Преобразователь 220В >>> 380В
В настоящее время многих любителей конструирования, владельцев личных подсобных хозяйств интересуют вопросы применения трёхфазных асинхронных двигателей в однофазной сети. Асинхронные двигатели конструктивно очень просты и неприхотливы в эксплуатации, что и обеспечивает их наибольшее распространение среди потребителей. Вместе с тем, эксплуатация трёхфазных двигателей в однофазной сети связана с рядом трудностей. Как известно из курса электротехники, трёхфазный переменный электрический ток порождает вращающееся магнитное поле, которое создаёт вращающий момент на валу электродвигателя. Однофазный ток создаёт пульсирующее поле, не способное привести ротор двигателя во вращение — такой ток необходимо преобразовать в многофазный и только потом подавать на электродвигатель. На сегодня известно большое количество способов преобразования однофазного тока в многофазный, но все они, как правило, имеют ряд недостатков:
Трудно получить «чистый» трёхфазный ток (добиться разности фаз 120° между фазами). В большинстве случаев получают двухфазный ток с разностью фаз Δφ=90°. Эксплуатация на таком токе ведет к значительной потере мощности электродвигателя. Теоретически, такие потери составляют 30-40%, в реальности — значительно больше (50-60%). Например, от трёхфазного электродвигателя мощностью 2 кВт в однофазной сети может остаться 800 Вт;
преобразователи однофазного тока не обладают универсальностью. Они создаются под конкретный электродвигатель, имеют ограничения по мощности и т. д. Вместе с тем, существуют определённые типы трёхфазных электродвигателей, которые не запускаются в однофазной сети всеми известными методами.
Наличие реактивных элементов (как правило, конденсаторов) для пуска и работы электродвигателя создает целый ряд эксплуатационных неудобств, делает конструкцию громоздкой и не всегда безопасной в быту и т.д.
Предлагаемый универсальный преобразователь однофазного тока в трёхфазный, построенный на базе обычного трёхфазного электромотора, полностью лишён этих недостатков:
способен вырабатывать «полноценный» трёхфазный ток, в т.ч. напряжением 380 В;
нет потерь в мощности двигателя;
пригоден для любого типа электродвигателей и любой мощности (мощность ограничена возможностями электросети в пределах 7 кВт);
конструктивно очень прост. Человек, владеющий навыками электротехники в объёме средней школы, сделает его в течение 1-2 часов. Для его построения требуется трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 3-4 кВт, один конденсатор ёмкостью 40-60 мкФ и набор монтажного провода. Трёхфазный двигатель никакой переделки не требует.
собственное потребление энергии минимально. Преобразователь автора этой статьи мощностью 4 кВт потребляет на холостом ходу примерно 200 Вт.
Рассмотрим основные принципы, положенные в основу работы преобразователя. Для этого вспомним устройство и работу синхронного генератора трёхфазного тока. Он состоит из ротора и статора. Три статорных обмотки сдвинуты в пространстве на угол 120°. С помощью внешнего источника энергии ротор генератора приводится во вращение, и его изменяющийся магнитный поток наводит в обмотках статора ЭДС индукции. Если обмотки статора соединить с потребителем, в цепи появится трёхфазный электрический ток. Для получения однофазного тока используют выводы от одной статорной обмотки трёхфазного генератора. Такой ток, чаще всего, используют для бытовых нужд и личного потребления.
Попробуем теперь, имея одну фазу, восстановить оставшиеся две. Возьмём обычный трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. У него также имеются ротор и три статорные обмотки, сдвинутые в пространстве на угол 120°. Подадим на одну из обмоток однофазный ток. По указанным выше причинам, ротор такого двигателя не сможет сам начать вращение. Но, если посторонней силой, сообщить ему первоначальный вращающийся момент, то он будет вращаться дальше за счёт переменного однофазного напряжения в одной обмотке. (Строгое научное объяснение этого факта я опускаю, т.к. оно широко известно из курса электротехники). Вращающийся ротор своим магнитным потоком навёдет ЭДС индукции в двух других статорных обмотках, т.е. восстановит недостающие две фазы. Таким образом, мы получим что-то вроде вращающегося трёхфазного трансформатора. Одна из обмоток двигателя, на которую подаётся переменный однофазный ток из сети, становится возбуждающей обмоткой, формирующей магнитное поле вращающегося ротора, а он, в свою очередь, возбуждает переменное напряжение в оставшихся обмотках.
Полученное напряжение будет трёхфазным, т.к. это обусловлено самой конструкцией электродвигателя. Напряжение на двух оставшихся обмотках будет несколько меньше напряжения на возбуждающей обмотке (за счёт потерь при преобразовании). Эта разница составляет, примерно 10-15 В и определяется конструктивными особенностями электродвигателя.
Рис.1 Блок-схема универсального преобразователя.
Как заставить ротор преобразователя вращаться от однофазного напряжения? Таких способов существует несколько. Я рекомендую использовать широко распространённую схему с пусковым конденсатором.
Рис.2 Схема универсального преобразователя.
Задача только вывести нулевой провод со звезды.
Рис.3 Схема универсального преобразователя.
Ёмкость конденсатора Сп может быть небольшой, т.к. ротор асинхронного преобразователя приводится во вращение без механической нагрузки на валу. Для преобразователя, построенного на базе асинхронного электродвигателя мощностью 4 кВт (авторский вариант) достаточно конденсатора Сп=60 мкФ. Эксперименты, проведённые с таким преобразователем, дали хорошие результаты, но, вместе с тем, были выявлены некоторые недостатки:
напряжение 380 В является очень опасным для жизни человека. Чтобы снизить вероятность ЧП, в быту, желательно, использовать линейное напряжение 220 В;
собственное потребление электроэнергии преобразователем было значительным. Это снижало КПД устройства, особенно в режиме «холостого хода».
Дальнейшая модернизация конструкции позволила избавиться от этих недостатков. Так, в качестве преобразователя применяли асинхронный 4-киловаттный электродвигатель с 6-полюсной статорной обмоткой (т.н. "тысячник «). Его обмотки включены „звездой“ и рассчитаны на линейное напряжение 380 В. Я же подключал их к 220 В (т.е. между „фазой“ и „нулём“ двигателя было 127 В). Такое подключение показано на рис.3.
Рис.3 Схема преобразователя на „трёхфазное“ линейное напряжение 220 В.
Обычно, пусковой конденсатор Сп отключается после того, как преобразователь начнёт работать, но можно и не отключать, т.к. его влияние на работу устройства, в целом, минимально. Легко заметить, что в данном случае получилась „несимметричная звезда“ Преобразователь вырабатывает: „фаза“ + „фаза“ + „ноль“. Я такой ток называю „квазитрёхфазный“ т.е. „похожий на трёхфазный ток“ (см. рис.4).
Рис.4 Векторные диаграммы напряжений вырабатываемые преобразователем.
И, действительно, достоинств у него оказалось не меньше, чем у обычного трёхфазного тока. Он также порождает вращающееся магнитное поле. А, т.к. „рождён“ он трёхфазным асинхронным двигателем, то идеально подходит в качестве рабочего тока для трёхфазных асинхронных двигателей. Кроме всего прочего, удалось снизить линейное напряжение до 220 В, а также собственное энергопотребление довести до 200 Вт. Все потребители, подключаемые к такому преобразователю, можно включать как „звездой“, так и „треугольником“ рис.5.
Рис.5 Подключение потребителей к преобразователю.
Хочу добавить, что мой преобразователь используется в личном хозяйстве около 12 лет. От него работают трёхфазные потребители:
– электропилорама, мощностью 2,8 кВт;
– крупорушка, мощностью 1 кВт;
– электроточило, мощностью 400 Вт.
Такой же преобразователь я помог сделать своему коллеге по работе. У него безупречно функционируют трёхфазные:
– электрический бур, мощностью 1 кВт;
– малогабаритная бетономешалка, мощностью 500 Вт;
– крупорушка, мощностью 1,2 кВт;
– электрофуганок, мощностью 0,6 кВт.
Разумеется, трёхфазные электродвигатели от однофазной сети будут потреблять при работе через преобразователь ровно столько энергии, сколько написано в их паспорте (закон сохранения энергии не обманешь!).
В заключение хочу дать несколько практических советов для тех, кто захочет повторить конструкцию преобразователя (и навсегда забыть обо всех проблемах, связанных с эксплуатацией трёхфазных электродвигателей в однофазных сетях):
Мощность электродвигателя, используемого в качестве преобразователя, должна быть больше мощности подключаемого к нему электропривода. Например, если в преобразователе используется электродвигатель мощностью 4 кВт, то мощность подключаемых электродвигателей должна быть меньше или равной 3 кВт;
Практика показала, что преобразователь мощностью 4 кВт может решить все „проблемы“ личного хозяйства. К тому же нагрузка на сеть в пределах 2-3 кВт является вполне приемлемой;
Ток, потребляемый преобразователем в рабочем режиме не должен превышать значений паспортного тока для данного типа электродвигателей (в противном случае преобразователь может сгореть);
В качестве электродвигателей-преобразователей лучше использовать „тихоходные“ электромоторы (синхронная частота вращения 1000 об/мин и меньше). Они очень легко запускаются, и кратность пускового тока к рабочему у них, как правило, меньше, чем у высокооборотных, а стало быть „мягче“ нагрузка на сеть.
Порядок работы с преобразователем должен быть такой: первым запускается преобразователь, затем потребители трёхфазного тока. Выключение осуществляется в обратной последовательности.
В качестве пускового конденсатора Сп можно применять конденсаторы типа МБГО, МБГП, МБГТ, К-42-4 и др. на рабочее напряжение не менее 600 В. Применять электролитические конденсаторы не желательно. Ёмкость пускового конденсатора Сп определяется мощностью преобразователя. Для 4-киловаттных преобразователей она примерно равна 60-80 мкФ Её подбирают экспериментально, начиная с верхней границы:
Сп=2800·Iф/Uс,
где Iф–номинальный фазный ток преобразователя, А,
Uс–напряжение однофазной сети, В.
Схемы соединения обмоток статора трехфазного асинхронного двигателя: а - в звезду, б - в треугольник, в - в звезду и треугольник на клеммном щитке электродвигателя
С1, С2, С3 – начала обмоток, С4, С5, С6 – конец обмоток. Но сейчас все чаще применяется новая маркировка выводов. U1, V1, W1 - начала обмоток, U2, V2, W2 – конец обмоток.
По ГОСТу обмотки асинхронного двигателя имеют следующие обозначения: I фаза - С1 (начало), С4 (конец), II фаза - С2 (начало), С5 (конец), III фаза - С3 (начало), С6 (конец).
Если в вашем распоряжении есть трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, то получить три фазы из одной совсем несложно, заставив его работать в качестве генератора. Но генератор нужно крутить, чтобы он начал вырабатывать напряжение, а значит, понадобится еще и однофазный двигатель соответствующей мощности и, что самое неприятное, с нужными оборотами.
Но зачем дополнительный двигатель, если можно заставить вращаться наш трехфазный от одной? Для этого нужно выполнить всего два простых условия – подать на одну из обмоток однофазное напряжение и «толкнуть» ротор, поскольку от одной фазы он не запустится. Как толкнуть? Как угодно, хоть руками за вал – без нагрузки это сделать несложно. Но, конечно, руки мы побережем, а будем толкать с помощью самой распространенной схемы – пускового конденсатора.
Емкость этого конденсатора не обязательно должна быть большой – без нагрузки, как я уже сказал, генератор несложно запустить даже руками. Как только начнется вращение, наш двигателе-генератор будит весело крутиться от одной фазы, вырабатывая своими «лишними» обмотками недостающие две. Единственный недостаток такой схемы – приличный перекос фаз, который можно устранить включением автотрансформатора (см. схему).
В качестве автотрансформатора автор использовал статор сгоревшего электродвигателя на 17 кВт (один магнитопровод, обмотку надо снять), на котором намотал 400 витков провода сечением 6 мм2с отводом через каждые 40 витков. Отводы используются для точной подгонки напряжения фазы. В качестве генератора использовался двигатель мощностью 4 кВт, мощность нагрузки при этом может достигать 3 кВт. Конденсатор емкостью 39 мкФ, применять можно МБГО, МБГП, МБГТ, К42-4 на напряжение не ниже 600В или МБГЧ на напряжение 250В. Включать генератор нужно без нагрузки, отключать, понятно, тоже.
Из рисунка видно, что при линейном напряжении сети 220 (В) напряжение на фазной обмотке составляет тоже 220 (В).
В нашем примере обмотки статора асинхронного двигателя соединяются по схеме звезда и его можно включать в сеть напряжением 380 (В).
