Устройства запуска трехфазного электродвигателя с малыми потерями мощности

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 I_л в векторном виде равен разности токов I₃ и I₂, а по абсолютному значению соответствует величине:

 I_ф, где I_ф=I₁=I₂=I₃=Uл/R — фазный ток нагрузки, U_л=U₁=U₂=U₃=220 В — линейное напряжение сети.

К конденсатору С1 приложено напряжение U_c1=U₂, ток через него равен I_С1 и по фазе опережает напряжение на 90°. Аналогично к дросселю L1 приложено напряжение U_L1=U₃, ток через него I_L1 отстает от напряжения на 90°. При равенстве абсолютных величин токов I_С1 и I_L1 их векторная разность при правильном выборе емкости и индуктивности может быть равной I_л. Сдвиг фаз между токами I_С1 и I_L1 составляет 60°, поэтому треугольник из векторов I_л, I_С1 и I_L1 — равносторонний, а их абсолютная величина составляет:

 I_С1=I_L1=I_л=Iф.

В свою очередь, фазный ток нагрузки I_ф=Р/З_UL, 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 I_С1=I_L1=P/(U_л)=P/380, показанная на рис. 1 цепь L1C1 обеспечит на нагрузке трехфазное напряжение с точным соблюдением сдвига фаз.

 В табл. 1 приведены значения тока I_С1=I_L1 емкости конденсатора С1 и индуктивности дросселя L1 для различных величин полной мощности чисто активной нагрузки.

Таблица 1

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 L_н 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 I_л 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 I_С1=I_L1=I_л. На рис. 5 приведены зависимости отношений токов I_С1 и I_L1 к I_л 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 I_e1, I_L1, протекающих через конденсатор С1 и дроссель L1 при различных величинах полной мощности нагрузки, имеющей указанное выше значение

Таблица 2

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

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.

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.

Рекомендуемый стабилизатор напряжения предназначен для питания высококачественной аппаратуры. Применение в нем полевого транзистора в качестве регулирующего (VT1) позволило питать источник образцового напряжения (резистор R1, стабилитрон VD1) и усилитель постоянного тока (операционный усилитель DA1) выходным стабилизированным напряжением, а также ослабить до минимума связь между входом и стабилизатором (через канал сток -исток транзистора), что уменьшило проникновение пульсаций входного напряженния в нагрузку.

Основные технические характеристики

Коэффициент стабилизации напряжения ...................70 000

Входное напряжение, V .................................................10..20

Выходное напряжение, V ...................................................9

Максимальный ток нагрузки, mA ......................................150

Выходное сопротивление, Ом .........................................0,003

Коэффициент стабилизации напряжения измерен при токе нагрузки 30mA цифровым вольтметром В7-34. При изменении входного напряжения от 10 до 20 V выходное изменялось не более, чем на на 0,0001 V, что соответствует коэффициенту стабилизации 70 000.

Стабилизатор не боится короткого замыкания на выходе,и перегрузок по току. С увеличением тока нагрузки напряжение затвор-исток полевого транзистора уменьшается. При этом напряжение на выходе ОУ увеличивается до максимального значения, которое всегда меньше питающего напряжения. При дальнейшем увеличении тока нагрузки напряжение затвор-исток транзистора становится постоянным и равным разности выходного напряжения стабилизатора и напряжения насыщения на выходе ОУ-стабилизатор переходит в режим стабилизации выходного тока. При коротком замыкании на выходе ток через стабилизатор не может превысить своего максимального значения, равного току стока транзистора при нулевом напряжении между затвором и истоком.

Мощность, рассеиваемая регулирующим транзистором при длительном коротком замыкании на выходе стабилизатора не должна превышать допустимую (для транзистора КП903Б-6Вт при температуре воздуха не выше 25^оС). Если, например максимальный ток стока транзистора равен 400 mA, то мощности 6Вт соответствует напряжение 15В. Это наибольшее входное наряжение стабилизатора при длительном замыкании на выходе. При токе нагрузки более 30mA регулирующий транзистор необходимо устанавливать на теплоотвод.

Конденсаторы C1 и C2 корректируют частотную характеристику ОУ, а C3 и С4- блокируют цепи питания ОУ и нагрузки. Конденсотор C3 надо монтировать возможно ближе к ОУ. Ослабление влияния колебаний температуры окружающей среды на выходное напряжение достигается использованием в стабилизаторе проволочных резисторов и термостабилизированных стабилитрона и ОУ. В результате, за первую минуту после включения питания выходное напряжение стабилизатора изменяется в пределах до 800 мкВ, за следующие 20 мин не более, чем на 100 мкВ.

Стабилитрон КС166А можно заменить на КС162А, КС168А, а ОУ К551УД1Б-на К153УД5, К140УД12, К140УД6, К149УД7, К140УД10, К140УД11, К153УД2, К153УД4, К153УД6 или К140УД1А с соответсвующими цепями коррекции. Но при такой замене стабильность выходного напряжения несколько ухудшится, потому что коэффициент стабилизации напряжения прямо пропорционален коэффициенту усиления ОУ.

Налаживание стабилизатора сводится к установке необходимого выходного напряжения путем изменения соотношения номиналов R2 и R3.