Расчет трёхфазного асинхронного двигателя для работы в однофазном режиме

1. Введение

2. Выбор схемы включения двигателя

3. Выбор емкости рабочего и пускового конденсатора

3.1 Выбор емкости рабочего конденсатора

3.2 Выбор емкости пускового конденсатора

3.3 Выбор типа конденсаторов

4. Расчет емкости рабочего и пускового конденсатора

5. Литература

1.

Введение

Трёхфазный двигатель — электродвигатель, который конструктивно предназначен для питания от трехфазной сети переменного тока.

Представляет собой машину переменного тока, состоящую из статора с тремя обмотками, магнитные поля которых сдвинуты в пространстве на 120° и при подаче трехфазного напряжения образуют вращающееся магнитное поле в магнитной цепи машины, и из ротора — различной конструкции — вращающегося строго со скоростью поля статора или несколько медленнее его (Асинхронный двигатель).

Наибольшее распространение в технике и промышленности получил асинхронный трёхфазный электродвигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора, также называемой «беличье колесо». Под выражением «трехфазный двигатель» обычно подразумевается именно этот тип двигателя.

Может работать в однофазной сети с потерей мощности (не нагруженный на номинальную мощность). При этом для запуска необходим механический сдвиг ротора, либо фазосдвигающая цепь, которая обычно строится или из ёмкости или из индуктивности или из трансформатора.

При однофазном запуске на одну из обмоток подаётся напряжение (ток) через ёмкость или индуктивность, которая сдвигает фазу тока:

· вперёд на 90° — при включении в цепь емкости,

· назад на 90° — при включении в цепь индуктивности,

(без учёта потерь). После запуска напряжение с фазосдвигающей обмотки снимать нельзя. Снятие с фазосдвигающей обмотки напряжения эквивалентно работе трёхфазного двигателя с обрывом одной из фаз, так же при возрастании, даже не очень значительном, тормозного момента на валу двигатель остановится и сгорит.

В некоторых случаях, при питании от однофазной сети, запуск осуществляется вручную поворотом ротора. После поворота ротора двигатель работает самостоятельно.

Трёхфазный двигатель приспособлен к трёхфазной сети, а к однофазной сети лучше подходит двухфазный двигатель со сдвигом фазы во второй обмотке либо через конденсатор (конденсаторные двигатели), либо через индуктивность.

Асинхронный электродвигатель, электрическая асинхронная машина для преобразования электрической энергии в механическую. Принцип работы А. э. основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля, возникающего при прохождении трёхфазного переменного тока по обмоткам обмоткам статора, с током, индуктированным полем статора в обмотках ротора, в результате чего возникают механические усилия, заставляющие ротор вращаться в сторону вращения магнитного поля при условии, что частота вращения ротора n меньше частоты вращения поля n1 .Т. о., ротор совершает асинхронное вращение по отношению к полю.

Впервые явление, названное магнетизмом вращения, продемонстрировал французский физик Д. Ф. Араго (1824). Он показал, что укрепленный на вертикальной оси медный диск начинает вращаться, если вращать над ним постоянный магнит. Спустя 55 лет, 28 июня 1879, английский учёный У. Бейли получил вращение магнитного поля поочерёдным подключением обмоток 4 стержневых электромагнитов к источнику постоянного тока. В работах М. Депре (Франция, 1880—1883), И. Томсона (США, 1887) и др. описываются устройства, основанные также на свойствах вращающегося магнитного поля. Однако строгое научное изложение сущности этого явления впервые, практически одновременно и независимо друг от друга, было дано в 1888 итальянским физиком Г. Феррарисом и хорватским инженером и учёным Н. Тесла.

Двухфазный А. э. был изобретён Н. Тесла в 1887 (английский патент № 6481), публичное сообщение об этом изобретении он сделал в 1888. Распространения этот тип А. э. не получил главным образом из-за плохих пусковых характеристик. В 1889 М. О. Доливо-Добровольский испытал сконструированный им первый в мире трёхфазный А. э., в котором применил ротор типа «беличье колесо» (германский патент № 51 083), а обмотку статора разместил в пазах по всей окружности статора. В 1890 Доливо-Добровольский изобрёл фазный ротор с кольцами и пусковыми устройствами (патенты английский № 20 425 и германский № 75 361). Через 2 года им же была предложена конструкция ротора, названная «двойной беличьей клеткой», которую, однако, стали широко применять только с 1898 благодаря работам французского инженера П. Бушеро, представившего А. э. с таким ротором, как двигатель со специальными пусковыми характеристиками.

Конструктивное оформление А. э., их мощность и габариты зависят от назначения и условий работы.

Например, двигатели с воздушным и водяным охлаждением (общего применения); герметичные, маслонаполненные (для электробуров) и взрывобезопасные (для работы в шахтах, взрывоопасных помещениях и др.); пыле-, брызгозащищённые (для применения в морских условиях и тропическом климате) и т. д. Некоторые виды А. э. (например, шаговые, для следящих систем, схем автоматики и телемеханики, со ступенчатой регулировкой скорости и пр.) разрабатываются и выпускаются комплектно с блоками управления и пускозащитной аппаратурой, с встроенными редукторами. Трёхфазные А. э. сравнительно с однофазными обладают лучшими пусковыми и рабочими характеристиками.

Асинхронный электродвигатель — двухобмоточный электрический двигатель, одна из обмоток которого питается от сети переменного напряжения, а другая замкнута накоротко или на сопротивление.

Асинхронные двигатели находят широкое применение в хозяйстве. По разным данным, около 70% всей электрической энергии, преобразуемой в механическую вращательного или поступательного движения, потребляется асинхронными электродвигателями.

Широкое применение асинхронных двигателей связано с простотой их конструкции, ее технологичностью и минимальными затратами в эксплуатации, по сравнению с другими видами электрических машин, таких как двигатели постоянного тока, синхронными двигателями и т. д.

Трехфазный асинхронный электродвигатель, традиционного исполнения, выполняющего вращательное движение (конструкция такого двигателя впервые была предложена М.О. Доливо-Добровольским в 1889 году) состоит из двух основных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

Статор состоит из станины, в которую впрессован сердечник статора — магнитопровод статора с распределенной обмоткой. Назначение сердечника — создание вращающегося магнитного поля. Магнитопровод состоит из штампованных, изолированных друг от друга листов электротехнической изотропной (в крупных машинах — анизотропной) стали, толщиной (в зависимости от размеров и необходимых параметров машины) от 0,28 до 1 мм.

Сердечник ротора двигателя, аналогично сердечнику статора, набирается из листов электротехнической стали. Обмотки роторов бывают короткозамкнутые, из алюминиевого литья, и фазные, которые, аналогично обмотке статора, выполнены из изолированного медного провода, концы обмоток выводятся на контактные кольца, закрепленные на вале ротора, далее, посредством щеточного контакта, к обмотке ротора можно подключить пусковой реостат.

В данной курсовой работе нам требуется подключить трехфазный асинхронный двигатель в однофазный режим. Конечно есть свои недостатки в некоторых способах подключения:

— потеря 50% мощности от номинальной;

— не все марки электродвигателей хорошо запускаются при питании от однофазной сети;

— необходимость применения двух емкостей (пусковой и рабочей);

— ступенчатая регулировка номинала емкости в разных режимах работы;

— необходимость изменения номинала емкости при изменении нагрузки на валу;

— на холостом ходу по обмотке электродвигателя протекает ток на 40% больше номинального;

— лишние «навороты» для автоматизации отключения пускового конденсатора и при замене бумажных конденсаторов электролитическими

2. Выбор схемы включения двигателя В радиолюбительской практике очень часто возникает необходимость в использовании трехфазных электродвигателей для различных целей. Однако для их питания совсем не обязательно наличие трехфазной сети. Наиболее эффективный способ пуска электродвигателя — это подключение третьей обмотки через фазосдвигающий конденсатор.

Чтобы двигатель с конденсаторным пуском работал нормально, емкость конденсатора должна меняться в зависимости от числа оборотов. Поскольку это условие трудновыполнимо, на практике управляют двигателем двухступенчато. Включают двигатель с пусковой емкостью, оставляя рабочую. Пусковой конденсатор отключают вручную переключателем В2.

Рабочая емкость конденсатора (в микрофарадах) для трехфазного двигателя определяется по формуле Cp=28 001/U, если обмотки соединены по схеме «звезда» (рис.1),

или Ср=48 001/U, если обмотки соединены по схеме «треугольник» (рис.2).

При известной мощности электродвигателя ток (в амперах) можно определить из выражения:

I=P/1,73 U? cosц, Где:

Р — мощность двигателя, указанная в паспорте (на щитке), Вт;

U — напряжение сети, В; cosц — коэффициент мощности; ?—КПД.

Конденсатор пусковой Сп должен быть в 1,5—2 раза больше рабочего Ср.

Рабочее напряжение конденсаторов должно быть в 1,5 раза больше напряжения сети, а конденсатор — обязательно бумажным, например, типа МБГО, МБГП и др.

Для электродвигателя с конденсаторным пуском существует очень простая схема реверсирования. При переключении переключателя В1 двигатель меняет направление вращения. Эксплуатация двигателей с конденсаторным пуском имеет некоторые особенности. При работе электродвигателя вхолостую по обмотке, питаемой через конденсатор, протекает ток на 20−40% больше номинального. Поэтому при работе двигателя с. нагрузкой необходимо соответственно уменьшить рабочую емкость.

При перегрузке двигатель может остановиться, тогда для его запуска необходимо снова включить пусковой конденсатор.

Необходимо знать, что при таком включении мощность, развиваемая электродвигателем, составляет 50% от номинального значения.

Определить схему соединения обмоток можно по данным на шильдике — металлической бирке на корпусе электродвигателя. Надпись 220/380 означает, что соединение может быть выполнено как по схеме «звезда», так и «треугольник». В этом случае, все 6 концов обмоток выведены в клеммную коробку.

Выведенные в коробку 3 конца, свидетельствую о том, что статорные обмотки скоммутированы по схеме «звезда» внутри двигателя. Соединить их «треугольником» более затруднительно: для этого потребуется разобрать двигатель, найти это соединение и, разорвав его, вывести (предварительно «нарастив») оставшиеся 3 конца в коробку, где и соединить «треугольником» (при этом, важно не перепутать «начала» и «концы» обмоток).

Использование двух конденсаторов в схеме связано с тем, что для пуска двигателя во время его разгона необходима намного большая емкость, чем по окончании пуска, в его рабочем состоянии. Буквенные обозначения Cр и Cп в данной схеме — рабочий и пусковой конденсаторы. Для нормального пуска, емкость пускового конденсатора должна превышать емкость рабочего приблизительно в 2−3 раза.

Выбор и расчет емкости конденсаторов. Использовать следует конденсаторы МБГО, МБГЧ, МБПГ с Uраб = 500 В. Необходимая емкость определяется, прежде всего, мощностью двигателя; чем он мощнее, тем пусковой и рабочий конденсаторы должны иметь большую емкость.

Для электродвигателей, обмотки которых соединены «звездой» емкость рабочего конденсатора определяется формулой:

Cр=4800I/U;

При соединении обмоток треугольником, формула для расчета емкости имеет следующий вид:

Cр=2800I/U;

емкость конденсатор двигатель нагрузка где I — ток потребления двигателя (А), U — сетевое напряжение (В).

Результат расчета, помноженный на 2,5−3 составит нужную емкость пускового конденсатора — Cп. Данным способом можно добиться относительно неплохой точности результатов, для его упрощения предлагаем воспользоваться нашим калькулятором расчета емкости конденсаторов.

На практике, чаще всего, емкость определяют из расчета 7 мкФ на 100 Вт мощности двигателя. Это более простой способ найти емкость рабочего конденсатора, но менее точный. При эксплуатации электродвигателя в малонагруженном режиме или, преимущественно, вхолостую, емкость рабочего конденсатора может быть снижена.

3. Выбор емкости рабочего и пускового конденсатора

3.1 Выбор емкости рабочего конденсатора Величина емкости рабочего конденсатора (Сраб.) рассчитывается по формуле:

· I1 — номинальный (фазный) ток статора, измеряется с помощьюэлектроизмерительных клещей, (А)

· Uсети — напряжение однофазной сети, (В) Полученное значение емкости рабочего конденсатора получается в (мкФ).

Вышеприведенная формула может показаться Вам сложной, поэтому Вашему вниманию предлагаю более легкий вариант расчета емкости рабочего конденсатора для подключения трехфазного двигателя к однофазной сети. Для этого Вам необходимо лишь знать мощность (кВт) асинхронного двигателя.

Если сказать еще более проще, то на каждые 100 (Вт) мощности трехфазного двигателя необходимо порядка 7 (мкФ) емкости рабочего конденсатора.

При выборе емкости рабочего конденсатора необходимо контролировать ток в фазных обмотках статора в установившемся режиме. Этот ток не должен превышать номинального значения.

3.2 Выбор емкости пускового конденсатора Если же пуск электродвигателя происходит при значительной нагрузке на валу, то параллельно рабочему конденсатору необходимо включать пусковой конденсатор. Включается он только на время пуска двигателя (примерно 2−3 секунды) с помощью ключа SA до набора номинальной частоты вращения ротора, а затем отключается.

Что случится, если забыть отключить пусковые конденсаторы?

Если забыть отключить пусковые конденсаторы, то возникнет сильный перекос по токам в фазах и двигатель может перегреться.

Величина емкости пускового конденсатора выбирается в 2,5−3 раза больше емкости рабочего конденсатора.

В таком случае пусковой момент двигателя становится номинальным и двигатель запустится без проблем.

Необходимая емкость набирается с помощью параллельного и последовательного соединения конденсаторов.

Трехфазные двигатели мощностью до 1 (кВт) можно включать в однофазную сеть только с рабочим конденсатором. Пусковой конденсатор можно не применять.

3.4 Выбор типа конденсаторов Желательно использовать один и тот же тип конденсаторов, как для рабочих, так и для пусковых конденсаторов.

Чаще всего, для подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть, применяют бумажные конденсаторы в металлическом герметичном корпусе типа МПГО, МБГП, КБП или МГБО.

Практически все они имеют прямоугольную форму.

На самом корпусе можно увидеть их параметры:

· емкость (мкФ)

· рабочее напряжение (В) Но у бумажных конденсаторов есть один недостаток — они выпускаются слишком громоздкие и при этом имеют небольшую емкость. Поэтому при включении трехфазного двигателя небольшой мощности в однофазную сеть, батарея набранных конденсаторов получается «солидная».

Также вместо бумажных конденсаторов можно применять и электролитические, но схема их подключения совершенно другая и содержит в себе дополнительные элементы в виде диодов и резисторов.

Применять электролитические конденсаторы настоятельно не рекомендуется!!!

У них есть недостаток в виде того, что при пробое диода через конденсатор пойдет переменный ток, что вызовет его нагрев и взрыв (выход его из строя).

Тем более, что в современной электронике вышли в свет новые металлизированные полипропиленовые конденсаторы переменного тока типа СВВ для подключения трехфазного двигателя к однофазной сети.

4. Расчет емкости и пускового конденсатора.

Для включения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть обмотки статора могут быть соединены в звезду или треугольник .

Напряжение сети подводят к началам двух фаз. К началу третьей фазы и одному из зажимов сети присоединяют рабочий конденсатор 1 и отключаемый (пусковой) конденсатор 2, который необходим для увеличения пускового момента.

Пусковая емкость конденсаторов

Сп = Ср + Со,

где Ср — рабочая емкость,

Со — отключаемая емкость.

После пуска двигателя конденсатор 2 отключают.

Рабочую емкость конденсаторного двигателя для частоты 50 Гц определяют по формулам:

для схемы на рис. а: Ср = 2800 Iном / U;

для схемы на рис. б: Ср = 4800 Iном / U;

для схемы на рис. в: Ср = 1600 Iном / U;

для схемы на рис. г: Ср = 2740 Iном / U,

где Ср — рабочая емкость при номинальной нагрузке, мкФ;

Iном — номинальный ток фазы двигателя, А;

U — напряжение сети, В.

Нагрузка двигателя с конденсатором не должна превышать 65—85% номинальной мощности, указанной на щитке трехфазного двигателя.

Если пуск двигателя происходит без нагрузки, то пусковая емкость не требуется — рабочая емкость будет в то же время пусковой. В этом случае схема включения упрощается. При пуске двигателя под нагрузкой, близкой к номинальному моменту необходимо иметь пусковую емкость Сп = (2,5 ч 3) Ср.

Выбор конденсаторов по номинальному напряжению производят по соотношениям:

для схемы на рис. а, б: Uк = 1,15 U;

для схемы на рис. в: Uк = 2,2 U;

для схемы на рис. г: Uк = 1,3 U,

где Uк и U — напряжения на конденсаторе и в сети.

Основные технические данные некоторых конденсаторов приведены в таблице.

Если трехфазный электродвигатель, включенный в однофазную сеть, не достигает номинальной частоты вращения, а застревает на малой скорости, следует увеличить сопротивление клетки ротора проточкой короткозамыкающих колец или увеличить воздушный зазор шлифовкой ротора на 15—20%.

В том случае, если конденсаторы отсутствуют, можно использовать резисторы, которые включаются по тем же схемам, что и при конденсаторном пуске. Резисторы включаются вместо пусковых конденсаторов (рабочие конденсаторы отсутствуют).

Сопротивление (Ом) резистора может быть определено по формуле где R — сопротивление резистора;

ки I— кратность пускового тока и линейный ток в трехфазном режиме.

Пример расчета рабочей емкости конденсатора для двигателя

Определить рабочую емкость для двигателя АО 31/2, 0.6 кВт, 127/220 В, 4.2/2.4 А, если двигатель включен по схеме, изображенной на рис. а, а напряжение сети равно 220 В. Пуск двигателя без нагрузки.

Решение

1. Рабочая емкость

Ср = 2800×2.4 / 220? 30 мкФ.

2. Напряжение на конденсаторе при выбранной схеме

Uк = 1,15 x U = 1,15×220 = 253 В.

По таблице выбираем три конденсатора МБГО-2 по 10 мкФ каждый с рабочим напряжением 300 В. Конденсаторы включать параллельно.