Конденсаторный двигатель прост по конструкции, имеет высокий коэффициент мощности, работает от двухпроводной и, в частности, от осветительной сети.
Как было отмечено, применение рациональных схем включения создает возможность получения достаточного пускового момента и приводит к улучшению использования мощности машины. Одну из таких схем будем иметь в виду при дальнейшем изложении.
Несмотря на отмеченные положительные свойства эксплуатация конденсаторного двигателя с рабочей и пусковой емкостями характеризуется рядом определенных недостатков. Основные из них заключаются в следующем:
для создания необходимого пускового момента приходится включать в цепь конденсаторной фазы дополнительную емкость, отключаемую после пуска. При разрыве цепи отключаемой емкости возникающее в месте разрыва искрение уменьшает безопасность эксплуатации двигателя, особенно во взрывоопасных помещениях. Кроме того, резкое уменьшение тока конденсаторной фазы после отключения дополнительной емкости связано с появлением динамических толчков и уменьшением ускорения ротора, что подтверждается осциллограммами (рис. 1):
описанный выше характер изменения тока конденсаторной фазы с изменением нагрузки приводит к ухудшению использования мощности двигателя и уменьшению его перегрузочной способности;
холостой ход конденсаторного двигателя с постоянной рабочей емкостью СР,Ном не только нежелателен, но и опасен, так как ток конденсаторной фазы, достигая в этом случае наибольшего значения, может вызвать недопустимый перегрев обмотки.
Расширение области применения конденсаторного двигателя непосредственно связано с устранением отмеченных недостатков.
Рис. 1. Осциллограммы, снятые при пуске конденсаторного двигателя с отключаемой емкостью:
I — ток главной фазы; 2 — ток конденсаторной фазы; 3 — частота вращения
Ограничение тока конденсаторной фазы при XX может быть достигнуто уменьшением емкости конденсаторов. Чтобы далее (с увеличением нагрузки) ток конденсаторной фазы увеличивался, необходимо производить увеличение емкости, т.е. осуществлять ее регулирование. Желательно, чтобы последнее совершалось плавно и автоматически, начиная с момента пуска двигателя.
Автоматическое регулирование эквивалентной емкости в цепи конденсаторной фазы возможно различными способами. Один из них основывается на использовании в схеме дросселя насыщения (ДН).
Развитие автоматизации производственных процессов в промышленности привело к значительному распространению ДН, что объясняется известными экономическими и эксплуатационными достоинствами этих аппаратов.
Рассмотрим схему включения конденсаторного двигателя (рис. 2), в которой обмотки переменного тока ДН включены на напряжение конденсатора.
Рис. 2. Схема включения конденсаторного двигателя с регулируемой эквивалентной емкостью:
1 — конденсатор; 2 — обмотка переменного тока дросселя насыщения; 3 — обмотки подмагничивания; 4 — трансформатор напряжения; 5 — выпрямители
Дроссель насыщения имеет две обмотки подмагничивания, включенные встречно. Ток одной из них пропорционален току главной фазы двигателя, ток другой — напряжению на конденсаторной фазе. Первая обмотка имеет небольшое число витков. Действие МДС этой обмотки проявляется тем сильнее, чем больше скольжение, т. е. чем больше ток главной фазы.
Вторая обмотка подмагничивания с большим числом витков является основной. Действие МДС этой обмотки, наоборот, проявляется тем сильнее, чем меньше скольжение, что объясняется характером изменения напряжения на конденсаторной фазе с изменением нагрузки.
В первый момент пуска переменный ток ДН должен быть возможно малым. Очевидно, что при равенстве МДС обмоток подмагничивания он будет равен току холостого хода дросселя.
Соблюдение равенства МДС обмоток подмагничивания достигается благодаря тому, что по главной фазе двигателя проходит наибольший (пусковой) ток, а напряжение на конденсаторной фазе в момент пуска приблизительно в 2 раза меньше напряжения по окончании пуска. В результате ток на выходе параллельного участка, образованного конденсатором и обмотками переменного тока ДН, т.е. ток конденсаторной фазы, достигает своего наибольшего значения, определяемого установленной емкостью. Незначительным током первичной обмотки трансформатора напряжения здесь можно пренебречь.
По мере увеличения частоты вращения двигателя возрастает результирующая МДС подмагничивания, вызывая насыщение дросселя. Переменный ток ДН при этом увеличивается, а ток конденсаторной фазы уменьшается. При холостом ходе двигателя результирующая МДС подмагничивания ДН достигает наибольшего значения, вследствие этого ток конденсаторной фазы становится наименьшим.
Каким же становится характер изменения тока конденсаторной фазы после пуска двигателя в ход? Ток конденсаторной фазы, как вытекает из изложенного, становится функцией результирующей МДС подмагничивания дросселя. Так, увеличение нагрузки на валу двигателя вызывает уменьшение результирующей МДС подмагничивания ДН, отчего переменный ток дросселя уменьшается, а ток конденсаторной фазы возрастает. Уменьшение нагрузки приводит к обратному результату, т.е. к уменьшению тока конденсаторной фазы. Заметим, что ток конденсатора и ток обмоток переменного тока ДН находятся практически в противофазе, так как активные составляющие этих токов пренебрежимо малы. Поэтому значение тока конденсаторной фазы всегда определяется арифметической разностью токов регулирующего устройства:
где /к — ток конденсатора; /дн—ток обмоток переменного тока ДН.
Из последнего выражения следует, что соответствующее изменение тока /дн равносильно применению в цепи конденсаторной фазы плавно регулируемой эквивалентной емкости.
Для иллюстрации на рис. 3 представлены механические характеристики двигателя мощностью 1 кВт, полученные опытным путем. Кривая 1 относится к схеме с пусковой и рабочей емкостями. Кривая 2 относится к схеме рис. 2. Как видно, пусковой момент двигателя для данной емкости конденсатора остается практически одним и тем же в обоих случаях. На участке от «2=0 до 1000 об/мин кривая 2 проходит несколько ниже 1, что объясняется уменьшением эквивалентной емкости с возрастанием переменного тока ДН.
Рис. 3. Механическая характеристика конденсаторного двигателя
Рис. 4. Электровоз подвесной дороги с конденсаторным двигателем:
1 — двигатель; 2 — реверсивный магнитный пускатель; 3 — коробки с конденсаторами; 4 — кожух дросселя насыщения; 5 —кнопочная станция для ручного управления
Отключение пускового конденсатора в случае использования в цепи конденсаторной фазы отключаемой емкости резко уменьшает вращающий момент (вертикальный участок кривой /).
Для двигателя, включенного по схеме, приведенной на рис. 2, наоборот, характерны плавный пуск двигателя, увеличенная перегрузочная способность и работа •при данной нагрузке на валу с несколько меньшим скольжением.
Приведем пример применения конденсаторного двигателя, включенного по схеме, показанной на рис. 2, в условиях электрической тяги. Целесообразность использования асинхронного конденсаторного двигателя в электрической тяге подтверждается следующим: двигатель имеет жесткую скоростную характеристику, вследствие которой средняя частота вращения лишь на несколько процентов отличается от синхронной. Таким образом, буксование при движении ограничивается;
при сверхсинхронной частоте вращения (движение под уклон) машина автоматически переходит в генераторный режим, производя тормозное действие; как конденсаторный — двигатель работает с высоким коэффициентом мощности.
Опытный образец электровоза подвесной дороги с конденсаторным двигателем показан на рис. 4. Двигатель электровоза мощностью 1 кВт, 127/220 В включен по схеме, приведенной на рис. 2, на напряжение сети 220 В.
Контактный провод (полосовая сталь 6X30 мм) крепится на изоляторах. Вторым проводом служит заземленный рельс. Управление электровозом возможно как ручное (кнопочная станция реверсионного магнитного пускателя), так и автоматическое с помощью конечных выключателей, установленных в пунктах отправления и выгрузки. Полезная масса состава 0,6 т.
Таким образом, одним из способов улучшения эксплуатационных свойств конденсаторного двигателя является применение регулируемой емкости. Плавкое и автоматическое изменение эквивалентной емкости с изменением скольжения проще всего достигается с помощью дросселей насыщения.
Конденсаторный двигатель с плавно регулируемой эквивалентной емкостью имеет следующие достоинства:
пуск происходит без переключений в цепи конденсаторной фазы и динамических толчков, неизбежных при пуске с отключаемой емкостью;
уменьшается ток холостого хода конденсаторной фазы;
улучшается использование мощности вследствие возрастания тока конденсаторной фазы при увеличении нагрузки на валу;
увеличивается перегрузочная способность.
Конденсаторный двигатель, включенный по схеме с автоматически регулируемой эквивалентной емкостью, бесконтактной и искробезопасной, может найти применение в электрической тяге, а также в стационарных установках небольшой мощности.
Пример. Расчет дросселя насыщения и выбор емкости конденсаторов.
Исходные данные: напряжение источника питания U=220 В; двигатель асинхронный, трехфазный с короткозамкнутым ротором, мощностью 1,1 кВт, 220/127 В, 1420 об/мин; КПД=0,75, cos φ=0,81, кратность пускового тока сталь сердечника ДН электротехническая марка Э411, штамп имеет размеры, показанные на рис. 4;
Рис. 5. Сердечник дросселя насыщения:
схема включения двигателя по рис. 2; соединение обмоток переменного тока ДН — параллельное.
Обмотки переменного тока ДН располагаются на крайних стержнях Ш-образного сердечника, обмотки подмагничивания — на среднем стержне. Сердечник ДН показан на рис. 5.
1. Номинальный ток двигателя
2. Емкость батареи конденсаторов принимаем предварительно равной
где рабочая емкость определяется по (15)
3. Напряжение на параллельном участке, образованном обмотками переменного тока ДН и батареей конденсаторов при номинальном режиме работы,
f/K = fcu{/ = 1,1-220 = 240 В,
где ku — коэффициент, значение которого для данной схемы включения двигателя принимается равным 1,1.
Заметим, что это напряжение yа всем диапазоне изменения скольжения двигателя изменяется настолько незначительно, что с достаточной для практики точностью может быть принято постоянным,
4. Ток батареи конденсаторов
IK = kckuUb)C-10-6= 1,15-1,1-220-314-152-10-в= 13,2 А,
где kc — опытный коэффициент, учитывающий отклонение действительной емкости от обозначенной; ω — угловая частота, равная для частоты 50 Гц 314 1/с; С— емкость конденсаторов, мкФ.
