— способен вырабатывать «полноценный» трехфазный ток, в т. ч. напряжением 380 В;
— нет потерь в мощности двигателя;
— пригоден для любого типа электродвигателей и любой мощности (мощность ограничена возможностями электросети в пределах 7 кВт);
— конструктивно очень прост. Человек, владеющий навыками электротехники в объеме средней школы, сделает его в течение 1–2 часов. Для его построения требуется трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором мощностью 3–4 кВт, один конденсатор емкостью 40–60 мкФ и набор монтажного провода. Трехфазный двигатель никакой переделки не требует;
— собственное потребление энергии минимально. Преобразователь автора этой статьи мощностью 4 кВт потребляет на холостом ходу примерно 200 Вт.
Рассмотрим основные принципы, положенные в основу работы преобразователя. Для этого вспомним устройство и работу синхронного генератора трехфазного тока. Он состоит из ротора и статора. Три статорных обмотки сдвинуты в пространстве на угол 120°. С помощью внешнего источника энергии ротор генератора приводится во вращение, и его изменяющимся магнитный поток наводит в обмотках статора ЭДС индукции. Если обмотки статора соединить с потребителем, в цепи появится трехфазный электрический ток. Для получения однофазного тока используют выводы от одной статорной обмотки трехфазного генератора. Такой ток чаще всего используют для бытовых нужд и личного потребления. Попробуем теперь, имея одну фазу, восстановить оставшиеся две. Возьмем обычный трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором. У него также имеются ротор и три статорные обмотки, сдвинутые в пространстве на угол 120°. Подадим на одну из обмоток однофазный ток. По указанным выше причинам, ротор такого двигателя не сможет сам начать вращение. Но если посторонней силой сообщить ему первоначальный вращающийся момент, то он будет вращаться дальше за счет переменного однофазного напряжения в одной обмотке. (Строгое научное объяснение этого факта я опускаю, т. к. оно широко известно из курса электротехники.) Вращающийся ротор своим магнитным потоком наведет ЭДС индукции в двух других статорных обмотках, т. е. восстановит недостающие две фазы. Таким образом, мы получим что-то вроде вращающегося трехфазного трансформатора. Одна из обмоток двигателя, на которую подается переменный однофазный ток из сети, становится возбуждающей обмоткой, формирующей магнитное поле вращающегося ротора, а он, в свою очередь, возбуждает переменное напряжение в оставшихся обмотках. Полученное напряжение будет трехфазным, т. к. это обусловлено самой конструкцией электродвигателя. Напряжение на двух оставшихся обмотках будет несколько меньше напряжения на возбуждающей обмотке (из-за потерь при преобразовании). Эта разница составляет, примерно 10–15 В и определяется конструктивными особенностями электродвигателя. Блок-схема универсального преобразователя показана на рис. 1.
Рис. 1. Блок-схема универсального преобразователя
Как заставить ротор преобразователя вращаться от однофазного напряжения? Таких способов существует несколько. Я рекомендую использовать широко распространенную схему с пусковым конденсатором (см. рис. 2).
Рис. 2. Схема универсального преобразователя
Емкость конденсатора может быть небольшой, т. к. ротор асинхронного преобразователя приводится во вращение без механической нагрузки на валу. Для преобразователя, построенного на базе асинхронного электродвигателя мощностью 4 кВт (авторский вариант), достаточно конденсатора Сп = 60 мкФ.
Эксперименты, проведенные с таким преобразователем, дали хорошие результаты, но, вместе с тем, были выявлены некоторые недостатки:
— напряжение 380 В является очень опасным для жизни человека. Чтобы снизить вероятность ЧП в быту, желательно использовать линейное напряжение 220 В;
— собственное потребление электроэнергии преобразователем было значительным. Это снижало КПД устройства, особенно в режиме «холостого хода».
Дальнейшая модернизация конструкции позволила избавиться от этих недостатков. Так, в качестве преобразователя автор применял асинхронный 4-киловаттный электродвигатель с 6-полюсной статорной обмоткой (т. н. тысячник). Его обмотки включены «звездой» и рассчитаны на линейное напряжение 380 В. Я же подключал их к 220 В (т. е. между «фазой» и «нулем» двигателя было 127 В). Такое подключение показано на рис. 3.