ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО
TRIGGER DEVICE

Настоящее изобретение относится к области электротехники, а именно к средствам запуска двухфазного электродвигателя от однофазной сети, и может найти применение для повышения эффективности пуска двухфазного гистерезисного электродвигателя.
Известны гистерезисные электродвигатели, содержащие главную и вспомогательную фазы, причем во вспомогательную фазу включен конденсатор, чтобы использовать двухфазный электродвигатель для работы с однофазной сетью [1]. Для улучшения пусковых характеристик электродвигателя на период пуска параллельно первому конденсатору, называемому рабочим, через нелинейный элемент подключается другой конденсатор, называемый пусковым [2]. Нелинейный элемент выполнен в виде контактного или бесконтактного коммутатора или позистора.
Отключения пускового конденсатора после запуска электродвигателя в частном случае осуществляет реле времени. Однако конденсаторный гистерезисный электродвигатель обладает относительно низкими энергетическими характеристиками из-за относительно низкого коэффициента мощности собственно электродвигателя. В рабочем режиме cosφ=0,2÷0,3, а в пусковом - 0,5÷0,6. По этому показателю он явно уступает асинхронному электродвигателю.
Повысить коэффициент мощности в рабочем режиме возможно благодаря использованию эффекта перевозбуждения, когда повышают магнитный поток в синхронном режиме, а затем снижают его. При этом рабочий коэффициент мощности электродвигателя может быть увеличен до 0,9. Однако достичь состояния магнитного поля в воздушном зазоре электродвигателя, близкого к круговому и в рабочем режиме, и в пусковом, затруднительно.
Прототипом настоящего изобретения является пусковое устройство двухфазного конденсаторного электродвигателя от однофазной сети [3]. Оно содержит конденсатор, соединенный последовательно с одной из фаз электродвигателя, и трансформатор, первичная обмотка которого соединена с сетью через коммутационный элемент.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в разработке устройства, обеспечивающего повышение энергетических характеристик и одновременно пускового момента электродвигателя, а также на снижение емкости конденсатора.
Технический результат достигается за счет того, что в пусковом устройстве для включения в однофазную сеть двухфазного гистерезисного электродвигателя, содержащем конденсатор, соединенный с одной из фаз электродвигателя, и трансформатор, первичная обмотка которого соединена с сетью через коммутационный элемент, вторичная обмотка трансформатора включена последовательно второй фазе трансформатора.
Развитие предложения состоит в том, что числа витков первичной и вторичной обмоток трансформатора выбраны в соответствии с отношением  причем числа витков в фазах электродвигателя одинаковы.
Предусмотрено также включение дополнительного пускового конденсатора, параллельно основному конденсатору.
Сущность изобретения иллюстрируется Фиг.1.
1
1
1
2
1
2
2
3
На Фиг.1 показана электрическая схема пускового устройства совместно с фазами электродвигателя. К вспомогательной фазе «B» электродвигателя последовательно включен рабочий конденсатор C. К сети на период пуска через ключ К подключена первичная обмотка трансформатора Tp с числом витков w. Вторичная обмотка трансформатора с числом витков w<w соединена последовательно с главной фазой «A». Предпочтительно отношения  и равенства чисел витков в фазах двигателя. Может оказаться полезным пусковой конденсатор C с ключом К. Наличие балластного резистора R и обмотки реле времени Р не принципиально. Ключ K служит для подключения двигателя к сети.
1
2
3
3
1
2
2
1
2
1
Исходно ключи К и К замкнуты, а ключ K разомкнут. При включении ключа К, например, включается обмотка реле времени (на схеме не показана), ключи К и К остаются замкнутыми на заранее установленный промежуток времени, немного превышающий время пуска электродвигателя при худших условиях (наиболее длительное время). Благодаря вторичной обмотке трансформатора с числом витков W напряжение на фазе «A» превышает напряжение сети, что увеличивает пусковой момент электродвигателя. Электродвигатель достигает синхронной скорости и после заранее установленного периода времени ключи К и К размыкаются. При этом балластный резистор R предотвращает электрический пробой между контактами ключа К.
1
2
2
После размыкания ключей К и К в синхронном режиме напряжение на главной фазе скачком уменьшается, и в электродвигателе наступает перевозбуждение, характеризующееся повышенным коэффициентом мощности. При этом вторичная обмотка трансформатора совместно с магнитопроводом выполняет роль дроселя в цепи фазы «A». Наличие дросселя приближает магнитное рабочее поле к круговому, что повышает максимальный синхронный момент двигателя. При этом должны быть согласованы сопротивление фазы и индуктивность дросселя. В рабочем режиме конденсатор C отключен.
3
1
2
1
2
После завершения работы ключ К размыкают, реле времени обесточивается и включаются ключи К и К, приводя пусковое устройство в исходное состояние. Действие ключей К и К практически синхронно.
1
2
Ключи К и К могут быть выполнены полупроводниковыми или в виде другого типа коммутаторов, например терморезисторов с высокой степенью нелинейности, что не принципиально для существа изобретения.
A
A
B
B
Заявляемое техническое решение основано на следующих теоретических предпосылках и результатах моделирования с использованием упрощенной электрической схемы (см. Фиг.2) замещения электродвигателя с подключенными к ней идеальным трансформатором Tp и конденсатором C. Активное сопротивление R и реактивное сопротивление X - эквивалентное сопротивление главной фазы. Аналогичный смысл имеют сопротивления R и X для вспомогательной фазы. При этом отношение чисел витков вторичной обмотки к первичной w1:w2 обозначим α≤1. Тогда напряжение на главной фазе в пусковом режиме, когда в нее в виде вольтодобавки включен трансформатор, будет равно U(α+1), где U - напряжение сети. При этом по закону Ома для участков цепи с синусоидальным током:
A1
B1
C1
где İ и İ - комплексные токов в режиме пуска для главной и вспомогательной фаз соответственно, а X - емкостное сопротивление конденсатора.
Для обеспечения кругового поля
A
B
где w и w - числа витков в главной и вспомогательной фазах.
Обозначим  тогда из двух исходных уравнений (1):
При одинаковых и геометрических размерах обмоток главной и вспомогательной фаз
где φ - угол между током и напряжением в фазах.
Подстановка (4) в (3) даст
причем (α+1)ctgφ-K=0, т.к. величина емкости не может быть комплексной.
В итоге условием получения кругового поля являются два соотношения
C1
Из первого уравнения системы (6) следует, что для α>0 при прочих равных условиях X при наличии α увеличивается, и соответственно уменьшается потребная емкость конденсатора во вспомогательной фазе, что положительно.
Из второго уравнения системы (6) следует, что при типичных ctgφ<1 при некоторой α возможно K=1, что технологически выгодно при изготовлении электродвигателя. Это также положительный фактор.
C
1
1
A1
B1
Ввод вольтодобавки в главную фазу на период пуска имеет основную цель повышения пускового и максимального синхронного моментов конденсаторного гистерезисного электродвигателя с одновременным достижением эффекта перевозбуждения, повышающим коэффициент полезного действия электродвигателя. В процессе пуска до входа в синхронизм из-за высших гармонических магнитного поля в гистерезисном электродвигателе немного понижается cosφ, поэтому настройка кругового поля в точке пуска дает несколько эллиптическое магнитное поле в зазоре двигателя в точке входа в синхронизм. Обычно потребность механизма в большем моменте в синхронном режиме, нежели в пусковом, поэтому проанализируем случай кругового поля в точке входа в синхронизм. Коэффициент мощности при входе в синхронизм у симметричных гистерезисных двигателей без конденсаторов обычно составляет cosφ=0,45÷0,55. Этот диапазон определяется типом материала ротора и величиной воздушного зазора электродвигателя. Примем среднее значение cosφ=0,5, тогда ctgφ=0,577. Выберем технологически оптимальное K=1, тогда  Соответственно X=2,31X, где X=X+X в точке входа двигателя в синхронизм. При входе двигателя к синхронизм главное условие перевозбуждения состоит в том, чтобы напряжения на фазах уменьшились в одинаковой степени. При K=1 и одинаковом геометрическом исполнении обмоток Фаз ”A” и ”B” это условие порождает то, что одинаковые токи в пуске уменьшаются одинаково до одинаковых значений в синхронизме, т.е.
Анализ векторных диаграмм напряжений в фазах показывает, что
В синхронном режиме первичная обмотка трансформатора отключается от сети, α=0, и система уравнений (1) преобразуется в
A
B
Токи I=I, но фазовый угол сдвига между ними в синхронном режиме в общем случае не равен . Такое равенство имеет место лишь для
2
Однако при снижении напряжения в фазах в синхронизме в 1,73 раза для гистерезисного двигателя типично значение cosφ=0,8÷0,85.
2
2
При этом tgφ=0,75÷0,62, и φ=36,8÷31,8°.
C2
2
2
При принятом условии X=2X фазовый угол между токами в фазах составляет 2φ=73,6°÷63,6°, что вполне приемлемо для рабочего режима в синхронизме.
2
1
Заметим, что величина X многократно больше в перевозбужденном режиме, чем величина X в пусковом, поэтому общая емкость конденсатора в пусковом, т.е. как у асинхронного электродвигателя.
C2
2
В зависимости от свойств материала ротора гистерезисного электродвигателя соответствующий подбор величин K, α и емкости конденсатора может дать лучший результат, нежели K=1,  и X=2X.
Итак, при выбранных соотношениях  и K=1, а также введенном условии перевозбуждения, что сказывается на величине емкости в рабочем режиме, достигнута значительная величина форсирования магнитного поля в пусковом режиме с круговым характером этого поля, что обеспечивает высокие значения пускового момента и момента входа в синхронизм, а также высокие значения cosφ в рабочем режиме, которое больше, чем у аналогичных асинхронных двигателей мощностью до 1 кВт. Последнее определяет более высокий рабочий КПД гистерезисного электродвигателя в сравнении с КПД аналогичного по мощности асинхронного электродвигателя.
Изобретение может найти применение в бытовой технике, коммунальном и сельском хозяйствах, где важны экономичность, повышенный пусковой момент и высокая стабильность частоты вращения.
Источники информации
1. К расчету механической характеристики гистерезисного электродвигателя, работающего при несимметричном питании. Н.А.Музыка, Ю.А.Музыка. Ж-л. Электричество, №12, 1969 г.
2. Осин И.Л., Юферов Ф.М. Электрические машины автоматических устройств. М.: Изд-во МЭИ, 2003 г., 424 стр.
2
3. А.С. №143892 кл. 21d, 42/01, заявлено 04.07.1960 г. с приоритетом 13.10.1961 г. Опубликовано в БИ №1 за 1962 г.