Обмотки трехфазного двигателя могут быть соединены между собой по одному из двух вариантов — "звезда" или "треугольник". В том и другом случае из трехфазного двигателя наружу выходят три провода. Два из них непосредственно включают в однофазную сеть, а третий соединяют с одним из этих двух проводов через фазосдвигающий конденсатор С1. Для варианта "звезда" (рис. 1) его емкость С1=2800 I/U; для варианта "треугольник" (рис. 2) С1=48001/U, где I — потребляемый ток (в амперах), U — сетевое напряжение (в вольтах).
Если величина сетевого напряжения нам известна (как правило, 220 В), то потребляемый ток лишь приблизительно можно рассчитать по формуле:
Р — паспортная мощность электродвигателя, указанная на его шильдике (табличке), Вт.
1,732 = √
η — коэффициент полезного действия — 0,6-0,7;
cos φ — коэффициент мощности — 0,8.
Поэтому на каждые 100 Вт паспортной мощности для варианта "звезда" требуется брать 6—7 мкФ емкости конденсатора С1, а для варианта "треугольник" — 12—14 мкФ, т.е. вдвое больше.
Приведенные цифры весьма приблизительны, поскольку точные значения cos φ и η нам неизвестны. Следовательно, сперва требуется пустить трехфазный мотор с конденсатором, емкость которого рассчитана ориентировочно, а потом уже измерить точное значение переменного тока, протекающего в том питающем проводе, к которому конденсатор С1 не подключен (на рисунке это нижний провод). По результатам измерения емкость конденсатора С1 легко уточнить.
Следует учитывать
Следует учитывать, что в режиме холостого хода через конденсатор С1 протекает ток на 20—40% выше номинального. Поэтому при работе мотора с постоянной недогрузкой рекомендуется емкость конденсатора С1 несколько снизить по сравнению с расчетной. Кроме того, отбираемая от двигателя мощность при его питании через конденсатор составит приблизительно половину паспортной.
Конденсатор С1 является рабочим, т.е. он постоянно задействован во время работы мотора. Но пуск двигателя с одним фазосдвигающим конденсатором будет затруднен. Поэтому требуется дополнительный пусковой конденсатор С2, который сперва кратковременно включают параллельно рабочему конденсатору С1 кнопкой SB1. Емкость конденсатора С2 должна быть в 1,5—3 раза больше емкости С1. Если при возникшей перегрузке мотора он вдруг остановится, требуется вновь пустить двигатель, замкнув контакты кнопки SB1.
Изменить направление вращения вала двигателя (реверсировать его) здесь очень легко. Требуется лишь переключить правые обкладки конденсаторов С1 и С2 от одного провода сети к другому. Для этого применяют переключатель SA1. Пользоваться им следует лишь при выключенном двигателе.
Наконец, резистор R1 нужен для того, чтобы быстро разрядить конденсатор С1 после отключения электродвигателя М1 из сети, почти мгновенно снизив тем самым напряжение на вилке ХР1 до безопасного уровня. Его мощность рассеяния должна быть не менее 0,5 Вт, а сопротивление — 200—750 кОм.
В однофазную сеть допустимо включать трехфазные электродвигатели любых типов. Однако не все они работают равноценно. Это относится прежде всего к двигателям с двойной клеткой коротко-замкнутого ротора, например, серии М, которые функционируют крайне плохо. Другие же — и их, к счастью, большинство — с конденсатором работают нормально. Это асинхронные электродвигатели серий А, АО, АО2, Д, АОЛ, АПН и УАД.
Как видно из приведенной формулы, снизить потребляемый электромотором ток удается, увеличив cos φ (приблизив его к единице). Это широко практикуется на промышленных предприятиях, где коэффициент мощности поднимают за счет специальных конденсаторных батарей. У нас же нужно включить еще один конденсатор непосредственно в осветительную сеть. Его емкость должна быть больше или равна С2. Такой конденсатор также целесообразно зашунтировать разрядным резистором.
В качестве кнопки SB1 можно применить, например, кнопку типа КН (коммутируемый ток до 1,5 А), КЗ, КР, КПЗ (до 2 А) или КМ 1 -1, КМ2-1 (до 3 А). Переключатель SA1 может быть типа Т-3, ТП1-2, ТВ2-1, ТВ1 или МТ-1. Все Они выдерживают коммутацию тока до 3 А, что соответствует потребляемой мощности не менее 660 Вт. Если же потребляемая мощность будет выше, придется применить промышленную коммутационную аппаратуру от станков, электроагрегатов и т.д., в частности, пакетные выключатели, магнитные пускатели, рубильники или контакторы.
Все конденсаторы C1, С2 и сетевой должны иметь номинальное (рабочее) напряжение не менее 400—600 В.
Наиболее подходящими являются конденсаторы типа МБГЧ-1 или bМГБЧ-2с номинальным напряжением 500 В либо КБГ-МН или КБГ-МП, но с номинальным напряжением 1000 В.
Годятся такжв и любые другие конденсаторы, специально предназначенные для работы в сети переменного напряжения 220 В. Взять их можно из любой промышленной аппаратуры или отслуживших свой срок люминесцентных светильников (ламп дневного света) — там их емкость обычно равна 2 или 4 мкФ.
Отметим, что мощность используемого электродвигателя ограничена не только стойкостью коммутационной аппаратуры (SB1, SA1, ХР1) и провода, но и величиной допустимых токов питающей сети.
Если паспортная мощность Р трехфазного электродвигателя невелика, да к тому же его обмотки соединены по варианту "звезда", описанный здесь "конденсаторный" способ хорошо подходит. Скажем, если Рпотр=200 Вт, то С1=12—14 мкФ и С2=18—42 мкФ, что в первом случае потребует батареи, составленной из 3—4 штук, а во втором — из 5—10 конденсаторов емкостью 4 мкФ (МБГЧ-1 на 500 В — от ламп дневного света). По габаритам это вполне приемлемо.
Если же мощность "трехфазника" значительна, а тем более для варианта "треугольник", то размеры конденсаторной батареи получаются непомерно большими. Предположим, что Рпотр=2000 Вт, тогда С1=240—280 мкФ и С2=360—840 мкФ, что потребует батареи соответственно из 60—70 штук и 90—210 штук аналогичных конденсаторов. Иначе говоря, первая батарея будет представлять собой ящик размерами до 455x300x130 мм, а вторая — 650x630x130 мм. Как видим, габаритные размеры такой конденсаторной батареи слишком велики.
Чтобы преодолеть эту проблему, вместо традиционного фазосдигающего конденсатора можно применить электронное устройство (рис. 3). Предназначено оно как раз для наиболее неблагоприятного по габаритам варианта соединения обмоток двигателя в "треугольник".
За основу устройства взята конструкция брянского радиолюбителя В. Голика, описанная в его статье "Устройство запуска трехфазных электродвигателей" (журнал "Радио", 1996, №6, с.39). Модернизация этого прототипа заключалась, во-первых, во введении реверсирующего переключателя SA1, во-вторых, в дополнении устройства узлом, обеспечивающим автоматический пуск двигателя взамен неудобного ручного.
Фазовый сдвиг достигается кратковременным замыканием в определенные моменты верхней наклонной (по схеме) обмотки двигателя М1, когда переключатель SA1 находится в верхнем положении; либо нижней наклонной, когда он переведен вниз.
Замыкание той или иной наклонной (например, верхней) обмотки двигателя М1 производится открытыми тринистором VS1 и диодом VD2, когда положительная (относительно нижнего сетевого провода) полуволна переменного напряжения приложена к верхнему сетевому проводу. Когда же к нему приложена отрицательная полуволна, ту же обмотку замыкают тринистор VS1 и диод VD1.
Тринисторы VS1 и VS2 открываются по управляющему электроду аналогом однопереходного транзистора, собранного на обычных транзисторах VT1, VT2 и резисторе R5. Для надежности управляющие электроды тринисторов VS1 и VS2 зашунтированы резистором R1. Закрываются эти тринисторы, когда ток через них прекращается. Порог открывания "однопереходника", а значит, и тринис-тора VS1 или VS2, задан делителем напряжения R4 и R2. Этот делитель подключен к низковольтному (около 10 В) источнику питания, представляющему собой параметрический стабилизатор (с выпрямителем), выполненный на диодах VD3, VD4, токоограничительном резисторе R3, фильтрующем конденсаторе С2 и стабилитроне VD5.
Тринистор VS1 (или VS2) открывается через каждые 20 миллисекунд, что соответствует сетевой частоте 50 Гц. А вот "однопереходник" открывается вдвое чаще — через каждые 10 мс, что отвечает удвоенной частоте 100 Гц. Момент открывания того или иного тринистора несколько запаздывает (на равную величину для каждого из них) относительно очередного "нуля" напряжения в сети. Величина запаздывания зависит от емкости фазозадающего конденсатора С1 и сопротивления цепи, через которую он периодически заряжается. (Разрядка этого конденсатора происходит всякий раз, когда открывается "однопереходник").
Так, если транзистор VT3 закрыт, зарядный ток будет течь через резисторы R6 и R7, соединенные в схеме последовательно. Если же транзистор VT3 открыт, зарядка конденсатора С1 станет происходить фактически только через резистор R7. Ясно, что в первом случае запаздывание относительно "нуля" сети будет наибольшим, а во втором — наименьшим. Неполное открывание транзистора VT3 дает промежуточные значения сопротивления зарядной цепи.
Но транзистор VT3 открыт, когда закрыл транзистор VT4. Когда же последний открыт (времязадающий конденсатор С3 при этом заряжен через резистор R9 достаточно полно), транзистор VT3 будет надежно закрыт, так как его эмиттерный переход в этот момент зашутирован переходом эмиттер-коллектор открытого транзистора VT4. Поясним, что резистор R8 является коллекторной нагрузкой транзистора VT4, а R10 ограничивает ток его базы.
Работа устройства
Работа устройства происходит следующим образом. После включения вилки ХР1 в сетевую розетку конденсатор С2 низковольтного стабилизатора очень быстро заряжается до напряжения около 10 В. Но конденсатор С3 пока еще заряжен недостаточно, а потому транзистор VT4 закрыт, а VT3 открыт. Понятно, что зарядка фазозадающего конденсатора С1 сперва происходит лишь через резистор R7, в результате чего время его зарядки невелико, а фазовый сдвиг, обеспечиваемый устройством, будет наибольшим.
Однако спустя 3—5 с конденсатор С3 зарядится настолько, что транзистор VT4 полностью откроется, а VT3 закроется. Теперь время зарядки конденсатора С1 (через резисторы R6 и R7) увеличится, а фазовый сдвиг станет несколько меньше, что и требуется для работы двигателя М1 в оптимальном режиме. Поскольку транзистор VT3 открывается достаточно плавно, переход двигателя с пускового режима на рабочий тут происходит почти незаметно, что положительно отличает этот способ от "конденсаторного", где смена режимов сопровождается характерным ревом.
Если теперь вилку ХР1 выдернуть из розетки, конденсатор С3 почти мгновенно разрядится через резистор R10 и эмиттерный переход транзистора VT4. Устройство вновь готово к работе.
Настройка устройства
Настройка устройства заключается в подборе номинала резисторов R6, R7 и R9. Сперва подбирают резистор R7 таким образом, чтобы пуск двигателя М1 происходил наиболее динамично. Затем подбирают резистор R6 по критерию наиболее устойчивого хода на рабочем режиме — с характерной нагрузкой. Наконец, последним подбирают резистор R9 так, чтобы переход конкретной модели двигателя с пускового режима на рабочий происходил бы в течение оптимального времени.
Все детали устройства устанавливают на плате печатным или навесным монтажом. Тринисторы VS1, VS2 и диоды VD1, VD2 монтируют на плате без радиаторов. Плату помещают в корпус из пластика или пропитанной олифой (либо лаком) фанеры. Там же размещают переключатель SA1, поэтому с двигателем М1 и сетью устройство соединено посредством трех проводов.
Отметим, что "электронный" пуск вместо "конденсаторного" для двигателей сравнительно большой потребляемой мощности (до 2 кВт) оказывается более выгодным, как с точки зрения габаритов и массы, так и стоимости.
О деталях устройства
Наибольшая мощность двигателя М1 ограничена главным образом током, который способны пропустить тринисторы VS1, VS2 и диоды VD1, VD2. Если их типы такие, как на схеме, потребляемая мощность мотора может достигать 2000 Вт. Такая же допустимая мощность будет, если тринисторы КУ202Н (VS1 и VS2) заменить на КУ202М или, в крайнем случае, на КУ202К либо КУ202Л. Если же мощность электродвигателя не превышает 400 Вт, для замены подойдут тринисторы КУ201К или КУ201Л.
Вместо диодов Д241 (VD1 и VD2) подойдут диоды следующих типов: Д232, Д232А, Д233, Д246, Д246А, Д247, КД206А, КД206Б. Годятся и диоды серий КД203 (с буквенным индексом А, В или Д), либо КД210 (с любым индексом). Если же потребляемая мощность двигателя не превышает 1000 Вт, то допустимо установить диоды типов Д232Б, Д233Б, Д234Б, Д246Б, Д247Б, Д248Б, КД206В или серии КД202 (с буквенным индексом К, М либо Р).
Транзистор структуры n-p-n (VT1) может быть серий КТ201, КТ306, КТ312, КТ315, КТ316, КТ340, КТ342, КТ503, КТ3102, МП35-МП38, МП101-МП103, МП111-МП113, П307-П309, ГТ109-ГТ311. Транзисторы структуры p-n-p (VT2-VT4) советуем использовать следующих серий: КТ203, КТ208, КТ209, КТ345, КТ352, КТ361, КТ363, КТ502, КТ3107, МП21, МП25, МП26, МП39-МП42, МП104-МП106, МП114-МП116, П401-П403, П410-П417, ГТ108, ГТ124, ГТ125, ГТ308-ГТ310, ГТ320-ГТ322.
Выпрямительные диоды (VD3, VD4) могут быть типов КД105В, КД105Г, КД209А, КД209В, КД226Г, КД226Д или Д226Б. Для их замены годится и одна сборка серии КД205 (с буквенным индексом А, Б, Е, Ж или И). Стабилитрон (VD5) применим серий КС191, КС196, КС210, КС211, Д818, либо типа Д814В или Д814Г.
Вместо одного двухватного резистора (R3) сопротивлением 30 кОм можно установить четыре полуваттных (типа МТ-0,5) сопротивлением по 120 кОм при параллельном соединении. Остальные резисторы — типа МЛТ-0,125, ОМЛТ-1,125 или ВС-0,125. Конденсатор С1 — любой керамический или бумажный с произвольным номинальным напряжением, напряжение оксидных конденсаторов (С2 и С3) должно быть не менее 15 В. Если электродвигатель установлен на улице, оксидные конденсаторы рекомендуется применять наиболее "морозоустойчивых" серий (например, ЭТО, К52, К53).
Журнал «САМ» №7, 1998 год
