Устройства запуска трехфазного электродвигателя с малыми потерями мощности
28 ноября 2006 г.Автор: http://www.elremont.ru
В различных любительских электромеханических станках и приспособлениях чаще всего используются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. К сожалению, трехфазная сеть в быту — явление редкое, поэтому для их питания от обычной электрической сети любители применяют фазосдвигающий конденсатор, что не позволяет в полном объеме реализовать мощность и пусковые характеристики двигателя. Существующие же тринисторные «фазосдвигающие» устройства еще в большей степени снижают мощность на валу двигателей.
Дополнительные рекомендации по подключению трехфазного двигателя, а также методику определения маркировки обмоток Вы можете посмотреть здесь.
Вариант схемы устройства запуска трехфазного электродвигателя с малыми потерями мощности приведен на рис. 1.
Обмотки двигателя 220/380 В соединены треугольником, а конденсатор С1 включен, как обычно, параллельно одной из них. Конденсатору «помогает» дроссель L1, включенный параллельно другой обмотке.
При определенном соотношении емкости конденсатора С1, индуктивности дросселя L1 и мощности нагрузки можно получить сдвиг фаз между напряжениями на трех ветвях нагрузки, равный точно 120°. На рис. 2 приведена векторная диаграмма напряжений для устройства, представленного на рис. 1, при чисто активной нагрузке R в каждой ветви.
Линейный ток Iл в векторном виде равен разности токов I3 и I2, а по абсолютному значению соответствует величине:
Iф, где Iф=I1=I2=I3=Uл/R — фазный ток нагрузки, Uл=U1=U2=U3=220 В — линейное напряжение сети.
К конденсатору С1 приложено напряжение Uc1=U2, ток через него равен IС1 и по фазе опережает напряжение на 90°. Аналогично к дросселю L1 приложено напряжение UL1=U3, ток через него IL1 отстает от напряжения на 90°. При равенстве абсолютных величин токов IС1 и IL1 их векторная разность при правильном выборе емкости и индуктивности может быть равной Iл. Сдвиг фаз между токами IС1 и IL1 составляет 60°, поэтому треугольник из векторов Iл, IС1 и IL1 — равносторонний, а их абсолютная величина составляет:
IС1=IL1=Iл=Iф.
В свою очередь, фазный ток нагрузки Iф=Р/ЗUL, где Р — суммарная мощность нагрузки. Иными словами, если емкость конденсатора С1 и индуктивность дросселя L1 выбрать такими, чтобы при поступлении на них напряжения 220 В ток через них был бы равен IС1=IL1=P/(Uл)=P/380, показанная на рис. 1 цепь L1C1 обеспечит на нагрузке трехфазное напряжение с точным соблюдением сдвига фаз.
В табл. 1 приведены значения тока IС1=IL1 емкости конденсатора С1 и индуктивности дросселя L1 для различных величин полной мощности чисто активной нагрузки.
Таблица 1
P, Вт | IС1=IL1, А | С1, мкФ | L1, Гн |
---|---|---|---|
100 | 0,26 | 3,8 | 2,66 |
200 | 0,53 | 7,6 | 1,33 |
300 | 0,79 | 11,4 | 0,89 |
400 | 1,05 | 15,2 | 0,67 |
500 | 1,32 | 19,0 | 0,53 |
600 | 1,58 | 22,9 | 0,44 |
700 | 1,84 | 26,7 | 0,38 |
800 | 2,11 | 30,5 | 0,33 |
900 | 2,37 | 34,3 | 0,30 |
1000 | 2,63 | 38,1 | 0,27 |
1100 | 2,89 | 41,9 | 0,24 |
1200 | 3,16 | 45,7 | 0,22 |
1300 | 3,42 | 49,5 | 0,2 |
1400 | 3,68 | 53,3 | 0,19 |
1500 | 3,95 | 57,1 | 0,18 |
Реальная нагрузка в виде электродвигателя имеет значительную индуктивную составляющую.
В результате линейный ток отстает по фазе от тока активной нагрузки на некоторый угол j порядка 20...40°. На табличках электродвигателей обычно указывают не угол, а его косинус — широко известный , равный отношению активной составляющей линейного тока к его полному значению.
Индуктивную составляющую тока, протекающего через нагрузку устройства, показанного на рис. 1, можно представить в виде токов, проходящих через некоторые катушки индуктивности Lн, подключенные параллельно активным сопротивлениям нагрузки (рис. 3,а), или, что эквивалентно, параллельно С1, L1 и сетевым проводам.
Из рис. 3, б видно, что поскольку ток через индуктивность противофазен току через емкость, катушки индуктивности Lн уменьшают ток через емкостную ветвь фазосдвигающей цепи и увеличивают через индуктивную. Поэтому для сохранения фазы напряжения на выходе фазосдвигающей цепи ток через конденсатор С1 необходимо увеличить и через катушку уменьшить.
Векторная диаграмма для нагрузки с индуктивной составляющей усложняется. Ее фрагмент, позволяющий произвести необходимые расчеты, приведен на рис 4.
Полный линейный ток Iл разложен здесь на две составляющие: активную и реактивную В результате решения системы уравнений для определения необходимых значений токов через конденсатор С1 и катушку L1
получаем следующие значения этих токов:
При чисто активной нагрузке формулы дают ранее полученный результат IС1=IL1=Iл. На рис. 5 приведены зависимости отношений токов IС1 и IL1 к Iл от , рассчитанные по этим формулам Для ( =0,87) ток конденсатора С1 максимален и равен а ток дросселя L1 вдвое меньше. Этими же соотношениями с хорошей степенью точности можно пользоваться для типовых значений , равных 0,85-0,9.
В табл. 2 приведены значения токов Ie1, IL1, протекающих через конденсатор С1 и дроссель L1 при различных величинах полной мощности нагрузки, имеющей указанное выше значение
Таблица 2
P, Вт | IС1, А | IL1, А | С1, мкФ | L1, Гн |
---|---|---|---|---|
100 | 0,35 | 0,18 | 5,1 | 3,99 |
200 | 0,7 | 0,35 | 10,2 | 2,0 |
300 | 1,05 | 0,53 | 15,2 | 1,33 |
400 | 1,4 | 0,7 | 20,3 | 1,00 |
500 | 1,75 | 0,88 | 25,4 | 0,8 |
600 | 2,11 | 1,05 | 30,5 | 0,67 |
700 | 2,46 | 1,23 | 35,6 | 0,57 |
800 | 2,81 | 1,4 | 40,6 | 0,50 |
900 | 3,16 | 1,58 | 45,7 | 0,44 |
1000 | 3,51 | 1,75 | 50,8 | 0,4 |
1100 | 3,86 | 1,93 | 55,9 | 0,36 |
1200 | 4,21 | 2,11 | 61,0 | 0,33 |
1300 | 4,56 | 2,28 | 66,0 | 0,31 |
1400 | 4,91 | 2,46 | 71,1 | 0,29 |
Для такой фазосдвигающей цепи используют конденсаторы МБГО, МБГП, МБГТ, К42-4 на рабочее напряжение не менее 600 В или МБГЧ, К42-19 на напряжение не менее 250 В. Дроссель проще всего изготовить из трансформатора питания стержневой конструкции от старого лампового телевизора. Ток холостого хода первичной обмотки такого трансформатора при напряжении 220 В обычно не превышает 100 мА и имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения Если же в магнитопровод ввести зазор порядка 0,2-1 мм, ток существенно возрастет, а зависимость его от напряжения станет линейной.
Сетевые обмотки трансформаторов ТС могут быть соединены так, что номинальное напряжение на них составит 220 В (перемычка между выводами 2 и 2'), 237 В (перемычка между выводами 2 и 3') или 254 В (перемычка между выводами 3 и 3') Сетевое напряжение чаще всего подают на выводы 1 и1'. В зависимости от вида соединения меняются индуктивность и ток обмотки В табл. 3 приведены значения тока в первичной обмотке трансформатора ТС-200-2 при подаче на нее напряжения 220 В при различных зазорах в магнитопроводе и разном включении секций обмоток.
Таблица 3
Зазор в магнитопроводе, мм | Ток сетевой обмотки, А, при соединении выводов на напряжение, В | ||
---|---|---|---|
220 | 237 | 254 | |
0,2 | 0,63 | 0,54 | 0,46 |
0,5 | 1,26 | 1,06 | 0,93 |
1 | - | 2,05 | 1,75 |
Сопоставление данных табл. 3 и 2 позволяет сделать вывод, что указанный трансформатор можно установить в фазосдвигающую цепь двигателя с мощностью примерно от 300 до 800 Вт и, подбирая зазор и схему включения обмоток, получить необходимую величину тока. Индуктивность изменяется также в зависимости от синфазного или противофазного соединения сетевой и низковольтных (например, накальных) обмоток трансформатора. Максимальный ток может несколько превышать номинальный ток в рабочем режиме. В этом случае для облегчения теплового режима целесообразно снять с трансформатора все вторичные обмотки, часть низковольтных обмоток можно использовать для питания цепей автоматики устройства, в котором работает электродвигатель.
В табл. 4 приведены номинальные величины токов первичных обмоток трансформаторов различных телевизоров и ориентировочные значения мощности двигателя, с которыми их целесообразно использовать фазосдвигающую LC-цепь следует рассчитывать для максимально возможной нагрузки электродвигателя.
Таблица 4.
Трансформатор | Номинальный ток, А | Мощность двигателя, Вт |
---|---|---|
ТС-360М | 1,8 | 600...1500 |
ТС-330К-1 | 1,6 | 500...1350 |
СТ-320 | 1,6 | 500...1350 |
СТ-310 | 1,5 | 470...1250 |
ТСА-270-1 ТСА-270-2 ТСА-270-3 |
1,25 | 400...1050 |
ТСА-250 ТСА-250-1 ТСА-250-2 ТС-250-2М ТС-250-2П |
1,1 | 350...900 |
ТС-200К | 1 | 330...850 |
ТС-200-2 | 0,95 | 300...800 |
ТС-180 ТС-180-2 ТС-180-4 ТС-180-2В |
0,87 | 275...700 |
При меньшей нагрузке необходимый сдвиг фаз уже не будет выдерживаться, но пусковые характеристики по сравнению с использованием одного конденсатора улучшатся.
Экспериментальная проверка проводилась как с чисто активной нагрузкой, так и с электродвигателем. Функции активной нагрузки выполняли по две параллельно соединенных лампы накаливания мощностью 60 и 75 Вт, включенные в каждую нагрузочную цепь устройства (см рис 1), что соответствовало общей мощности 400 Вт В соответствии с таблицей 1 емкость конденсатора С1 составляла 15 мкФ Зазор в магнитопроводе трансформатора ТС-200-2 (0,5 мм) и схема соединения обмоток (на 237 В) были выбраны из соображений обеспечения необходимого тока 1,05 А. Измеренные на нагрузочных цепях напряжения U1, U2, U3 отличались друг от друга на 2.. 3 В, что подтверждало высокую симметрию трехфазного напряжения.
Эксперименты проводились также с трехфазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором АОЛ22-43Ф мощностью 400 Вт. Он работал с конденсатором С1 емкостью 20 мкФ (кстати, такой же, как и при работе двигателя только с одним фазосдвигающим конденсатором) и с трансформатором, зазор и соединение обмоток которого выбраны из условия получения тока 0,7 А. В результате удалось быстро запустить двигатель без пускового конденсатора и заметно увеличить крутящий момент, ощущаемый при торможении шкива на валу двигателя. К сожалению, провести более объективную проверку затруднительно, поскольку в любительских условиях практически невозможно обеспечить нормированную механическую нагрузку на двигатель.
Следует помнить, что фазосдвигающая цепь — это последовательный колебательный контур, настроенный на частоту 50 Гц (для варианта чисто активной нагрузки), и без нагрузки подключать к сети эту цепь нельзя.
Если для вас это показалось слишком сложным, то смотрите статью о подключении трехфазного двигателя в однофазную сеть
Журнал "Радио" № 7-2000 г.
Всего хорошего, пишите to Elremont © 2005