Трехфазный асинхронный электродвигатель - основа промышленности, это станки и подъемные механизмы, транспортеры, насосы, вентиляторы и многое другое. Потому и таких двигателей выпускается огромное количество, благодаря своей серийности и простому устройству, они довольно дешевы и доступны. Но для применения в хозяйстве, не имеющем трехфазной сети, применение таких электродвигателей затруднено, так как в однофазную сеть без дополнительных мер их включать нельзя.

Обычно в качестве такой "дополнительной меры" применяется конденсатор - обычный неполярный, бумажный или керамический. Емкость конденсатора зависит от мощности электродвигателя и от схемы соединения обмоток двигателя (для треугольника требуется емкость больше, чем для звезды).

Cхемы подключения

На размещенном ниже рисунке показаны 4 рекомендуемых схемы подключения. Схема а предназначена для двигателей напряжением 127/220, которых наша промышленность давно не производит ввиду того, что сетей с линейным напряжением 220 Вольт у нас практически нет. Для подключения двигателей, рассчитанных на напряжение 220/380 в сеть 220 Вольт предназначены схемы б-г. Схемы в и г являются альтернативой схемы б, они более предпочтительны, их следует применять всегда, когда есть такая возможность. Двигатели напряжением 380/660 в сеть 220В включать таким образом нельзя, он будет очень плохо работать, сильно греться и, в общем, ничего хорошего не получится.

Принципиальные электрические схемы конденсаторного двигателя с тремя статорными обмотками: 1 — рабочий конденсатор; 2— отключаемый пусковой конденсатор

Определение рабочей и пусковой ёмкости

Номинальными напряжением и током конденсаторного двигателя условимся называть фазные значения этих величин, указанные в паспорте машины. Например, на щитке трехфазного асинхронного двигателя обозначено: 1кВт, 127/220 В, 7,3/4,2 А, 1410 об/мин, КПД = 78,5%, cosφ = 0,79. В зависимости от напряжения сети обмотки статора при трехфазном включении соединяются в треугольник (при напряжении 127 В) либо в звезду (при напряжении 220 В). Соответственно, потребляемый двигателем ток при полезной мощности 1 кВт составляет 7,3 А (соединение треугольником), или 4,2 А (соединение звездой). Однако, независимо от схемы соединения, фазными значениями напряжения и тока в приведенном примере остаются 127 В и 4,2 А. Их мы и будем считать номинальными при использовании двигателя в качестве однофазного.

Ёмкость и реактивное сопротивление конденсатора находятся в обратной зависимости. Чем меньше ёмкость, тем больше сопротивление. Изменение ёмкости сопровождается изменением тока. Из этого следует, что ток конденсаторной фазы (см. рис. в и г) может оказаться меньше или больше номинального. В первом случае мощность двигателя недоиспользуется, во втором — возникает опасность недопустимого перегрева обмоток и повышения напряжений на отдельных участках схемы (на конденсаторной фазе, на конденсаторе). Особенно неблагоприятным оказывается явление резонанса напряжений, при котором ток конденсаторной фазы во много раз превышает номинальное значение, а возникающие перенапряжения представляют опасность для персонала и, кроме того, могут вызвать пробой изоляции обмотки или конденсатора.

Поэтому в практике эксплуатации конденсаторного двигателя правильный выбор рабочей ёмкости имеет весьма большое значение.
Рабочая (постоянно включенная) ёмкость выбрана правильно, если фазные токи и напряжения при нагрузке становятся практически номинальными. Развиваемая полезная мощность при этом принимается за номинальную мощность конденсаторного двигателя. Удовлетворяющую отмеченным условиям рабочую ёмкость будем обозначать через С_р.ном. Определение рабочей ёмкости для любой произвольной нагрузки рассматривается ниже.
Следует отметить, что полная симметрия напряжений и токов конденсаторного двигателя не достигается, особенно для схем на рис. а и б. Тем не менее любой схеме включения соответствует одна вполне определенная ёмкость, при которой токи в обмотках нагруженного двигателя несущественно отличаются от номинальных.

Рабочая ёмкость пропорциональна мощности двигателя (номинальному току) и обратно пропорциональна напряжению. Применительно к рассмотренным схемам включения конденсаторного двигателя для частоты 50 Гц рабочая ёмкость (в микрофарадах) приближённо может быть определена по следующим соотношениям:

• для схемы а: С_р.ном = 2800·I_ном/U
• для схемы б: С_р.ном = 4800·I_ном/U
• для схемы в: С_р.ном = 1600·I_ном/U
• для схемы г: С_р.ном = 2740·I_ном/U

где I_ном — номинальный ток, A; U — напряжение сети, В.

Таким образом, исходными данными, по которым определяется С_р.ном, являются номинальный ток двигателя и напряжение сети.

Пример. Определить рабочую ёмкость для двигателя 0,25 кВт, 127/220 В; 2,1/1,15 А, если двигатель включен по схеме, приведенной на рис. 9, а, а напряжение сети 220 В. Как видно, номинальный ток конденсаторного двигателя равен 1,15 А. Находим:

С_р.ном = 2800·I_ном/U=2800·1.15/220=14.6 мкФ

Принимаем С_р.ном = 15 мкФ.

При определении пусковой ёмкости исходят прежде всего из требований создания необходимого пускового вращающего момента. Если по условиям работы электропривода пуск двигателя происходит без нагрузки, то пусковая ёмкость обычно принимается равной рабочей. В этом случае схема включения упрощается.
Пуск под нагрузкой совершается при наличии в цепи двигателя и рабочей и отключаемой ёмкостей. Увеличение отключаемой ёмкости приводит к возрастанию пускового момента, и при некотором определенном ее значении момент достигает своей наибольшей величины. Дальнейшее увеличение ёмкости приводит к обратному результату: пусковой момент начинает уменьшаться.
Наибольший пусковой момент зависит не только от ёмкости, но и от схемы включения двигателя. При соединении обмоток звездой (рис. 1, а) или треугольником (рис. 1, б) пусковой момент не превосходит номинального при трехфазном включении. Для других схем (в и г) наибольший пусковой момент может в несколько раз превышать значение номинального момента, но его реализация сопряжена с появлением значительных перенапряжений в цепи конденсаторной фазы.
Однако на практике обычно не возникает необходимость в создании такого большого момента при пуске.
Исходя из условия получения пускового момента, близкого к номинальному (при трехфазном включении), необходимо иметь пусковую ёмкость, примерное значение которой равно:

С_п≈(2÷3)С_р.ном

Трехфазные асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором обычно подключают к однофазной сети по схеме, показанной на рис. 1.
Расчет показывает, а практика подтверждает, что даже при оптимальном выборе емкости фазосдвигающего конденсатора С1 вращающий момент на валу включенного подобным образом двигателя не превышает 35 % номинального.
Это объясняется тем, что ток, протекающий по обмотке III двигателя, сдвинут по фазе относительно токов в обмотках I и II таким образом, что в суммарном магнитном поле статора, кроме компоненты, вращающей ротор в нужном направлении, образуется еще одна, вращающаяся в другую сторону. Она тормозит ротор, уменьшая момент на валу и бесполезно расходуя свою энергию на нагревание проводов и магнитопровода двигателя.

Увеличить вращающий момент до 58 % номинального можно, если применить следующую схему включения (рис.2). Обратите внимание на расположение начал и концов обмоток.
Эффект достигается не только за счет смены направления вращения "вредной" компоненты магнитного поля. Происходит взаимная компенсация создаваемых обмотками II и III составляющих полей, совпадающих по направлению с полем обмотки I и потому не участвующих во вращении ротора.
Те, кто пробовал данный способ включения, утверждают, что применение двух фазосдвигающих конденсаторов облегчает и пуск двигателя. Емкости конденсаторов С1 и С2 должны быть одинаковы.
Их рассчитывают по известной формуле С = 2800 • Iф /U, где:
• Iф — номинальный фазный ток электродвигателя, A;
• U = 220 В.

 

Пригодны конденсаторы МБГО, МБГП, МБГТ, К42-4 на постоянное рабочее напряжение не менее 600В или МБГЧ, К42-19 на переменное напряжение не менее 250 В.
Правильность выбора конденсаторов можно проверить, измерив напряжения на каждой из трех обмоток двигателя под нагрузкой. Они должны быть приблизительно равны.
Равенство напряжений на обмотках II и III электродвигателя дает возможность соединить их встречно-параллельно, как показано на рис.2 штриховой линией. Конденсаторы С1 и С2 в этом случае можно заменить одним удвоенной емкости. При разнице напряжений в 1В и более лучше так не делать.

Усенко К.А., инженер-электрик,

admin@electric-forum.ru