Схема підключення трифазного електродвигуна в мережу 220В: принцип роботи і пристрій трифазного асинхронного двигуна, способи зєднання обмоток
З асинхронним двигуном стикався практично кожна людина. Вони встановлюються у велику кількість побутової техніки, а також робочого електроінструменту. Однак частина моторів підключаються тільки через трифазний провід.
Асинхронні двигуни – це надійні і практичні мотори, які застосовуються повсюдно. Вони малошумні і володіють непоганою продуктивністю. У даній статті будуть показані основні принципи роботи трифазних електродвигунів, схема підключення до мережі 220В, а також різні хитрощі при роботі з ними.
Що таке трифазний струм?
Більшість асинхронних двигунів працює від трифазної мережі, тому спочатку розглянемо поняття трифазного струму. Трифазний струм або трифазна система електричних ланцюгів – це система, що складається з трьох ланцюгів, в якій діють електрорушійні сили (ЕРС) однакової частоти, зсунуті по фазі відносно один одного на 1/3 періоду(φ=2π/3) або 120°.
Більшість виробничих генераторів побудовано на основі трифазної генерації струму. По суті, в них використовують три генератора змінного струму, які розташовуються відносно один одного під кутом 120°.
Схема з трьома генераторами передбачає, що з даного пристрою будуть виводитися 6 проводів (по два на кожен генератор змінного струму). Однак на практиці видно, що побутові, так і промислові мережі приходять до споживача у вигляді трьох проводів. Це робиться з метою економії електропроводки.
Котушки генераторів з’єднують таким чином, що на виході виходить 3 дроти, а не 6. Також дана комутація обмоток генерує струм потужністю 380В, замість звичних 220В. Саме таку трифазну мережу звикли бачити всі користувачі.
ІНФОРМАЦІЯ: Перша система трифазного струму на шести проводах була винайдена Ніколою Тесла. Пізніше її удосконалив і розвинув М. О. Доліво-Добровольський, який вперше запропонував чотирьох і трьох дротову систему, а також провів низку експериментів, де виявив ряд переваг даної комутації.
Більшість асинхронних двигунів працюють від трифазної мережі. Розглянемо докладніше, як влаштована робота даних агрегатів.
Пристрій асинхронного двигуна
Почнемо з внутрішньої архітектури мотора. Зовні пристрій трифазного асинхронного двигуна практично нічим не відрізняється від інших електромоторів. Мабуть, єдина відмінність, що впадають у вічі, – це більше товстий дріт живлення. Основні відмінності заховані від очей споживача під металевим кожухом двигуна.
Розкривши коробку управління (місце, куди заходять дроти живлення), можна побачити 6 вводів проводів. Їх під’єднують двома способами, в залежності від того, які характеристики треба отримати від даного мотора. Докладніше про способи комутації трифазних асинхронних двигунів буде розказано нижче.
Знявши захисний металевий кожух, можна побачити робочу частину мотора. Він складається з:
- вала;
- підшипникових вузлів;
- статора;
- ротора.
Основні компоненти мотора – це статор і ротор. Саме вони призводять двигун в рух.
Розберемо будова даних компонентів у трифазному асинхронному двигуні:
Тепер варто розібратися, на яких принципах побудована робота асинхронного трифазного двигуна.
Принципи роботи трифазних асинхронних двигунів
Трифазний асинхронний двигун працює за рахунок магнітних полів, які створюються на обмотках статора. Струми, що проходять через кожну обмотки, мають зрушення в 120° один відносно одного під тимчасовою і просторовою характеристикою. Таким чином, сукупний магнітний потік на трьох контурах є обертаючим.
На обмотках статора утворюється замкнута електрична ланцюг. Вона взаємодіє з магнітним полем статора. Так з’являється пусковий момент двигуна. Він прагне повернути ротор у напрямку обертання магнітного поля статора. З часом пусковий момент підходить до значення гальмівного момент ротора, після чого він перевищує його і ротор приводиться в рух. В цей момент виникає ефект ковзання.
ІНФОРМАЦІЯ: Ковзання — це величина, яка показує, наскільки синхронна частота магнітного поля статора більше, ніж частота обертання ротора, у процентному співвідношенні.
Розглянемо даний параметр в різних ситуаціях:
Параметр ковзання знаходиться в діапазоні від 0 до 1. У асинхронних двигунів загального призначення цей параметр складає 1-8%.
Коли настає рівновага між електромагнітним моментом ротора і гальмівним моментом на валу мотора, процеси коливання величин припиняються.
При настанні рівноваги між електромагнітним моментом, що викликає обертання ротора і гальмівним моментом, створюваним навантаженням на валу, процеси зміни величин припиняться. Виходить, що основний принцип роботи асинхронного двигуна полягає у взаємодії обертового магнітного поля статора і струмів, що наводяться цим магнітним полем в роторі. При цьому необхідно враховувати, що обертовий момент виникає тільки в результаті різниці частоти обертання магнітних полів на обмотках двигуна.
Знаючи принцип роботи асинхронного трифазного двигуна, можна зробити його запуск. У цьому випадку варто враховувати кілька варіантів підключення обмоток двигуна.
Способи підключення обмоток асинхронних двигунів
Розкрутивши блок управління двох простих двигунів асинхронного типу, можна побачити по 6 висновків проводів в кожному з них. Однак їх комутація може значно відрізнятися.
У електротехніці заведено підключати трифазні обмотки асинхронних двигунів двома способами:
- зіркою;
- трикутником.
Кожен тип підключення впливає на продуктивність двигуна, а також на його пікові показники потужності. Розглянемо кожен з них окремо.
Метод зірки
В даному типі комутації всі висновки робочих обмоток з’єднуються однією перемичкою в один вузол. Його називають нейтральною точкою і позначають буквою «О». Виходить, що кінці всіх фазних обмоток з’єднаються в одному місці.
На практиці мотори з з’єднанням за методом зірки мають більш м’яким пуском. Така комбінація підходить, наприклад, для токарних верстатів або іншої техніки, де потрібна повільний старт. Однак даний двигун не може розвивати максимально паспортної потужності.
Метод трикутника
Ця комутація передбачає послідовне з’єднання кінців фазних обмоток. На висновках проводах це виглядає, як попарне поєднання кожної обмотки. Виходить, що кінець однієї обмотки переходить у початок іншої.
Двигуни з таким з’єднанням обмоток стартують набагато швидше, ніж двигуни з комутацією методом зірки. При цьому вони можуть розвивати максимальні потужності, передбачені заводом-виробником.
Трифазні асинхронні двигуни проектуються, виходячи з номінального живлячої напруги. Зокрема, всі вітчизняні двигуни підрозділяють на дві категорії:
- для мереж 220/127В;
- для мережі 380/220В.
Мотори першої групи менш поширені в силу своїх слабких потужностних характеристик. Найчастіше використовують двигуни другої групи.
ВАЖЛИВО: При комутації обмоток двигуна використовують правило: для більш низьких значень напруги вибирають підключення методом трикутника, для високих – тільки методом зірки.
Деякі завзяті радіоаматори можуть визначити схему підключення мотора по звуку його пуску. Звичайна людина може дізнатися про метод комутації обмоток двигуна кількома способами.
Як визначити, за якою схемою підключені обмотки двигуна?
Метод комутації обмотки двигуна впливає на його характеристики, проте всі з’єднання висновків знаходяться під захисним кожухом, в блоці управління. Їх просто не видно, але не варто зневірятися. Є спосіб, який дозволяє дізнатися метод комутації, не вдаючись до розбору блоку управління.
Для цього достатньо зазирнути на номерну табличку, встановлену на корпусі двигуна. На ній зазначають точні технічні параметри, в тому числі і метод комутації. Приміром, на ній можна виявити наступні позначення: 220/380В і геометричні позначення трикутник/зірка. Ця послідовність говорить про те, що на моторі, працюючим від мережі 380В., встановлена схема комутації обмоток по типу «зірка».
Однак даний спосіб не завжди спрацьовує напевно. Таблички на старих двигунах часто затерті або зовсім втрачені. В такому випадку доведеться розкручувати блок управління.
Другий спосіб передбачає візуальний огляд вивідних контактів. Контактна група може бути з’єднана наступним способом:
На деяких моторах в блоці управління можна виявити лише три висновки. Це говорить про те, що комутація зроблена усередині самого двигуна, під захисним кожухом.
Трифазні двигуни дуже витривалі і цінуються в господарстві, ремонті і будівництві. Але вони марні для домашнього використання, так як побутова мережа може дати лише одну фазу, напругою 220В. Насправді, це не зовсім вірне судження. Підключити трифазний асинхронний двигун до побутової мережі можливо. Це робиться за допомогою радіодеталі – конденсатора. Розглянемо даний метод докладніше.
Зсув фаз за допомогою конденсаторів
Двигуни, в яких використовують конденсатори, називають конденсаторними двигунами. Сам конденсатор встановлюють в ланцюг статора так, щоб він створював зсув фази в обмотках. Найчастіше цю схему використовують при підключенні трифазних асинхронних двигунів до побутової мережі 220В.
Для зсуву фаз потрібно підключити одну з обмоток в розрив з конденсатором. При цьому ємність конденсатора підбирають таким чином, щоб зсув фаз на обмотках вийшов максимально наближеним до 90°. В цьому випадку для ротора створюється максимальний крутний момент.
ВАЖЛИВО: В даній схемі необхідно врахувати модулі магнітної індукції обмоток. Вони повинні бути однаковими. Це дозволить створити сумарне магнітне поле, яке буде обертати ротор по колу, а по еліпсу. У цьому випадку ротор буде крутитися з більшою ефективністю.
Оптимальний зсув фази досягається правильним підбором ємності конденсатора, як в пусковому, так і в робочому режимі. Також правильне круговий магнітне поле залежить:
- швидкості обертання ротора;
- напруги мережі;
- числа витків обмотки;
- підключених конденсаторів.
Якщо оптимальне значення одного з параметрів відходить від норми, то магнітне поле стає еліптичним. Якісні характеристики двигуна відразу же впадуть.
Тому для вирішення різного типу завдань підбирають двигуни з різними місткостями конденсаторів. Для забезпечення максимального пускового моменту беруть конденсатор більшої ємності. Він забезпечує оптимальний струм і фазу під час запуску мотора. У разі, коли пусковий момент не має значення, приділяють увагу тільки створення необхідних умов для робочого режиму.
Як підключити трифазний електродвигун в мережу 220 в?
Розглянемо найпростіший спосіб підключення трифазного асинхронного двигуна в побутову мережу. Для цього буде потрібно набір ручних інструментів, конденсатор, а також мінімальні знання електротехніки і мультиметр.
Отже, покрокове керівництво по підключенню:
ВАЖЛИВО: Розрахунок потужності конденсатора проводять за формулою: на 100Вт /10 мкФ.
Даний спосіб дуже простий і безпечний. Перед підключенням конденсатора і попередніми пуском двигуна, варто перевірити цілісність контуру проводки на пробиття по корпусу. Це можна зробити за допомогою мультиметра.
Як видно, схема досить проста. Підключення не займе багато часу і потребує мінімум зусиль. Є й інші схеми приєднання трифазного двигуна в звичайну мережу. Розглянемо їх.
ІНФОРМАЦІЯ: НА жаль не всі трифазні двигуни добре працюють від побутової мережі. Деякі можуть просто перегоріти. До таких відносяться мотори з подвійною кліткою короткозамкненого ротора (серія МА). Для використання трифазних двигунів до побутової мережі краще використовувати двигуни серії АО2, АПН, УАД, А, АТ.
Схема підключення трифазних двигунів в однофазну мережу
Для безпечної і коректної роботи трифазного асинхронного двигуна від побутової мережі необхідно використовувати конденсатор. При цьому його ємність повинна залежати від кількості оборотів мотора.
В практичному виконанні даний пристрій виготовити досить проблематично. Для вирішення даної задачі використовують управлінням двоступеневе управління мотором. Таким чином, у момент пуску працюють два конденсатора:
- пусковий (Сп);
- робочий (Ср).
Після набору двигуном робочих оборотів, пусковий конденсатор відключають.
Розглянемо схему підключення двигуна за допомогою двох конденсаторів.
В даному варіанті передбачається використання двигуна в мережі 220/380В. Схема:
Позначення: Ср — робочий конденсатор; Сп — пусковий конденсатор; П1 — пакетний вимикач.
Коли включають пакетний вимикач П1 відбувається замикання контактів П1.1 і П1.2. У цей момент необхідно натиснути кнопку «Розгін». Коли двигун вийде на робочі оберти, кнопку відпускають. Реверс двигуна здійснюється шляхом перемикання тумблера SA1.
Важливо: правильно розрахувати ємність робочого конденсатора.
Розглянемо кілька формул для підключення обмоток різними методами:
Для будь-якого методу комутації розраховують, що споживається електродвигуном струм. Формула: I = P/(1.73 Uŋ*cosϕ); де Р — потужність двигуна, Вт, вказану в його паспорті; ŋ — ккд; cosϕ – коефіцієнт потужності; U -напруга в мережі.
В даній схемі ємність пускового конденсатора Сп підбирають в 2-2.5 рази вище ємності робочого конденсатора. При цьому всі конденсатори повинні бути розраховані на напругу перевищують напругу мережі в 1.5 рази.
ІНФОРМАЦІЯ: Для побутових мереж 220В добре підходять конденсатори типу МБГО, МБПГ, МБГЧ з робочою напругою 500В і вище. Для короткочасного підключення використовують конденсатори К50-3, ЭГЦ-М, СЕ-2 в якості пускових. При цьому їх робоча напруга має бути не менше 450 Ст. Для більшої надійності електролітичні конденсатори з’єднують послідовно, з’єднуючи між собою їх мінусові висновки, і шунтують діодами
Застосування електролітичних конденсаторів в якості пускових
Для підключення трифазних асинхронних електродвигунів в побутову мережу використовують, як правило, прості паперові конденсатори. За тривалий час застосування вони показали себе не найкращим чином, тому зараз великі паперові конденсатори практично не використовуються. Їм на зміну прийшли оксидні (електролітичні) конденсатори. Вони мають менші габарити і широко поширені на ринках радіодеталей. Розглянемо схему заміни паперового конденсатора на оксидний:
З схеми видно, що позитивна хвиля змінного струму проходить через елементи VD1, С2, а негативна — через VD2, С2. Це говорить про те, що дані конденсатори можна використовувати з допустимою напругою в 2 рази меншим, ніж у звичайних конденсаторів аналогічної ємності. Ємність для оксидного конденсатора розраховується за тим же методом, що і для паперових конденсаторів.
ІНФОРМАЦІЯ: Так у схемі однофазної мережі 220В використовують паперової конденсатор з напругою 400В. При його заміні на оксидний конденсатор, достатньо потужності 200В.
Послідовне і паралельне з’єднання конденсаторів
Варто зазначити, що у підключеного двигуна в побутову мережу 220В, без особливого навантаження буде страждати одна з обмоток. Це контур, який підключається через конденсатор. В цьому випадку на нього надходить струм, на 20-30% вище номінального. З цього випливає, що на недогруженном моторі ємність конденсатора необхідно зменшити. Але тоді, якщо двигун запускався без пускового конденсатора, останній може знадобитися.
Вирішити це завдання допоможе заміна одного великого конденсатора на кілька, з’єднаних в ланцюг паралельним способом. Так можна підключати або відключати непотрібні компоненти, використовуючи конденсатори в якості пускових. При паралельному з’єднанні сумарну ємність в мкФ вважають за формулою: Собщ = C1 + C1 + … + Сп.
Необхідні інструменти та комплектуючі
Будь монтаж перерахованих вище схем вимагає мінімальних знань електротехніки, а також навичок роботи з радіоелектронікою і пайкою дрібних деталей.
З інструментів знадобиться:
Також будуть потрібні радіодеталі:
- Конденсатори.
- Кнопка пуску.
- Магнітний пускач.
- Тумблер реверсу.
- Контактна плата.
Перерахованих інструментів та радіокомпонентів вистачить для складання представлених вище схем.
ВАЖЛИВО: Не підключайте двигун у мережу, не перевіривши роботу зібраної схеми. Її можна перевірити за допомогою мультиметра. Це вбереже техніку від короткого замикання.
Висновок
Трифазний асинхронний двигун – це надійний і ефективний мотор, який можна підключити як до трифазної, так і однофазної мережі. При цьому необхідно дотримуватися ряду правил. Зокрема – правильно розраховувати ємності конденсаторів. Якщо всі розрахунки вірні, двигун буде працювати в оптимальному режимі з високим рівнем ККД.
