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

Как подключить электродвигатель с 380 на 220 В?

Многими практиками доказана эффективность трехфазных асинхронных электродвигателей. Однако для ее использования необходимо подключение трехфазного питания, которое, увы, присутствует далеко не у каждого в доме. Но если вы задаетесь вопросом, как подключить электродвигатель с 380 на 220 В, мы рассмотрим возможные варианты включения трехфазных электрических машин в домашних условиях.

Общие правила

Перед началом включения обязательно проверяется величина напряжения, на которое рассчитан электродвигатель – если подключить разность потенциалов больше указанной, обмотки перегреются, если низкое, он не запустится.

Как правило, на асинхронных машинах указывается сразу два параметра, реже только один:

Номинал определяется совместно со схемой соединения обмоток – звезда или треугольник. В первом случае обмотки имеют общую точку, а фазные провода соединяются с остальными тремя выводами катушек. Во втором, конец одной обмотки присоединяется к началу следующей таким образом, что образуется замкнутый контур. Одни агрегаты включаются только звездой, другие, треугольником, а некоторые можно самостоятельно подключать любым из способов, обе характеристики указаны на шильде электродвигателя.

Для треугольника используется меньшее напряжение, а для звезды большее из двух указанных. Отличие в том, что трехфазные двигатели, соединенные звездой, будут иметь плавный пуск, а треугольник сможет выдать большую мощность.

Физически подключение трехфазного электродвигателя в однофазную сеть не принесет никакого результата – вращение вала так и не произойдет. Причина этого в отсутствии переменного электрического поля, обеспечивающего попеременное воздействие на ротор. Поэтому проблему можно решить, обеспечив смещение электрического напряжения и тока в фазных обмотках. Чтобы получить желаемый результат от одной фазы, можно дополнительно включить в цепь конденсатор, который обеспечит отставание напряжения до -90º.

Однако полноценного смещения напряжения в обмотках статора добиться не получится. Хоть на электродвигатель подается и номинальное напряжение, КПД составит всего 30 – 50%, что будет определяться схемой соединения обмоток асинхронного электродвигателя.

Не включайте электродвигатель без нагрузки. Так как он не предназначен для такого режима, электрическая машина быстро выйдет со строя. Минимизируйте холостой ход насколько это возможно.

Способы и схемы подключения

В зависимости от типа используемой нагрузки для электродвигателя, его конструктивных особенностей и характеристик, желаемого результата могут использоваться различные схемы подключения. Чаще всего, чтобы подключить трехфазный агрегат в качестве бытовой однофазной нагрузки используются конденсаторы, но их количество и способ введения в работу зависят от многих параметров. Поэтому далее мы рассмотрим различные варианты схем подключения электродвигателей.

Без конденсаторов

Чтобы подключить асинхронный электродвигатель к сети 220В вовсе не обязательно использовать емкостной элемент. Благодаря развитию полупроводниковых ключей и схем с их использованием вы можете избежать ненужных потерь мощности. Для этого применяется транзисторный или динисторный ключ.

Схема бесконденсаторного пуска треугольник

Приведенная выше схема предназначена для пуска электродвигателей с малыми оборотами до 1500 об/мин и относительно небольшой мощностью.

Работа схемы производится следующим образом:

• при подаче напряжения на ввод провода подключаются к двум точкам мотора;
• напряжение на третью точку треугольника подается через времязадающую R-C цепочку;
• магазин сопротивлений R1 и R2 регулирует интервал сдвига за счет перемещения бегунка;
• после насыщения конденсатора в цепочке динистор VS1 пропускает сигнал на открытие симистора VS2.

Если же подключение электрического агрегата предусматривает большую пусковую нагрузку и требует работы на высоких оборотах – до 3000об/мин, то необходимо применять аналогичную схему электронного ключа с двумя симисторами и отдельными времязадающими элементами для каждого из них. Но обмотки электрической машины будут подключаться по схеме разомкнутой звезды. Работа схемы аналогична предыдущей:

Схема бесконденсаторного пуска звезда

С конденсаторами

Использование емкостных элементов, чтобы подключить электродвигатель, является наиболее распространенным способом. Для этого используются два конденсатора, один из которых пусковой, а второй рабочий. Пусковой вводится кратковременно, дополнительная емкость позволяет увеличить сдвиг напряжения в соответствующей обмотке и создать большее усилие.

Схема включения с конденсаторами

Как видите из рисунка выше, на электродвигатель подается однофазное напряжение между точками L и N. Асинхронный двигатель АД подключается к ним двумя обмотками, а к третей та же фаза подключается через контакты кнопочного переключателя SA1 и SA2, коммутирующие параллельно включенные конденсаторы C1 и C2.

Включение асинхронного электродвигателя происходит по такому принципу:

• Нажатием кнопки Пуск приводятся в движение две пары контактов — SA1 и SA2, после чего в обмотках начинает протекать электроток;
• После отпускания кнопки контакт SA2 остается замкнутым, подавая фазу со смещением через конденсатор C1, а SA1 размыкается, выводя из цепи пусковой конденсатор C2;
• Пусковые характеристики возвращаются к номинальным и двигатель работает в штатном режиме.

Но при таком подключении асинхронного двигателя в сеть 220В будет обеспечиваться вращение ротора лишь в одну сторону. Поэтому для выполнения реверсивных движений понадобится полностью перебирать точки подключения или использовать другой способ.

С реверсом

Для некоторых технологических операций требуется осуществлять прямое и обратное вращение вала электродвигателя, поэтому подключение должно менять последовательность чередования напряжения на обмотках. Разумеется, что вручную выполнять подобные операции нецелесообразно, особенно, когда смена направления производится по нескольку раз в час.

Поэтому осуществление реверса электродвигателя, гораздо эффективнее сделать через коммутатор с двумя парами контактов, имеющих противоположную логику. Это может быть тумблер или поворотный переключатель, включаемый в схему вместо обычной кнопки:

Включение трехфазного двигателя с реверсом

Как видите на рисунке, принцип подключения ничем не отличается от рассмотренной схемы с конденсатором с той лишь разницей, что переключатель SA имеет два устойчивых положения. В одном случае он подает напряжение на конденсаторы с фазы, во втором с нулевого проводника. Поэтому чередование обмоток меняется на противоположное простым переключением тумблера.

Используя пускатель

Если в работе электродвигатель создает большую пусковую и рабочую нагрузку, то лучше подключить его через магнитный пускатель или контактор. Который обеспечит надежную коммутацию и последующую защиту электрической машины от аварийных ситуаций.

Схема включения через магнитный пускатель

Как видите на схеме, включение осуществляется за счет нажатия кнопки Пуск, которая замыкает цепь управления катушкой пускателя и подает напряжение на пусковой конденсатор С_пуск. При протекании тока по катушке пускателя К1 происходит замыкание ее контактов К1.1 и К1.2. Первые предназначены для замыкания питающей линии электродвигателя. Вторые шунтируют кнопку Пуск, которая возвращается в отключенное состояние и размыкает цепь питания пускового конденсатора.

Как подбирать конденсаторы?

Если вы собрались подключить электродвигатель, то выбор конденсатора осуществляется по таким принципам:

• Номинальное напряжение выбирается из соотношения 1,15 от подаваемого на мотор. Если брат больше, это увеличит стоимость установки и ее габариты. Если емкость рассчитать впритык, конденсатор перегреется и перегорит.
• Тип конденсатора – наиболее распространенные модели – бумажные, но они обладают большими габаритами. Поэтому выгоднее приобретать полипропиленовые. От электролитических лучше отказаться.
• Чтобы выбрать емкость пускового и рабочего конденсатора, необходимо воспользоваться таблицей соответствия по мощности электродвигателя:

Таблица: определение емкости конденсаторов

Если нужной вам мощности в таблице нет, можно воспользоваться расчетными формулами:

С_раб = (2800*I)/U — для включения трехфазного двигателя звездой

C_раб = (4800*I)/U — для включения трехфазного двигателя треугольником

где I – величина ток, протекающего через обмотки электродвигателя, а U – напряжение сети. Чтобы узнать емкость пускового конденсатора для подключения трехфазного агрегата, необходимо полученную величину рабочего умножить на два.

Видео в помощь