Очень часто случается, особенно в быту, что надо подключить асинхронный электродвигатель к стандартной однофазной сети переменного тока с действующим напряжением 220 вольт. А двигатель при этом трехфазный! Данная задача является типичной, когда нам нужно установить наждак или сверлильный станок например в гараже.
Чтобы все правильно устроить, используют так называемые пусковые и рабочие (фазосдвигающие) конденсаторы. Вообще конденсаторы бывают разного типа, разной емкости, и прежде чем приступать к построению цепи, необходимо выбрать конденсаторы подходящего типа, номинального напряжения и правильно рассчитать их требуемую емкость.
Всем известно, что электрический конденсатор представляет собой две разделенные диэлектриком проводящие обкладки, и служит для накопления, временного хранения и отдачи электрического заряда, то есть электрической энергии.
Есть два типа конденсаторов, полярные и неполярные. Неполярные допускается использовать в цепях переменного тока, полярные — нет. Если полярный конденсатор включить в цепь переменного тока, то очень скоро в слое диэлектрика произойдет короткое замыкание, и конденсатор выйдет из строя. Неполярные же одинаково эффективно реагируют на напряжение любой полярности, прикладываемое к его обкладкам, и на переменное — тоже.
Итак, выбирая рабочий конденсатор для трехфазного двигателя, необходимо принять в расчет несколько основных параметров рабочей цепи переменного тока. Указанная ниже формула в приведенном виде для вычисления емкости рабочего конденсатора в микрофарадах, при частоте тока в сети 50 Гц, выглядит так:
Здесь, в зависимости от схемы соединения обмоток статора двигателя («звезда» или «треугольник») коэффициент в начале формулы примет значение 4800 — для «треугольника» или 2800 — для «звезды». I – номинальная величина действующего тока статора подключаемого двигателя.
Номинальный ток I указывается на шильдике (справочной табличке) на корпусе двигателя, либо, если табличка затерта, измеряется токовыми клещами в одной из фаз при обычном трехфазном питании двигателя. U – действующее (среднеквадратичное) напряжение переменного тока сети, к которой будет подключен двигатель с конденсатором, например 220 вольт.
Есть и более простой подход к выбору емкости рабочего конденсатора — на каждые 100 ватт мощности двигателя в соединении «звезда» принимается 7 мкф емкости конденсатора. Если же соединение «треугольник», то емкость на 100 ватт будет 12 мкф.
При выборе емкости конденсатора очень важно не превысить расчетную, иначе ток через обмотку статора превысит номинал, двигатель будет перегреваться и вообще может быстро сгореть.
Когда пуск двигателя осуществляется под нагрузкой, а ведь зачастую так и происходит, поскольку наждачный круг или сверлильное оборудование имеют значительную массу, пусковой ток должен быть больше номинального.
Для этого к рабочему конденсатору на время пуска параллельно подключается дополнительный — пусковой конденсатор. Этот конденсатор нужен лишь в течение нескольких секунд, пока двигатель не выйдет на номинальные обороты. После этого пусковой конденсатор отключается и в цепи остается лишь рабочий фазосдвигающий конденсатор.
Емкость пускового конденсатора выбирается в 2,5-3 раза больше емкости рабочего конденсатора. А номинальное напряжение этого конденсатора должно быть по возможности хотя бы в 1,5 раза больше питающего сетевого напряжения. Иногда даже используют последовательно соединенные конденсаторы для получения требуемой пусковой емкости и запаса по напряжению.
Если же двигатель не трехфазный, а однофазный, то у него может присутствовать пусковая обмотка, служащая для создания вращающего момента в секунды запуска. Тут тоже должен присутствовать фазосдвигающий конденсатор. Но однофазные двигатели могут работать в различных режимах.
Если пусковой конденсатор и пусковая обмотка питаются лишь во время запуска, то берут 70 микрофарад на 1 киловатт мощности двигателя. Если рабочий конденсатор вместе с дополнительной обмоткой питаются все время, то берут около 30 микрофарад на киловатт.
Если же пусковой конденсатор подключается на время старта, а рабочий конденсатор продолжает оставаться подключенным во время работы оборудования, то, как правило, значение общей емкости пускового и рабочего конденсатора выбирается из соотношения 1 микрофарад на 100 ватт мощности.
Приведенная в данной статье информация поможет вам рассчитать емкости рабочего и пускового конденсаторов. Пусковой конденсатор удобно приспособить так, чтобы он подключался и отключался специально выведенной кнопкой без фиксации. Однако если после точных расчетов и подключения конденсатора двигатель начинает во время работы ощутимо греться, емкость рабочего конденсатора следует уменьшить.
Что же касается номинального напряжения конденсатора, то обычно конденсаторы на рабочее напряжение меньше 450 вольт не применяют. Лучше всего если конденсатор будет рассчитан на 500 или 600 вольт по переменному току.
В качестве пусковых и рабочих фазосдвигающих конденсаторов замечательно подходят конденсаторы с полипропиленовым диэлектриком, которые так и позиционируются на рынке как «пусковые конденсаторы». Если конденсаторов данного типа в наличии нет, то подойдут и «бумажные» типа МБГО, лишь бы максимальное напряжение соответствовало.
В данной статье поговорим про бестрансформаторное электропитание.
В радиолюбительской практике, да и в промышленной аппаратуре источником электрического тока обычно являются гальванические элементы, аккумуляторы, или промышленная сеть 220 вольт. Если радиоприбор переносной (мобильный), то использование батарей питания себя оправдывает такой необходимостью. Но если радиоприбор используется стационарно, имеет большой ток потребления, эксплуатируется в условиях наличия бытовой электрической сети, то питание его от батарей практически и экономически не выгодно. Для питания различных устройств низковольтным напряжением от бытовой сети 220 вольт существуют различные виды и типы преобразователей напряжения бытовой сети 220 вольт в пониженное. Как правило, это схемы трансформаторного преобразования.
Схемы трансформаторного питания строятся по двум вариантам
1. «Трансформатор – выпрямитель — стабилизатор» — классическая схема питания, обладающая простотой построения, но большими габаритными размерами;
2. «Выпрямитель — импульсный генератор – трансформатор – выпрямитель – стабилизатор» — схема импульсного источника питания, обладающая малыми габаритными размерами, но имеющая более сложную схему построения.
Самое главное достоинство указанных схем питания – наличие гальванической развязки первичной и вторичной цепи питания. Это снижает опасность поражения человека электрическим током, и предотвращает выход аппаратуры из строя по причине возможного замыкания токоведущих частей устройства на «ноль». Но иногда, возникает потребность в простой, малогабаритной схеме питания, в которой наличие гальванической развязки не важно. И тогда мы можем собрать простую конденсаторную схему питания. Принцип её работы заключается в «поглощении лишнего напряжения» на конденсаторе. Для того, чтобы разобраться в том, как это поглощение происходит, рассмотрим работу простейшего делителя напряжения на резисторах.
Делитель напряжения состоит из двух резисторов R1 и R2. Резистор R1 – ограничительный, или по другому называется добавочный. Резистор R2 – нагрузочный (Rн), он же является внутренним сопротивлением нагрузки.
Предположим, что нам необходимо из напряжения 220 вольт получить напряжение 12 вольт. Указанные U2 = 12 вольт должны падать на сопротивлении нагрузки R2. Это означает, что остальное напряжение U1 = 220 – 12 = 208 вольт должно падать на сопротивлении R1.
Допустим, что в качестве сопротивления нагрузки мы используем обмотку электромагнитного реле, а активное сопротивление обмотки реле R2 = 80 Ом. Тогда по закону Ома, ток, протекающий через обмотку реле, будет равен: Iцепи = U2/R2 = 12/80 = 0,15 ампер. Указанный ток должен течь и через резистор R1. Зная, что на этом резисторе должно падать напряжение U1 = 208 вольт, по закону Ома определяем его сопротивление:
R1 = UR1 / Iцепи = 208/0,15 = 1 387 Ом.
Определим мощность резистора R1: Р = UR1 * Iцепи = 208 * 0,15 = 31,2 Вт.
Для того, чтобы этот резистор не грелся от рассеиваемой на нём мощности, реальное значение его мощности необходимо увеличить в раза два, это приблизительно составит 60 Вт. Размеры такого резистора довольно внушительны. И вот здесь нам пригодится конденсатор!
Мы знаем, что любой конденсатор в цепи переменного тока обладает таким параметром, как «реактивное сопротивление» — сопротивление радиоэлемента изменяющееся в зависимости от частоты переменного тока. Реактивное сопротивление конденсатора определяется по формуле:
где п – число ПИ = 3,14, f – частота (Гц), С – ёмкость конденсатора (фарад).
Заменив резистор R1 на бумажный конденсатор С, мы «забудем» что такое резистор внушительных размеров.
Реактивное сопротивление конденсатора С должно приблизительно равняться ранее рассчитанному значению R1 = Хс = 1 387 Ом.
Преобразовав формулу заменив местами величины С и Хс, мы определим значение ёмкости конденсатора:
С1 = 1 / (2*3,14*50*1387) = 2,3*10 -6 Ф = 2,3 мкФ
Это может быть несколько конденсаторов с требуемой общей ёмкостью, включенных параллельно, или последовательно.
Схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:
Но изображённая схема работать будет, но не так как мы планировали! Заменив массивный резистор R1 на один, или два малогабаритных конденсатора, мы выиграли в размерах, но не учли одно — конденсатор должен работать в цепи переменного тока, а обмотка реле – в цепи постоянного тока. На выходе нашего делителя переменное напряжение, и его необходимо преобразовать в постоянное. Это достигается вводом в схему диодного выпрямителя разделяющего входную и выходную цепь, а так же элементов сглаживающих пульсацию переменного напряжения в выходной цепи.
Окончательно, схема бестрансформаторного (конденсаторного) питания будет выглядеть следующим образом:
Конденсатор С2 — сглаживающий пульсации. Для исключения опасности поражения электрическим током от накопленного напряжения в конденсаторе С1, в схему введен резистор R1, который шунтирует конденсатор своим сопротивлением. При работе схемы он своим большим сопротивлением не мешает, а после отключения схемы от сети, в течение времени, определяемого секундами, через резистор R1 происходит разряд конденсатора. Время разряда определяется обыкновенной формулой:
Для того, чтобы следующий раз не делать все вышеперечисленные расчёты, выведем окончательную формулу расчёта ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного (конденсаторного) питания. При известных значениях входного и выходного напряжения, а также сопротивления R2 (оно же — сопротивление нагрузки Rн), значение сопротивления R1 находится в соответствии с пунктом 3 статьи «Делитель напряжения«:
Объединив две формулы, находим конечную формулу расчета ёмкости конденсатора схемы бестрансформаторного питания:
где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1.
Учитывая, что при работе в переменном напряжении в конденсаторе происходят перезарядные процессы, а также сдвиг фазы тока по отношению к фазе напряжения, необходимо брать конденсатор на напряжение в 1,5…2 раза больше того напряжения, которое подаётся в цепь питания. При сети 220 вольт, конденсатор должен быть рассчитан на рабочее напряжение не менее 400 вольт.
По указанной выше формуле можно рассчитать значение ёмкости схемы бестрансформаторного питания для любого устройства, работающего в режиме постоянной нагрузки. Для работы в условиях переменной нагрузки, меняется также ток и напряжение выходной цепи. Для стабилизации выходного напряжения обычно применяют стабилитроны, или эквивалентные транзисторные схемы, ограничивающие выходное напряжение на необходимом уровне. Одна из таких схем показана на рисунке ниже.
Вся схема включена в сеть 220 вольт постоянно, а реле Р1 включается в цепь и выключается с помощью выключателя S1. В качестве выключателя может быть и полупроводниковый прибор, например транзистор. Транзисторный каскад VT1 включен параллельно нагрузке, он исключает увеличение напряжения во вторичной цепи. Когда нагрузка отключена, ток течёт через транзисторный каскад. Если бы этого каскада не было, то при отключении S1 и отсутствии другой нагрузки, на выводах конденсатора С2 напряжение могло бы достигнуть максимального сетевого – 315 вольт.
Стоит отметить, что при расчёте схем автоматики с реле, необходимо учитывать, что напряжение срабатывания реле, как правило, равно его номинальному (паспортному) значению, а напряжение удержания реле во включенном состоянии приблизительно в 1,5 раза меньше номинального. Поэтому, рассчитывая схему, изображённую выше, оптимально вести расчёт конденсатора для режима удержания, а напряжение стабилизации сделать равным номинальному (или чуть выше номинального). Это позволит работать всей схеме в режиме меньших токов, что повышает надёжность. Таким образом, для расчета емкости конденсатора С1 в схеме с коммутируемой нагрузкой, параметр Uвх мы берём равным не 12 вольт, а в полтора раза меньше – 8 вольт, а для расчёта ограничительного (стабилизирующего) транзисторного каскада – номинальное 12 вольт.
С1 = 1 / ( 2 * 3,14 * 50 * ( (220 * 80) / 8 – 80 ) ) = 1,5 мкФ
В качестве стабилизирующего элемента при малых токах можно использовать стабилитрон. При больших токах стабилитрон не годится – слишком малая у него рассеиваемая мощность. Поэтому в таком случае оптимально использовать транзисторную схему стабилизации напряжения. Расчёт стабилизирующего транзисторного каскада основан на использовании порога открытия биполярного транзистора, при достижении напряжения база-эмиттер 0,65 вольта (на кристалле кремния). Но учтите, что для разных транзисторов это напряжение колеблется в пределах 0,1 вольта, не только по типам, но и по экземплярам транзисторов. Поэтому напряжение стабилизации на практике может немного отличаться от рассчитанного значения.
Расчёт делителя смещения каскада стабилизации проводится всё по тем же формулам делителя напряжения, при известных Uвх.дел. = 12 вольт, Uвых.дел. = 0,65 вольт и токе транзисторного делителя, который должен быть приблизительно в двадцать раз меньше тока протекающего через ёмкость С1. Этот ток легко найти:
Iдел. = Uвх.дел. / (20*Rн) = 12 / (20 * 80) = 0,0075 ампер,
где Rн – сопротивление нагрузки, в нашем случае это – сопротивление обмотки реле Р1, равное 80 Ом.
Номиналы резисторов R1 и R2 определяются по формулам, ранее опубликованным в статье «Делитель напряжения«:
где Rобщ – общее сопротивление резисторов делителя смещения транзистора VT1, которое находится по закону Ома:
Итак: Rобщ = 12 / 0,0075 = 1600 Ом ;
R3 = 0,65 * 1600 / 12 = 86,6 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 82 Ом;
R2 = 1600 – 86,6 = 1513,4 Ом , по номинальному ряду, ближайший номинал – 1,5 кОм.
Зная падение напряжения на резисторах и ток делителя, не забудьте рассчитать их габаритную мощность. С запасом, габаритную мощность R2 выбираем в 0,25 Вт, а R3 – в 0,125 Вт. Вообще, вместо резистора R2 лучше поставить стабилитрон, в данном случае это может быть Д814Г, КС211(с любым индексом), Д815Д, или КС212(с любым индексом). Я научил вас рассчитывать резистор намеренно.
Транзистор выбирается также с запасом падающей на его переходе мощности. Как выбирать транзистор в подобных стабилизирующих каскадах, хорошо описано в статье «Компенсационный стабилизатор напряжения«. Для лучшей стабилизации, возможно использование схемы «составного транзистора».
Думаю, что статья своей цели достигла, «разжёвано» всё до каждой мелочи.
Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ
Если у Вас когда нибудь возникала задача понизить напряжение до какого либо уровня, например с 220 Вольт то 12В, то это статья для Вас.
Есть масса способов это сделать подручными материалами. В нашем случае мы будем использовать одну деталь — ёмкость.
В принципе мы можем использовать и обычное сопротивление, но в этом случае, у нас возникнет проблема перегрева данной детали, а там и до пожара недалеко.
В случае, когда в виде понижающего элемента используется ёмкость, ситуация другая.
Ёмкость, включенная в цепь переменного тока обладает (в идеале) только реактивным сопротивлением, значение котрого находится по общеизвестной формуле.
Кроме этого в нашу цепь мы включаем какую то нагрузку ( лампочку, дрель, стиральную машину), которая обладает тоже каким то сопротивлением R
Таким образом общее сопротивление цепи будет находиться как
Наша цепь последовательна, а следовательно общее напряжение цепи есть сумма напряжений на конденсаторе и на нагрузке
По закону ома, вычислим ток, протекающий в этой цепи.
Как видите легко зная параметры цепи, вычислить недостающие значения.
А вспомнив как вычисляется мощность легко рассчитывать параметры конденсатора основываясь на потребляемую мощность нагрузки.
Учитывайте что в такой схеме нельзя использовать полярные конденсаторы то есть такие что включаются в электронную схему в строгом соответствии с указанной полярностью.
Кроме этого необходимо учитывать и частоту сети f. И если у нас в России частота 50Гц, то например в Америке частота 60Гц. Это тоже влияет на окончательне расчеты.
Примеры расчета
Необходимо запитать лампочку мощностью 36Вт, рассчитанное на напряжение 12В. Какая ёмкость понижающего конденсатора тут необходима?
Если речь идет об электрических сетях в России, то входное напряжение 220 Вольт, частота 50Гц.
Ток проходящий через лампочку равен 3 Ампера (36 делим на 12). Тогда ёмкость по вышенаписанной формуле будет равна:
| Полученные параметры понижающего конденсатора |
Что бы не переводит степени минус пятой степени в микро или мимли Фарады, воспользуемся вот этим ботом и получим
