными методами являются:
- Механическая раскрутка ротора, например, за счет ручной намотки шнура на вал и резкого его прокручивания рывком при поданном напряжении;
- Сдвиг фаз токов за счет кратковременного использования электронного ключа, коммутирующего электрическое сопротивление одной обмотки.
Поскольку первый способ «намотал и дернул» не вызывает трудностей, то сразу анализируем второй.
На верхней схеме показан подключенный параллельно обмотке B электронный ключ «k». Это довольно условное обозначение принято для объяснения принципа работы электродвигателя за счет формирования токового импульса.
Как запускается двигатель
Обмотки статора подключены по схеме треугольника. На одну из них (A) подается напряжение 220 вольт. Параллельно ей подключена еще одна цепочка из двух последовательных обмоток (B+C).
По закону Ома напряжение сети создает в них токи. Их величина зависит от сопротивления. Все обмотки одинаковы. Поэтому в (A) ток больше, а (B+C) в 2 раза меньше по величине. Причем по фазе они совпадают. При такой ситуации они не способны создать вращающееся магнитное поле, достаточное для запуска ротора.
Параллельно обмотке (B) подключена электронная схема, обозначенная как ключ K. Он находится в разомкнутом состоянии, но кратковременно замыкается в момент достижения максимального напряжения на обмотке С.
Электронный ключ закорачивает обмотку В и падение напряжения на обмотке С скачком возрастает в два раза, что в итоге и обеспечивает сдвиг фаз токов в обмотках А и С. Важно отметить, что ток в обмотках (А) и (В+С) в этот момент равен нулю.
Угол сдвига фаз φ, необходимый для запуска двигателя, достаточно выдержать в интервале 50÷70°, хотя идеальный вариант — 120.
Конструкция фазосдвигающего электронного ключа может собираться из разных деталей. Наиболее подходящие устройства для бытовых целей по мере их сложности представлены ниже.
Схема запуска электродвигателя до 2 кВт
Ее описание можно найти в №6 журнала Радио за 1996 год. Автор статьи В Голик предлагает конструкцию двунаправленного (положительной и отрицательной полугармоник) электронного ключа на двух диодах и тиристорах с управлением транзисторным блоком.
Описание технологии
Силовые диоды VD1 и VD2 совместно с тиристорами VS1, VS2 образуют мост, который управляется прямым и обратным биполярными транзисторами. Положение подстроечного резистора R7 влияет на напряжение открытия VT1, VT2.
Срабатывание транзисторного ключа обеспечивает кратковременный сдвиг фаз токов в обмотках и создание вращающегося магнитногого поля, раскручивающего ротор.
Благодаря приложенному моменту магнитных сил к ротору, последний начинает вращение. Его энергия постоянно пополняется на каждой полуволне очередным импульсом.
Особенности монтажа
Автор выполнил электронный ключ на стеклопластиковой плате и поместил его в изолированный корпус с возможностью подключения входных и выходных цепей через контактные выводы. Вариант исполнения схемы навесным монтажом тоже имеет право на реализацию.
Для работы электродвигателей небольших мощностей допустимо силовые диоды и тиристоры размещать без радиаторов. Но обеспечить хороший теплоотвод с них и надежную работу лучше заранее, включив эти элементы в конструкцию электронного ключа.
Номиналы электронных компонентов указаны прямо на схеме.
С целью обеспечения безопасности следует хорошо выполнить изоляцию корпуса электронного блока, исключить случайное прикосновение к его деталям во время работы: они все находятся под напряжением 220 вольт.
Принципы наладки
Ползунок резистора R7 «Режим» имеет два крайних положения:
- минимального;
- и максимального сопротивления.
В первом случае электронный ключ открыт и создает максимальный импульс сдвига тока в обмотке, а во втором — закрыт: вращение ротора исключено.
Запуск трехфазного двигателя осуществляют на максимально допустимом сдвиге фазы тока внутри обмотки. Затем положением R7 выставляют его рабочие обороты и мощность.
Проверенные модели
Автор опробовал схему на двигателях с:
- числом оборотов 1360 и мощностью 370 ватт (АААМ63В4СУ1);
- 1380 об/мин, 2 кВт.
Результаты экспериментов его устроили.
Вместо рекомендованных силовых диодов и тиристоров можно использовать любые другие полупроводниковые элементы. Но, следует обращать внимание на их рабочий ток не менее 10 ампер и обратное напряжение от 300 вольт.
Две схемы на симисторах
Следующие 2 конструкции электронного ключа описал В Бурлако в 1999 году. Они опубликованы в журнале Сигнал №4.
Запуск легкого электродвигателя
Устройство разработано для двигателей с мощностью до 2,2 кВт, имеет минимальный набор электронных деталей.
Конденсатор С, обладая емкостным сопротивлением, под действием приложенного к его пластинам напряжения, сдвигает вектор тока вперед на 90 градусов, направляя его на управление динистором VS2.
Разность потенциалов на конденсаторе регулируется суммарным сопротивлением R1, R2. Импульс динистора поступает на управляющий электрод симистора VS1, который вбрасывает ток в обмотку электродвигателя.
Схема пуска двигателя под нагрузкой
Для станков и механизмов, создающих большое противодействие раскрутке ротора, можно порекомендовать переключить обмотки на схему разомкнутой звезды с созданием двух раскручивающих моментов.
Полярность обмоток двигателя указана точками на схеме. Фазосдвигающие цепочки импульсов тока работают по той же технологи, что и в предыдущих случаях. Номиналы электрических деталей проставлены рядом с их графическими обозначениями.
Особенности наладки
Автор Бурлако подавал напряжение на двигатель трехфазным пускателем SG1 марки ПНВС-10, которым комплектовались старые активаторные стиральные машины.
Все три контакта этого пускателя при нажатии на кнопку «Пуск» замыкаются одновременно, а при отпускании:
- два крайних остаются в замкнутом состоянии;
- средний — разрывается, отключая цепь пусковой обмотки.
Через этот средний контакт в обеих схемах подается импульс тока. Схема работает только на время, необходимое для раскрутки двигателя, после чего выводится из работы, отключается от питающего напряжения.
Момент запуска двигателя в каждой схеме подбирают после подачи напряжения изменением сопротивления R2. При этом в треугольнике до момента раскрутки ротора проходят большие токи, вызывающие сильные вибрации конструкции. Для их уменьшения рекомендуется подбирать фазосдвигающий импульс ступенями, а не плавно.
При оптимальном положении R2 двигатель запускается без вибраций.
Для двигателей небольшой мощности можно осуществлять монтаж симисторов без радиаторов охлаждения, но последние все же повышают надежность схемы.
Мое мнение о методе
Рекомендую обратить внимание на следующий вывод.
В трех рассмотренных схемах ток рабочего режима протекает по всем подключенным обмоткам. Полное расходование приложенной энергии тратится не рентабельно. Только около 30% ее мощности создает вращение ротора. Остальная часть порядка 70% — безвозвратные потери.
Если кого-то устраивает запуск трехфазного двигателя в однофазной сети по этой схеме, то это ваш выбор. Я же сделал обзор этих схем, чтобы показать их положительные и отрицательные стороны, не навязывая собственное мнение.
Этой темой стали массово пользоваться создатели видеороликов на Ютубе, набирая количество просмотров и подписчиков, как ЮКА ЛАХТ, в своем видео «Без конденсаторный запуск трехфазного двигателя».
Делайте выбор осознанно, а если остались вопросы по теме, то сейчас вам удобно задать их в комментариях.
Подключение трёхфазного двигателя к однофазной сети без конденсаторов: 4 схемы для начинающего мастера
Асинхронные электродвигатели просты по конструкции, дешевы, массово применяются в различных производствах. Не обходятся без них домашние мастера, запитывая их от 220 вольт с пусковыми и рабочими емкостями.
Но, есть альтернативный вариант. Это — подключение трёхфазного двигателя к однофазной сети без конденсаторов, который тоже имеет право на существование.
Ниже я показываю 4 схемы реализации такого проекта. Вы можете выбрать для себя любой из них, более подходящий под ваши личные интересы и местные условия эксплуатации.
С этой темой я впервые столкнулся в конце 1998 года, когда к нам в электролабораторию РЗА пришел друг связист с журналом Радио за №6 от 1996 года и показал статью про безконденсаторный запуск.
Мы сразу решили испытать ее в деле, благо все детали, включая тиристоры и подходящий двигатель, у нас имелись. Как раз был перерыв на обед.
Для проверки спаяли электронный блок навесным монтажом. Справились где-то меньше, чем за час. Схема заработала практически без наладки. Оставили ее для наждака.
Порадовали маленькие габариты блока и отсутствие необходимости подбирать конденсаторы. Особых отличий в потере мощности по сравнению с конденсаторным пуском замечено не было.
Принципы работы электронной схемы: запуск трехфазного асинхронного электродвигателя без конденсаторов
Для подключения в однофазную сеть по этому методу подойдет любой асинхронный движок типового исполнения.
Автор Голик обращает внимание, что обороты ротора в минуту должны составлять не 3000, а 1500. Связано это с конструкцией обмоток статора.
Мощность устройства ограничена электрическими характеристиками силовых диодов и тиристоров — 10 ампер с величиной обратного напряжения более 300 вольт.
Три обмотки статора необходимо подключать по схеме треугольника.
Их выводы собираются на клеммной колодке тремя последовательными перемычками.
Напряжение 220 вольт подключается через защитный автоматический выключатель параллельно одной обмотке, назовем ее «A». Две другие оказываются последовательно соединенными между собой и параллельно — с ней.
Обозначим их «B» и «C». На выводы одной из них, например, «B» подключается электронный блок. Назовем его ключом «k».
Представим, что ее контакт всегда разомкнут, а напряжение подано. Тогда по цепочкам «A» и «B+C» станут протекать токи Ia и Ib+c. Мы знаем, что сопротивление всех обмоток статора (резистивно-индуктивное) одинаково.
Поэтому в цепи «A» ток станет в два раза превышать вектор Ib+c, а по фазе они будут совпадать.
Каждый из этих токов создаст вокруг себя магнитный поток. Но, они не смогут в этой ситуации привести во вращение ротор.
Чтобы электродвигатель стал работать, необходимо сдвинуть по углу два этих магнитных потока (или токи между собой). Эту функцию в нашем случае выполняет электронный ключ.
Его конструкция собрана так, что он кратковременно замыкается, а затем размыкается, шунтируя обмотку «B».
Для этого процесса выбирается момент времени, когда синусоида напряжения достигает максимального амплитудного значения, а сила тока в обмотке «C», ввиду ее индуктивного сопротивления, минимальна.
Резкое закорачивание сопротивления «B» в цепи «B+C» создает бросок тока через замкнутый электронный контакт по виткам обмотки «C», который быстро возрастает и затем снижается под влиянием уменьшения амплитуды напряжения до нуля.
Между токами в обмотках «A» и «C» образуется временной сдвиг, обозначенный буквой φ. За счет возникновения этого угла сдвига фаз создается суммирующий магнитный поток, начинающий раскрутку ротора двигателя.
Форма тока в обмотке «C» при работе электронного ключа отличается от гармоничной синусоиды, но она не мешает создать на валу ротора крутящий момент.
При переходе полуволны синусоиды напряжения в область отрицательных значений картина повторяется, а двигатель продолжает раскручиваться дальше.
Электронная схема В Голик: устройство запуска трехфазных электродвигателей на доступной элементной базе
Силовая выходная часть электронного ключа, осуществляющая коммутацию обмотки, выполнена на двух мощных диодах (VD1, VD2) и тиристорах (VS1, VS2), включенных по схеме обычного моста.
Однако здесь они выполняют другую задачу: своими плечами из одного тиристора и диода поочередно шунтируют обмотку подключенного электродвигателя при достижении амплитудного значения синусоиды напряжения на схеме.
За счет такого подключения создан электронный ключ двунаправленного действия, реагирующий на положительную и отрицательную полуволну гармоники.
Диодами VD3 и VD4 осуществляется двухполупериодное напряжение сигнала, поступающего на цепи управления. Оно ограничивается и стабилизируется резистором R1 и стабилитроном VD5.
Сигналы на открытие тиристоров электронного ключа поступают от биполярных транзисторов (VT1 и VT2).
Переменный резистор R7 с номиналом на 10 килоом предназначен для регулировки момента открытия силового тиристора. Когда его ползунок установлен в минимальное положение сопротивления, то электронный ключ срабатывает при наибольшем напряжении амплитуды на обмотке B.
Максимальное введение сопротивления резистора R7 закрывает электронный ключ.
Запуск схемы осуществляют при положении ползунка R7, соответствующем максимальному сдвигу фаз токов между обмотками. После этого его сдвигают, определяют наиболее устойчивый режим работы, который зависит от приложенной нагрузки и мощности двигателя.
Все электронные детали со своими номиналами приведены на схеме. Они не являются дефицитными. Их можно заменить любыми другими элементами, соответствующими по электрическим характеристикам.
Вариант их размещения на электронной печатной плате показан на картинке. Регулировочный резистор R7 показан справа двумя подключенными проводами, синим и коричневым. Сам он не виден на фото.
Силовая часть, созданная для работы с электродвигателями небольшой мощности, может выполняться без радиаторов охлаждения, как показано здесь. Если же диоды и тиристоры работают на пределе своих возможностей, то теплоотвод обязателен.
2 схемы подключения трехфазного двигателя к однофазной сети без конденсаторов автора В Бурлако: в чем отличия
Здесь я полагаюсь на информацию из интернета, ибо вижу, что в принципе конструкции рабочие, а принципы управления токами в обмотках те же, что предложил В Голик.
Кстати, авторы статей ссылаются на автомобильный украинский журнал «Сигнал» №4 за 1999 год. Пришлось поискать его в интернете. Однако разочаровался, там оказалась полностью перепечатанная статья из журнала Радио под авторством В Голик. Вот так…
Если знаете, где можно найти первоисточник на эту информацию, то сообщите в комментариях.
Электронные ключи, выполненные по технологии Бурлако, работают так же. Они просто выполнены из других, более усовершенствованных полупроводников, как и силовая часть.
Схема запуска асинхронного двигателя от симисторного электронного ключа: усовершенствование конструкции В Голик
Картинка подключения трехфазного электродвигателя упростилась. Вместо двунаправленного силового блока из двух тиристоров и диодов здесь работает один симистор VS1 серии ТС-2-10.
Он также шунтирует одну обмотку «B» в момент достижения синусоидой напряжения амплитудного значения, когда ток параллельной цепочки минимален.
При этом создается сдвиг фаз токов в параллельных обмотках, как и в предыдущей схеме, порядка 50-80 угловых градусов, что достаточно для вращения ротора.
Работой симитора VS1 управляет ключ, выполненный на симметричном динисторе VS2 для каждого полупериода гармоники напряжения. Он получает команды от фазосдвигающей цепочки, выполненной из резистивно-емкостных элементов.
Сдвиг фазы сигнала конденсатором C дополняется общим сопротивлением R1+R2. Подстроечный резистор R2 на 68 кОм работает как R7 в предыдущей схеме, регулируя время заряда конденсатора и, соответственно, момент подключения VS2, а через него VS1 в работу.
Рекомендации автора по сборке и наладке
Схема испытывалась и предназначена для работы с электродвигателями, раскручивающими ротор до 1500 оборотов в минуту с электрической мощностью 0,5÷2,2 кВт.
На устройствах электронных ключей, работающих с мощными электродвигателями, необходимо обеспечивать теплоотвод с симистора VS1.
При наладке устройства обращают внимание на оптимальную подгонку угла сдвига фаз токов между обмотками, когда двигатель запускается и работает нормально: без шума, гула и вибраций. Для этого может потребоваться изменение номиналов у элементов фазосдвигающей цепочки.
Семисторы можно использовать другой марки. Важно, чтобы они соответствовали электрическим характеристикам. Вместо DB3 допустимо установить отечественный динистор KP1125.
Схема безконденсаторного запуска электродвигателей с большими пусковыми моментами
Она же хорошо подходит под управление двигателями, собранными для вращения со скоростью 3000 оборотов в минуту. С этой целью у нее изменена система подключения обмоток с треугольника на разомкнутую звезду.
На картинке ниже их полярность показана точками.
В этой ситуации создается больший крутящий момент для запуска ротора.
Рассматриваемая схема отличается от предыдущей дополнительным электронным ключом, подключенным к обмотке «A», создающим дополнительно сдвиг фазы тока. Он необходим для трудных условий работы.
Рекомендации автора по наладке и работе не изменились.
Преимущества схемы тиристорного преобразователя: автор В Соломыков
Эта разработка позволяет максимально эффективно сохранить мощность асинхронного двигателя при его подключении в однофазную сеть. Она является прообразом современных частотных преобразователей, но выполнена на старой и доступной элементной базе.
Тиристорный преобразователь позволяет сделать формы напряжений на каждой фазе очень похожими на идеальные, гармоничные синусоиды, под которые и создается асинхронный электродвигатель.
Питание от сети 220 вольт происходит через защиту — автоматический выключатель SF1 и диодный мост на базе Д233В.
Силовые выходные цепи образуются работой тиристорных ключей VS1-VS6.
Сдвиг фаз токов для питания каждой обмотки двигателя своим напряжением создается работой двух микросхем:
Они формируют такты сдвига напряжений сигналов в регистрах, а их сочетания подаются на входы управления тиристорами VS1÷VS6 через индивидуальные транзисторы VT1÷VT6 по запланированной временной диаграмме.
Логическая часть
Микросхема К176ИР2 вырабатывает по 2 раздельных 4-х разрядных регистра сдвига с четырьмя выходами Q от любого триггера. Каждый триггер двухступенчатый, типа D.
Ввод данных в регистр происходит через вход D. Также имеется вход для тактовых импульсов типа C. Они поступают через вход D 1-го триггера, а затем смещаются по ходу вправо на один такт.
Обнуление данных на выходе регистра Q происходит при поступлении на вход R (асинхронный сброс) напряжения логического уровня.
Таблица данных К176ИР2 и состояний регистров