В различных любительских
электромеханических станках и приспособлениях чаще всего используются трехфазные
асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. К сожалению, трехфазная сеть в
быту — явление крайне 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
сдесь.
Вариант схемы устройства запуска
трехфазного электродвигателя без потери 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 Iз и Ia, 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 Ic1 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 Ic1 и IL1 их векторная разность при правильном выборе емкости и
индуктивности может быть равной Iл. Сдвиг фаз между токами
Ic1 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 Ic1=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 Ic1=IL1, емкости конденсатора С1 и
индуктивности дросселя L1 для различных величин полной мощности чисто активной
нагрузки.
Реальная нагрузка в виде электродвигателя имеет
значительную индуктивную составляющую. В результате линейный ток отстает по фазе
от тока активной нагрузки на некоторый угол ф порядка 20...40°. На шильдиках
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 LH
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 Ic1=IL1=Iл. На рис. 5 приведены зависимости отношений токов Ic1 и IL1 к
Iл от , рассчитанные по этим формулам для (/2=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
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 и 1'. 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.
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 [1, 2] и ориентировочные значения мощности двигателя, с которыми их
целесообразно использовать фазосдвигающую LC-цепь следует рассчитывать для
максимально возможной нагрузки электродвигателя.
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 табл. 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 [З]. 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.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кузинец Л. М., Соколов В. С. Узлы телевизионных приемников — М Радио и связь 1987
2. Сидоров И. Н., Биннатов М. Ф., Васильев Е. А. Устройства электропитания бытовой РЭА — М Радио и связь, 1991
3. Бирюков С. Автоматическая водокачка. — Радио,1998,№ 5,с.45,46.
, где Iф=I1=I2=I3=Uл/R — фазный ток
нагрузки, Uл=U1=U2=U3=220 В — линейное напряжение
сети.
, равный отношению активной составляющей линейного тока к его полному значению.
формулы дают ранее полученный результат Ic1=IL1=Iл. На рис. 5 приведены зависимости отношений токов Ic1 и IL1 к
Iл от 
/2=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
