В. Воронов – От романа-к гурману. Хозяйственные постройки...("Сделай сам" №4∙2003) (страница 30)
— способен вырабатывать «полноценный» трехфазный ток, в т. ч. напряжением 380 В;
— нет потерь в мощности двигателя;
— пригоден для любого типа электродвигателей и любой мощности (мощность ограничена возможностями электросети в пределах 7 кВт);
— конструктивно очень прост. Человек, владеющий навыками электротехники в объеме средней школы, сделает его в течение 1–2 часов. Для его построения требуется трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 3–4 кВт, один конденсатор емкостью 40–60 мкФ и набор монтажного провода. Трехфазный двигатель никакой переделки не требует;
— собственное потребление энергии минимально. Преобразователь автора этой статьи мощностью 4 кВт потребляет на холостом ходу примерно 200 Вт.
Рассмотрим основные принципы, положенные в основу работы преобразователя. Для этого вспомним устройство и работу синхронного генератора трехфазного тока. Он состоит из ротора и статора. Три статорных обмотки сдвинуты в пространстве на угол 120°. С помощью внешнего источника энергии ротор генератора приводится во вращение, и его изменяющимся магнитный поток наводит в обмотках статора ЭДС индукции. Если обмотки статора соединить с потребителем, в цепи появится трехфазный электрический ток. Для получения однофазного тока используют выводы от одной статорной обмотки трехфазного генератора. Такой ток чаще всего используют для бытовых нужд и личного потребления. Попробуем теперь, имея одну фазу, восстановить оставшиеся две. Возьмем обычный трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. У него также имеются ротор и три статорные обмотки, сдвинутые в пространстве на угол 120°. Подадим на одну из обмоток однофазный ток. По указанным выше причинам, ротор такого двигателя не сможет сам начать вращение. Но если посторонней силой сообщить ему первоначальный вращающийся момент, то он будет вращаться дальше за счет переменного однофазного напряжения в одной обмотке. (Строгое научное объяснение этого факта я опускаю, т. к. оно широко известно из курса электротехники.) Вращающийся ротор своим магнитным потоком наведет ЭДС индукции в двух других статорных обмотках, т. е. восстановит недостающие две фазы. Таким образом, мы получим что-то вроде вращающегося трехфазного трансформатора. Одна из обмоток двигателя, на которую подается переменный однофазный ток из сети, становится возбуждающей обмоткой, формирующей магнитное поле вращающегося ротора, а он, в свою очередь, возбуждает переменное напряжение в оставшихся обмотках. Полученное напряжение будет трехфазным, т. к. это обусловлено самой конструкцией электродвигателя. Напряжение на двух оставшихся обмотках будет несколько меньше напряжения на возбуждающей обмотке (из-за потерь при преобразовании). Эта разница составляет, примерно 10–15 В и определяется конструктивными особенностями электродвигателя. Блок-схема универсального преобразователя показана на рис. 1.
Рис. 1.
Как заставить ротор преобразователя вращаться от однофазного напряжения? Таких способов существует несколько. Я рекомендую использовать широко распространенную схему с пусковым конденсатором (см. рис. 2).
Рис. 2.
Емкость конденсатора может быть небольшой, т. к. ротор асинхронного преобразователя приводится во вращение без механической нагрузки на валу. Для преобразователя, построенного на базе асинхронного электродвигателя мощностью 4 кВт (авторский вариант), достаточно конденсатора Сп = 60 мкФ.
Эксперименты, проведенные с таким преобразователем, дали хорошие результаты, но, вместе с тем, были выявлены некоторые недостатки:
— напряжение 380 В является очень опасным для жизни человека. Чтобы снизить вероятность ЧП в быту, желательно использовать линейное напряжение 220 В;
— собственное потребление электроэнергии преобразователем было значительным. Это снижало КПД устройства, особенно в режиме «холостого хода».
Дальнейшая модернизация конструкции позволила избавиться от этих недостатков. Так, в качестве преобразователя автор применял асинхронный 4-киловаттный электродвигатель с 6-полюсной статорной обмоткой (т. н. тысячник). Его обмотки включены «звездой» и рассчитаны на линейное напряжение 380 В. Я же подключал их к 220 В (т. е. между «фазой» и «нулем» двигателя было 127 В). Такое подключение показано на рис. 3.
Рис. 3.
Обычно пусковой конденсатор Сп отключается после того, как преобразователь начнет работать, но можно и не отключать, т. к. его влияние на работу устройства в целом минимально. Легко заметить, что в данном случае получилась «несимметричная звезда».
Преобразователь вырабатывает: «фаза» + «фаза» + «ноль». Я такой ток называю «квазитрехфазный», т. е. «похожий на трехфазный ток» (см. рис. 4).
Рис. 4.
И действительно, достоинств у него оказалось не меньше, чем у обычного трехфазного тока. Он также порождает вращающееся магнитное поле. А так как «рожден» он трехфазным асинхронным двигателем, то идеально подходит в качестве рабочего тока для трехфазных асинхронных двигателей. Кроме всего прочего, удалось снизить линейное напряжение до 220 В, а также собственное энергопотребление довести до 200 Вт. Все потребители, подключаемые к такому преобразователю, можно включать как «звездой», так и «треугольником» (рис. 5).
Рис. 5.
С целью повышения эффективности отдачи преобразователя можно дополнить его автотрансформатором соответствующей мощности, который включается после преобразователя в одну из фаз. Если у автотрансформатора сделать несколько отводов, то напряжение на какой-либо фазе можно менять, а стало быть, регулировать мощность подключаемых к преобразователю электромоторов, что хорошо экономит электроэнергию. Например, установленный на крупорушке однокиловаттный трехфазный электродвигатель я использую на полную мощность только при помоле твердых семян (кукурузы и гороха), а для помола ячменя и пшеницы достаточно 400–500 Вт. Автотрансформатор торроидального типа мощностью — 5 кВт на статорном железе от сгоревшего электродвигателя мощностью 10 кВт. Обмотка автотрансформатора содержит около 300 витков провода ПЭТВ диаметром 2,12 мм с 10 отводами (после каждых 30 витков-отвод). При необходимости, количество витков автотрансформатора можно уточнить по формуле: W = 220∙45/S, где S = а∙в (
Рис. 6,
Чтобы извлечь магнитопровод из корпуса статора, его надо разбить и удалить сгоревшую обмотку. Получится чистый магнитопровод. Его обматывают куском ткани (мешковиной), пропитанной эпоксидным клеем или лаком. Когда клей высохнет, можно наматывать обмотку автотрансформатора. Ее мотают в несколько слоев, равномерно распределяя по всему магнитопроводу. Верхний слой также покрывают тканью, пропитанной слоем эпоксидной смолы. Такая технология обеспечивает надежную защиту от влаги и достаточную механическую прочность. Конечная схема преобразователя выглядит следующим образом (рис. 7).
Рис. 7.
Хочу добавить, что мой преобразователь используется в личном хозяйстве около 12 лет. От него работают трехфазные потребители:
— электропилорама, мощностью 2,8 кВт;
— крупорушка, мощностью 1 кВт;
— электроточило, мощностью 400 Вт. Такой же преобразователь я помог сделать своему коллеге по работе. У него безупречно функционируют трехфазные:
— электрический бур, мощностью 1 кВт;
— малогабаритная бетономешалка мощностью 500 Вт;
— крупорушка мощностью 1,2 кВт;
— электрофуганок мощностью 0,6 кВт.
Разумеется, трехфазные электродвигатели от однофазной сети будут потреблять при работе через преобразователь ровно столько энергии, сколько написано в их паспорте (закон сохранения энергии не обманешь!).
В заключение хочу дать несколько практических советов для тех, кто захочет повторить конструкцию преобразователя (и навсегда забыть обо всех проблемах, связанных с эксплуатацией трехфазных электродвигателей в однофазных сетях):
— мощность электродвигателя, используемого в качестве преобразователя, должна быть больше мощности подключаемого к нему электропривода. Например, если в преобразователе используется электродвигатель мощностью 4 кВт, то мощность подключаемых электродвигателей должна быть меньше или равной 3 кВт;
— практика показала, что преобразователь мощностью 4 кВт может решить все «проблемы» личного хозяйства: К тому же нагрузка на сеть в пределах 2–3 кВт является вполне приемлемой;
— ток, потребляемый преобразователем в рабочем режиме, не должен превышать значений паспортного тока для данного типа электродвигателей (в противном случае преобразователь может сгореть);
— в качестве электродвигателей-преобразователей лучше использовать «тихоходные» электромоторы (синхронная частота вращения 1000 об/мин и меньше). Они очень легко запускаются, и кратность пускового тока к рабочему у них, как правило, меньше, чем у высокооборотных, а стало быть «мягче» нагрузка на сеть.
— порядок работы с преобразователем должен быть такой: первым запускается преобразователь, затем потребители трехфазного тока. Выключение осуществляется в обратной последовательности;