Jednofázové připojení třífázového motoru k elektrické síti » Informace pro elektrikáře

Asynchronní elektromotory jsou v průmyslu široce používány díky své relativní jednoduchosti konstrukce, dobrým výkonovým vlastnostem a snadnému ovládání.

Taková zařízení se často dostanou do rukou domácího řemeslníka a ten s využitím znalostí základů elektrotechniky připojuje takový elektromotor k práci z jednofázové sítě 220 voltů. Nejčastěji se používá k broušení, zpracování dřeva, mletí zrn a provádění dalších jednoduchých prací.

I na jednotlivých průmyslových strojích a mechanismech s pohony existují příklady různých motorů, které mohou pracovat z jedné nebo tří fází.

Nejčastěji používají spouštění kondenzátorem, jako nejjednodušší a nejpřijatelnější, i když to není jediná metoda známá většině kompetentních elektrikářů.

Princip činnosti třífázového motoru

Průmyslová asynchronní elektrická zařízení systémů 0,4 kV se vyrábějí se třemi statorovými vinutími. Na ně se aplikují napětí posunutá o 120 stupňů, která způsobují proudy podobného tvaru.

Pro spuštění elektromotoru jsou proudy směrovány tak, aby vytvořily celkové rotující elektromagnetické pole, které optimálně ovlivňuje rotor.

Konstrukce statoru použitá pro tyto účely je znázorněna:

2. magnetické jádro se třemi vinutími umístěnými v něm;

3. koncové vodiče.

V obvyklém provedení jsou izolované vinuté vodiče sestaveny podle hvězdicového schématu instalací propojek mezi šrouby svorek. Kromě této metody existuje také spojení nazývané trojúhelník.

V obou případech je vinutím přiřazen směr: začátek a konec, spojený se způsobem instalace – vinutím během výroby.

Vinutí jsou číslována arabskými číslicemi 1, 2, 3. Jejich konce jsou označeny K1, K2, K3 a jejich začátky – H1, H2, H3. U některých typů motorů lze tento způsob značení změnit, například C1, C2, C3 a C4, C5, C6 nebo jinými symboly, nebo jej vůbec nepoužít.

Správně aplikované značení zjednodušuje připojení napájecích vodičů. Při vytváření symetrického schématu uspořádání napětí na vinutích je zajištěno vytvoření jmenovitých proudů, které zajišťují optimální provoz elektromotoru. V tomto případě jejich tvar ve vinutích plně odpovídá dodávanému napětí a opakuje ho bez jakéhokoli zkreslení.

Přirozeně je třeba chápat, že se jedná o čistě teoretické tvrzení, protože v praxi proudy překonávají různé odpory a mírně se odchylují.

Vizuální vnímání probíhajících procesů je usnadněno znázorněním vektorových veličin na komplexní rovině. U třífázového motoru jsou proudy ve vinutích vytvořené aplikovaným symetrickým napětím znázorněny následovně.

Když je elektromotor napájen napěťovou soustavou se třemi vektory, rovnoměrně rozmístěnými v úhlu a stejné velikosti, protékají vinutími stejné symetrické proudy.

Každé z nich vytváří elektromagnetické pole, jehož indukční síla indukuje vlastní magnetické pole ve vinutí rotoru. V důsledku komplexní interakce tří statorových polí s rotorovým polem vzniká rotační pohyb rotoru, který zajišťuje vytvoření maximální mechanické síly, která otáčí rotor.

Zásady připojení jednofázového napětí k třífázovému motoru

Pro plné připojení tří identických statorových vinutí, rozmístěných pod úhlem 120 stupňů, chybí dva vektory napětí, přítomen je pouze jeden z nich.

Můžete to napájet pouze do jednoho vinutí a roztočit rotor. Takový motor ale nebudete moci efektivně používat. Na hřídeli bude mít velmi malý výstupní výkon.

Proto vzniká problém propojení této fáze tak, aby vytvořila symetrický systém proudů v různých vinutích. Jinými slovy, je potřeba měnič napětí z jednofázové sítě na třífázovou. Takový problém se řeší různými metodami.

Pokud opustíme složitá schémata moderních instalací střídačů, lze implementovat následující běžné metody:

1. použití kondenzátorového startu;

2. použití tlumivek, indukčních odporů;

3. vytváření různých směrů proudů ve vinutích;

4. kombinovaná metoda s vyrovnáním fázových odporů za účelem vytvoření stejných amplitud proudů.

Pojďme se krátce podívat na tyto principy.

Odchylka proudu při průchodu kapacitou

Nejrozšířenější je kondenzátorový start, který umožňuje odklonit proud v jednom z vinutí připojením kapacitního odporu, když je proud posunut o 90 stupňů od vektoru aplikovaného napětí.

Jako kondenzátory se obvykle používají kovové papírové struktury řad MBGO, MBGP, KBG a podobných. Elektrolyty nejsou vhodné pro průchod střídavého proudu, rychle explodují a obvody, které jejich použití zajišťují, jsou složité a mají nízkou spolehlivost.

V tomto obvodu se proud úhlově liší od jmenovité hodnoty. Odchyluje se pouze o 90 stupňů, nedosahuje 30 o (120-90=30).

Odchylka proudu při průchodu induktorem

Situace je podobná jako v předchozím případě. Pouze zde proud zaostává za napětím o stejných 90 stupňů a je o třicet stupňů kratší. Navíc konstrukce tlumivky není tak jednoduchá jako konstrukce kondenzátoru. Musí být vypočítána, sestavena a upravena podle individuálních podmínek. Tato metoda se nerozšířila.

Při použití kondenzátorů nebo tlumivek nedosahují proudy ve vinutích elektromotoru požadovaného úhlu třicetistupňového sektoru, znázorněného na obrázku červeně, což již vytváří zvýšené energetické ztráty. S nimi se však musíte smířit.

Narušují vytváření rovnoměrného rozložení indukčních sil, vytvářejí brzdný účinek. Je obtížné přesně posoudit jeho vliv, ale s jednoduchým přístupem k dělení úhlů dostaneme (30/120 = 1/4) ztrátu 25 %. Můžeme to však uvažovat?

Odvedení proudu aplikací napětí s obrácenou polaritou

V hvězdicovém obvodu je běžné připojit fázový napěťový vodič ke vstupu vinutí a neutrální vodič k jeho konci.

Pokud je stejné napětí přivedeno na dvě fáze oddělené vzdáleností 120°, ale jsou rozděleny a v druhé fázi se změní polarita, proudy se vůči sobě navzájem posunou v úhlu. Budou tvořit elektromagnetická pole různých směrů, která ovlivňují generovaný výkon.

Pouze u této metody je úhel proudů vychýlen o malou hodnotu – 30 o .

Tato metoda se používá v jednotlivých případech.

Metody komplexního použití kondenzátorů, induktorů, změna polarity vinutí

První tři uvedené metody neumožňují jednotlivě vytvořit optimálně symetrickou odchylku proudů ve vinutích. Jejich úhlové zkosení vzhledem ke stacionárnímu obvodu, který je zajištěn pro plnohodnotné třífázové napájení, dochází vždy. V důsledku toho vznikají protichůdné momenty, které zpomalují roztočení a snižují účinnost.

Vědci proto provedli řadu experimentů založených na různých kombinacích těchto metod, aby vytvořili měnič, který poskytuje největší účinnost třífázového motoru. Tato schémata s podrobnou analýzou elektrotechnických procesů jsou uvedena ve specializované akademické literatuře. Jejich studium zvyšuje úroveň teoretických znalostí, ale v praxi se většinou používají jen zřídka.

Dobrý obraz o rozložení proudu v obvodu se vytvoří, když:

1. fáze přímého připojení je napájena do jednoho vinutí;

2. napětí je připojeno k druhému a třetímu vinutí přes kondenzátor a tlumivku;

3. uvnitř obvodu měniče jsou amplitudy proudu vyrovnávány výběrem reaktivních odporů s kompenzací nerovnováhy pomocí aktivních rezistorů.

Rád bych upozornil na třetí bod, kterému mnoho elektrikářů nepřikládá důležitost. Stačí se podívat na následující obrázek a vyvodit závěr o možnosti rovnoměrného otáčení rotoru při symetrickém působení sil stejné i různé velikosti na něj.

Komplexní metoda umožňuje vytvořit poměrně složité schéma. V praxi se používá velmi zřídka. Níže je uvedena jedna z možností její implementace pro elektromotor o výkonu 1 kW.

Pro výrobu měniče je nutné vytvořit složitou tlumivku. To vyžaduje čas a materiální zdroje.

Potíže nastanou také při hledání rezistoru R1, který bude fungovat s proudy přesahujícími 3 ampéry. Musí:

• mají výstupní výkon přesahující 700 wattů;
• dobře vychladnout;
• být spolehlivě izolován od živých částí.

Pro vytvoření takového třífázového měniče napětí bude stále nutné překonat několik technických obtíží. Je však poměrně univerzální, umožňuje připojit motory s výkonem až 2,5 kilowattu a zajišťuje jejich stabilní provoz.

Technický problém připojení třífázového asynchronního motoru k jednofázové síti byl tedy vyřešen vytvořením složitého obvodu měniče. Praktické uplatnění však nenašel z jednoho prostého důvodu, který nelze vyloučit – zvýšené spotřeby energie samotného měniče.

Výkon vynaložený na vytvoření třífázového napěťového obvodu s takovou konstrukcí překračuje potřeby samotného elektromotoru nejméně jedenapůlkrát. Zároveň je celkové zatížení vytvářené na napájecím vedení srovnatelné s provozem starých svářecích strojů.

Elektroměr, k radosti prodejců elektřiny, velmi rychle začne převádět peníze z peněženky domácího řemeslníka na účet energetické organizace a majitelům se to vůbec nelíbí. V důsledku toho se složité technické řešení pro vytvoření dobrého měniče napětí ukázalo jako zbytečné pro praktické použití v domácnosti i v průmyslových podnicích.

Navíc

Schémata zapojení třífázových asynchronních motorů pro provoz z jednofázových sítí:

Schémata a – e se používají v případě, kdy jsou fáze statorového vinutí pevně spojeny do hvězdy nebo trojúhelníku a motor má pouze tři výstupní konce. Schémata b a e by měla být považována za nejlepší z těchto schémat. Při zapnutí motoru podle těchto schémat má v případě správné volby kapacity kondenzátoru poměrně uspokojivé spouštěcí a provozní vlastnosti.

Schémata g a z se používají, když má motor šest výstupních konců – začátky a konce všech fází. S takovým zapojením vinutí se motor prakticky neliší od konvenčního jednofázového asynchronního motoru spouštěcím odporem nebo kapacitou.

Vinutí jeho dvou fází, zapojených sériově, tvoří pracovní vinutí a vinutí třetí fáze je spouštěcí vinutí. Pracovní vinutí, stejně jako u běžného jednofázového motoru se spouštěcím odporem nebo kapacitou, zabírá 2/3 statorových drážek, spouštěcí vinutí – 1/3 drážek.

Při správné volbě aktivního odporu nebo kapacity může mít tento motor přibližně stejné spouštěcí a provozní vlastnosti jako speciálně navržený jednofázový asynchronní motor se spouštěcím vinutím. (Ju. M. Juferov. Elektromotory automatických zařízení)

4 závěrečné závěry

1. Technicky je možné použít jednofázové zapojení třífázového motoru. Pro tento účel bylo vytvořeno mnoho různých obvodů s různými základnami prvků.

2. Není praktické používat tuto metodu pro dlouhodobý provoz pohonů v průmyslových strojích a mechanismech kvůli velkým ztrátám spotřeby energie způsobeným vnějšími procesy, což vede k nízké účinnosti systému a zvýšeným nákladům na materiál.

3. Doma lze obvod použít k provádění krátkodobé práce na nekritických mechanismech. Taková zařízení mohou pracovat po dlouhou dobu, ale v tomto případě se výrazně zvyšují náklady na elektřinu a není zajištěn výkon provozního pohonu.

4. Pro efektivní provoz asynchronního motoru je lepší použít plnohodnotnou třífázovou napájecí síť. Pokud to není možné, je lepší tuto myšlenku opustit a zakoupit si speciální jednofázový elektromotor s odpovídajícím výkonem.

• Instalace a připojení elektroměru: jak správně připojit
• Jak si vybrat příklepovou vrtačku, který model je lepší
• Proč je měření odporu smyčky fáze-nula prováděno profesionály a neděláno hackery?

Doufám, že vám byl tento článek užitečný. Podívejte se také na další články z kategorie Tajemství elektrikáře, Elektrické obvody

Přihlaste se k odběru našeho kanálu na Telegram: World of Electricity

Zde můžete zanechat komentář, položit otázku a jen chatovat:
Chat na elektrická témata

Sdílejte tento článek se svými přáteli:

Třífázová střídavá elektrická síť je nejrozšířenější mezi systémy přenosu elektrické energie. Hlavní výhodou třífázového systému oproti jednofázovým a dvoufázovým systémům je jeho hospodárnost. V třífázovém obvodu je energie přenášena třemi vodiči a proudy tekoucí v různých vodičích jsou vzájemně fázově posunuty o 120°, zatímco sinusové EMF v různých fázích mají stejnou frekvenci a amplitudu.

Třífázový proud (fázový rozdíl 120°)

Hvězda a trojúhelník

Třífázové statorové vinutí elektromotoru je zapojeno do hvězdy nebo trojúhelníku v závislosti na napájecím napětí sítě. Konce třífázového vinutí mohou být: zapojeny uvnitř elektromotoru (z motoru vycházejí tři vodiče), vyvedeny (vychází šest vodičů), přivedeny do rozvodné skříně (z krabice vychází šest vodičů, tři dráty vyjdou z krabice).

Fázové napětí – potenciální rozdíl mezi začátkem a koncem jedné fáze. Další definice: fázové napětí je potenciální rozdíl mezi linkovým vodičem a nulovým vodičem.

Síťové napětí – potenciální rozdíl mezi dvěma lineárními vodiči (mezi fázemi).

Hvězda	Trojúhelník	Označení
		Uл, NEBOф — lineární a fázové napětí, В
		Iл, Iф — lineární a fázový proud, А
		S – plný výkon, Út.
		P – činný výkon, Út.

Poznámka: Ačkoli se výkon pro zapojení do hvězdy a trojúhelníku vypočítává pomocí stejného vzorce, připojení stejného elektromotoru různými způsoby ke stejné elektrické síti bude mít za následek rozdílnou spotřebu energie. V tomto případě může nesprávné připojení elektromotoru vést k roztavení vinutí statoru.

Příklad: Řekněme, že elektromotor byl zapojen v hvězdicové konfiguraci do třífázové sítě střídavého proudu U_л= 380 V (respektive U_ф=220 V) a spotřebovaný proud I_л=1 A. Celková spotřeba energie:

S = 1,73∙380∙1 = 658 W.

Nyní změňme schéma zapojení na „trojúhelník“, lineární napětí zůstane stejné U_л= 380 V a fázové napětí se zvýší o odmocninu 3krát U_ф=U_л=380 V. Zvýšení fázového napětí povede ke zvýšení fázového proudu o odmocninu 3krát. Lineární proud trojúhelníkového obvodu bude tedy třikrát větší než lineární proud hvězdicového obvodu. Spotřeba energie bude tedy 3x větší:

S = 1,73∙380∙3 = 1975 W.

Pokud je tedy motor navržen pro připojení k třífázové síti střídavého proudu do hvězdy, zapojení tohoto elektromotoru do trojúhelníkové konfigurace může vést k jeho poruše.

Pokud je v normálním režimu elektromotor zapojen do trojúhelníkového obvodu, pak pro snížení startovacích proudů při spouštění může být zapojen do hvězdicového obvodu. V tomto případě se spolu s rozběhovým proudem sníží i rozběhový moment.

Zapojení elektromotoru do hvězdy a trojúhelníku

Označení vývodů statoru třífázového elektromotoru

Označení svorek vinutí statoru nově vyvinuté třífázové stroje podle GOST 26772-85

Označení svorek vinutí statoru dříve vyvinuté a modernizované třífázové stroje dle GOST 26772-85

Připojení třífázového asynchronního motoru k jednofázové síti pomocí prvku s fázovým posunem

Třífázové asynchronní elektromotory lze připojit k jednofázové síti pomocí prvků s fázovým posunem. V tomto případě bude elektromotor pracovat buď v režimu jednofázového motoru se startovacím vinutím (obr. a, b, d) nebo v režimu kondenzátorového motoru s trvale zapnutým pracovním kondenzátorem (obr c, d, f).

Schémata zapojení třífázového asynchronního elektromotoru do jednofázové sítě

Schémata znázorněná na obrázku “a”, “b”, “d” se používají, když je vyvedeno všech šest konců vinutí. Elektromotory se zapojením vinutí podle schémat “a”, “b”, “d” jsou prakticky ekvivalentní motorům, které jsou konstruovány jako jednofázové elektromotory se startovacím vinutím. Jmenovitý výkon je 40-50% výkonu v třífázovém režimu a při práci s pracovním kondenzátorem je to 75-80%.

Kapacita pracovního kondenzátoru při proudové frekvenci 50 Hz pro obvody “c”, “d”, “e” přibližně vypočítáno podle vzorců:

• , kde C_otroka – kapacita pracovního kondenzátoru, uF,
• I_nom – jmenovitý (fázový) statorový proud třífázového motoru, А,
• U₁ – jednofázové síťové napětí, В.

Řízení asynchronního motoru

Přímé připojení k elektrické síti

Použití magnetických spouštěčů umožňuje řídit asynchronní elektromotory přímým připojením motoru k síti střídavého proudu.

Pomocí magnetických startérů můžete implementovat následující obvod:

• nevratný start: start a stop;
• zpětný start: start, stop a zpětný chod.

Použití tepelného relé umožňuje chránit elektromotor před hodnotami proudu mnohem vyššími, než je jmenovitá hodnota.

Nevratný obvod

Nevratné schéma připojení třífázového asynchronního elektromotoru k třífázové síti střídavého proudu přes magnetický startér
L1, L2, L3 — kontakty pro připojení k síti třífázového střídavého proudu, QF1 – automatický spínač, SB1 – tlačítko stop, SB2 – startovací tlačítko, KM1 – magnetický startér, KK1 – tepelné relé, HL1 – signální lampa, M — třífázový asynchronní motor

reverzní okruh

Reverzibilní schéma pro připojení třífázového asynchronního elektromotoru k třífázové síti střídavého proudu přes magnetické spouštěče
L1, L2, L3 — kontakty pro připojení k síti třífázového střídavého proudu, QF1 – automatický spínač, KM1, KM2 – magnetické startéry, KK1 – tepelné relé, Mmm – třífázový asynchronní motor, SB1 – tlačítko stop, SB2 — startovací tlačítko „vpřed“, SB3 — startovací tlačítko „zpět“ (zpět), HL1, HL2 — signální svítilny

Řízení frekvence asynchronního elektromotoru

K regulaci rychlosti otáčení a točivého momentu asynchronního motoru se používá frekvenční měnič. Princip činnosti frekvenčního měniče je založen na změně frekvence a napětí střídavého proudu.

Funkční schéma frekvenčního měniče

V závislosti na funkčnosti realizují frekvenční měniče s asynchronním elektromotorem následující způsoby řízení:

Skalární ovládání je jednoduchá a levná na implementaci, má však následující nevýhody – pomalou odezvu na změny zátěže a malý regulační rozsah. Skalární řízení se proto obvykle používá v úlohách, kde je zatížení buď konstantní, nebo se mění podle známého zákona (například řízení ventilátoru).

Skalární řízení asynchronního motoru se snímačem otáček

Vektorové ovládání používá se v úlohách, kde je nutné samostatně řídit otáčky a kroutící moment elektromotoru (například výtahu), což zejména umožňuje udržovat konstantní rychlost otáčení s měnícím se zatěžovacím momentem. Vektorové řízení je přitom nejúčinnějším řízením z hlediska účinnosti a zvýšení provozní doby elektromotoru.

Mezi metodami vektorového řízení pro asynchronní elektromotory jsou nejpoužívanější řízení orientované polem a přímé řízení momentu.

Polně orientované řízení asynchronního elektromotoru pomocí snímače polohy rotoru

Řízení orientované na pole umožňuje plynule a přesně řídit parametry pohybu (rychlost a točivý moment), ale jeho realizace vyžaduje informaci o směru a vektoru vazby toku rotoru motoru.

Podle způsobu získávání informací o poloze táhla toku rotoru elektromotoru se rozlišují:

Polně orientované řízení asynchronního elektromotoru bez snímače polohy rotoru

Přímé řízení točivého momentu Má jednoduchý obvod a vysokou provozní dynamiku, ale zároveň velké zvlnění točivého momentu a proudu.