В быту большей частью используется однофазное напряжение уровня 220 вольт (действующее значение). Этого достаточно, чтобы закрыть большую часть потребностей, но иногда требуется использовать напряжение 380 вольт. Не всегда энергоснабжающая организация подводит к жилым помещениям такое напряжение, но решения проблемы все же существуют.
Немного теории
Трехфазная сеть переменного тока до 1000 вольт содержит 4 проводника:
- три фазы;
- один нулевой провод.
Напряжения между фазными проводами называются линейными и составляют 380 (400) вольт. Их фазы сдвинуты между собой на 120 градусов.
Напряжения между каждым из фазных проводов и нулевым проводом называются фазными и составляют 220 (230) вольт. До жилых помещений обычно доводится однофазное напряжение 220 вольт, получаемое из трехфазной сети.
Если в жилом помещении (квартире) имеются мощные потребители (электрические плиты), электроэнергия до них может быть доведена в трехфазном виде.
Очевидно, что если имеется трехфазная сеть 380 вольт, получить из нее 220 В не составляет труда, а вот обратное преобразование составляет проблему. И дело не в уровне — переменное напряжение легко преобразовать обычным повышающим трансформатором. Проблема состоит в том, как из одной фазы сделать три. Самый простой способ, кажущийся очевидным – завести в квартиру (дом) дополнительные фазы, взяв их из трехфазной сети. На самом деле такое решение требует согласований как минимум с энергоснабжающей организацией, и повлечет за собой разработку проекта, установку систем учета, релейной защиты и т.д. Это для большинства случаев нецелесообразно (например, если надо запитать один-два электродвигателя).
Цели преобразования однофазной системы в трехфазную
Преимуществами трехфазной системы (изобретенной, кстати, русским ученым М. О. Доливо-Добровольским) являются:
- Оптимальное количество линий для передачи максимальной мощности.
- Простота создания вращающегося магнитного поля, которое увлекает во вращение роторы самых несложных по конструкции и недорогих асинхронных электродвигателей.
Первое преимущество в данной ситуации использовать не получится – первичная энергия приходит по линии 220 вольт, и повысить передаваемую потребителям мощность добавлением числа фаз не выйдет. Следовательно, преобразование однофазной системы в трехфазную чаще всего имеет смысл для подключения электродвигателей.
Использование инвертора
Самый простой, законный и безопасный способ получения реального трехфазного переменного напряжения – применение трехфазного инвертора. Этот преобразователь напряжения, питаясь от однофазного источника 220 вольт, выдает три фазы, сдвинутые на необходимый угол и необходимого уровня. Проблема состоит в том, что такие устройства достаточно дороги, и их стоимость может превышать стоимость запитываемых электродвигателей.
Другая проблема – у недорогих инверторов форма выходного напряжения далека от синусоидальной (в лучшем случае ступенчатая, в худшем – прямоугольная). В некоторых случаях это может иметь значение.
Видео: Опыт работы с китайским преобразователем 220В в 380В
Создание сдвига фаз с помощью конденсатора
Для работы электродвигателя в общем случае требуется наличие вращающегося магнитного поля, создаваемого статором. Именно для этого нужны три фазы, сдвинутые относительно друг друга. Если имеется однофазное напряжение, вращающегося магнитного поля не создать (однофазные электродвигатели работают несколько по-другому). Но можно создать необходимый сдвиг фаз с помощью реактивного элемента, в качестве которого удобнее применять конденсаторы (но можно и катушки индуктивности). Схема подключения конденсатора не отличается для разных схем подключения обмоток – «звездой» или «треугольником», и используется один и тот же принцип – в конденсаторе ток опережает напряжение на 90 градусов (а полный угол сдвига зависит от соотношения активного и реактивного сопротивления в цепи), поэтому одна из обмоток запитана сдвинутым по фазе напряжением.
Следует осознавать, что такое подключение не позволяет полностью использовать мощность электродвигателя. Его вращающий момент значительно упадет.
Емкость дополнительного конденсатора выбирается по формуле С=k*I/Uсети, где:
- С – емкость конденсатора, мкФ;
- k – коэффициент, равный 2800 для «звезды» и 4800 для «треугольниика»;
- I – ток статора.
Пользоваться этой формулой не очень удобно, так как в нее входит ток статора, который трудно рассчитать для работы в таких условиях. Его придется измерить, а для этого надо сначала запустить двигатель. По этой причине можно пользоваться приведенной формулой – на каждый киловатт мощности двигателя потребуется 70 мкФ емкости конденсатора. В качестве реактивностей можно применять элементы, рассчитанные на напряжение не ниже 400 вольт. Конденсаторы должны быть бумажные, металлобумажные, масляные и т.д., но обязательно неполярные. По этой причине нельзя применять оксидные (электролитические) конденсаторы для работы в цепях переменного тока.
Например, для электромотора в 1,5 кВт надо использовать конденсатор 105 мкФ. Можно выбрать из стандартного ряда номинал 120 мкФ, а может быть будет достаточно и 100 – надо проверять экспериментально.
Может получиться так, что пуск электромотора будет затруднен. Чтобы решить эту проблему, можно на время запуска подключить дополнительный конденсатор емкостью 2,5 от ёмкости рабочего. Он подключается через кнопку, которую надо нажать в момент включения и удерживать, пока двигатель не выйдет на номинальные обороты.
Можно сделать несложную схему управления, которая через заданное время будет отключать пусковой конденсатор автоматически.
Мотор-генератор
Сделать 380 вольт из 220 можно с помощью мотор-генератора (такое устройство называется умформер). В этой машине приводом может служить однофазный электродвигатель, который может работать от однофазной сети. Можно использовать однофазный электродвигатель, а можно трехфазный асинхронник, подключенный с помощью конденсатора. Его вал с помощью муфты или ременной передачи соединяется с генератором, в качестве которого может выступать:
- трехфазный синхронный двигатель;
- трехфазный асинхронный двигатель.
В первом случае надо обеспечить возбуждение генератора, для чего надо подать на ротор синхронного двигателя ток от внешнего источника или организовать систему независимого возбуждения. Это не так просто, зато позволяет регулировать выходное напряжение вручную или автоматически поддерживать необходимый уровень вне зависимости от нагрузки. Намного большую проблему составляет поддержание частоты. Номинальные обороты привода и генератора должны совпадать, но если в качестве привода использовать асинхронный двигатель, то его обороты будут отставать от частоты вращения электрического поля, соответственно, частота напряжения генератора будет ниже 50 Гц. Кроме того, частота вращения привода будет зависеть от нагрузки – чем выше нагрузка, тем больше скольжение. Для питания потребителя, которому важны частота питающего напряжения и ее стабильность, такой способ электроснабжения непригоден.
Повысить частоту вращения асинхронного двигателя, компенсируя скольжение, можно с помощью устройства частотного регулирования. Но эти устройства имеют стоимость одного порядка с инвертором, поэтому использование электронного трехфазного преобразователя 220 в 380 будет более рациональным.
Асинхронный двигатель проще найти. Но чтобы из него получился нормально работающий генератор, надо обеспечить создание намагничивающего тока. Это можно сделать с помощью батареи из трех конденсаторов.
Чем выше потребляемая мощность, тем больше должна быть ёмкость конденсаторов.
Расщепитель фаз
На базе асинхронного электродвигателя можно сделать расщепитель фаз. В промышленности (в железнодорожном транспорте в частности) для этого используют специальные электрические машины с особой схемой соединения обмоток. Но в домашних условиях для этого можно использовать и обычный асинхронный электродвигатель, который одновременно будет выполнять функции однофазного электродвигателя и трехфазного генератора.
Для запуска электромотора от однофазной сети применяется обычный конденсатор, как в способе, описанном выше. После пуска конденсатор отключается, двигатель продолжает вращаться. При этом в третьей обмотке индуцируется напряжение, сдвинутое относительно другой обмотки на 120 градусов. Таким способом образуется симметричная трехфазная система.
Напряжение на выходе расщепителя будет равно примерно 220 вольт. При необходимости можно использовать повышающий трансформатор 220/380 (трехфазный или три однофазных).
В видео 2 способа, как сделать в своей мастерской вместо однофазного напряжения 220 вольт три фазы 380 вольт из частотных преобразователей.
Сделать из 220 вольт 380 вольт технически возможно. Но следует понимать, что все доступные для домашних условий способы, имеют ограничения, и далеко не каждый из них полноценно заменяет трехфазную сеть. Важно осознавать область применения каждого метода и его возможности.
