Вмикання трифазних асинхронних двигунів для живлення від однофазної мережі

 

У практиці за відсутністю однофазних двигунів для живлення від однофазної мережі досить часто застосовують трифазні двигуни. В цьому разі для створення обертового магнітного поля (найчастіше еліптичного, іноді колового) використовують обмотки всіх трьох фаз, в яких за допомогою активного опору R, індуктивного та ємнісного звичайно створюється несиметрична трифазна система струмів.

При вмиканні двигунів за одними схемами після закінчення пуску одна з фаз із допоміжними опорами (R, , ) вимикається й двигун переводиться в однофазний режим, причому обмотки статора, які залишились увімкненими, створюють не обертове, а пульсуюче магнітне поле. При вмиканні двигунів за іншими схемами допоміжні опори залишаються увімкненими як при пуску, так і при роботі асинхронного двигуна. В цьому випадку обмотки статора створюють у всіх режимах обертове магнітне поле найчастіше еліптичне, а за деяких умов – колове.

На рис.9.3 наведені різні схеми вмикання трифазних двигунів для роботи від однофазних мереж, які найчастіше застосовуються. Схеми рис.9.3, а, б, в застосовуються в тому випадку, коли фази обмотки статора з’єднані зіркою. Схеми рис. 9.3, г, д, е застосовуються тоді, коли фази обмотки статора з’єднані трикутником. Найкращими з цих схем вважаються схеми рис. 9.3, в, е. Вмикання за цими схемами при вірному виборі ємності конденсатора забезпечує задовільні пускові й робочі властивості двигуна.

д) е) ж) з)

Рис. 9.3. Схеми вмикання трифазних двигунів для живлення від однофазної мережі

 

Схеми рис. 9.3, ж, з застосовуються в тому випадку, коли двигун має шість вивідних кінців (початки й кінці всіх фаз). З'єднання обмоток за цими схемами створює умови, при яких двигун практично не відрізняється від звичайного двофазного: дві його фази, з'єднані послідовно, створюють основну (робочу) обмотку, а третя фаза – додаткову (пускову) обмотку, яка зсунута відносно робочої на 90 електричних градусів. За умови правильно розташованих фазозсуваючих елементів цей двигун може мати майже такі ж пускові й робочі властивості, як і спеціально розрахований двофазний двигун.

У практиці досить часто внаслідок складності розрахунку фазозсуваючих елементів їх параметри визначають підбором. Критерієм правильності підбору слугують значення пускових та робочих обертаючих моментів та струмів фаз, а також нагрів двигуна. Струми фаз при пуску двигуна від однофазної мережі можуть бути більшими, ніж при пуску від трифазної мережі. В робочому режимі струми фаз в обох випадках повинні бути майже однаковими. В цьому випадку нагрів двигуна при його роботі від однофазної мережі буде майже таким же, як і при роботі від трифазної мережі. Більш докладно схеми вмикання трифазних двигунів для роботи від однофазних мереж розглянуті в роботах [28 – 31].

 

Розщіплювачі фаз

 

На електрорухомому складі залізниць змінного струму розповсюджене застосування системи допоміжних машин з трифазними двигунами, які живляться від спеціальної електричної машини – розщіплювача фаз. Перевагою цієї системи є можливість використання для власних потреб локомотива порівняно дешевих, легких та надійних трифазних асинхронних машин.

Можливе застосування як асинхронних, так і синхронних розщіплювачів фаз – машинних перетворювачів однофазного струму в трифазний. Асинхронні розщіплювачі фаз (РФ) застосовуються частіше у зв'язку з простотою конструкції, хоча синхронні мають перевагу в покращенні коефіцієнта потужності системи. Оскільки машинні РФ не забезпечують симетрії напруг при всіх навантаженнях, робота трифазних асинхронних двигунів машин локомотива дещо утруднена.

 

Синхронні розщіплювачі фаз

 

Синхронний РФ – це синхронна машина з двома обмотками на статорі, які зсунуті між собою на 90° (рис.9.4, а).

а) б)

Рис. 9.4. Схема (а) та векторна діаграма (б) синхронного розщіплювача фаз

Двигунова обмотка 1 увімкнена до затискачів обмотки власних потреб тягового трансформатора, а генераторна обмотка 2 – до середньої точки a. Звичайно вважають співвідношення між числами витків обмоток

 

.

 

Ротор має полюсну систему й демпферну клітку. Обмотка полюсів ротора живиться від джерела постійного струму. При обертанні ротора в обмотках 1 та 2 виникають ЕРС , зсунуті між собою на 90°, що залежить від розташування статорних обмоток

 

; (9.1)

 

, (9.2)

 

де обмоткові коефіцієнти обмоток 1 та 2

,

.

Коефіцієнти скорочення кроку обмоток 1 та 2 відповідно:

 

;

 

,

 

де

τ – полюсна поділка;

- кроки обмоток 1 та 2.

Коефіцієнти розподілу обмоток 1 та 2 відповідно:

 

; ,

 

де

- числа пазів на полюс і фазу обмоток 1 та 2;

; ,

- повне число пазів статора під одним полюсом обмоток 1 та 2.

По генераторній обмотці 2 тече лінійний струм , який споживається трифазними асинхронними двигунами. При цьому зсув фаз між напругою генераторної фази та її струмом залежить від параметрів і режимів роботи цих двигунів (рис. 9.4, б). Для цієї обмотки

.

Струм генераторний, тому двигунова обмотка споживає від трансформатора двигуновий струм ', який компенсує гальмівний момент, створюваний струмом .

Двигуновий струм, зведений до обмотки 2, при :

, (9.3)

 

Струм повинен випереджувати за фазою струм на 90°, оскільки тільки за цієї умови

.

Крім струму , розщіплювач фаз споживає від трансформатора активний струм , компенсуючий втрати в сталі, механічні втрати, а також навантаження на валу машини:

, (9.4)

де

- потужність холостого ходу (Вт), яка визначається втратами в сталі, механічними втратами, втратами демпферної клітки; звичайно - 3-5% від номінальної потужності машини;

- механічна потужність на валу (Вт).

Вектор знаходиться в фазі з напругою двигунової обмотки 1.

Для компенсації кута зсуву фаз між струмом та напругою двигунова обмотка повинна споживати реактивний струм , а для компенсації реактивного відстаючого струму асинхронних двигунів, який протікає мимо генераторної обмотки 2, – струм . Обидва ці струми випереджають напругу на 90°. Тоді

.

.

Паралельним переміщенням вектора в точку a не векторі будуємо трикутник оbс, котрий характеризує напругу трифазної системи. Розташування точки а трансформатора й число витків генераторної фази 2 вибирають таким чином, щоб одержати найбільш симетричну систему трифазних напруг при деякому навантаженні. Оскільки зі зміною навантаження умови симетрії порушуються, для підтримання симетрії часто передбачають можливість змінення положення точки а. Побудувавши трикутник напруги оbс, можливо визначити складові прямої та зворотної послідовностей напруг і вплив порушення симетрії. Оскільки в обмотках 1 і 2 РФ протікають різні струми зі зсувом фаз, який дорівнює 90°, в машині поряд із синхронним полем реакції якоря виникає інверсне поле.

Синхронна МРС реакції якоря на полюс

(9.5)

Визначаючи за потоком Ф, одержимо МРС збудження

.

МРС інверсного поля

 

(9.6)

 

Ця МРС практично повністю гаситься демпферною кліткою ротора. Активна потужність двигунів, підключених до РФ

 

а реактивна

 

 

Напруга генераторної обмотки

.

Таким чином

.

Через генераторну обмотку передається наближено половина потужності, споживаної асинхронними машинами. Друга половина потужності споживається безпосередньо від трансформатора поза РФ. Позитивна якість синхронних РФ – у можливості компенсувати фазний кут , змінюючи напругу збудження ротора . Цим суттєво покращуються енергетичні показники установки. Синхронні РФ конструктивно складніші, ніж асинхронні. Тому частіше застосовують асинхронні РФ.

 

Асинхронні розщіплювачі фаз

 

Асинхронний РФ – це асинхронна машина, яка одночасно виконує функції однофазного двигуна та трифазного генератора. Обмотку статора РФ виконують у вигляді трифазної не симетричної зірки з різним числом пазів на полюс і фазу, але з однаковим число витків у котушкових групах (рис. 9.5).

Рис. 9.5. Принципова схема з’єднання обмоток статора асинхронного розщіплювача фаз

 

Дві фази зірки С1 - та - С2 створюють двигунову обмотку, а третя – С3- С4 – генераторну. Двигунова обмотка увімкнена до обмотки власних потреб трансформатора й слугує для обертання машини. Генераторна обмотка створює третю фазу й підключена до двигунової в точці, яка забезпечує найкращу симетрію напруг на виході РФ при певному навантаженні.

Якщо по двигуновій обмотці тече однофазний синусоїдний струм, то в магнітній системі створюється синусоїдний потік. Тому створюється пульсуюче поле, яке може бути замінене полями, які обертаються в протилежних напрямах: пряме й інверсне. При нерухомому роторі поля не скомпенсовані, й тому пусковий момент . Якщо ротор довести до частоти обертання в тому чи іншому напрямі, то він буде обертатись в той бік, в який був запущений.

Для зменшення втрат енергії та інверсного поля стержні клітки ротора виконуються з мінімальним активним опором. Пряме магнітне поле, перетинаючи генераторну обмотку, наводить в ній ЕРС. Напруги генераторної та двигунової обмоток створюють трифазну систему, до якої вмикаються допоміжні трифазні асинхронні машини. При несиметричному навантаженні лінійні струми трифазної системи різні. Сумарна потужність дорівнює сумі потужностей трьох фаз.

а) б)

Рис. 9.6. Розрахункова схема обмоток статора розщіплювача фаз (а) та його векторна діаграма (б)

 

Введемо позначення фаз: С1 - – 1; - С2 – 3; С3- С4 – 5. Ці обмотки мають різні числа пазів на полюс і фазу: ; ; . Розрахункова схема подана на рис. 9.6, а.

Двигунові фази 1 та 3 замінюються фіктивною фазою 13, ефективне число витків якої

,

де

- обмотковий коефіцієнт фіктивної фази;

- числа витків фаз 1;3.

Обмоткові коефіцієнти фаз 1, 3, 5 визначаються, як і для звичайної трифазної обмотки з фазною зоною 60°. Обмотковий коефіцієнт фіктивної фази 13, яка займає фазну зону 120°, близький до 0,8, оскільки коефіцієнт розподілу для неї

, (9.7)

де

= .

Кути між фазами (рис. 9.6, б):

;

 

.

 

Двигунова фіктивна фаза 13 споживає від обмотки трансформатора намагнічуючий струм й активний струм , компенсуючий втрати в сталі, механічні, від інверсного поля в роторі й механічне навантаження на валу РФ:

 

(9.8)

 

Як в синхронному РФ, струм фіктивної двигунової обмотки 13 повинен також компенсувати гальмівний момент струму та випереджувати його на кут ρ = 90°.

МРС фіктивної фази 13

 

, (9.9)

В дійсності ця МРС створюється струмами в фазах 1 і 3 (рис. 9.6, а):

(9.10)

Крім того,

звідки

.

Врахувавши в (9.10) одержимо:

(9.11)

Порівнюючи (9.9) та (9.11) і враховуючи, що

одержимо

 

(9.12)

Векторна діаграма асинхронного РФ (рис. 9.6, б) наведена без врахування полів зворотної послідовності. Використовуючи її, можливо визначити струми й напруги обмоток.

Повна потужність навантаження РФ (кВт):

де

- сумарні активна й реактивна потужності всіх елементів навантаження;

- кут зсуву за фазою між струмом та напругою для і-го елемента навантаження.

Звідси струм навантаження (А):

 

 

Векторна діаграма (рис. 9.6, б) будується в такій послідовності.

Будується вектор , потім –

,

.

Перпендикулярно до будується вектор (активним опором нехтують) та . За формулою (9.12) будується , а потім . ЕРС , та визначають за співвідношенням витків , , і зображають під кутами β та γ до вектора . Враховуючи вектори , , визначають фазні напруги та й лінійні напруги , , . Звичайно побудова діаграми потребує коригування, оскільки струм повинен бути в фазі з вектором , точне розташування якого на початку побудови невідоме.

Підбором чисел витків у фазах 1, 3, 5 досягають мінімальної не симетрії трифазної системи при номінальному навантаженні.

Для зменшення впливу індуктивних опорів обмоток РФ на симетрію трифазних напруг та покращення умов пуску допоміжних машин між генераторною фазою 5 та двигуновою 3 (затискачі С2 – С3) вмикають конденсатор С. Це сприяє також підвищенню коефіцієнта потужності системи, зменшенню струмів, а отже й спаду напруги в фазах розщіплювача, оскільки ємнісний струм компенсує індуктивний, який протікає в генераторній фазі.

Навантаження РФ в роботі не залишається постійним. Воно змінюється при вмиканні та вимиканні допоміжних машин. Тому для стабілізації фазних напруг РФ конденсатор розділяється на окремі частини, які вмикаються сумісно з різними допоміжними машинами.

Для визначення втрат в короткозамкненому роторі від інверсного поля слід знайти його МРС:

(9.13)

Звідки

й

 

де

- число пазів ротора РФ;

- активний опір фази демпферної обмотки.

При проектуванні РФ перевіряють трифазні напруги не тільки для нормальної роботи допоміжних машин, але й для їхніх пускових режимів. При цьому відомими методами знаходять симетричні складові прямої та зворотної послідовностей напруг і визначають пускові моменти допоміжних машин:

 

 

де - пусковий момент двигуна при симетричній напрузі.

За одержаними значеннями пускових моментів при несиметричній напрузі вибирають тип допоміжної машини.

При вмиканні однофазної напруги на двигунову обмотку асинхронний РФ не має пускового моменту . Тому необхідний розгонний двигун, або паралельно до генераторної фази та однієї з двигунових фаз вмикають пусковий резистор R, який після запуску автоматично вимикається контактом. При цьому створюється в режимі пуску еліптичне поле, при котрому момент значно зменшений.

 

Контрольні запитання

1. Пояснити, як створюється обертове магнітне поле в трифазному статорі асинхронного двигуна. Пояснити принцип дії асинхронного двигуна.

2. Пояснити принцип створення обертового магнітного поля в двофазному асинхронному двигуні.

3. Як вмикаються трифазні асинхронні двигуни для живлення від однофазної мережі? Навести приклади схем та пояснити їх дію.

4. Що таке розщіплювач фаз? Де він застосовується та навіщо?

5. Пояснити принципову схему та принцип дії синхронного розщіплювача фаз.

6. Навести та пояснити векторну діаграму синхронного розщіплювача фаз.

7. Які особливості експлуатації синхронного розщіплювача фаз при змінній потужності навантаження?

8. Яка принципова схема та принцип дії асинхронного розщіплювача фаз?

9. Навести та пояснити векторну діаграму асинхронного розщіплювача фаз.

10. Які особливості пуску та експлуатації асинхронного розщіплювача фаз при змінній потужності навантаження?