Istnieje kilka metod zasilania silników trójfazowych z sieci jednofazowej, które ułatwiają ten proces i przynoszą oszczędności kosztów.
W artykule zostaną omówione następujące metody: sztucznej fazy, elektromaszynowej przetwornicy napięcia, napędów o zmiennej częstotliwości.
Metoda sztucznej fazy
W sieci trójfazowej występują trzy symetryczne napięcia sinusoidalne, przesunięte względem siebie w fazie o 120° elektrycznych (rys. 1). Jedną z metod przekształcania zasilania jednofazowego na trójfazowe, która sprawdziła się w ciągu dziesięcioleci, było podłączenie dwóch faz silnika do sieci jednofazowej 220 V oraz stworzenie sztucznej 3. fazy („phantom leg” – „nogi fantomowej”) przez wykorzystanie kondensatorów do wymuszenia przesunięcia fazowego pomiędzy uzwojeniem głównym a pomocniczym silnika. W tym przypadku przesunięcie wynosi 90° elektrycznych.
W metodzie tej kondensatory muszą być odpowiednio dobrane do obciążenia. W przeciwnym razie nastąpi asymetria prądów obciążenia. Nieprawidłowo dobrany kondensator spowoduje dużą rozbieżność pomiędzy fazami zamiast prawidłowego przesunięcia równego 120°, tak jak pokazano na rys. 1. Im większa rozbieżność, tym mniejszy będzie moment obrotowy silnika.
Metoda wirującej przetwornicy fazowej
Inną opłacalną metodą jest wykorzystanie wirującej przetwornicy fazowej (rys. 2). Może to być dobrą opcją np. dla warsztatu stolarskiego, gdzie przetwornica umożliwi zasilanie kilku silników trójfazowych z sieci jednofazowej. Jedną z wad takiego rozwiązania jest to, że proces może okazać się kosztowny, ponieważ przetwornica fazowa pracuje cały czas, niezależnie od tego, czy silniki są włączone, czy nie. Gdy maszyny w warsztacie pracują, może występować symetria prądów obciążenia, jednak przy małym albo bardzo dużym obciążeniu przetwornicy wystąpi drastyczna asymetria prądów i napięć po stronie trójfazowej.
Normy amerykańskiego stowarzyszenia producentów sprzętu elektrycznego NEMA „MG1: Silniki i Generatory” („Motors and Generators”) wymagają, aby silniki elektryczne pracowały przy asymetrii napięcia zasilającego nie większej niż 1%. Przy zastosowaniu reguły 10x (procentowa asymetria prądów obciążenia może być aż 10 razy większa od procentowej asymetrii napięcia zasilającego) dla silnika zasilanego napięciem o asymetrii równej 1% asymetria prądów obciążenia może wynosić 10%. Jest to korzystne, ponieważ większość silników trójfazowych działających w opisanym systemie pracuje przy asymetrii prądowej od 15% do 50%. Nawet przy zastosowaniu wytycznych z wykresu obniżenia parametrów roboczych (rys. 3) żaden silnik nie powinien pracować przy tak dużej asymetrii prądów obciążenia.
Metoda napędów o zmiennej częstotliwości
Napęd o zmiennej częstotliwości (Variable Frequency Driver – VFD) zamienia każdą parę faz na napięcie stałe, a następnie przekształca je na wyjściowe trójfazowe napięcie zmienne. Oznacza to, że napęd VFD może być wykorzystany do zasilania silnika trójfazowego z sieci jednofazowej.
Wsparcie ze strony producentów jest różne, tak więc zaleca się, aby dla ostrożności obniżać parametry znamionowe napędu, mnożąc je przez odwrotność pierwiastka z trzech (1/√3, czyli obniżać o ok. 58%). Należy także zauważyć, że moc znamionowa napędów VFD [HP/kW] podawana jest dla wygody przy ich doborze, ponieważ ich podstawowym parametrem znamionowym jest prąd. Na przykład silnik o mocy 10 HP (7,5 kW) powinien być zasilany z napędu VFD o mocy znamionowej 15 HP (11 kW). Zalecane jest, aby użytkownik skonsultował się z producentem napędu przy wyborze właściwego urządzenia dla swojego silnika.
Napędy VFD dobrze nadają się do kompresorów, warsztatów mechanicznych, maszyn do obróbki drewna oraz… fontann dekoracyjnych. Zamiast kupowania drogiego silnika jednofazowego, wymiany aparatów sterujących i konieczności radzenia sobie z problemami związanymi z regulacją prędkości obrotowej oraz momentem rozruchowym, lepszym rozwiązaniem jest wykorzystanie napędu VFD do zasilania istniejącego silnika trójfazowego z sieci jednofazowej. Dla wielu silników o mocy do 5 HP (4 kW) znacznie tańszym rozwiązaniem jest nabycie odpowiedniego napędu VFD niż przewijanie posiadanego silnika trójfazowego oraz kupowanie nowej aparatury sterującej.
Dodatkowe korzyści z takiego rozwiązania są takie, że silnik trójfazowy jest zwykle tańszy od jednofazowego, jego aparatura sterująca nie wymaga wymiany lub modyfikacji, zaś napęd VFD ma dodatkowy atut w postaci regulacji prędkości obrotowej.
Chuck Yung jest starszym specjalistą wsparcia technicznego w Electrical Apparatus Service Association (EASA).
