Спосіб підключення трифазного електродвигуна до однофазної мережі

Спосіб підключення трифазного електродвигуна до однофазної мережі, який відрізняє ться тим, що обмотки фаз трифазного електродвигуна підключено до однофазної мережі зіркою через фазозсувний конденсатор, при цьому обмотка, до якої не підключений конденсатор, має менші активний і індуктивний опори в порівнянні з фазною обмоткою, підключеною до мережі для одержання фазорезонансу на фазній обмотці, підключеній до мережі через фазозсувний конденсатор. (19) (21) a200600126 (22) 04.01.2006 (24) 25.12.2007 (72) ПОЛАТОВСЬКИЙ ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA (73) ПОЛАТОВСЬКИЙ ІГОР ОЛЕКСАНДРОВИЧ, UA (56) GB 19084433, 27.02.1908 SU 126181, H02K 17/08, 01.12.1958 SU 119596, H02K 17/08, 1959 SU 128074, H02K 17/08, 24.08.1959 3 81327 профессиональных учебных заведений. - 3-е изд., исправ.. - М.: Академия, 2001. - 463 с.]. Для того, щоб наочно представити розподіл (напрям, чергування і зрушення фаз між струмами) струмів по обмотках фаз трифазного електродвигуна, на графіку трифазної напруги, що представляє три однакові синусоїди, зрушені на 120°, відзначимо точки нульової напруги на фазах (фіг.1). На схемі підключення трифазного електродвигуна зіркою до трифазної мережі, нуль теж підключений, нехтуючи індуктивним опором фаз, розставимо струми що протікають по обмотках фаз в цих точках (фіг.2). Якщо враховувати індуктивний опір фаз, то момент, коли струм фази буде рівний нулю, не співпадатиме з нульовою напругою фази, а відставатиме на кут зрушення фаз між напругою і струмом у трифазному електродвигуні. Кут зрушення фаз непостійний і залежить від струму фази, але розподіл струмів відповідатиме зображеному фіг.2, стр уми зрушені по фазі на 60° і рівні за величиною. Визначимо розподіл струмів по обмотках фаз трифазного електродвигуна, підключеного до однофазної мережі зіркою з фазозсувним конденсатором Ср (фіг.3). При збільшенні напруги мережі Uc від нуля до деякої величини протікатиме зарядний струм конденсатора Ср по обмотках фаз ОС1 і ОС3 стр ум №1. Після досягнення максимуму напруги мережі, при його зменшенні від максимуму до деякої величини, протікатиме струм №2 по обмотках фаз ОС 2 і ОС3. Коли напруга мережі зменшується до нуля і міняє знак, протікатиме розрядний струм №3 конденсатора Ср по обмотці ОС1. Враховуючи то, що мережа живлення при розрахунках розглядається як мережа нескінченної потужності і нульовим внутрішнім опором, то при величині напруги мережі близькому до нуля можна сказати, що фазні обмотки ОС 2 і ОС3 включені паралельно і розрядний струм №3 конденсатора Ср буде розподілений по обмотках фаз ОС 2 і ОС3 на рівні по величині струми №3' і №3', оскільки повний (активне і індуктивне) опір фаз трифазного електродвигуна однаковий. При зворотній півхвилі напруги мережі струми по обмотках фаз трифазного електродвигуна протікатимуть аналогічно, тільки їх напрям буде зворотним, струми №4, № 5 №6, №6' і №6'. Напрям і чергування струмів, що протікають по обмотках фаз трифазного електродвигуна, підключеного до однофазної мережі зіркою з фазозсувним конденсатором, відповідає трифазному (фіг.2 і фіг.3), тільки струми №3" і № 6" не відповідають трифазному розподілу струмів по обмотках фаз трифазного електродвигуна. Одночасне проходження розрядного струму конденсатора, у момент часу коли напруга мережі рівна нулю, по всіх фазних обмотках, при цьому по обмотках фаз, підключених до мережі, розрядний струм конденсатора розподіляється на два рівні по величині струми, створює гальмуючий момент на валу трифазного електродвигуна. Фазне зрушення між струмами визначається ємністю фазозсувного конденсатора Ср, 4 індуктивним і активним опором фаз трифазного електродвигуна і залежить від величини струмів, що протікають по обмотках фаз. При роботі трифазного електродвигуна, підключеного до однофазної мережі зіркою з фазозсувним конденсатором, при певному моменті на валу електродвигуна, величину ємності фазозсувного конденсатора Ср визначають виходячи з умови мінімуму струмів №3" і №6", що приводить до обмеження по величині і зарядного струму конденсатора Ср, а в цілому і потужності електродвигуна і необхідності використовувати пусковий конденсатор. Щоб не боротися із струмами №3'' і №6", а використовува ти їх для створення трифазного розподілу струмів, було знайдене рішення: обмотка фази трифазного електродвигуна, підключеного до однофазної мережі зіркою з фазозсувним конденсатором, до якої не підключений конденсатор, повинна мати менші активний і індуктивний опори в порівнянні з іншою фазною обмоткою, підключеною до мережі. Тепер розрядний струм конденсатора Ср при напрузі мережі близькому до нуля буде розподілений по обмотках фаз ОС 2 і ОС3 на два нерівні по величині струми. Струм фази ОС3 буде більший, ніж струм фази ОС 2 і гальмуючого моменту на валу електродвигуна не буде. Стр ум фази ОС 3 буде більше струмів фаз ОС1 і ОС2 і обмотку фази ОС3 слід розрахувати на меншу номінальну напругу, ніж обмотки фаз ОС1 і ОС 2, залишивши незмінною і однаковою магніторушійну силу фаз трифазного електродвигуна, що узгоджується з вимогою: обмотка фази ОС 3 повинна мати менші активний і індуктивний опори в порівнянні з обмоткою фази ОС2. Стр ум фази ОС1 буде більше струм у фази ОС2, але менше струму фази ОС3 і обмотку фази ОС1 слід розрахувати на меншу номінальну напругу, чим обмотку фази ОС 2 і більше, ніж ОС3, залишивши незмінною і однаковою магніторушійну силу фаз, але при цьому електродвигун матиме тільки одне, задане номінальними напругами фаз ОС1 і ОС2, напрям обертання, тобто стане не універсальним. Величина номінальної напруги фази ОС 3 по відношенню до номінальної напруги фази ОС 2 не просте питання, вирішити яке можна методом проб і помилок, розрахувати складніше, ніж випробувати. Щоб перевірити запропонований принцип (основні істотні ознаки способу) підключення трифазного електродвигуна до однофазної мережі експериментально, було знайдене просте рішення. Одну з фазних обмоток, наприклад ОС3, трифазного електродвигуна, що випускається промисловістю серійно, розрізати посередині так, щоб в частинах обмотки, що утворилися, була рівна кількість витків. Найпростіше це зробити в трифазних електродвигунах, що мають одну пару полюсів і парну кількість пар полюсів. Частини обмотки фази ОС 3 з'єднати згодне паралельно (фіг.5). Враховуючи те, що стр уми полюсів однієї фази рівні, дане рішення допустимо. Цей спосіб підключення трифазного електродвигуна до однофазної мережі був застосований до трифазних асинхронних 5 81327 електродвигунів з короткозамкненим ротором 4ААМ63В2У3-550W і 4AAM63B4CV1-370W. Електродвигуни легко пускаються без застосування пускового конденсатора, за умови легкий пуск. На холостому ході електродвигунів, при зміні місткості фазозсувного конденсатора Ср від нуля до деякої величини, напруга на обмотці фази ОС 1 досягає по величині напруги живлячої мережі Uс. Напруга мережі Uc є номінальною для обмоток фаз ОС 1 і ОС2. При подальшому незначному збільшенні ємності конденсатора Ср напруга на обмотці фази ОС 1 досягає напруги насичення. При подальшому збільшенні ємкості конденсатора Ср спостерігається ферорезонанс на обмотці фази ОС 1. Ферорезонанс підтверджує правильність запропонованого принципу (основних істотних ознак способу) підключення трифазного електродвигуна до однофазної мережі зіркою з фазозсувним конденсатором і можливість одержати ферорезонанс хоч би на одній фазній обмотці є критерієм (ознакою, підтверджуючою правильність і здійснення способу) запропонованого принципу. На холостому ході електродвигунів, визначивши величину ємкості фазозсувного конденсатора Ср за умови рівності напруги на фазі ОС1 напрузі мережі Uc, напруги на фазах ОС 2 і ОС3 розподілилися таким чином: для 4ААМ63В2У3 UOC2=0,75 Uc UOC3=0,458 Uc; для 4AAM63B4CV1 UOC2=0,817 Uc U OC3=0,391Uc. Визначимо напругу на фазах електродвигуна для випадку трифазного розподілу напруг по обмотках фаз. Для цього, позначивши напругу на фазах ОС 1 і ОС2 - U, а на фазі ОС 3 - 0,5 U, знаючи що кут між напругами фаз рівний 120°, вирішивши теорему косинусів, одержимо U=0,756 Uc. UOC1=UOC2=0,756 Uc UOC3=0,378 Uc. З порівняння напруг на фазах електродвигунів з трифазним розподілом напруг по обмотках фаз електродвигуна видно, що у двигуна 4ААМ63В2У3 резонанс спостерігається на двох фазних обмотках ОС 1 і ОС3, а у двигуна 4AAM63B4CV1 резонанс спостерігається на всіх фазних обмотках. Визначимо потужність електродвигуна при трифазному розподілі напруг по обмотках фаз. Знаючи, що максимальна потужність електродвигуна змінюється пропорційно квадрату напруги на фазах електродвигуна, зведемо в квадрат відношення напруги на фазі до напруги мережі, напруга мережі є номінальною для обмоток фаз, одержимо відношення потужностей 0,571. Розподілу напруг по обмотках фаз електродвигуна, найбільш наближеному до трифазного, відповідатиме тільки одна точка на механічній характеристиці електродвигуна. У решті точок механічної характеристики, розподіл напруг по обмотках фаз електродвигуна тільки наближений до трифазного по величині напруг на обмотках фаз і куті зрушення фаз між напругами. При збільшенні моменту на валу електродвигуна розподіл напруг по обмотках фаз, найбільш наближений до трифазного, виникає після моменту перекидання. Тобто потужність 57% від номінальної трифазної, при певній ємності фазозсувного конденсатора, досяжна і двигун має 6 достатню стійкість. Величина ємкості фазозсувного конденсатора на холостому ході електродвигуна обмежена ферорезонансом, при якому зростають втрати в сталі і обмотках фаз, що приводить до збільшення струму холостого ходу. Напруга на обмотці фази ОС 1 при ферорезонансі для 4ААМ63В2У3 - 1,15Uс, для 4AAM63B4CV1 1,3Uc. Величина ємності фазозсувного конденсатора, при якій на холостому ході електродвигуна напруга на фазі ОС 1 рівне напрузі мережі, не дозволяє досягти максимально можливою при даному способі підключення трифазного електродвигуна потужності, але при визначених мінімальному моменті на валу електродвигуна і величині ємкості фазозсувного конденсатора, при яких не виникає ферорезонанс на фазі ОС1, максимальна потужність досяжна. Номінальна напруга фаз електродвигуна не оптимальна при пуску, пусковий струм обмежений, що є недоліком при пуску мікроелектродвигунів, але при пуску електродвигунів малої потужності немає необхідності вживати заходи до обмеження пускового струму, що важливе для однофазної мережі. При пуску і будь-якій зміні моменту на валу трифазного електродвигуна, підключеного до однофазної мережі запропонованим способом, відбувається перерозподіл струмів по обмотках фаз електродвигуна із зміною їх величини і фази. Розподіл струмів і напруг по обмотках фаз електродвигуна не є трифазним, а тільки наближено до нього. Додамо до цього резонанс на двох або всі х обмотках фаз, магнітне поле не є кругом, а тільки наближено до нього, то стає зрозуміло, що математичний опис складний, а дослідження електродвигуна в загальному вигляді неможливе. Якщо трифазний електродвигун, що підключається до трифазної мережі зіркою, підключити до однієї фази цієї ж мережі по схемі зірка з фазозсувним конденсатором, то можливо одержати чверть від номінальної потужності електродвигуна, оскільки напруга на фазах електродвигуна будуть в Ö3 раз менше їх номінального і потужність яку можливо одержати при підключенні трифазного електродвигуна до однофазної мережі зіркою з фазозсувним конденсатором складає 70-80%. Якщо трифазний електродвигун, що підключається до трифазної мережі зіркою, підключити до однієї фази цієї ж мережі по схемі трикутник з фазозсувним конденсатором, то можливо одержати половину від номінальної потужності електродвигуна. Якщо трифазний електродвигун, що підключається до трифазної мережі зіркою, підключити до однієї фази цієї ж мережі запропонованим способом, то можливо одержати не менше половини від номінальної потужності електродвигуна. Пусковий струм в два рази менше в порівнянні з підключенням цього ж електродвигуна по схемі трикутник з фазозсувним конденсатором. Це дозволяє застосовувати при живленні від однофазної мережі асинхронні трифазні електродвигуни з короткозамкненим 7 81327 ротором в двічі більше, ніж зараз, потужності не вживаючи заходів по обмеженню пускового струму. Величину ємності фазозсувного конденсатора вибирають з інтервалу від величини ємності фазозсувного конденсатора в схемі зірка з фазозсувним конденсатором до величини ємності фазозсувного конденсатора в схемі трикутник з фазозсувним конденсатором прагнучи, при мінімальному моменті на валу електродвигуна, не допускаючи ферорезонансу на фазній обмотці, підключеній до мережі через фазозсувний конденсатор. У сучасних, найбільш затребуваних двох і чотирьох полюсних трифазних мікроелектродви-гунах і електродвигунах малої потужності, обмотка фази складається з двох концентричних напівобмоток і при виробництві електродвигунів досить вивести з'єднання напівобмоток однієї з фаз на клемну коробку (контакти П0 і П3), щоб одержати універсальний по живленню трифазний електродвигун (фіг.4, фіг.5). Універсальний по живленню трифазний електродвигун буде актуальний поки існуватиме розподіл електроенергії, що склався. Застосування запропонованого способу підключення в промислових масштабах може привести до уніфікації трифазних мікроелектродвигунів і двигунів малої потужності, як універсальних по живленню. Перелік графічних матеріалів. Фіг.1 - графік трифазної напруги з відміченими на ньому точками нульової напруги на фазах. Фіг.2 - схема підключення трифазного електродвигуна до трифазної мережі зіркою з позначеним на ній трифазним розподілом струмів по обмотках фаз трифазного електродвигуна. Фіг.3 - схема підключення трифазного електродвигуна до однофазної мережі зіркою з фазозсувним конденсатором з позначеними на ній струмами, що протікають по обмотках фаз. Фіг.4 - схема підключення універсального по живленню трифазного електродвигуна зіркою до трифазної мережі. Фіг.5 - схема підключення універсального по живленню трифазного електродвигуна до однофазної мережі несиметричною зіркою з фазозсувним конденсатором. 8 9 81327 10