Подключение трехфазной обмотки электродвигателя к однофазной сети

УДК 621.314.2

ПОДКЛЮЧЕНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ОБМОТКИ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ К ОДНОФАЗНОЙ СЕТИ CONNECTION THREE-PHASE WINDING OF THE MOTOR TO A SINGLE PHASE NETWORK

В. В. Харламов, Ю. В. Москалев, В. С. Лысенко

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия

V. V. Kharlamov, Yu. V. Moskalev, V. S. Lysenko

Omsk State Transport University, Omsk, Russia

Аннотация. В статье рассматривается вопрос создания принципа обеспечения асинхронного двигателя симметричным трехфазным напряжением при питании от однофазной сети. Выполнен анализ работы представленной схемы для обеспечения трехфазной симметричной системой напряжения на обмотках статора асинхронного двигателя с учетом нагрузки на валу. В результате анализа определены законы изменения действующих значений токов однофазных источников и фаз асинхронного двигателя, изменение потребляемых активной и реактивной мощности источников, а также изменение коэффициента мощности первого, второго источника и асинхронного двигателя в зависимости от скольжения. Таким образом, рассмотренная в статье схема может быть использована для создания симметричного трехфазного напряжения.

Ключевые слова: однофазная сеть, трехфазный асинхронный двигатель, симметричное трехфазное напряжение.

DOI: 10.25206/2310-9793-2018-6-3-120-124

I. Введение

Трехфазный асинхронный электродвигатель получил большое распространение в современном электроприводе в связи с надежностью и простотой конструкции, его используют в системах электропривода различных промышленных и бытовых устройств [1, 2]. В некоторых случаях существует необходимость подключения трехфазной обмотки статора асинхронного двигателя к однофазной сети. Например, для трехфазных двигателей бытового электроинструмента (столярные, деревообрабатывающие станки, насосы), на электроподвижном составе для подключения вспомогательных трехфазных асинхронных двигателей.

В настоящее время существует большое количество способов и схем для подключения трехфазных двигателей к однофазной сети [1-5], которые должны обеспечить запуск и устойчивую работу двигателя (рис. 1).

Преобразователи количества фаз i 1

1 г 1 г

Электрические схемы с фазосдвигающими элементами Электронные схемы Трансформаторные и автотрансформаторные схемы Электромеханические фазорасщеиители

Рис. 1. Преобразователи количества фаз

К основным недостаткам различных схем подключения трехфазной обмотки двигателя к однофазной сети можно отнести создание несимметричного трехфазного напряжения на обмотке статора и (или) наличие высших гармоник в напряжении фаз. Применение электрических схем с фазосдвигающими элементами приводит к появлению различной несимметрии напряжения при изменении нагрузки на валу машины.

II. Постановка задачи

Несимметрия и несинусоидальность подводимого к обмотке статора напряжения оказывает негативное влияние на работу асинхронного двигателя [1], поэтому совершенствование схем и устройств для подключения трехфазной обмотки двигателя к однофазной сети является актуальным направлением научных исследований. При этом устройство должно быть простым и дешевым, чтобы оно могло составить конкуренцию фазосдвига-ющим конденсаторам.

III. Теория

Для обеспечения симметричного трехфазного напряжения на обмотке статора можно использовать схему, приведенную на рис. 2а. На этой схеме обмотку статора необходимо соединить треугольником, к двум фазам обмотки подключить по однофазному источнику синусоидального переменного тока с одинаковым действующим значением напряжения и смещением по фазе между собой на 60 ° (вектора UAB и U2 на рис. 2б). В этом случае к обмотке статора будет приложено трехфазное симметричное напряжение с действующим напряжением равным напряжению источников питания (рис. 2б).

а б

Рис. 2. Электрическая схема (а) и векторная диаграмма (б) для обеспечения трехфазной симметричной системы напряжения на обмотке статора асинхронного двигателя

Выполним анализ работы схемы, представленной на рис. 2а, с учетом изменения нагрузки на валу. Каждая фаза асинхронного двигателя может быть представлена с использованием Г-образной схемы замещения (рис. 3а) и ее эквивалентной схемы (рис. 3б).

Рис. 3. Схема замещения асинхронного двигателя

Параметры Г-образной схемы замещения асинхронного двигателя типа 4А80В4У3 [6] приведены в табл. 1.

ТАБЛИЦА 1

ПАРАМЕТРЫ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ТИПА 4А80В4У3

^н, Пн, Параметры схемы замещения, Ом

кВт о.е. о.е. о.е. X1 R'2 Х'2

1,5 0,77 0,83 0,067 17,64 117,54 7,42 4,83 4,14 7,42

Для расчета действительной и мнимой составляющих эквивалентной комплексной проводимости фазы асинхронного двигателя в зависимости от скольжения из схемы замещения получаем:

ReK (S )) =

R + RM

(r + RMf + (x + X J

\ + R

R1 + R

__

2

+

(X + X 2)2

б

а

+

S

\

X + X, + + & + X $

XI + х 2

«+?

-(X + X 2)2

Графики изменения активной и реактивной составляющих проводимостей фазы обмотки статора асинхронного двигателя типа 4А80В4У3 в зависимости от скольжения, рассчитанные по выражениям (1) и (2), приведены на рис. 4.

Рис. 4. Изменение активной и реактивной составляющих проводимостей фазы обмотки статора асинхронного двигателя типа 4А80В4У3 в зависимости от скольжения

В результате расчета определены законы изменения действующих значений токов однофазных источников (1Ь 12) и фаз асинхронного двигателя (рис. 5), изменение потребляемых активной и реактивной мощности источников (рис. 6), а также изменение коэффициента мощности первого, второго источника и асинхронного двигателя (рис. 7) в зависимости от скольжения.

Как видно из рис. 5, действующие значения токов двух источников питания будут одинаковые: 1\ = /2, также будут равны между собой токи фаз асинхронного двигателя /двиг.

8.4

/К б

4.8 3.6 2.4 1.2 0

^ЦВИГ ^_ — "

—

--

о

0.02

0.04

0.06

0.08

Рис. 5. Изменение действующих значений токов двух однофазных источников и фаз асинхронного двигателя

Рис. 6. Изменение потребляемых активной и реактивной мощности источников

2

А

0.8 0.6 0.4 0.2

-0.2 -0.4

СШ'флвиг __

у СОЩ 2

У У

У

0.02

0.04

0.06

0.08

Рис. 7. Изменение коэффициента мощности первого, второго источника и асинхронного двигателя

При незначительной нагрузке на валу (S < 0,012) один из двух источников однофазной ЭДС переходит в режим потребителя активной мощности (рисунок 6). Коэффициент мощности первого источника изменяется от 0,7 до 1,0 во всем диапазоне изменения нагрузки, у второго - cos ф < 0,5.

Для проверки возможности подключения трехфазной обмотки статора с использованием схемы (рис. 2, а) необходимы два однофазных источника с одинаковым действующим значением напряжения и смещением напряжений на 60 градусов. В качестве таких источников были использованы две фазы вторичной обмотки трехфазного трансформатора (рис. 8).

Рис. 8. Две фазы вторичной обмотки трехфазного трансформатора как два источника переменного тока со смещением на 60 градусов

При включении двух фаз вторичной обмотки трехфазного трансформатора как показано на рис. 8 к трехфазной обмотке статора между точками 1 и 2 будет приложено напряжение иаЪ = и12 (вектор иАВ на рис. 2,б). Между точками 3 и 2 будет приложено напряжение и32 (вектор и2 на рис. 2,б), которое на 60 градусов опережает напряжение иАВ. Напряжение между точками 3 и 1 будет равно разности напряжений и2 и иАВ (вектор иСА на рис. 2,б). К трехфазной обмотке статора, соединенной в схему «треугольник», будет приложено трехфазное симметричное напряжение (рис. 2,б) с учетом того, что напряжение и32 и и23 будут в противофазе (вектора и2 и иВС на рис. 2,б).

IV. Результаты экспериментов В результате измерений с использованием электронного осциллографа между точками 1-2, 2-3, 3-1 (рис. 8) были получены осциллограммы напряжений (рис. 9), приложенных к каждой фазе обмотки статора.

Рис. 9. Осциллограмма напряжений обмотки статора, соединенной в «треугольник»

V. Выводы и заключение

Таким образом, для обеспечения симметричного трехфазного напряжения можно использовать рассмотренную в статье схему. При подключении к однофазной сети в качестве первого источника переменного тока может быть использована однофазная сеть, а в качестве второго - полупроводниковый преобразователь, подключенный к однофазной сети.

Список литературы

1. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Машины переменного тока. СПб.: Питер, 2010. 352 с. ISBN 978-5-469-01381-5.

2. Торопцев Н. Д. Трехфазный асинхронный двигатель в схеме однофазного включения с конденсатором. Изд. 4-е, перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1988. 95 с. ISBN 5-283-01052-X.

3. Петров А. П. Исследование асинхронных конденсаторных двигателей с трёхфазными обмотками: дис. ... канд. техн. наук: Москва, 1999. 179 с.

4. Patil S., Aspalli M. Operating Three Phase Induction Motor Connected to Single Phase Supply // International Journal of Emerging Technology and Advanced Engineering. 2012. Vol. 2. P. 523-528.

5. Malyar V., Malyar A. Mechanical characteristics of three-phase induction motors with single-phase power supply // Electrical engineering and electromechanics. 2016. №. 3. P. 21-24.

6. Кравчик А. Э., Шлаф М. М., Афонин В. И. [и др.]. Асинхронные двигатели серии 4А: справочник. М.: Энергоиздат, 1982. 504 с.