Jak poprawnie i bezpiecznie podłączyć silnik trójfazowy do sieci jednofazowej?

Istnieje wiele sposobów wykorzystania silników trójfazowych przy użyciu prądu jednofazowego, upraszczających ten żmudny i potencjalnie drogi proces.
Drogi Czytelniku. Jeśli pochwaliłeś się sąsiadowi, że znasz się na prądzie, to nie zdziw się, gdy pomyśli, że jesteś w stanie rozwiązać jakiś jego problem – np. jak uruchomić silnik trójfazowy, który nie chce działać w sieci jednofazowej. Próba konwersji może się początkowo wydawać nie warta zachodu, ale to nie do końca prawda. Istnieją metody, dzięki którym da się to zrobić dość prosto.
Metoda sztucznej trzeciej fazy
Układ zasilania trójfazowego to trzy symetryczne przebiegi sinusoidalne napięcia, przesunięte względem siebie w fazie o 120 stopni. Jedną z metod konwersji prądu jednofazowego, która sprawdza się od dziesięcioleci, jest podłączenie dwóch faz do jednofazowej linii zasilającej o napięciu 230 V, a dla trzeciej fazy silnika utworzenie w układzie tzw. sztucznej trzeciej fazy z wykorzystaniem kondensatorów – tak by wymusić przesunięcie kątowe między fazami, które w tym przypadku wyniesie 90 stopni. Kondensatory muszą być jednak odpowiednio dobrane do obciążenia, w przeciwnym razie prąd w obwodach zasilania silnika będzie niezbalansowany. Inaczej niż w opcji zasilania z przesunięciem o 120 stopni, nieprawidłowe dopasowanie pojemności kondensatorów do obciążenia może prowadzić do dużych odchyleń. Im większe jest to niedopasowanie, tym mniejszym momentem obrotowym będzie dysponował silnik.
Obrotowy konwerter faz
Inną metodą jest skorzystanie z obrotowego konwertera faz. Dzięki niej, mając np. warsztat stolarski podłączony do sieci jednofazowej, można używać w nim wielu maszyn wykorzystujących silniki trójfazowe. Wadą tego sposobu jest jednak to, że proces może okazać się bardzo kosztowny, ponieważ konwerter działa cały czas, niezależnie od tego, ile podpiętych do niego urządzeń pracuje. Prąd można zbalansować tylko dla konkretnych urządzeń i obciążenia, więc gdy włączonych jest ich kilka i wszystkie są mocno obciążone, zasilający układ trójfazowy (zarówno jego natężenie, jak i napięcie) nie będzie zbalansowany.
Standardy NEMA MG 1 dla silników i generatorów zalecają, by silniki działały przy niezbalansowaniu napięcia mniejszym niż 1%. Jeśli zastosuje się zasadę dziesięciokrotności (procentowe niezbalansowanie natężenia może być dziesięć razy większe niż procentowe niezbalansowanie napięcia), łatwo policzyć, że w takiej sytuacji niezbalansowanie natężenia będzie wynosić 10%. Byłaby to bardzo korzystna sytuacja, ponieważ większość silników trójfazowych zasilanych przy pomocy tego typu konwerterów pracuje przy zasilaniu o niezbalansowaniu natężenia pomiędzy 15 a 50%. Żaden silnik nie powinien pracować przy tak znaczącym niezbalansowaniu prądu.
Metoda wykorzystująca napęd VFD
Napędy o zmiennej częstotliwości VFD zamieniają prąd każdej pary faz na prąd stały, który następnie zamieniany jest ponownie na trójfazowy, co oznacza, że napęd taki można wykorzystać do zasilania silnika trójfazowego z sieci jednofazowej. Producenci zalecają jednak, by moc napędu VFD była wówczas odpowiednio wyższa i by sprawdzić, czy napęd ma odpowiednią moc dla danego silnika. Należy zalecane obciążenie VFD podzielić przez pierwiastek z trzech. Wynika z tego, że do zasilania silnika 7,5 kW powinno się użyć VFD przeznaczonego dla silników 11 kW. Trzeba jednak zwrócić uwagę, że choć dobieranie napędu VFD w oparciu o moc jest wygodne, to poprawnie powinno dobierać się go w oparciu o natężenie prądu.
Jest to dobra metoda np. dla kompresorów, obrabiarek do drewna czy pomp do fontann. Zamiast kupować drogi silnik jednofazowy, zmieniać układ sterowania i borykać się z problemami z kontrolowaniem prędkości i momentu obrotowego, można zasilać istniejący silnik trójfazowy prądem jednofazowym, wykorzystując napęd VFD. W przypadku aplikacji, w których mamy do czynienia z silnikiem o mocy poniżej 4 kW, odpowiedni VFD można kupić za o wiele mniejszą kwotę niż ta, jaką trzeba wydać na przezwojenie silnika i zmianę sterowania. Dodatkową zaletą jest możliwość kontrolowania prędkości obrotowej silnika.
Autor: Chuck Young jest starszym specjalistą wsparcia technicznego w Electrical Apparatus Service Association (EASA).
Tekst pochodzi z nr 3/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.