Схемы соединения обмоток конденсаторного АД.

Конденсаторным называют асинхронный двигатель, в цепь одной из обмоток которого постоянно включен конденсатор. Этот конденсатор называют рабочим С_Р. Он служит для со­здания совместно с рабочей обмоткой эллиптического поля двигателя и, таким образом, несколько повышает КПД и коэф­фициент мощности АД. Кроме того пусковой момент такого двигателя не равен нулю.

С целью повышения пускового момента АД используют дополнительный пусковой конденсатор С_П. Величину емкости того и другого определяют расчетным путем.

Выше указывалось, что можно выбрать такое значение емкости конденсатора, которое в течение всего времени рабо­ты обеспечит создание кругового поля машины, приемлемые пусковой момент и прочие показатели АД. Однако при такой величине емкости ток фазы будет существенно превышать номинальный. По этой причине по достижении двигателем скорости, составляющей 0,7...0,8 от номинального значения, пусковой конденсатор отключают.

Напомним, что если исходный трехфазный АД рассчитан на напряжение 380/220 В, то для подключения к линейному напряжению 380 В используется схема соединения обмоток статора в «звезду», а для подключения к линейному напряже­нию 220 В — соединение в «треугольник». В дальнейшем при расчетах будем иметь дело с фазным напряжением и фазным током двигателя.

Рассмотрим наиболее значимые на практике схемы вклю­чения трехфазного АД в режиме однофазного конденсатор­ного двигателя и приведем формулы для расчета емкостей рабочих и пусковых конденсаторов.

Рис. 3.29. Схема соединения конденсаторного АД в «звезду» (а)

и схема реверсирования АД (б)

Схема соединения обмотки АД, приведенная на рис. 3.29,о, используется в тех случаях, когда соединение концов обмоток статора (нейтраль) выполнено внутри машины, т. е. нейтраль недоступна, а напряжение сети равно линейному напряжению.

Обмотку статора U1-U2, через которую проходит весь ток двигателя I = I _A, называют главной фазой. Обмотку W1-W2, соединенную последовательно с конденсатором, — кон­денсаторной фазой. Ее ток I_C = I_К. Третью обмотку V1-V2 назовем вспомогательной фазой, ее ток обозначим I_В. При порядке следования токов фаз I_А - I_В - I_С двигатель будет вращаться в направлении «вперед», если конденсаторной фа­зой будет V1-V2 (I_А - I_В - I_С)> то двигатель будет вращаться «назад».

С изменением нагрузки на валу двигателя (с изменением скольжения) изменение токов этих фаз, оказывается различ­ным (рис. 3.30). Ток главной фазы с уменьшением нагрузки (скольжения) уменьшается, а ток конденсаторной фазы, на­оборот, возрастает, достигая наибольшего значения при холо­стом ходе.

Рис. 3.30. Изменение токов и напряжений конденсаторного АД при изменении скольжения (нагрузки на валу) при соединении в «звезду»

Вспомогательная фаза при холостом ходе и незначитель­ной нагрузке находится в генераторном режиме, ее активная мощность отрицательна. С возрастанием нагрузки в области относительного значения скольжения больше 0,5 вспомога­тельная фаза переходит в двигательный режим. Ее ток, умень­шаясь, достигает некоторого минимального значения и затем начинает увеличиваться.

Из-за различия токов активная мощность по фазам также распределяется неравномерно. При номинальной нагрузке главная фаза развивает примерно такую же мощность, как конденсаторная и вспомогательная, вместе взятые.

Равенства токов всех фаз номинальному не достигается. Поэтому под номинальной здесь имеется в виду такая нагруз­ка, при которой токи двух фаз равны номинальному, а ток третьей фазы составляет 70...85% номинального. Это опреде­ление относится и к случаю соединения обмоток статора «тре­угольником».

Характерными особенностями схемы являются относитель­но небольшие значения пускового момента, не превышающе­го номинальный и небольшие напряжения.

Отметим, что напряжение на конденсаторе в номиналь­ном режиме можно принять равным напряжению сети.

В режиме холостого хода принимают:

. (3.42)

В случае возникновения резонанса напряжений, когда на­пряжение на конденсаторе равно напряжению на конденса­торной обмотке, величины их могут достигать недопустимо больших значений, что может привести к пробою изоляции обмотки, либо пробою диэлектрика между обкладками кон­денсатора. Резонанс напряжений в конденсаторной ветви мо­жет возникнуть при равенстве реактивных сопротивлений об­мотки фазы и конденсатора:

,

где L_0БМ— индуктивность обмотки фазы.

Величина емкости рабочего конденсатора для схемы (рис. 3.29) определяется по выражению, Ф:

(3.43)

Для частоты f = 50 Гц получим приближенное расчетное выражение, где емкость измеряется в мкФ:

C_PY=2780(I_H /U_H). (3.44)

Что касается пусковой емкости, то его выбирают по соот­ношению, мкФ:

С_П= (2,5...3) C_PY.

Схема соединения обмотки статора конденсаторного АД в «треугольник» и подключения рабочей и пусковой емкости представлена на рис. 3.31.

Рис. 3.31. Схема соединения конденсаторного АД в «тре­угольник» и подключения ра­бочего и пускового конден­саторов

По аналогии с предыдущей схемой здесь вспомогательной назовем фазу U1-U2, к которой подведено напряжение сети и ток которой обозначим I_А.

Обмотка V1-V2 с параллель­но присоединенным конденса­тором является конденсаторной фазой, ток ее обозначим %, а третья обмотка W1-W2, по кото­рой протекают токи конденса­тора и конденсаторной фазы, назовем главной фазой, ее ток обозначим I_С.

Как видно из рис. 3.32. при небольших нагрузках ток кон­денсатора превышает номинальное значение. Характер изме­нения токов в фазах с изменением нагрузки на валу конденса­торного АД остается таким же, как и присоединении статорных обмоток в «звезду». Токи всех трех фаз при номинальной нагрузке не превышают половины номинального тока, однако симметрии токов в такой схеме, как и в предыдущей, нет. Что касается результирующего тока, протекающего по подводя­щим проводам, то в номинальном режиме он значительно превышает номинальный ток фазы.

Следует иметь в виду, что в схеме при равенстве реактив­ных сопротивлений фазы и конденсатора возможен так назы­ваемый резонанс токов. При этом токи конденсатора и кон­денсаторной фазы достигают значительных величин, которые могут привести к перегреву обмотки этой фазы.

Рис. 3.32. Изменение токов и напряжений конденсаторного АД,

соединенного в «треугольник», при изменении скольжения

(нагрузки на валу)

Величина емкости рабочего конденсатора для схемы (рис. 3.31) в раз больше, чем в предыдущей схеме. Она определяется по выражению, Ф:

(3.45)

Для частоты f = 50 Гц получим приближенное расчетное выражение, где емкость измеряется в мкФ:

. (3.46)

Пусковая емкость выбирается по соотношению:

С_П=(2,5...3) .

Активная мощность между обмотками распределяется не­равномерно. Наибольшую мощность при номинальной нагруз­ке развивают главная и вспомогательная фазы. Одно из ха­рактерных свойств этой схемы — относительно небольшой пусковой момент по сравнению с предыдущей схемой. Кроме того, для одного и того же двигателя напряжение на конден­саторе уменьшается в раз, и во столько же раз увеличива­ется емкость рабочего конденсатора и соответственно пуско­вая емкость. По этим причинам первая схема является пред­почтительнее, чем рассматриваемая, так как ее технические и экономические показатели лучше (меньше емкость и габари­ты батареи конденсаторов, ниже стоимость всей установки).

Отметим, что напряжение на конденсаторе в номиналь­ном режиме можно принять равным напряжению сети.

В режиме холостого хода принимают:

Схемы соединения обмоток статора А в «непол­ную звезду».Такие схемы соединения возможны в том слу­чае, когда начала и концы фазных обмоток АД выведены на соединительную колодку и используются для получения пус­ковых моментов, превышающих номинальный. Такая необхо­димость возникает в приводах механизмов, с тяжелыми усло­виями пуска, при пуске механизмов под нагрузкой и т. д.

На рис. 3.33 представлены две различные схемы соедине­ния обмоток статора конденсаторного двигателя в «неполную звезду».

Три фазные катушки в этих схемах образуют две обмотки конденсаторного двигателя. Одну,из них будем называть глав­ной фазой, другую конденсаторной.

Рис. 3.33. Схемы соединения обмоток конденсаторного двигателя

в «неполную звезду»

В варианте схемы (рис. 3.33,о) главной является обмотка U1-U2, конденсаторной — последовательно соединенные V1-V2 и W1-W2. Во второй схеме (рис. 3.33,6) обмотка U1-U2 явля­ется конденсаторной, а главная состоит из последовательно соединенных фазных обмоток V1-V2 и W1-W2.

Рассмотрим особенности первого варианта схемы (рис. 3.33,о). По мере увеличения нагрузки ток главной фазы возрастает, ток конденсаторной обмотки уменьшается (рис. 3.34).

Рис. 3.34. Изменение токов и напряжений конденсаторного АД,

соединенного в «неполную звезду» при изменении скольжения

(нагрузки на валу) по схеме на рис. 3.33,0

Двигатель работает с нормальной (номинальной) нагруз­кой, когда по обеим обмоткам проходит номинальный ток. При этом встречное магнитное поле становится несуществен­ным, поэтому двигатель лучше используется по мощности.

Активные мощности главной и конденсаторной фаз при номинальной нагрузке примерно одинаковы. По мере

уменьшения нагрузки на валу двигателя мощность конденсаторной фазы возрастает, тогда как мощность главной фазы уменьша­ется и на холостом ходу приобретает отрицательное значение, т. е. главная фаза переходит в режим асинхронного генерато­ра с конденсаторным возбуждением.

Отметим, что результирующий ток / в питающих проводах при номинальной нагрузке на 70...75% превышает номиналь­ный ток фазы.

Особенностью схемы является высокий пусковой момент, значительно превышающий номинальный. Это несомненное достоинство схемы. Но при этом напряжение на конденсатор­ной обмотке и на конденсаторе, как это видно на рис. 3.34, почти вдвое превышает номинальное.

В режиме холостого хода принимают:

U_K≈2,2U_H

Величина рабочей емкости для этой схемы наименьшая из всех остальных, она определяется выражением, мкФ:

. (3.47)

Для частоты f = 50 Гц получим приближенное расчетное выражение, где емкость измеряется в мкФ:

. (3.48)

Пусковая емкость определяется так же, как и в предыду­щих схемах.

Второй вариант схемы «неполной звезды». Рас­смотрим второй вариант схемы конденсаторного двигателя (рис. 3.33,6).

Зависимости токов главной и конденсаторной обмоток и результирующего тока, а также соответствующих напряжений от нагрузки на валу конденсаторного двигателя приведены на рис. 3.35.

Как и в предыдущей схеме, токи главной и конденсаторной обмоток находятся в пределах номинального значения фаз­ного тока, их мощности близки к номинальной, другими слова­ми, мощность двигателя и в этой схеме используется достаточ­но полно. Результирующий ток в питающих проводах превы­шает номинальный примерно на 70...75%,

Что касается напряжений, то, как видно на рис. 3.35, напря­жения обмоток, как и в первом варианте, близки к номинально­му фазному значению, а напряжение на конденсаторе вдвое превышает номинальное значение.

Рис. 3.35. Изменение токов и напряжений конденсаторного АД,

соединенного в «неполную звезду» при изменении скольжения

(нагрузки на валу) по схеме на рис. 3.33,6

Для режима холостого хода напряжение на конденсаторе также принимают равным:

U_K ≈2,2U_H

Емкость рабочего конденсатора для этой схемы рассчи­тывается по выражению, Ф:

. (3.49)

Для частоты f=50 Гц получим приближенное расчетное выражение, где емкость измеряется в мкФ:

. (3.50)

Особенностью схемы является высокий пусковой момент, который может превышать номинальный в несколько раз. Однако высокие значения пускового момента сопряжены с появление значительных напряжений в цепи конденсаторной фазы, которые достигают максимума при резонансе напря­жений. На практике вполне достаточно иметь моменты, близ­кие к пусковым моментам обычного трехфазного АД. Поэто­му пусковая емкость и в этой схеме выбирается по известно­му уже соотношению, мкФ:

С_П = (2,5...3 ),

По изложенным причинам второй вариант соединения об­моток статора в «неполную звезду» является наиболее ра­циональной и предпочтительной из всех рассмотренных выше схем. Ее следует рекомендовать для практического использо­вания во всех случаях, когда начала и концы обмоток статора выведены на соединительную колодку, а напряжение однофазной питающей сети равно фазному напряжению асинх­ронного двигателя.

В исполнительном двигателе с амплитудно-фазовым уп­равлением регулируется напряжение управления. При этом ток возбуждения и напряжение на обмотке возбуждения из­меняются незначительно из-за большой величины намагничи­вающего тока. Поэтому характеристики двигателя при данном способе управления будут близкими к характеристикам при амплитудном управлении.