Многие любители мастерить нередко пытаются приспособить трехфазные электродвигатели для различных самодельных станков: заточных, сверлильных, деревообрабатывающих и т.д. Но вот беда — не каждый знает, как подать электропитание на такой двигатель от однофазной сети.

Среди различных способов запуска трехфазных электродвигателей наиболее простой и эффективный — с подключением третьей обмотки через фазосдвигающий конденсатор. Полезная мощность, развиваемая при этом электромотором, составляет 50—60 % его мощности в трехфазном режиме. Однако не все трехфазные электродвигатели хорошо работают от однофазной сети. К ним относятся, например, электромоторы с двойной клеткой короткозамкнутого ротора серии МА. Поэтому предпочтение следует отдать трехфазным электродвигателям серий  А, ДО, АО2, АОЛ, АПН, УАД и др.

Наша бытовая электрическая сеть характеризуется напряжением – 220/380В  (однофазная/трехфазная сеть) и частотой - 50 Гц. В большинстве европейских стран характеристики электрической сети аналогичные. Однако, например, в Северной и Центральной Америке  за основу принято напряжение однофазной сети110В с частотой 60 Гц. Отсюда видно, что для включения зарубежных электрических устройств в нашу электросеть потребует  некоторого их технического усовершенствование  (адаптация). Если частота в подавляющем большинстве случаев не преобразуется, так как разница здесь невелика, то этого нельзя сказать о напряжении. На европейский рынок приборы из-за океана поступают уже адаптированные. В простейшем случае они имеют соответствующие переключатели,  110В/220В,  в то время как ряд импульсных блоков питания могут работать в широком диапазоне изменения напряжения сети.

Чем отличается трехфазная сеть от однофазной? Почти любой знает ответ на этот вопрос - конечно же, напряжением. Не вдаваясь в тонкости передачи электроэнергии, следует отметить, что на электрической подстанции вторичные трехфазные обмотки трансформаторов соединены в основном по схеме «звезда» сглухозаземленной нейтралью («нулевой провод»). Если снимать напряжение сети с «фазного» и «нулевого» провода, то его величина будет порядка 220В. При снятии напряжения с двух «фазных» проводов эта величина составит 380В. Известно, что когда-то наши дедушки и бабушки пользовались бытовой электросетью c напряжением 127/220 В. Возможно, еще где-то такие электросети еще и остались.

В основе принципа работы асинхронного электродвигателя лежит физическое взаимодействие магнитного поля статора с током, наведенным этим полем в обмотке ротора.  Благодаря тому, что сдвиг между фазами в сети составляет 120 градусов, статором создается вращающее поле. Отличительной особенностью однофазных двигателей от трехфазных является - создание статором не вращающегося, а пульсирующего поля и пульсирующей магнитодвижущей силы. Для того, чтобы трехфазный электродвигатель работал в однофазной сети надо выполнить указанные условия. Известно, что конденсатор «сдвигает фазу» на 90 градусов. Конечно, это не идеальное условие (120 градусов), но при его подключении между двумя обмотками трехфазного двигателя, последний будет пригоден для работы и в однофазной сети, т.е. в этом случае имитируется трехфазная сеть. Однако мощность, развиваемая таким электродвигателем, будетсоставлять 50—60%  от его номинальной мощности, на которую он рассчитан.

Всякий асинхронный трехфазный двигатель рассчитан на два номинальных напряжения трехфазной сети380 /220В или 220/127В. Наиболее часто встречаются двигатели 380/220В. Переключение двигателя с одного напряжения на другое производится подключением обмоток «на звезду» - для 380В или на«треугольник» - на 220В. Если у двигателя имеется колодка подключения, имеющая 6 выводов с установленными перемычками, следует обратить внимание в каком порядке установлены перемычки. Если у двигателя отсутствует колодка и имеются 6 выводов - обычно они собраны в пучки по 3 вывода. В одном пучке собраны начала обмоток, в другом концы (начала обмоток на схеме обозначены точкой).

Если в двигателе на напряжение 380/220В обмотки включены по схеме «треугольник», то он может быть подключен к однофазной сети  через конденсатор без каких-либо фокусов. Правда, маломощный двигатель также будет работать в однофазной сети, если его обмотки  включены по схеме «звезда», но будет развивать меньшую мощность. Американские двигатели на 110В, не адаптированные для нашей сети или двигатели на 127/220В, необходимо подключать через конденсатор при включении их обмоток по схеме «звезда».  Мощных электродвигатели 220/380В требуют переключение обмоток со «звезды» на «треугольник».

Вариант включения трехфазного двигателя в однофазную сеть через конденсатор наиболее легкий и простой. Для  работы маломощного двигателя обычно достаточно одного рабочего конденсатора (Cp).Следует отметить, что у электродвигателя с конденсаторным пуском в режиме холостого хода по обмотке, питаемой через конденсатор, протекает ток на 20...30 % превышающий номинальный. В связи с этим, если двигатель часто используется в недогруженном режиме или вхолостую, то в этом случае емкость конденсатора Ср следует уменьшить. Но может случиться и так, что во время перегрузки электродвигатель остановился.

Повторный запуск такого двигателя с использованием конденсатора Cp,  уменьшенной емкости, может быть неудачным, особенно это касается мощных двигателей.  Проблема снимается использованием пускового конденсатора (Сп), который подключается параллельно рабочему конденсатору через пусковую кнопу, сняв нагрузку с двигателя вообще или снизив ее до минимума. При достижении двигателем номинальных оборотов пусковой конденсатор (Сп) отключается. Изменение направления вращения двигателя (реверсирование) осуществляется путем изменения порядка подключения двух фаз к обмоткам двигателя или, в случае однофазной сети, фазного и нулевого проводов.

 Рис. 1. Схемы включения трехфазного двигателя в однофазную сеть посредством конденсатора с возможностью реверса двигателя

Рабочая емкость конденсатора (в микрофарадах) для трехфазного двигателя определяется по формуле:

Cp = 2800*I/U,

 если обмотки соединены по схеме «звезда» или:

Ip = Pp/3**1/2*U*n*cosф, 

если обмотки соединены по схеме "треугольник". При известной мощности электродвигателя ток (в амперах) можно определить из выражения:

I = P/1,37*U*n*cosф,

 где Р - мощность двигателя, указанная в паспорте (на щитке), Вт; U - напряжение сети, В; cosф - коэффициент мощности (указан на щитке); n - КПД

Конденсатор пусковой Сп должен быть в 1,5-2 раза больше рабочего Ср. Допустимые напряжения конденсаторов должны не менее, чем в 1,5 раза превышать напряжение сети.

В таблице приведены значения емкостей рабочих и пусковых конденсаторов трехфазного электродвигателя в зависимости от его мощности при включении в однофазную сеть 220В.

Таблица

Конденсаторы лучше использовать бумажные, например типа МБГО, МБГП, МБГЧ и др. на допустимое напряжение350…500В. Например, неплохо себя зарекомендовали конденсаторы от старых стиральных машин,  люминесцентных ламп емкостью 3,8 и 4,0 мкФ, в частности фирмы Tesla, которые к тому же в качестве дополнительного диэлектрика имеют конденсаторное масло. Батарея из таких конденсаторов для мощных двигателей будет иметь внушительные размеры. Размеры батареи можно значительно уменьшить, если использовать в качестве пускового конденсатора (Сп)электролитические конденсаторы . Существует класс алюминиевых электролитических конденсаторов, которые можно использовать в цепях переменного тока. Они известны как биполярные конденсаторы. Такие конденсаторы могут быть обнаружены в схемах кроссоверов громкоговорителей, так как они были, как правило, гораздо дешевле пленочных конденсаторов со сравнимым значением емкости. Конструктивно они представляют два встречно включенных электролитических конденсатора.

 К такому конденсатору не будет постоянно приложено поляризующее напряжение и каждый конденсатор должен будет иметь удвоенное значение требуемой по схеме емкости. Недостатки такого конденсатора, следовательно, возрастают в четыре раза по сравнению с обычными униполярными электролитическими конденсаторами, поэтому их характеристики оказываются весьма посредственными. Также здесь следует иметь в виду, что электролитические конденсатор имеют малый ресурс, а  при пробое диэлектрика одного из конденсаторов под действие переменного тока вскипает электролит во втором конденсаторе и он может через 10-15 секунд взорваться, что чревато непредсказуемыми последствиями.

Схема пусковой емкости при использовании электролитических конденсаторов представлена на рис 2. Для этих целей можно использовать электролитические конденсаторы К50-3, ЭГЦ-М, КЭ-2 с рабочим напряжением не менее 450В (при условии кратковременного включения. Общая емкость при этом равнаC/2. Дополнительно пусковые конденсаторы шунтируют резистором сопротивлением 200—500 кОм, через который будет “стекать” оставшийся электрический заряд.

                Кроме варианта включения трехфазного двигателя в однофазную сеть посредством конденсатора, существует множество других вариантов, которые более сложны в исполнении и порой связаны с частичной разборкой двигателя с целью отыскания и переключения его обмоток.

. Так, например, промышленностью выпускаются двигатели уже с пусковой обмоткой, в которых заранее предусматривается возможность их работы в однофазной сети. Здесь используется эффект того, что работающий трехфазный двигатель при обрыве провода одной из фаз продолжает работать как и прежде, но повторный его пуск после остановки уже будет невозможен.

                На рис.3 представлены схемы аналогичного включения трехфазного двигателя в однофазную сеть.

Рис.3. Схемы включения в однофазную сеть трехфазных двигателей с шестью выводами:
а - схема с пусковым сопротивлением, б, в - схемы с рабочей емкостью

Схему включения на рисунках надо выбирать с учетом напряжения сети и номинального напряжения двигателя. Например, при трех выведенных концах обмотки статора двигатель может быть использован в сети, напряжение которой равно номинальному напряжению двигателя.

При шести выводных концах обмотки двигатель имеет два номинальных напряжения: 127/220В, 220/380В. Если напряжение сети равно большему номинальному напряжению двигателя, т.е.  220В при номинальном напряжении 127/220В или 380В при номинальном напряжении 220/380В и т.д., то надо пользоваться схемами, приведенными на рис. 3, а, б. При напряжении сети, равном меньшему номинальному напряжению двигателя, следует применять схему, показанную на рис. 3, в. В этом случае при однофазном включении значительно уменьшается мощность двигателя. Поэтому целесообразно применять схемы с рабочей емкостью, рассмотренные выше

                Ниже показана еще одна схема включения двигателя. Во время разгона двигателя используется соединение обмоток по схеме "звезда" с подключением фазосдвигающего конденсатора (Сп). В рабочем режиме в сеть остается включенной только одна обмотка, и вращение ротора поддерживается пульсирующим магнитным полем. После переключения обмоток конденсатор Сп разряжается через резистор Rр.

Недостатком предложенной схемы включения мощного трехфазного электродвигателя в однофазную сеть можно считать чувствительность двигателя к перегрузкам. Если нагрузка на валу достигнет половины мощности двигателя, то может произойти снижение скорости вращения вала вплоть до полной его остановки. В этом случае снимается нагрузка с вала двигателя. Переключатель переводится сначала в положение "Разгон", а потом в положение "Работа" и продолжают дальнейшую работу.

В настоящее время для включения трехфазных двигателей в однофазную сеть широко используются электронные схемы. Как в люминесцентных лампах балласт в виде дросселя, конденсатора и стартера заменяется несколькими транзисторами, диодами и т.д. или микросхемами, так и устройства пуска двигателей не содержат громадных батарей конденсаторов. Однако такие схемы легче купить, нежели изготовить, так как для этого необходимы специальные знания и накопленный опыт, что под силу только подготовленным радиолюбителям.

Для справки.

Краткая инструкция для переделки трехфазного электродвигателя в домашних условиях