Трехфазные моторы в однофазной сети

Тему по-идее можно закрыть. Вопрос хорошо исследован, разобран специалистами и замусолен дилетантами. Именно по причине массового жевания темы в сети дилетантами мне придется сказать об этом несколько слов. Хотелось бы кратко и ясно.

Причиной возникновения темы о применении трехфазных промышленных моторов в быту является бедность населения и относительная доступность старых моторов, которые выведены из промышленного оборота. Асинхронные двигатели очень надёжны. Поэтому они легко переживут не одно поколение пользователей. Если старые моторы ваварски не убивали, то они вполне рабочие и пригодны для любительских и полупрофессиональных станков. Наиболее ходовые типономиналы 4А, АО, АИР 1,5-2,2-3-4-5,5 кВт. При синхронных частотах вращения 1000-1500-3000 оборотов в минуту. Мощности менее 1,5 кВт - фигня, по причине малой эффективности, поскольку потеря 30% мощности при уходе на одну фазу ослабляет момент резания. Разве что рейки пилить. Частоты вращения 1000 оборотов и меньше приводят к применению шкивов увеличенного диаметра, которые дороговаты, загромождают конструкцию, требуют длинных ремней. Ведь на валу рабочего органа требуется частота вращения 3500-4500 оборотов. Остальные нюансы построения станка менее значимы, поскольку пусковые моменты разных моторов отличаются не слишком радикально. К тому же зачастую в реальное использование попадают случайные моторы, условно бесплатные и иногда очень древние. Поэтому нередко встречается хлам, который всё ещё крутится. Вокруг таких раритетов (винтажных - издёвка) и происходят телезрительские пляски с бубном. 

Мои рекомендации простые, применять в гаражных деревообрабатывающих станках моторы 3-4-5,5 кВт на 3000 оборотов. Шкивок на валу мотора при этом остаётся скромного диаметра (до 150 мм). Но шкивы применять нужно в два ручья. Поскольку моторы сравнительно мощные - одного ремня окажется наверняка недостаточно. Зато пилить и строгать на таком станке можно серьезный лесоматериал. Брус резать до 150 мм (диск пильный до 350-400 мм), доску строгать шириной 250-350 мм при сравнительно большом заглублении. Барабаны фуганков применять лучше на три ножа. Тогда бреет очень чисто, обороты не падают и двигатель не буксует. Станину здесь следует делать крепкую и коренастую, из уголка 50 или профильной трубы.

                  Остальные варианты маломощных станков - баловство и шутка. 

Главное условие для успешного запуска мощного трехфазного мотора при его подключении в однофазную сеть - крепкая электропроводка. Ветхие провода в гараже приведут к большой просадке напряжения и потерям. Пусковые токи АД в 7-8 раз больше номинальных. Это может быть 100 и более ампер. Поэтому двигатель под ремнями в слабой сети просто не стартует. Поскольку момент пропорционален квадрату напряжения, постольку просадка напряжения на 20-25% приведет почти в двукратному снижению момента и мычанию мотора, вместо его раскрутки. Желательно иметь короткую силовую сеть из медного кабеля ВВГ 2,5 кв.мм и более. 

Второе непременное условие - доступность к переключению обмоток мотора в соединение треугольником. Картинка моторного клеммника с шестью контактами широко распространена в сети. Никогда не пытайтесь использовать в бытовой сети моторы с обмотками, включенными звездой и рассчитанными на 380 вольт. Это занятие глупое и бесперспективное. Используют только сединение треугольником. Собственно по этой причине, моторы с обмотками наглухо соединенными в звезду, на рынке всегда будут торговаться дешевле. Их невозможно применить в быту, только в заводских условиях с трёхфазной сетью. Избавляйтесь от иллюзий. Обычному телезрителю промышленный мотор и промышленная схема включения не нужны, от слова - совсем. Пример расположения перемычек в стандартной коробке мотора для звезды и треугольника показан ниже. Если мотор имеет просто шесть выводов в коробке, то скорее всего он был перемотан после аварии. Просто так моторы не ковыряют. Значит цена его уже другая - значительно ниже. Продавцы моторов обычно надувают губы и накручивают цену. Так вот реально их стоит отправлять с такими моторами вдаль и лесом. В новом моторе всегда стандартная коробка с шестью клеммами, а на шильдике указаны треугольник и звезда. Если сделано по-другому, то это какие-то манипуляции и модификации, а не редко вовсе - колхоз. 

Фотографии перемычек в коробке мотора показаны далее. Чтобы оценить состояние мотора нужно просто разуть глаза. Надо понимать, что без причины никто до вас не полезет вовнутрь мотора. И не станет никто перекоммутировать, изначально изготовленную, заводскую обмотку, пропитанную лаком. Качество перемотки двигателя обычно можно оценить сбросив подшипниковые щиты. Но это уже глубокая разборка, нужная чаще для профилактики и смазки подшипников. Если мотор умеренно гудит, а не воет, то подшипники можно не мазать. 10 лет эксплуатации для мотора - не срок. Но если двигатель работал интенсивно, то подшипникам может быть хана. Тогда и мазать их бесполезно. Надо их просто менять. Здесь нужны соответствующие съёмники, ну и руки нужны, из правильного места растущие.

Обмотки фаз А, В, С в моторах 3-5,5 кВт рассчитаны на 220 вольт, но при включении в звезду их реальное напряжение становится меньше в корень из трех раз (1,73). А это мало при подключени в бытовую сеть 220В. Мотор для наждака в звезде с мычанием, кое-как раскрутится. Мотор под ремнями - нет. А если и раскрутится, то даже при слабой нагрузке на рабочий орган, такой мотор остановится. Напряжение 220 вольт следует подключать только к треугольнику обмоток. Тогда первая фаза, как положено оказывается под номинальным напряжением 220. Вторая и третья получат узел ветвления токов, причем пусковой и рабочий конденсаторы оказываются включенными параллельно третьей фазе, что позволяет загнать третью фазу даже в сравнительно безопасный резонанс, - токов. Нужные фазовые сдвиги и экстремальные токи особенно важны при пуске трехфазного двигателя от сети с конденсатором. Пример упрощенного подключения мотора с конденсатором показан ниже.

Схемы совсем разные. Слева приемлемое подключание, а вот справа соединение мотора звездой. Оно не только бестолковое, но и опасное. Бестолковое потому, что фазные обмотки АД, как правило, рассчитаны на напряжение 220 вольт. Их соединение со средней точкой вызывает необходимость трехфазного включения на 380 вольт. А у телезрителя всего 220. Поэтому на каждой обмотке напряжение окажется меньше. И может оказаться даже меньше 220 вольт.

Рабочие конденсаторы Сn придется подобрать по условию максимальной тяги и минимальной вибрации. Вращающееся поле конечно здесь недостижимо, но пульсирующее поле и тяговые характеристики будут вполне приемлемыми. А здоровенные габариты мотора несколько сглаживают ударные и вибрационные нагрузки от кривого подключения. Батарею рабочих конденсаторов много выгоднее собирать из параллельного включения емкостей 6 или 10 мкф. Эквивалентная емкость получится от 40 до 100 мкФ. Зато внутреннее сопротивление будет малым при параллельном включении С, и, соответственно, малыми будут потери. Пусковые конденсаторы можно брать 100-160-200 мкФ. Желательно также параллельной конфигурации. Для пусковых конденсаторов, работающих кратковременно, напряжение нужно 350-400 вольт и выше. Первая причина в том, что амплитуда синусоидального напряжения 220 вольт равна 310 вольт. Вторая причина повышенных напряжений - вылазит в схеме пуска звездой. При звезде обмотка и конденсатор включены последовательно. Значит возможен резонанс напряжений. Тут уж как повезёт. Если пусковую емкость взять побольше, то можно выскочить и на 600 вольт. Всё зависит от параметров обмотки мотора. Упрощенная схема подключенного в сеть мотора и расчетная модель для анализа режимов показаны ниже.

Пусковой конденсатор Сs, рабочий Сn. Фазные обмотки а, в, с. Кнопка разгона мотора SB1. Сетевая вилка XT1. Расчетная модель составлена для компьютера, пронумерованы узлы, от нуля до 8. Источник напряжения 220 заменен синусоидальной ЭДС ES1. Для контроля токов фаз установлены амперметры EA1 EA2. Обозначения применены согласно входному языку моего программного симулятора. Этот софт авторский, компактный и надежно работает уже почти 40 лет. Рассчитывает любые электрические и электронные схемы в установишихся и переходных режимах, в фазовом пространстве, в частотной области. Есть подсистемы анализа передаточных функций, активных фильтров произвольного порядка, в том числе с применением метода переменных состояния. Считает любую стационарную и динамическую нелинейщину по дискретным моделям, методами Рунге-Кутта, Гира, Ньютона и др. Но это телезрителям знать уже избыточно. Это мой личный интеллектуальный багаж, на который начальникам в этой стране во все времена было насрать.

Нужно сказать, что для схемы треугольника совдеп-конденсаторы даже на 300 вольт меня ни разу не подводили. Хотя ловчее конечно применять на 320-350 и выше. А вообще, рабочие конденсаторы следует брать на 400-500 вольт. Они долговременно работают при больших сквозных токах и генерируют значительные реактивные мощности. Не надо гнаться за конденсаторами на 1000 вольт. Это дурные габариты.

Для малонагруженных моторов пригодно простое конденсаторное подключение через пусковую кнопку типа ПНВ (ниже на картинке, слева). Это специальная кнопка с дополнительным контактом, который временно замыкает пусковой конденсатор, в параллель, на рабочий. Как только мотор раскрутится, так сразу копку можно отпускать и останется подключенным только рабочий конденсатор. Дёшево и сердито. Годится для большинства наждаков. Впрочем для наждака можно поступить ещё проще. Взять только рабочий конденсатор и прицепить его намертво, безо всякого пускового. Наждак на киловаттном моторе в треугольнике раскрутится и без пускового конденсатора, только на рабочем. Это если конечно сам наждачный круг весит не пуд.

А вот станки с большими моторами так, по-хамски, запускать я не советую. Лучше уйти в применение схемы с магнитным пускателем (контактором), который мгновенно коммутирует все три фазы мотора (в середине на картинке). Кнопкой пуск подключает пускачом три фазы к конденсаторам (справа на картинке). Прижатием дополнительной кнопки "разгон" добавляют здоровенные пусковые емкости. А после раскрутки мотора, разгонную кнопку отпускают. Выключение мотора выполняют отключением магнитного пускателя. Так можно уберечься от дурных замыканий, сохранить в целости лицо и оборудование. Впрочем, каждый сам решает - на чём ему лучше экономить.

Какие ещё существуют варианты? Можно применить плавный пуск и транзисторный инвертор, если конечно удастся раздобыть такой. Мощных инверторов со входом по одной фазе, и трёхфазным выходом я не встречал. Ну и кроме всего прочего, стоимость инвертора велика, и она сразу зачеркнёт весь проект дешёвого запуска и применение списанного мотора. Поэтому об использовании инвертора лучше забыть. 

Хочется показать специфические режимы, которые возникают при включении мотора в сеть с конденсатором. Поводом для этого полужила недавняя моя находка, раритетный мотор с обмотками на 127 вольт. Мотор не мелкий, но шильдика нет. Как после удалось установить, это мотор 0,6 кВт на 3000 оборотов. По соединению проводов в коробке стало ясно, что имеет место звезда. Изоленту пришлось срезать и прозвонить старое изделие, в том числе на корпус. И что-то мне подсказало, что не стоит переключать мотор на треугольник, а вначале испытать, как есть. Используя дополнительную информацию из сети и измеренные токи удалось опознать объект. Корпус мотора специфический. При пуске и большим и тяжелым наждачным кругом мотор резво подскочил, показывая крутой момент. Но получилось, что соединение осталось в звезде! А в фазе присутствует последовательный конденсатор. Срочно померил напряжения последовательного участка и получил прикольный результат. На фазе с конденсатором напряжение подскочило до 180 вольт (многовато вместо 127). А на конденсаторе с номиналом 250 вольт - вообще подскочило до 280! Вот такой боковой резонанс выскочил. Пришлось менять блок конденсаторов, снизив емкость до 22 мкф. На фазе звезды напряжение упало до 140 вольт. Снизились пульсирующие биения мотора. Момент немного просел. Но всё встало на свои места и мотор уверенно запускается без кнопки и пускача, и бодро крутит наждачный круг.

Сам факт приближения к резонансному режиму мне не понравился. Поскольку я знаю последствия резонанса напряжений, получается, что легко, по недоразумению запороть любой мотор, применяя конденсаторное включение для схемы звезды, например при обмотках 220/380. Там возможны уже более серьезные напряжения. Может бабахнуть и конденсатор. А может быстренько отгореть провод обмотки фазосдвинутой фазы. Поймать точный режим для произвольного древнего мотора возможно только настройкой. А играть в последовательный резонанс, учитывая грубость расчетных формул, используемых для оценки пускового и рабочего конденсаторов, - занятие малоприятное. Надо бы иметь это ввиду и не ходить в схему включения звездой с фазосдвигающим конденсатором.

Для прояснения режимов вращения и пуска покажу векторные диаграммы. Общий смысл пуска трёхфазного мотора с конденсатором можно пояснить следующим. В рабочем режиме параметры фазы двигателя резко отличаются от пускового режима. При пуске мотора токи фаз в 7-8 раз больше номинального значения. А когда мотор вращается, возникает эквивалентная ЭДС, противодействующая входному напряжению поэтому становятся токи мелкими. Здесь для расчета параметров фазы можно применить номинальные данные мотора, показанные на шильдике. Мощность, реальное напряжение и косинус. Определив резистивное и индуктивное сопротивление фазы, получают собственно индуктивность, в генри. Сеть работает на частоте 50 Гц. Эти данные определяют реальные токи фаз. Но схема будет кривая, поскольку в одной фазе установлен конденсатор и нету трехфазного источника. 

Ниже показаны картинки для моделей и векторных диаграмм трехфазного мотора мощностью около 1 кВт в однофазной сети. Вначале для мотора рассчитаны параметры обмоток. Затем построены схемные модели, для симметричного треугольника и треугольника в цепи однофазного тока с конденсатором, а также для звезды. К слову скажу, что в звезде режим получается значительно хуже, и по токам и по напряжениям. Даже сравнивать не хочется, поскольку однофазный режим оказывается многократно слабее. Картинки расчетных моделей показаны ниже.

По моделям выполнен машинный анализ и построены векторные диаграммы. Для толкования режима можно сказать несколько слов. Опорным состоянием можно считать симметричный режим трехфазного мотора в треугольнике по 220 вольт. Этому соответствует векторная диаграмма с симметричными токами и фазовым сдвигом (картинка слева). Масштаб примерно соответствует реальности. Векторы токов в фазах отстающие по фазе и больше по величине. А вот справа показана эволюция режима мотора с пусковым конденсатором. Желтая фаза имеет напряжение 220. Конечно, хотелось бы, чтобы векторы токов фаз мотора с конденсатором были сдвинуты на 120 градусов, но увы, реальность всегда отличается. Напряжения также не симметричные и существенно меньше, чем при включении в трехфазную сеть 220. Чередование фаз здесь показано обратное.

Путём подбора пускового конденсатора достигают более выгодного режима пуска. Показана эволюция емкостей С1-С2-С3. Например 100-200-300 мкФ. По диаграмме видно, что и напряжение и ток второй фазы (красной) увеличиваются с увеличением конденсатора. А в третьей фазе (зеленой) напряжение и ток сдвигаются по фазе против вращения и также увеличиваются по добавке емкости. Причем режим достаточно близко подходит к симметричному состоянию. Опорное напряжение выбрано Uса. По величине оно равно 220 вольт и не меняется. Ток желтой фазы также практически не меняется. Происходит своего рода имитация трехфазного состояния двигателя, за счет фазосдвигающего конденсатора. Но токи и напряжения пассивных фаз до сетевой фазы (желтой) так и не дотягивают. Собственно это легко подтвердить в схеме треугольника на практике. Только вот крайне существенным является факт просадки сетевого напряжения (230) при пуске. Вплоть до 200 вольт просадка напряжения. Поскольку токи пусковые слишком большие. Поэтому в реале нужно щепетильно отнестись к сечению проводов сети и качеству самого подключения.

В самопальном пусковом устройстве можно попробовать применить схему вольтодобавки, с использованием мощного трансформатора. Для этого нужен однофазный  трансформатор 0,4-0,5 кВт. Сетевая обмотка 230 вольт, а вторичная - около 30 вольт из толстого провода. Очень толстого. Ампер на 30-40 рассчитанного. Инвертируя фазу включения вторичной обмотки трансформатора, подключают её последовательно с сетью 230 вольт. Таким образом вместо 230 вольт, получают 260 вольт сетевого напряжения. Но провода все должны быть достаточно солидные, иначе идея окажется дискредитированной. При пуске электродвигателя, провал напряжения может оказаться величиной вольт 30-40. Но с вольтодобавкой есть шанс, что останется хоть 220 вольт. Значит пусковой момент в моторе будет повыше. В рабочем режиме просадка напряжения сети окажется поменьше и желтая фаза мотора окажется под напряжением около 250 вольт. Что вполне приемлемо, даже по требованиям ГОСТ.

Для процедуры неполнофазного пуска асинхронного двигателя характерны большие проблемы в зимних условиях. При температуре ниже -5 градусов смазки дубеют. Подшипники становятся довольно тугими. А кроме того, в серьезном станке мотор нагружен двумя ремнями, с передачей по шкивам. Вот в этих условиях и вылазят все недостатки пускового устройства с конденсатором. При снижении температуры воздуха, чаще всего пуск мотора оказывается просто невозможным. Мотор мычит и не стартует. Хотя при тех же погодных условиях мотор под трехфазной сетью стартует вполне уверенно. Такова реальность. Только очень точно настроенное под конкретный мотор пусковое устройство, позволяет делать пуск при температурах ниже нуля. Можно определенно сказать, что повышение пусковой емкости до 500-600 мкФ это не преувеличение. Для моторов 3,0 и более кВт под двумя ремнями, на холоде, такое решение оказывается вполне рабочим. 

Нужно сказать несколько слов о практической реализации проекта с мотором. Ниже показана доработка очередной циркулярки под собственные нужды. Прежний шкив на рабочем валу пришлось выбросить, поскольку одного ручья для передачи большого момента не хватает. Мотор, мощностью в 3 кВт оказался на 1410 оборотов. Поэтому понадобилась доработка и ведущего и ведомого шкива.

Подбор нужного шкива под готовую конструкцию вала - довольно тухлая задача. Поэтому приходится обращаться к токарным работам. Небольшая частота вращения двигателя заставляет искать стальную болванку увеличенного диаметра. Пришлось купить болванку, а затем включить токарный станок. Ниже показаны чертежи, для пары шкивов. Вначале показана картинка для малого, ведомого шкива.

Затем картинка для большого, ведущего шкива, на валу электродвигателя. Неожиданной проблемой оказалось изготовление внутреннего шпоночного паза. В ближнем окружении не нашлось долбёжного станка, просрали реформаторы. Да и специалистов не стало, старики ушли уже. Поэтому пришлось выкручиваться. Выточив фальшивый вал для шкива можно просверлить пару в станке, подобрав сверло по габаритам шпонки. Соглашусь, что это колхоз. Но задачу надо решать, даже если все аборигены этой страны, неожиданно оказались в жопе. Заводы все лихо приватизированы и разрушены новыми хозяевами жизни. Станки разломали и сдали на металлолом. Специалистов уволили. Землю из под цехов новые буржуины продали под застройку торговыми центрами и жилыми кварталами. Такова реальность.

В результате такого колхоза получился нормальный модифицированный станок, пригодный для качественной резки толстенной древесины. Стол у циркулярки из алюминиевого листа толщиной 10 мм. Куплен этот полуфабрикат был у какого-то телезрителя и доработан для более мощного мотора. Ниже показан пример того, что получилось в реальности при изготовлении ведущего и ведомого шкивов, для модифицированного деревообрабатывающего станка. Фотографии отражают идею применения фальшивых технологических валов, предназначенных для изготовления шпоночных пазов, внутри ступицы шкива. 

При проектировании шкивов лучше ориентироваться на типоразмеры ремней, доступных к приобретению в конкретной местности. Ниже показана картинка для профилей стандартного исполнения.

Фотографии окончательного варианта соединения механических узлов показаны ниже. Дальше монтируется стол и настраивается станок целиком. Применение мощного пускача позволило решить преоблему запуска в морозную погоду.

Описанную комплексную задачу можно решать самостоятельно, если такое вообще кому-то нужно. А можно купить готовый рабочий станок здесь, на сайте. Сегодня цена равна Р30к. Предлагайте свою цену. Контакты и номер телефона указаны в реквизитах Только надо помнить, что дуракам, предлагающим за станок 1000 деревянных, здесь не рады. Как и тем, кто предлагает мне тот же косарь за сам домен Paseka24.ru.

                                       Евгений Бортник, ноябрь 2023, Красноярск, Россия