Vlastnosti připojení motoru k jednofázovému frekvenčnímu měniči

Podle počtu fází se elektrické sítě dělí na jednofázové a třífázové. První mají jeden fázový a jeden nulový vodič, druhý má tři fázové vodiče, v některých případech je v třífázových sítích přidán nulový vodič. Zařízení, přístroje a elektromotory se také dělí na třífázové a jednofázové.

Třífázové sítě a zařízení se používají v průmyslových a zemědělských zařízeních, inženýrských systémech budov a konstrukcí. Jednofázové – v každodenním životě, obytných budovách a bytech.

Elektromotory se také dělí na jednofázové a třífázové. Ty jsou široce používány v pohonech obráběcích strojů, čerpacích jednotek a dalších zařízení.

Princip činnosti 3fázového elektrického stroje je založen na generování indukovaného točivého magnetického pole při přivedení napětí na vinutí statoru. Rotace je dosaženo posunutím každé fáze o 120 0 vzhledem k druhé. V některých případech jsou třífázové elektromotory připojeny k jednofázové síti. To může být nutné, když v zařízeních s napájecím systémem 220 V není žádné vhodné vybavení.

Jednofázové napětí indukuje pulzující magnetické pole, které je dostatečné pro zajištění rotace rotoru. Takové pole však nezajistí startování motoru. Pro zahájení rotace je nutný fázový posun alespoň 90 0. Pro vytvoření rozdílu v magnetických tocích jednoho nebo dvou vinutí se používají prvky s fázovým posunem. Nejběžnější použití jsou kondenzátory.

Připojení třífázového motoru k jednofázové síti

Schémata zapojení vinutí při zavádění kondenzátorů do obvodů jsou podobná standardním způsobům připojení používaných u asynchronních motorů:

• „Hvězda“. V tomto případě jsou začátky vinutí spojeny v jednom centrálním bodě.
• „Trojúhelník“. Konec každého vinutí je spojen se začátkem dalšího v uzavřeném trojúhelníku.

Schémata zapojení třífázového elektromotoru připojeného k jednofázové síti s jedním kondenzátorem lze použít pro spouštění bez zátěže. Tato metoda výrazně snižuje rozběhový moment. K částečnému odstranění této nevýhody se v praxi používají obvody se dvěma kondenzátory: spouštěcí a pracovní. Start se provádí pomocí dvou kapacitních prvků zahrnutých v obvodu. Spouštěcí kondenzátor je odpojen, když hřídel motoru dosáhne jmenovitých otáček.

Zařazení třífázových elektrických strojů do jednofázové sítě je však doprovázeno ztrátou výkonu a účinnosti, nadměrným zahříváním vinutí, hlukem a výrazným nárůstem tvorby parazitních harmonických.

S příchodem jednofázových frekvenčních měničů bylo možné používat zařízení s 3fázovými motory v jednofázové síti bez vážných nevýhod.

Vlastnosti spojení jednofázového frekvenčního měniče s třífázovým motorem

Pro připojení k frekvenčnímu měniči jsou vhodné motory s vinutím stejných parametrů a třífázové elektrické stroje převedené na jednofázové kondenzátorové elektromotory. V tomto případě je frekvenční měnič připojen k jednofázové síti 3 nebo 2 fáze mohou vycházet z výstupu zařízení, ke kterému je připojen motor. Zapojení se provádí podle níže uvedeného schématu.

Schéma zapojení jednofázového frekvenčního měniče s třífázovým motorem

Před připojením je nutné nejprve zkontrolovat parametry motoru a ujasnit si konstrukci stroje. V některých případech je nutné demontovat elektromotor. Pokud jsou vinutí zapojena do „trojúhelníku“, je nutné z obvodu vyloučit kapacitní prvek a připojit elektromotor k frekvenčnímu měniči pomocí třívodičového obvodu.

Kondenzátorový motor je připojen pomocí dvouvodičového obvodu a kondenzátor s fázovým posunem není z obvodu vyloučen.

Pozor Před připojením kondenzátorového motoru k jednofázové síti přes frekvenční měnič se doporučuje kontaktovat technickou podporu. Nesoulad typu elektromotoru může vést k trvalému vypnutí pohonu a poruše frekvenčního měniče. Řada motorů s vinutími různé indukčnosti a odporovými prvky fázového posunu není vhodná pro spínání přes frekvenční měnič.

Zapnutí třífázového motoru přes frekvenční měnič umožňuje eliminovat nevýhody provozu v jednofázové síti:

• Částečně snížit ztráty energie a zvýšit účinnost.
• Snižte zahřívání vinutí a hluk během provozu.

Pomocí frekvenčních měničů je možné regulovat otáčky rotoru. To výrazně rozšiřuje funkčnost zařízení. VFD také umožňují nastavení spodní hranice otáček pro jednofázové motory chladících kompresorů a dalších zařízení, která nedovolí snížit úhlovou frekvenci otáčení pod určitou hodnotu.

Výhody frekvenčních měničů

Plně funkční frekvenční řízení elektromotorů při zapnutí přes frekvenční měnič je možné pouze u třívodičového schématu zapojení. U motorů připojených bez vyloučení kondenzátoru z obvodu je možná regulace otáček. Zároveň jsou částečně zachovány nevýhody takového pohonu: zahřívání vinutí, snížený výkon a rozběhový moment.

Jednofázové frekvenční měniče:

• Poskytují ochranu proti přehřátí, přepětí a zkratu.
• Zajišťuje plynulé spouštění a zastavování elektromotorů.
• Snižte startovací proudy a spotřebu energie v režimu částečného zatížení.
• Umožňuje implementaci automatického řízení zařízení pomocí jednoduchých algoritmů.
• Může komunikovat s externím ovládacím a řídícím zařízením. Frekvenční měniče mohou komunikovat s centrálním ovladačem automatizačního systému a na dálku upravovat chod pohonu.
• Zajišťuje provoz s externími zařízeními nižšího stupně automatizace. Frekvenční měniče mají analogové, digitální a reléové výstupy pro připojení senzorů, relé a dalších automatizačních prvků.

Zařízení mohou řídit dobu zrychlení a brzdění, přeskakovat rezonanční rychlosti (frekvenční měniče pro ventilační systémy) a provádět řadu dalších funkcí.

Závěr

Připojení třífázového motoru do jednofázové sítě se u průmyslových elektrických pohonů nepoužívá. Charakteristiky elektrického stroje za takových podmínek neodpovídají údajům z pasu, navíc má metoda následující nevýhody:

• Výstupní výkon není větší než 70 % jmenovité hodnoty.
• Zahřívání vinutí v důsledku fázové asymetrie se výrazně zvyšuje.
• Tento režim je přípustný ve výjimečných případech.

Použití třífázových strojů v jednofázových sítích je ekonomicky a technicky nepraktické, protože:

• Výkon je třeba volit s velkou rezervou. To výrazně zvyšuje náklady na elektrický pohon.
• Skutečné parametry třífázového motoru s upraveným obvodem nejsou známy. Zajistit správný chod elektropohonu je však často nemožné.

Použití frekvenčních měničů umožňuje eliminovat nevýhody provozu v jednofázovém režimu. Frekvenční měnič zvyšuje účinnost, snižuje hlučnost a umožňuje regulaci otáček.

Frekvenční měniče pro třífázové motory v jednofázové síti lze použít pro jednoduchá zařízení s nízkým výkonem pracující s malou zátěží. Před zakoupením jednofázového frekvenčního měniče pro připojení třífázového motoru je lepší se poradit s výrobcem.

© Materiál je chráněn autorským právem společnosti OWEN. Bez předchozího souhlasu držitele autorských práv je zakázáno kopírovat, distribuovat nebo jinak používat informace a předměty tohoto materiálu.

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: