Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети через частотный преобразователь

Почти все бытовые электроприборы рассчитаны на напряжение 220 В. Мы, не задумываясь, включаем их в розетку и наслаждаемся работой устройств. Но иногда требуется подключить асинхронный двигатель, рассчитанный на 380 В. Для его запуска можно использовать специальную схему, которая позволяет подключать электромотор к однофазной сети, но при этом придётся смириться с потерей мощности. Можно ли однофазную сеть превратить в трехфазную и как из 220 Вольт сделать 380?

Оказывается, такая возможность есть. Существует несколько способов получить 380 В из однофазной сети. Ниже мы покажем, как это сделать, но для начала разберёмся в том, чем отличается однофазная сеть от трёхфазной.

Содержание

Теория

На промышленных электростанциях генераторы вырабатывают трёхфазный ток, и повышают его напряжение до десятков и даже сотен киловольт. По линиям электропередач электричество поставляется потребителям. Но перед этим ток поступает на силовой трансформатор, который понижает напряжение до 380 В. Из распределительной подстанции электроэнергия поступает в потребительскую сеть.

В трёхфазной сети ток подаётся таким образом, что все три сдвинуты относительно друг друга на 120 градусов. Напряжение между фазами составляет 380 В, а между фазой и нейтралью 220 В (см.рис. 1). Именно это напряжение подаётся в каждую квартиру.

Так как нашей целью является получение 380 В именно из однофазной сети, то перейдём к способам преобразования 220 В на 380.

Способы получения 380 Вольт из 220

Рассмотрим основные способы преобразования 220 вольт в полноценный трёхфазный ток, напряжением 380 В:

• с помощью электронного преобразователя напряжения;
• путём применения трансформатора;
• использованием трёх фаз;
• используя трёхфазный двигатель в качестве генератора;
• пользуясь конденсаторной схемой.

Преобразователь напряжения

Самый простой и надёжный способ преобразовать 220 В в 380 – купить электронный преобразователь напряжения. (см. рис. 2). Этот прибор часто называют инвертором. Гаджет прост в управлении и генерирует качественный трёхфазный ток. Правда, мощность инверторов не слишком большая, но её, как правило, хватает для большинства трёхфазных бытовых приборов.

Преобразователь хорош ещё и тем, что у него есть встроенная функция защиты от перегрузок и КЗ. А это значит, что электромотор не перегреется и не выйдет из строя в результате КЗ.

Высокое качество тока достигается благодаря принципу работы устройства. Инвертор сначала выпрямляет переменный однофазный ток, а затем генерирует трёхфазное напряжение с заданной частотой и со стандартным сдвигом фаз. При этом количество фаз может быть и больше чем 3 (с соответствующим углом сдвига).

Используя трансформатор

С помощью повышающего трансформатора можно получить какое угодно напряжение, в том числе и 380 В. Однако, если вас интересует трёхфазное напряжение, то необходим специальный трёхфазный трансформатор.  преобразующий однофазный ток в трёхфазный. Такие трансформаторы есть в продаже.

Обмотки трансформатора соединены звездой или треугольником. Напряжение однофазной сети подаётся на две первичные обмотки напрямую, а на третью – через конденсатор. При этом ёмкость конденсатора подбирается из расчёта 7 мкФ на каждые 100 Вт мощности.

Обратите внимание на то, что номинальное напряжение конденсатора не должно быть ниже 400 В. Такое устройство нельзя включать без нагрузки.

Хоть мы и получим таким способом необходимые 380 В, всё равно будет наблюдаться снижение мощности электромотора (если вы планируете подключать его к трансформатору). Соответственно КПД двигателя тоже упадёт.

Использование 3-х фаз

Если вы проживаете в многоквартирном доме, то к нему уже подведено 3 фазы, которые с целью оптимального распределения нагрузок разведены по отдельным квартирам. На каждом этаже стоят распределительные щиты, откуда можно завести в квартиру недостающие две фазы. Но для этого потребуется разрешение.

При желании вы можете получить разрешение у энергоснабжающей компании или согласовать с Энергонадзором обустройство трёхфазного питания в вашей квартире. При этом потребуется установить трёхфазный счётчик электроэнергии.

Использование электродвигателя

Вы наверно знаете, что ротор обычного трёхфазного двигателя после запуска продолжает вращаться после отключения одной фазы. Оказывается, что между выводом отключенной обмотки и задействованными выводами имеется ЭДС.

Сдвиг фаз между обмотками статора зависит только от их расположения. В трёхфазном двигателе эти катушки расположены под углом 120º, а значит они обеспечивают такой же угол сдвига фаз. Это обстоятельство наталкивает на мысль, что асинхронный трёхфазный двигатель можно использовать для получения 380 вольт от обычной однофазной сети. Простая схема подключения электромотора изображена на рисунке 3. Конденсатор на схеме нужен только для запуска двигателя. После запуска его можно отключить. Конденсатор берём типа МБГО, МБГП, МБГТ или К42-4, рабочее напряжение которого должно быть не менее 600 В. Можно применить конденсатор К42-19, с рабочим напряжением минимум 250 В.

Пример подключения фазосдвигающего конденсатора см. на рис. 3.

Параметры конденсатора подбираем в зависимости от мощности мотора. Заметим, что параметры фазосдвигающего конденсатора на качество генерируемого тока не влияют. Нагрузку подключаем к обмоткам статора, согласно схеме, показанной на рис. 4.

Скорость вращения ротора почти не зависит от напряжения однофазной сети, так что её можно считать постоянной. Это значит, что частота трёхфазного тока при номинальных нагрузках изменяться не будет.

Следует иметь в виду то, что мощность трёхфазного двигателя, работающего от однофазной сети, падает. Соответственно, номинальная мощность трёхфазной нагрузки будет, примерно, на треть ниже, от той, которая заявлена в паспорте электромотора.

Электродвигатель в качестве генератора

Ещё один способ, позволяющий из 220 В получить 380, это создание системы двигатель-генератор. В качестве двигателя можно взять любой электромотор, работающий от сети 220 В, а в качестве генератора – доработанный трёхфазный асинхронный двигатель (схему установки смотрите на рис. 5).

Сразу заметим, что эффективность такой установки под вопросом, но получить таким способом требуемое напряжение 380 В можно. В данной схеме требуется обеспечить такую частоту вращения ротора, чтобы генератор выдавал ток с частотой, равной 50 Гц. Для  этого необходимо вращать вал с угловой скоростью 1500 об/мин.

В домашних условиях в качестве привода можно использовать однофазный мотор от стиральной машины или другой бытовой техники. Важно только обеспечить требуемую угловую скорость вращения ротора.

Поскольку вращение вала электродвигателей работающих, например, в стиральной машине составляет около 12 – 20 тыс. об./мин., то необходимо использовать шкивы, диаметры которых соотносятся как 1 к 10. То есть, чтобы обеспечить вращение ротора генератора со скоростью 1500 об/мин. можно взять шкив, который уже смонтирован на электромоторе от пралки, а на вал трёхфазного двигателя надеть шкив, диаметром в 10 раз больше.

Выводы

Получить 380 вольт от сети 220 В возможно несколькими способами. Самым эффективным является способ применения электронного инвертора:

• стабильные параметры тока;
• безопасная эксплуатация;
• обеспечение заявленной выходной мощности;
• компактность установки.

Все выше перечисленные способы преобразования 220 Вольт в 380 работают, поэтому имеют право на существование. Но надо быть готовым к потере мощности и к трудностям по достижению других параметров тока, включая его частотные характеристики.

Практически вся генерируемая электроэнергия в мировом хозяйстве трехфазная. В быту, где в больших мощностях нет особой необходимости, для безопасности людей, простоты управления и удешевления применяется однофазная сеть. Что делать, если при определенных обстоятельствах возникает необходимость приспособить однополюсную бытовую розетку для питания техники, рассчитанной на трехфазное напряжение? Скажем, для подключения циркулярной пилы, насоса, наждачного или сверлильного станка.

Прежде всего, необходимо уточнить какого рода сама нагрузка. Электродвигатели бывают постоянного/переменного токаи, в то же время, делятся на синхронные/асинхронные. При этом на втором различии основываетсяэлектромагнитный принцип возникновения вращения, а постоянный/переменный тип тока используется для работы электродвигателя.

Таким образом, двигатель постоянного тока вполне может быть асинхронным. Тогда достаточно преобразовать напряжение 220 В переменного тока в 380 В постоянного тока.

Схема подключения его очень простая:

Читая чертёж слева направо, видим, что имеется однофазная сеть с переменным током. Приведение напряжения 220 к 380 В осуществляется с помощью повышающего трансформатора и мостового выпрямителя. Это делается путем выбора соответствующего соотношения обмоток каждой стороны преобразующего трансформатора.

При монтаже выпрямителя необходимо учесть полярность на выходе. Есть риск повредить конденсатор и считайте, повезёт, если этим дело ограничится. Схема мостового выпрямителя, наиболее популярная, по ней выполнена почти все выпущенные трансформаторные блоки питания. Сложно? Есть много других способов подключения.

Схема регулирования трёхфазного двигателя, подключенного в однофазную сеть через частотный преобразователь

• UZ –частотник;
• L — фаза;
• N — нулевая фаза;
• u, v, w — выводы для включения электродвигателя.Реле времени:K1 — пуск электродвигателя;
• K2 — реверс;
• K3, K4 – II и III скорости.

Принцип построения всех преобразователей частоты одинаковый. Сначала посредством выпрямителя преобразовывается напряжение переменноевпостоянное. Далее управляемым приводом создаются разно частотные импульсы.

Импульсы, распределенные по трем фазам асинхронного двигателя, порождают вращающееся магнитоэлектрическое поле статора. Регулировка частотным преобразователем может осуществляться либо с его съемной панели, либо с помощью аналоговых входов.

Существует несколько способов подключения фаз двигателя. Классические варианты соединения фаз: «звезда» и треугольник». «Звезда» — это соединение, при коем концы фазных обмоток соединяются в один узел. Подключение фаз в «треугольник», это когда конец одной фазы является началом следующей.

Но самым распространённым способом плавного пуска асинхронного двигателя считается вариант «звезда-треугольник».

Схема подключения трехфазного двигателя к 220В через преобразователя частоты по принципу «звезда – треугольник»

Для уменьшения пусковых токов и момента (P движка больше 5 кВт) часто используется комбинированный способ.

При пуске напряжение на статор подаётся по принципу «звезда», по мере разгона мотора до номинального значения скорости, питание переключается на «треугольник». В схеме задействовано реле времени, выполняющее переключение. При этом на нём выставляется продолжительность разгона, чтобы движок успел набрать обороты по номиналу.

Заключение

Пусковые токи асинхронных двигателей очень большие и, если не делать пуск плавным, их величина теоретически может достигать значений токов КЗ. Случается, она равняется 90% от номинала двигателя. Схема подключения трехфазного двигателя к 220 В по принципу «звезда-треугольник» — это один из эффективных способов плавного пуска со снижением напряжения, преимущества которого состоят в высоком пусковом моменте, снижении пускового тока, повышении КПД, широком диапазоне регулирования скорости,полном спектре встроенных защит привода.

Очень часто необходимо произвести подключение электродвигателя 380В к сети 220В. В промышленности используются преимущественно асинхронные моторы, но они питаются от трехфазной сети. В быту таких условий нет, в любом доме имеется только одна фаза и ноль. Но вот только мощность однофазных моторов не устраивает пользователей, намного эффективнее использовать трехфазные асинхронники. Однако при питании от однофазной цепи теряется мощность (но она все равно больше, чем у однофазников).

Как подключить мотор в сеть 380В

Всего два варианта соединения обмоток асинхронных моторов имеется:

1. По схеме «звезда».
2. По схеме «треугольник».

Последнюю схему соединения обмоток характеризует высокая мощность, отдаваемая приводом. Однако во время включения двигателя индуцируется высокий пусковой ток, который очень опасен для любой бытовой техники. Если соединять по схеме «звезда», то можно добиться максимально плавного запуска мотора, так как ток низкий. Большую мощность забрать у привода не получится.

Схема подключения электродвигателя 380В к сети 220В выполняется «треугольником», чтобы добиться максимальной мощности. Если осуществляется питание от 380В, то обмотки соединяют «звездой». В противном случае, высокое напряжение при старте повышает пусковой ток. При этом может выйти из строя электропривод. Если недостаточно мощности, можно проводить запуск мотора с соединенными звездой обмотками, а уже после выхода в рабочий режим производить коммутацию и включать обмотки треугольником.

Особенности схем соединения

На статоре любого асинхронного мотора имеется три обмотки, у каждой из них есть два вывода. Провода соединены с контактами под крышкой. Чтобы соединить все шесть контактов (три начала обмоток и столько же концов), необходимо поставить правильно перемычки. Соединение звездой выполняется очень просто:

1. При помощи перемычек соединяются все начала обмоток.
2. Питание от электросети подается на концы обмоток.

Подключение треугольником выполняется следующим образом: каждое начало обмотки соединяется с концом следующей. Можно выбирать порядок обмоток произвольно. Если в коробке правильно установлены контакты, то нужно установить таким образом перемычки:

Питание от одной фазы

Подключение электродвигателя 380В к сети 220В без конденсаторов можно выполнить только двумя способами:

1. Использовать частотный преобразователь. Такие устройства довольно дорогие – самые простые стоят от 5000 рублей и выше. Но зато с их помощью можно осуществлять плавный запуск и остановку мотора, регулировать скорость вращения. Самое главное – сохранится мощность двигателя. Достигается это за счет того, что частотный преобразователь включается в однофазную сеть 220 В. А на выходе устройства, путем многочисленных преобразований, появляется три фазы.
2. Применить более массивную конструкцию, позволяющую осуществить сдвиг фаз. Изготавливается оно из статорной обмотки старого асинхронного двигателя. Недостаток – большие габариты конструкции и существенные потери мощности.

Если не желаете усложнять конструкцию, то проще использовать конденсаторы для питания электромотора.

Использование конденсаторов с маломощными моторами

Когда подключается электрический двигатель к трехфазной сети, то на каждый начальный вывод обмоток подается фаза, а на конец каждой обмотки – ноль (при соединении в звезду). Подключение электродвигателя 380В к сети 220В через пускатель позволит улучшить удобство пользованием. В бытовой сети всего одна фаза и ноль. При включении мотора обязательно соединяются обмотки треугольником – так можно добиться максимальной мощности.

Чтобы осуществить запуск моторов малой мощности, применяют только один конденсатор. С помощью этого элемента происходит сдвиг фазы. В трехфазной сети все фазы сдвинуты относительно друг друга на 180 градусов. Произвести подключение в сеть 220В, нужно соединить обмотки в треугольник, на одну вершину подать ноль, на вторую фазу, третью соединить с выводом конденсатора. Причем второй вывод конденсатора нужно подключить к нулю или фазе (в зависимости от того, какое направление вращения ротора необходимо).

Подключение мощных двигателей

Чтобы запустить мощный асинхронный мотор, необходимо использовать два конденсатора – пусковой и рабочий. Подключаются они параллельно, но пусковой коммутируется при помощи выключателя. Этот конденсатор предназначен для того чтобы увеличить пусковой момент, вывести мотор в режим устоявшегося хода.

Для включения пускового конденсатора используется пакетный выключатель. При нажатии кнопки запуска до упора происходит включение силовых и дополнительных контактов. При отпускании кнопки дополнительные размыкаются, пусковой конденсатор исключается из цепи. Происходит только подача напряжения на обмотки электродвигателя (и рабочий конденсатор). Такие схемы хорошо зарекомендовали себя в конструкциях различных мельниц, резаков, сверлильных станков.

Используемые источники:

• https://www.asutpp.ru/kak-iz-220-volt-sdelat-380-v.html
• http://chistotnik.ru/podklyuchenie-trexfaznogo-dvigatelya-k-odnofaznoj-seti-cherez-chastotnik.html
• https://fb.ru/article/344797/podklyuchenie-elektrodvigatelya-v-k-seti-v-pri-pomoschi-kondensatorov-i-chastotnyih-preobrazovateley