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

3-ФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР ОТ 220 В

Представляем довольно простую конструкцию небольшого инвертора для трехфазного двигателя, мощностью около 400 Вт. Инвертор питается от одной фазы переменного напряжения стандартных 220 В. На выходе выдается трехфазное напряжение 3x 220 В.

Схема трёхфазного инвертора

Тут основной элемент управления — FNA41560, который на Али стоит всего около 150 рублей. Правда стоимость остальных элементов гораздо больше. Самые дорогие компоненты — конденсаторы и дроссель. Ну да хватит о деньгах, перейдём к самой схеме 3-фазного преобразователя питания. На входе инвертора имеется схема коррекции коэффициента мощности, которая гарантирует что ток, потребляемый из сети, не искажается и находится в фазе с напряжением.

Напряжение на конденсаторах фильтра составляет приблизительно 430 В без нагрузки и падает до 400 В при нагрузке. В инверторе транзисторы переключаются с частотой 5 кГц, потому что для этой частоты и оптимизирован чип FNA41560, дедтайм для транзисторов составляет около 1,2 мкс (см. осциллограммы).

Инвертор имеет защиту от высокой температуры (свыше 105 С), короткого замыкания (от 5 А), высокого напряжения на конденсаторах фильтра (460 В). Защита от короткого замыкания автоматически сбрасывается в конце каждого цикла ШИМ (действует как ограничение тока). Это можно изменить в регистре микроконтроллера PIC33FJ32MC102 P1FLTACON на режим удержания. В режиме этом генераторы ШИМ отключаются и останавливаются до удаления проблемы. Частота регулируется многооборотным потенциометром, с разрешением 0,1 Гц. Регулируемый частотный диапазон от 1 Гц до 80 Гц. Полезный диапазон начинается с 5 Гц. Для генерации выходного сигнала использовался алгоритм VSM-пространственной векторной модуляции (как звучит-то!), который позволяет максимально использовать напряжение постоянного тока, подаваемое на модуль FNA41560.

Различия в формах сигналов, генерируемых с помощью SPWM и SVM, следующие. В случае SPWM максимальное межфазное напряжение на выходе инвертора может быть не более v3 / 2 x Udc, для SVM равно Udc — если не учитывать потери в транзисторах. Фактически, метод SVM дает примерно на 15% более высокое выходное напряжение по сравнению с методом синусоидальной ШИМ.

Следует помнить, что источник питания схемы не изолирован от сети, и при использовании следует соблюдать особые меры предосторожности. Отсутствие гальванической развязки потенциально опасно для жизни.

Сборку устройства предлагается начать с пайки, а затем запуска PFC-части, припаять интегральную микросхему MC33262, выпрямительный мост, диод D11, транзистор Q1 и дроссель, фильтрующие конденсаторы C17 и C22, к которым нужно припаять резисторы 470 кОм. Обмотка (3 катушки) должна быть намотана на дроссель, который будет питать микросхему MC33262. Для намотки использовался кабель от компьютерной сети. Конец и начало обмоток важны в плане полярности и должны быть подключены, как указано в инструкции по применению.

Питание инвертора следует подавать через термисторы, чтобы ограничить ток, протекающий через диод D11, или использовать другое решение, ограничивающее пусковой ток. В данном случае применено 2 термистора NTC6D-15 с максимальным током 5 А. Прямое подключение к сети может повредить диод D11. После пайки элементов схемы PFC, припаяны две последовательно включенные лампы накаливания 100W / 220V к конденсаторам, таким образом проверяем, работает ли PFC блок. Напряжение на лампочках должно быть 400 В.

Следующим шагом была пайка и проверка работы бестрансформаторного блока питания, построенного на микросхеме LNK306. На выходе его следует замерить напряжение, которое должно быть 15 В. В конце спаять FNA41560 и микроконтроллер, который должен быть запрограммирован в схеме. Разъем Pickit3, совместимый с J3, как раз и используется для программирования.

Для запуска схемы, помимо естественно включения питания, необходимо подать логическую единицу с выхода RA2 на вход RA3, после чего инвертор запускается до скорости, установленной потенциометром. Подключение RA3 к земле вызывает остановку инвертора — отключение транзисторов.

Важно управлять запуском или остановкой инвертора с выхода RA2 (контакт 1 на J4, как показано на схеме), потому что в случае слишком высокой температуры или других помех состояние R2 меняется на низкое, и инвертор выключается.

Обращает на себя внимание выход FVO (контакт 11) микросхемы FNA41560, который закорочен на массу, когда напряжение питания меньше 12 В, а также когда схема не запитана. Об этом свидетельствует светодиод, во время запуска и начальных тестов, когда источник питания от программатора pickit3 подключен к плате нужно помнить, что когда этот светодиод горит, на выходе микроконтроллера не генерируются сигналы ШИМ.

Чтобы избавиться от этой ошибки и получить сигналы ШИМ на выходе микроконтроллера, временно отключите питание от программатора и подключите 15 В к FNA41560. Конечно, выполняем эти действия только тогда, когда инвертор отключен от сети. Максимальное выходное напряжение инвертора получается при частоте 60 Гц. Для низких частот напряжение от 1 Гц до 5 Гц является постоянным. Выше 5 Гц U / f = константа увеличивается.

Схема была собрана на печатной плате размером 100 x 100 мм. Программа управления написана на C в среде MPLABX.

На фото видно,что между инвертором и двигателем включен LC-фильтр 3x L = 1,5 мГн и 3x C = 0,68 мкФ, что смягчает работу.

В заключение хотелось бы добавить, что помимо пусковых термисторов инвертор должен питаться от помехозащитного фильтра. Схема принципиальная 3-х фазного инвертора, программное обеспечение и рисунок печатной платы находятся в приложении. Оригинал