ТРИ ФАЗИ – БЕЗ ВТРАТИ ПОТУЖНОСТІ

С. БІРЮКОВ, м. Москва

У різних аматорських електромеханічних верстатах і пристроях найчастіше використовуються трифазні асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором. На жаль, трифазна мережу в побуті – явище вкрай рідкісне, тому для їх живлення від звичайної електричної мережі любителі застосовують фазосдвігающій конденсатор, що не дозволяє в повному обсязі реалізувати потужність і пускові характеристики двигуна. Існуючі ж тріністорние "фазосдвігающіе" пристрою ще більшою мірою знижують потужність на валу двигунів.

Додаткові рекомендації з підключення трифазного двигуна, а також методику визначення маркування обмоток Ви можете посмотреть сдесь .

Варіант схеми пристрою запуску трифазного електродвигуна без втрати потужності наведено на рис. 1 .

Ріс1.

Обмотки двигуна 220/380 В з'єднані трикутником, а конденсатор С1 включений, як звичайно, паралельно одній з них. Конденсатору "допомагає" дросель L1, включений паралельно другий обмотці.
При певному співвідношенні ємності конденсатора С1, індуктивності дроселя L1 і потужності навантаження можна отримати зсув фаз між напругами на трьох гілках навантаження, рівний точно 120 °. На рис. 2 наведена векторна діаграма напруг для пристрою, представленого на рис. 1 , При чисто активної навантаженні R в кожної гілки.

Ріс2.

Лінійний струм I л у векторному вигляді дорівнює різниці струмів Iз і Ia, а за абсолютним значенням відповідає величині I ф ./240820101200002075.gif (131 bytes) , Де I ф =I 1 =I 2 =I 3 =U л / R – фазний струм навантаження, U л =U 1 =U 2 =U 3 = 220 В – лінійна напруга мережі.
До конденсатора С1 докладено напруга U
c1 =U 2 , Струм через нього дорівнює I c1 і по фазі випереджає напругу на 90 °. Аналогічно до дроселі L1 докладено напруга U L1 =U 3 , Струм через нього I L1 відстає від напруги на 90 °. При рівності абсолютних величин струмів I c1 і I L1 їх векторна різниця при правильному виборі ємності й індуктивності може бути рівний I л . Зрушення фаз між струмами I c1 і I L1 становить 60 °, тому трикутник з векторів I л , I з1 і I L1 – Рівносторонній, а їх абсолютна величина складає I з1 =I L1 =I л =I ф ./240820101200002075.gif (131 bytes) .
У свою чергу, фазний струм навантаження I ф = Р / З UL , Де Р – сумарна потужність навантаження. Іншими словами, якщо ємність конденсатора С1 і індуктивність дроселя L1 вибрати такими, щоб під час вступу на них напруги 220 В струм через них був би дорівнює Ic1 = IL1 = P / ( ./240820101200002075.gif (131 bytes) Uл) = P/380, показана на рис. 1 ланцюг L1C1 забезпечить на навантаженні трифазне напругу з точним дотриманням зсуву фаз.
У табл. 1 наведені значення струму I
c1 =I L1 , Ємності конденсатора С1 й індуктивності дроселя L1 для різних величин повній потужності чисто активного навантаження.

Таблиця 1.

Реальна навантаження у вигляді електродвигуна має значну індуктивного складову. У результаті лінійний струм відстає по фазі від струму активного навантаження на деякий кут ф порядку 20 … 40 °. На шильдика електродвигунів зазвичай вказують не кут, а його косинус – широко відомий ./240820101200002077.gif (174 bytes) , Рівний відношенню активної складової лінійного струму до його повного значенням.
Індуктивне складову струму, що протікає через навантаження пристрої, показаного на рис. 1 , Можна представити у вигляді струмів, що проходять через деякі котушки індуктивності Lн, підключені паралельно активним опорам навантаження (Рис. 3, а) , Або, що еквівалентно, паралельно С1, L1 і мережевим дротах.
З рис. 3, б видно, що оскільки струм через індуктивність протифазі току через ємкість, котушки індуктивності L
H зменшують струм через ємнісні гілку фазосдвігающей ланцюга і збільшують через індуктивність.

Рис. 3

Тому для збереження фази напруги на виході фазосдвігающей ланцюга струм через конденсатор С1 необхідно збільшити і через котушку зменшити.
Векторна діаграма для навантаження з індуктивного складової ускладнюється. Її фрагмент, що дозволяє зробити необхідні розрахунки, наведено на рис. 4 .

Рис. 4.gif (2307 bytes)

Повний лінійний струм Iл розкладений тут на дві складові: активну

та реактивну

У результаті рішення системи рівнянь для визначення необхідних значень струмів через конденсатор С1 і котушку L1

./240820101200002082.gif (1124 bytes)

отримуємо наступні значення цих струмів.

./240820101200002083.gif (1019 bytes)

При чисто активної навантаженні ./240820101200002084.gif (442 bytes) формули дають раніше отриманий результат I c1 =I L1 =I л . На рис. 5 наведено залежності відносин струмів I c1 і I L1 до Iл від ./240820101200002077.gif (174 bytes) , Розраховані за цих формул для ( ./240820101200002085.gif (365 bytes) / 2 = 0,87) струм конденсатора С1 максимальний і дорівнює ./240820101200002086.gif (379 bytes) , А струм дроселя L1 вдвічі менше. Цими ж співвідношеннями з високим ступенем точності можна користуватися для типових значень ./240820101200002077.gif (174 bytes) , Рівних 0,85 … 0,9.

Ріс5.

У табл. 2 наведені значення струмів I e1 , I L1 , Що протікають через конденсатор С1 та дросель L1 при різних величинах повної потужності навантаження, що має вказане вище значення ./240820101200002085.gif (365 bytes)

Таблиця 2.

Для такої фазосдвігающей ланцюга використовують конденсатори МБГО, МБГП, МБГТ, К42-4 на робочу напругу не менше 600 В або МБГЧ, К42-19 на напругу не менш 250 В Дросель простіше всього виготовити з трансформатора живлення стрижневий конструкції від старого лампового телевізора. Струм холостого ходу первинної обмотки такого трансформатора при напрузі 220 В зазвичай не перевищує 100 мА і має нелінійну залежність від прикладеної напруги Якщо ж у магнітопровода ввести зазор близько 0,2 1 мм, струм істотно зросте, а залежність його від напруги стане лінійної.
Мережеві обмотки трансформаторів ТЗ можуть бути з'єднані так, що номінальна напруга на них складе 220 В (перемичка між висновками 2 і 2 '), 237 В (перемичка між висновками 2 і 3 ') або 254 В (перемичка між висновками 3 і 3') Напруга найчастіше подають на висновки 1 і 1 '. Залежно від виду з'єднання змінюються індуктивність і ток обмотки. У табл. 3 наведені значення струму в первинній обмотці трансформатора ТС-200-2 при подачі на неї напруги 220 В при різних зазорах в магнітопроводі та різний включення секцій обмоток.

Таблиця 3.

Зіставлення даних табл. 3 та 2 дозволяє зробити висновок, що вказаний трансформатор можна встановити в фазосдвігающую ланцюг двигуна з потужністю приблизно від 300 до 800 Вт і, підбираючи зазор і схему включення обмоток, отримати необхідну величину струму. Індуктивність змінюється також залежно від синфазного або протівофазного з'єднання мережевої і низьковольтних (наприклад, накальних) обмоток трансформатора. Максимальний струм може кілька перевищувати номінальний струм в робочому режимі. У цьому випадку для полегшення теплового режиму доцільно зняти з трансформатора всі вторинні обмотки, частина низьковольтних обмоток можна використовувати для живлення кіл автоматики пристрою, в якому працює електродвигун.
У табл. 4 наведено номінальні величини струмів первинних обмоток трансформаторів різних телевізорів [1, 2] і орієнтовні значення потужності двигуна, з якими їх доцільно використовувати фазосдвігающую LC-ланцюг слід розраховувати для максимально можливого навантаження електродвигуна.

Таблиця 4.

При меншому навантаженні необхідну зсув фаз вже не буде витримуватися, але пускові характеристики в порівнянні з використанням одного конденсатора покращаться. Експериментальна перевірка проводилася як із чисто активним навантаженням, так і з електродвигуном. Опції активного навантаження виконували по дві паралельно з'єднаних лампи розжарювання потужністю 60 і 75 Вт, включені в кожну навантажувальну ланцюг пристрої (Див. мал. 1) , Що відповідало загальної потужності 400 Вт Відповідно до табл. 1 ємність конденсатора С1 становила 15 МКФ Зазор у магнітопроводі трансформатора ТС-200-2 (0,5 мм) і схема з'єднання обмоток (на 237 В) були обрані з міркувань забезпечення необхідного струму 1,05 А. Виміряні на навантажувальних ланцюгах напруги U 1 , U 2 , U 3 відрізнялися один від одного на 2 .. 3 В, що підтверджувало високу симетрію трифазної напруги.
Експерименти проводилися також з трифазним асинхронним двигуном з короткозамкненим ротором АОЛ22-43Ф потужністю 400 Вт [З]. Він працював з конденсатором С1 ємністю 20 МКФ (до речі, такий же, як і під час роботи двигуна тільки з одним фазосдвігающім конденсатором) і з трансформатором, зазор і з'єднання обмоток якого обрані з умови одержання струму 0,7 А В результаті вдалося швидко запустити двигун без пускового конденсатора і помітно збільшити крутний момент, відчутний при гальмуванні шківа на валу двигуна. На жаль, провести більш об'єктивну перевірку важко, оскільки в аматорських умовах практично неможливо забезпечити нормовану механічне навантаження на двигун.
Слід пам'ятати, що фазосдвігающая ланцюг – це послідовний коливальний контур, настроєний на частоту 50 Гц (для варіанту чисто активного навантаження), і без навантаження підключати до мережі цей ланцюг можна.

ЛІТЕРАТУРА

1. Кузінец Л. М., Соколов В. С. Вузли телевізійних приймачів – М Радіо та зв'язок 1987
2. Сидоров І. М., Біннатов М. Ф., Васильєв Є. А. Пристрої електроживлення побутової РЕА – М Радіо та зв'язок, 1991
3. Бірюков С. Автоматична водокачка. – Радіо, 1998, № 5, с.45, 46.

"Радіо" № 7, 2000р.

Джерело матеріалу