Подбор конденсатора трехфазного двигателя в однофазную сеть

Чтобы подключить асинхронный электродвигатель трехфазного типа к однофазной сети на напряжение 220 В, необходимо создать условия для сдвига фаз на обмотках статора двигателя. Сдвиг фаз сформирует имитацию кругового вращающегося магнитного поля, заставляющего вращаться вал ротора двигателя. Конденсатор даёт току "запас" в π/2=90° относительно напряжения, и это создаёт дополнительный момент вращения ротора.

При подключении двигателя к сети используют два подключенных параллельно конденсатора — пусковой и рабочий. Данный калькулятор позволяет рассчитать ёмкость этих конденсаторов, ёмкость пускового конденсатора берется из расчёта 2,5 емкости рабочего конденсатора.

Для получения необходимых значений ёмкости, заполните поля формы ниже. Тип соединения обмоток двигателя, мощность двигателя, КПД и коэффициент мощности обозначены на шильдике электродвигателя. Способ соединения обмоток зависит от напряжения сети, к которой выполняется подключение: 220 В — "треугольник", когда концы обмоток соединены между собой, к их началам подводится питающее напряжение; 380 В — "звезда", при котором концы одной обмотки соединены с началом другой.

Асинхронные трехфазные двигатели, а именно их, из-за широкого распространения, часто приходится использовать, состоят из неподвижного статора и подвижного ротора. В пазах статора с угловым расстоянием в 120 электрических градусов уложены проводники обмоток, начала и концы которых (C1, C2, C3, C4, C5 и C6) выведены в распределительную коробку. Обмотки могут быть соединены по схеме "звезда" (концы обмоток соединены между собой, к их началам подводится питающее напряжение) или "треугольник" (концы одной обмотки соединены с началом другой).

В распределительной коробке контакты обычно сдвинуты — напротив С1 не С4, а С6, напротив С2 — С4.

При подключении трехфазного двигателя к трехфазной сети по его обмоткам в разный момент времени по очереди начинает идти ток, создающий вращающееся магнитное поле, которое взаимодействует с ротором, заставляя его вращаться. При включении двигателя в однофазную сеть, вращающий момент, способный сдвинуть ротор, не создается.

Среди разных способов подключения трехфазных электродвигателей в однофазную сеть наиболее простой — подключение третьего контакта через фазосдвигающий конденсатор.

Частота вращения трехфазного двигателя, работающего от однофазной сети, остается почти такой же, как и при его включении в трехфазную сеть. К сожалению, этого нельзя сказать о мощности, потери которой достигают значительных величин. Точные значения потери мощности зависят от схемы подключения, условий работы двигателя, величины емкости фазосдвигающего конденсатора. Ориентировочно, трехфазный двигатель в однофазной сети теряет около 30-50% своей мощности.

Не все трехфазные электродвигатели способны хорошо работать в однофазных сетях, однако большинство из них справляются с этой задачей вполне удовлетворительно — если не считать потери мощности. В основном для работы в однофазных сетях используются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (А, АО2, АОЛ, АПН и др.).

Асинхронные трехфазные двигатели рассчитаны на два номинальных напряжения сети — 220/127, 380/220 и т.д. Наиболее распространены электродвигатели с рабочим напряжением обмоток 380/220В (380В — для "звезды", 220 — для "треугольника). Большее напряжение для "звезды", меньшее — для "треугольника". В паспорте и на табличке двигателей кроме прочих параметров указывается рабочее напряжение обмоток, схема их соединения и возможность ее изменения.

Обозначение на табличке А говорит о том, что обмотки двигателя могут быть подключены как "треугольником" (на 220В), так и "звездой" (на 380В). При включении трехфазного двигателя в однофазную сеть желательно использовать схему "треугольник", поскольку в этом случае двигатель потеряет меньше мощности, чем при подключении "звездой".

Табличка Б информирует, что обмотки двигателя подсоединены по схеме "звезда", и в распределительной коробке не предусмотрена возможность переключить их на "треугольник" (имеется всего лишь три вывода). В этом случае остается или смириться с большой потерей мощности, подключив двигатель по схеме "звезда", или, проникнув в обмотку электродвигателя, попытаться вывести недостающие концы, чтобы соединить обмотки по схеме "треугольник".

Начала и концы обмоток (различные варианты)

Самый простой случай, когда в имеющемся двигателе на 380/220В обмотки уже подключены по схеме "треугольник". В этом случае нужно просто подсоединить токоподводящие провода и рабочий и пусковой конденсаторы к клеммам двигателя согласно схеме подключения.

Если в двигателе обмотки соединены "звездой", и имеется возможность изменить ее на "треугольник", то этот случай тоже нельзя отнести к сложным. Нужно просто изменить схему подключения обмоток на "треугольник", использовав для этого перемычки.

Определение начал и концов обмоток. Дело обстоит сложнее, если в распределительную коробку выведено 6 проводов без указания об их принадлежности к определенной обмотке и обозначения начал и концов. В этом случае дело сводится к решению двух задач (Но прежде чем этим заниматься, нужно попробовать найти в Интернете какую-либо документацию к электродвигателю. В ней может быть описано к чему относятся провода разных цветов.):

• определению пар проводов, относящихся к одной обмотке;
• нахождению начала и конца обмоток.

Первая задача решается "прозваниванием" всех проводов тестером (замером сопротивления). Если прибора нет, можно решить её с помощью лампочки от фонарика и батареек, подсоединяя имеющиеся провода в цепь последовательно с лампочкой. Если последняя загорается, значит, два проверяемых конца относятся к одной обмотке. Таким способом определяются три пары проводов (A, B и C на рисунке ниже) относящихся к трем обмоткам.

Вторая задача (определение начала и конца обмоток) несколько сложнее и требует наличия батарейки и стрелочного вольтметра. Цифровой не годится из-за инертности. Порядок определения концов и начал обмоток показан на схемах 1 и 2.

К концам одной обмотки (например, A) подключается батарейка, к концам другой (например, B) — стрелочный вольтметр. Теперь, если разорвать контакт проводов А с батарейкой, стрелка вольтметра качнется в ту или иную сторону. Затем необходимо подключить вольтметр к обмотке С и проделать ту же операцию с разрывом контактов батарейки. При необходимости меняя полярность обмотки С (меняя местами концы С1 и С2) нужно добиться того, чтобы стрелка вольтметра качнулась в ту же сторону, как и в случае с обмоткой В. Таким же образом проверяется и обмотка А — с батарейкой, подсоединенной к обмотке C или B.

В итоге всех манипуляций должно получиться следующее: при разрыве контактов батарейки с любой из обмоток на 2-х других должен появляться электрический потенциал одной и той же полярности (стрелка прибора качается в одну сторону). Теперь остается пометить выводы одного пучка как начала (А1, В1, С1), а выводы другого — как концы (А2, В2, С2) и соединить их по необходимой схеме — "треугольник" или "звезда" (если напряжение двигателя 220/127В).

Извлечение недостающих концов. Пожалуй, самый сложный случай — когда двигатель имеет соединение обмоток по схеме "звезда", и нет возможности переключить ее на "треугольник" (в распределительную коробку выведено всего лишь три провода — начала обмоток С1, С2, С3) (см. рисунок ниже). В этом случае для подключения двигателя по схеме "треугольник" необходимо вывести в коробку недостающие концы обмоток С4, С5, С6.

Чтобы сделать это, обеспечивают доступ к обмотке двигателя, сняв крышку и, возможно, удалив ротор. Отыскивают и освобождают от изоляции место спайки. Разъединяют концы и припаивают к ним гибкие многожильные изолированные провода. Все соединения надежно изолируют, крепят провода прочной нитью к обмотке и выводят концы на клеммный щиток электродвигателя. Определяют принадлежность концов началам обмоток и соединяют по схеме "треугольник", подсоединив начала одних обмоток к концам других (С1 к С6, С2 к С4, С3 к С5). Работа по выводу недостающих концов требует определенного навыка. Обмотки двигателя могут содержать не одну, а несколько спаек, разобраться в которых не так-то и просто. Поэтому если нет должной квалификацией, возможно, не останется ничего иного, как подключить трехфазный двигатель по схеме "звезда", смирившись со значительной потерей мощности.

Схемы подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть

Обеспечение пуска. Пуск трехфазного двигателя без нагрузки можно осуществлять и от рабочего конденсатора (подробнее ниже), но если электродвигатель имеет какую-то нагрузку, он или не запустится, или будет набирать обороты очень медленно. Тогда для быстрого пуска необходим дополнительный пусковой конденсатор Сп (расчет емкости конденсаторов описан ниже). Пусковые конденсаторы включаются только на время пуска двигателя (2-3 сек, пока обороты не достигнут примерно 70% от номинальных), затем пусковой конденсатор нужно отключить и разрядить.

Удобен запуск трехфазного двигателя с помощью особого выключателя, одна пара контактов которого замыкается при нажатой кнопке. При ее отпускании одни контакты размыкаются, а другие остаются включенными — пока не будет нажата кнопка "стоп".

Реверс. Направление вращения двигателя зависит от того, к какому контакту ("фазе") подсоединена третья фазная обмотка.

Направлением вращения можно управлять, подсоединив последнюю, через конденсатор, к двухпозиционному тумблеру, соединенному двумя своими контактами с первой и второй обмотками. В зависимости от положения тумблера двигатель будет вращаться в одну или другую сторону.

На рисунке ниже представлена схема с пусковым и рабочим конденсатором и кнопкой реверса, позволяющая осуществлять удобное управление трехфазным двигателем.

Подключение по схеме "звезда". Подобная схема подключения трехфазного двигателя в сеть с напряжением 220В используется для электродвигателей, у которых обмотки рассчитаны на напряжение 220/127В.

Конденсаторы. Необходимая емкость рабочих конденсаторов для работы трехфазного двигателя в однофазной сети зависит от схемы подключения обмоток двигателя и других параметров. Для соединения "звездой" емкость рассчитывается по формуле:

Для соединения "треугольником":

Где Ср — емкость рабочего конденсатора в мкФ, I — ток в А, U — напряжение сети в В. Ток рассчитывается по формуле:

Где Р — мощность электродвигателя кВт; n — КПД двигателя; cosф — коэффициент мощности, 1.73 — коэффициент, характеризующий соотношение между линейным и фазным токами. КПД и коэффициент мощности указаны в паспорте и на табличке двигателя. Обычно их значение находится в диапазоне 0,8-0,9.

На практике величину емкости рабочего конденсатора при подсоединении "треугольником" можно посчитать по упрощенной формуле C = 70•Pн, где Pн — номинальная мощность электродвигателя в кВт. Согласно этой формуле на каждые 100 Вт мощности электродвигателя необходимо около 7 мкФ емкости рабочего конденсатора.

Правильность подбора емкости конденсатора проверяется результатами эксплуатации двигателя. Если её значение оказалось больше, чем требуется при данных условиях работы, двигатель будет перегреваться. Если емкость оказалась меньше требуемой, выходная мощность электродвигателя будет слишком низкой. Имеет резон подбирать конденсатор для трехфазного двигателя, начиная с малой емкости и постепенно увеличивая её значение до оптимального. Если есть возможность, лучше подобрать емкость измерением тока в проводах подключенных к сети и к рабочему конденсатору, например токоизмерительными клещами. Значение тока должно быть наиболее близким. Замеры следует производить при том режиме, в котором двигатель будет работать.

При определении пусковой емкости исходят, прежде всего, из требований создания необходимого пускового момента. Не путать пусковую емкость с емкостью пускового конденсатора. На приведенных выше схемах, пусковая емкость равна сумме емкостей рабочего (Ср) и пускового (Сп) конденсаторов.

Если по условиям работы пуск электродвигателя происходит без нагрузки, то пусковая емкость обычно принимается равной рабочей, то есть пусковой конденсатор не нужен. В этом случае схема включения упрощается и удешевляется. Для такого упрощения и главное удешевления схемы, можно организовать возможность отключения нагрузки, например, сделав возможность быстро и удобно изменять положение двигателя для ослабления ременной передачи, или сделав для ременной передачи прижимной ролик, например, как у ременного сцепления мотоблоков.

Пуск под нагрузкой требует наличия дополнительной емкости (Сп) подключаемой на время запуска двигателя. Увеличение отключаемой емкости приводит к возрастанию пускового момента, и при некотором определенном ее значении момент достигает своего наибольшего значения. Дальнейшее увеличение емкости приводит к обратному результату: пусковой момент начинает уменьшаться.

Исходя из условия запуска двигателя под нагрузкой близкой к номинальной, пусковая емкость должна быть в 2-3 раза больше рабочей, то есть, если емкость рабочего конденсатора 80 мкФ, то емкость пускового конденсатора должна быть 80-160 мкФ, что даст пусковую емкость (сумма емкости рабочего и пускового конденсаторов) 160-240 мкФ. Но если двигатель имеет небольшую нагрузку при запуске, емкость пускового конденсатора может быть меньше или, как писалось выше, его вообще может не быть.

Пусковые конденсаторы работают непродолжительное время (всего несколько секунд за весь период включения). Это позволяет использовать при запуске двигателя наиболее дешевые пусковые электролитические конденсаторы, специально предназначенные для этой цели (http://www.platan.ru/cgi-bin/qweryv.pl/0w10609.html).

Отметим, что у двигателя подключенного к однофазной сети через конденсатор, работающего без нагрузки, по обмотке, питаемой через конденсатор, идет ток на 20-30% превышающий номинальный. Поэтому, если двигатель используется в недогруженном режиме, то емкость рабочего конденсатора следует уменьшить. Но тогда, если двигатель запускался без пускового конденсатора, последний может потребоваться.

Лучше использовать не один большой конденсатор, а несколько поменьше, отчасти из-за возможности подбора оптимальной емкости, подсоединяя дополнительные или отключая ненужные, последние можно использовать в качестве пусковых. Необходимое количество микрофарад набирается параллельным соединением нескольких конденсаторов, исходя из того, что суммарная емкость при параллельном соединении подсчитывается по формуле: C_общ = C₁ + C₁ + . + С_n.

В качестве рабочих используются обычно металлизированные бумажные или пленочные конденсаторы (МБГО, МБГ4, К75-12, К78-17 МБГП, КГБ, МБГЧ, БГТ, СВВ-60). Допустимое напряжение должно не менее чем в 1,5 раза превышать напряжение сети.

Наши сети электропитания созданы трехфазными. Потому что генераторы, работающие на электростанциях, имеют трехфазные обмотки и вырабатывают три синусоидальных напряжения, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 120°.

Но мы чаще всего пользуемся всего одной фазой — проводим себе один фазный провод из трех и все к нему подключаем. Только в технике нашей часто встречаются электродвигатели, и они по природе своей трехфазны. Ну а фаза от фазы чем отличается? Только сдвигом во времени. Сдвига такого очень просто добиться, включив в цепь питания реактивные элементы: емкости или индуктивности.

Но ведь обмотка на статоре сама и является индуктивностью. Поэтому остается добавить к двигателю снаружи только емкость, конденсатор, а обмотки подключить так, чтобы одна из них в другой сдвигала фазу в одну сторону, а конденсатор в третьей делал то же самое, только в другую. И получатся те же самые три фазы, только «вынутые» из одной фазы питающих проводов.

Последнее обстоятельство означает, что мы нагружаем трехфазным двигателем только одну из фаз приходящего питания. Разумеется, это вносит дисбаланс в потребление энергии. Поэтому все-таки лучше, когда трехфазный двигатель питается трехфазным напряжением, а построить цепь его питания от одной приходящей фазы хорошо, только если мощность двигателя не особо велика.

Включение трехфазного электродвигателя в однофазную сеть питания

Обмотки электродвигателя соединяют двумя способами: звезда (Y) или треугольник (Δ).

При подключении трехфазного двигателя к однофазной сети предпочтительнее соединение типа треугольник. На шильдике двигателя об этом есть информация, и когда там обозначено Y — звезда, самым лучшим вариантом было бы открыть его кожух, найти концы обмоток и правильно переключить обмотки в треугольник. Иначе потери мощности будут слишком большими.

Включение двигателя на одну фазу питающей сети требует создания из нее и двух остальных. Это можно сделать по следующей схеме

При запуске двигателя в работу в самом начале требуется высокий стартовый ток, поэтому емкости рабочего конденсатора обычно не хватает. Чтобы «ему помочь», используют специальный стартовый конденсатор, который подключается к рабочему конденсатору параллельно. В самом простом случае (невысокая мощность двигателя) его выбирают точно таким же, как и рабочий. Но для этой цели выпускаются и специально стартовые конденсаторы, на которых так и написано: starting.

Стартовый конденсатор должен быть включен в работу только во время пуска и разгона двигателя до рабочей мощности. После этого его отключают. Используется кнопочный выключатель. Или двойной: одной клавишей включается сам двигатель и кнопка фиксируется во включенном положении, кнопка же, замыкающая цепь рабочего конденсатора, каждый раз размыкается.

Как подобрать конденсатор

Конденсаторы для трехфазного двигателя нужны достаточно большой емкости — речь идет о десятках и сотнях микрофарад. Однако конденсаторы электролитические для этой цели не годятся. Они требуют подключения однополярного, то есть специально для них придется городить выпрямитель из диодов и сопротивлений. Кроме того, со временем в электролитических конденсаторах высыхает электролит и они теряют емкость. Поэтому если будете ставить такой на двигатель, необходимо делать на это скидку, а не верить тому, что на них написано. Ну и еще одно за ними числится: электролитические конденсаторы имеют свойство иногда взрываться.

Поэтому задачу, как выбрать конденсатор под трехфазный двигатель, часто решают в несколько этапов

Сначала подбираем приблизительно. Надо рассчитать емкость конденсатора по простейшему соотношению как 7 мкФ на каждые 100 ватт мощности. То есть 700 ватт дает нам 49 мкФ первоначально. Емкость выбираемого пускового конденсатора берется в диапазоне 1–3-кратного превышения емкости рабочего конденсатора. Выберите 2*50 = 100 мкФ — будет само то. Ну, для начала можно взять побольше, потом подобрать конденсаторы, ориентируясь на работу двигателя. От емкости конденсаторов зависит реальная мощность движка. Если ее мало, двигатель при тех же оборотах потеряет мощность (обороты не зависят от мощности, а только от частоты напряжения), так как ему будет не хватать тока. При чрезмерной емкости конденсаторов у него будет перегрев от избытка тока.

Нормальная работа двигателя, без шума и рывков — это неплохой критерий правильно выбранного конденсатора. Но для большей точности можно сделать расчет конденсаторов по формулам, а такую проверку оставить на потом в качестве окончательного подтверждения успешности результатов подбора конденсаторов.

Однако надо все-таки подключить конденсаторы.

Подключение пускового и рабочего конденсаторов для трехфазного электромотора

Вот оно соответствие всех нужных приборов элементам схемы

Теперь выполним подключение, внимательно разобравшись с проводами

Так можно подключить двигатель и предварительно, используя неточную прикидку, и окончательно, когда будут подобраны оптимальные значения.

Подбор можно сделать и экспериментально, имея несколько конденсаторов разных емкостей. Если их присоединять параллельно друг другу, то суммарная емкость будет увеличиваться, при этом нужно смотреть, как ведет себя двигатель. Как только он станет работать ровно и без перенагрузки, значит, емкость находится где-то в районе оптимума. После этого приобретается конденсатор, по емкости равный этой сумме емкостей испытываемых конденсаторов, включенных параллельно. Однако можно при таком подборе измерять фактический потребляемый ток, используя измерительные токовые клещи, а провести расчет емкости конденсатора по формулам.

Как рассчитать емкость рабочего конденсатора

Для двух соединений обмоток берутся несколько разные соотношения.

В формуле введен коэффициент соединения Кс, который для треугольника равен 4800, а для звезды — 2800.

Где значения Р (мощность), U (напряжение 220 В), η (КПД двигателя, в процентном значении деленном на 100) и cosϕ (коэффициент мощности) берутся с шильдика двигателя.

Вычислить значение можно с помощью обычного калькулятора или воспользовавшись чем-то вроде подобной вычислительной таблицы. В ней нужно подставить значения параметров двигателя (желтые поля), результат получается в зеленых полях в микрофарадах

Однако не всегда есть уверенность, что параметры работы двигателя соответствуют тому, что написано на шильдике. В этом случае нужно измерить реальный ток измерительными клещами и воспользоваться формулой Cр = Кс*I/U.