Collegamento di un motore trifase a una rete monofase senza perdita di potenza
Come sapete, quando un motore asincrono trifase è collegato a una rete monofase, secondo circuiti a condensatore comuni: "triangolo" o "stella", la potenza del motore viene utilizzata solo per metà (a seconda del motore utilizzato).
Inoltre, è difficile avviare il motore sotto carico.
L'articolo proposto descrive il metodo di collegamento del motore senza perdita di potenza.
In varie macchine e dispositivi elettromeccanici amatoriali, vengono spesso utilizzati motori asincroni trifase con rotore a gabbia di scoiattolo. Sfortunatamente, una rete trifase nella vita di tutti i giorni è un fenomeno estremamente raro, quindi i dilettanti utilizzano un condensatore sfasatore per alimentarli da una rete elettrica convenzionale, che non consente di realizzare appieno le caratteristiche di potenza e avviamento del motore. Gli attuali dispositivi di "sfasamento" a trinistore riducono ulteriormente la potenza sull'albero motore.
In figura è mostrata una variante dello schema di un dispositivo per l'avviamento di un motore elettrico trifase senza perdita di potenza Riso. uno.
Gli avvolgimenti del motore 220/380 V sono collegati a triangolo e il condensatore C1 è collegato, come al solito, in parallelo con uno di essi. Il condensatore è "aiutato" dall'induttore L1, collegato in parallelo ad un altro avvolgimento. Con un certo rapporto tra la capacità del condensatore C1, l'induttanza dell'induttore L1 e la potenza del carico, è possibile ottenere uno sfasamento tra le tensioni sui tre rami del carico, pari esattamente a 120°.
Sul Riso. 2 il diagramma di tensione vettoriale per il dispositivo mostrato in fig. 1, con un carico puramente resistivo R in ogni ramo. La corrente lineare Il in forma vettoriale è uguale alla differenza tra le correnti Iz e Ia, ed in valore assoluto corrisponde al valore If√3, dove If=I1=I2=I3=Ul/R è la corrente di carico di fase, Ul=U1=U2=U3=220 V - tensione di linea della rete. 
Al condensatore C1 è applicata una tensione Uc1=U2, la corrente che lo attraversa è uguale a Ic1 ed è in anticipo di 90° in fase rispetto alla tensione.
Allo stesso modo, la tensione UL1=U3 viene applicata all'induttore L1, la corrente che lo attraversa IL1 è in ritardo rispetto alla tensione di 90°.
Se i valori assoluti delle correnti Ic1 e IL1 sono uguali, la loro differenza vettoriale, con la giusta scelta di capacità e induttanza, può essere uguale a Il.
Lo sfasamento tra le correnti Ic1 e IL1 è di 60°, quindi il triangolo dei vettori Il, Ic1 e IL1 è equilatero e il loro valore assoluto è Ic1=IL1=Il=If√3. A sua volta, la corrente di carico di fase If \u003d P / ZUL, dove P è la potenza di carico totale.
In altre parole, se la capacità del condensatore C1 e l'induttanza dell'induttore L1 sono scelte in modo tale che applicando loro una tensione di 220 V, la corrente attraverso di esse sarebbe uguale a Ic1=IL1=P/(√3 ⋅Ul)=P/380, mostrato in Riso. uno il circuito L1C1 fornirà tensione trifase al carico con l'esatta osservanza dello sfasamento.
Tabella 1
| P, W | IC1=IL1,A | C1, uF | L1, H |
|---|---|---|---|
| 100 | 0.26 | 3.8 | 2.66 |
| 200 | 0.53 | 7.6 | 1.33 |
| 300 | 0.79 | 11.4 | 0.89 |
| 400 | 1.05 | 15.2 | 0.67 |
| 500 | 1.32 | 19.0 | 0.53 |
| 600 | 1.58 | 22.9 | 0.44 |
| 700 | 1.84 | 26.7 | 0.38 |
| 800 | 2.11 | 30.5 | 0.33 |
| 900 | 2.37 | 34.3 | 0.30 |
| 1000 | 2.63 | 38.1 | 0.27 |
| 1100 | 2.89 | 41.9 | 0.24 |
| 1200 | 3.16 | 45.7 | 0.22 |
| 1300 | 3.42 | 49.5 | 0.20 |
| 1400 | 3.68 | 53.3 | 0.19 |
| 1500 | 3.95 | 57.1 | 0.18 |
A scheda. uno vengono forniti i valori correnti Ic1=IL1. la capacità del condensatore C1 e l'induttanza dell'induttore L1 per vari valori della potenza totale di un carico puramente attivo.
Il carico reale sotto forma di motore elettrico ha una significativa componente induttiva. Di conseguenza, la corrente lineare è in ritardo di fase con la corrente del carico attivo di un angolo φ dell'ordine di 20...40°.
Sulle targhette dei motori elettrici, di solito non è indicato l'angolo, ma il suo coseno, il noto cosφ, uguale al rapporto tra la componente attiva della corrente lineare e il suo valore pieno.
La componente induttiva della corrente che scorre attraverso il carico del dispositivo mostrato in Riso. uno, possono essere rappresentate come correnti passanti attraverso degli induttori Ln collegati in parallelo alle resistenze attive del carico (Fig. 3a), o, equivalentemente, in parallelo con C1, L1 e fili di rete.
Da Riso. 3b si può notare che poiché la corrente attraverso l'induttore è antifase alla corrente attraverso la capacità, gli induttori LH riducono la corrente attraverso il ramo capacitivo del circuito sfasatore e aumentano attraverso quello induttivo. Pertanto, per mantenere la fase della tensione all'uscita del circuito di sfasamento, la corrente attraverso il condensatore C1 deve essere aumentata e ridotta attraverso la bobina
Il diagramma vettoriale per un carico con una componente induttiva diventa più complicato. Il suo frammento, che permette di fare i calcoli necessari, è dato Riso. quattro.
La corrente lineare totale Il è qui scomposta in due componenti: Ilcosφ attivo e Ilsinφ reattivo.
Come risultato della risoluzione di un sistema di equazioni per determinare i valori richiesti di correnti attraverso il condensatore C1 e la bobina L1:
IC1sin30° + IL1sin30° = Ilcosφ, IC1cos30° - IL1cos30° = Ilsinφ, 
otteniamo i seguenti valori di queste correnti:
IC1 = 2/√3⋅Ilsin(φ+60°), IL1 = 2/√3⋅Ilcos(φ+30°).
Con carico puramente attivo (φ=0), le formule danno il risultato precedentemente ottenuto Ic1=IL1=Il.
Sul Riso. 5 sono date le dipendenze dei rapporti delle correnti Ic1 e IL1 rispetto a Il su cosφ, calcolate con queste formule
Gli stessi rapporti possono essere utilizzati con un buon grado di accuratezza per valori tipici di cosφ pari a 0,85...0,9.
Tavolo 2
| P, W | IC1, A | IL1,A | C1, uF | L1, H |
|---|---|---|---|---|
| 100 | 0.35 | 0.18 | 5.1 | 3.99 |
| 200 | 0.70 | 0.35 | 10.2 | 2.00 |
| 300 | 1.05 | 0.53 | 15.2 | 1.33 |
| 400 | 1.40 | 0.70 | 20.3 | 1.00 |
| 500 | 1.75 | 0.88 | 25.4 | 0.80 |
| 600 | 2.11 | 1.05 | 30.5 | 0.67 |
| 700 | 2.46 | 1.23 | 35.6 | 0.57 |
| 800 | 2.81 | 1.40 | 40.6 | 0.50 |
| 900 | 3.16 | 1.58 | 45.7 | 0.44 |
| 1000 | 3.51 | 1.75 | 50.8 | 0.40 |
| 1100 | 3.86 | 1.93 | 55.9 | 0.36 |
| 1200 | 4.21 | 2.11 | 61.0 | 0.33 |
| 1300 | 4.56 | 2.28 | 66.0 | 0.31 |
| 1400 | 4.91 | 2.46 | 71.1 | 0.29 |
| 1500 | 5.26 | 2.63 | 76.2 | 0.27 |
A scheda. 2 i valori delle correnti IC1, IL1 che attraversano il condensatore C1 e l'induttore L1 sono dati a vari valori della potenza totale del carico, che ha il valore sopra cosφ = √3/2.
Per un tale circuito di sfasamento, vengono utilizzati condensatori MBGO, MBGP, MBGT, K42-4 per una tensione operativa di almeno 600 V o MBGCH, K42-19 per una tensione di almeno 250 V.
L'induttanza è più facile da realizzare da un trasformatore di alimentazione a forma di asta di un vecchio televisore a tubo. La corrente a vuoto dell'avvolgimento primario di un tale trasformatore a una tensione di 220 V di solito non supera i 100 mA e ha una dipendenza non lineare dalla tensione applicata.
Se viene introdotto uno spazio dell'ordine di 0,2 ... 1 mm nel circuito magnetico, la corrente aumenterà in modo significativo e la sua dipendenza dalla tensione diventerà lineare.
Gli avvolgimenti di rete dei trasformatori TC possono essere collegati in modo che la tensione nominale su di essi sia 220 V (ponticello tra i pin 2 e 2"), 237 V (ponticello tra i pin 2 e 3") o 254 V (ponticello tra i pin 3 e 3 ") . La tensione di rete viene spesso applicata ai pin 1 e 1". A seconda del tipo di connessione, l'induttanza e la corrente dell'avvolgimento cambiano.
A scheda. 3 i valori della corrente nell'avvolgimento primario del trasformatore TC-200-2 sono dati quando viene applicata una tensione di 220 V a vari spazi vuoti nel circuito magnetico e diverse accensioni delle sezioni dell'avvolgimento.
Mappatura dei dati scheda. 3 e 2 consente di concludere che il trasformatore specificato può essere installato in un circuito motore sfasatore con una potenza compresa tra 300 e 800 W circa e, selezionando la distanza e il circuito di commutazione dell'avvolgimento, ottenere il valore di corrente richiesto.
L'induttanza varia anche a seconda della connessione in fase o antifase della rete e degli avvolgimenti di bassa tensione (ad esempio a incandescenza) del trasformatore.
La corrente massima può superare leggermente la corrente nominale durante il funzionamento. In questo caso, per facilitare il regime termico, è consigliabile rimuovere tutti gli avvolgimenti secondari dal trasformatore, parte degli avvolgimenti di bassa tensione possono essere utilizzati per alimentare i circuiti di automazione del dispositivo in cui opera il motore elettrico.
Tabella 3
| Entra nucleo magnetico, mm |
Corrente nell'avvolgimento di rete, A, quando si collegano i cavi alla tensione, V |
||
|---|---|---|---|
| 220 | 237 | 254 | |
| 0.2 | 0.63 | 0.54 | 0.46 |
| 0.5 | 1.26 | 1.06 | 0.93 |
| 1 | - | 2.05 | 1.75 |
A scheda. quattro i valori nominali delle correnti degli avvolgimenti primari dei trasformatori di vari televisori e i valori approssimativi della potenza del motore con cui è consigliabile utilizzare un circuito LC sfasato devono essere calcolati per il carico massimo possibile di il motore elettrico.
Tabella 4
| Trasformatore | Nominale attuale, A |
Potenza motore, W |
|---|---|---|
| TS-360M | 1.8 | 600...1500 |
| TS-330K-1 | 1.6 | 500...1350 |
| ST-320 | 1.6 | 500...1350 |
| ST-310 | 1.5 | 470...1250 |
| TSA-270-1, TSA-270-2, TSA-270-3 |
1.25 | 400...1250 |
| TS-250, TS-250-1, TS-250-2, TS-250-2M, TS-250-2P |
1.1 | 350...900 |
| TS-200K | 1 | 330...850 |
| TS-200-2 | 0.95 | 300...800 |
| TS-180, TS-180-2, TS-180-4, TS-180-2V |
0.87 | 275...700 |
Con un carico inferiore, lo sfasamento necessario non verrà più mantenuto, ma le prestazioni di avviamento miglioreranno rispetto all'utilizzo di un singolo condensatore.
La verifica sperimentale è stata effettuata sia con carico puramente attivo che con motore elettrico.
Le funzioni di carico attivo sono state eseguite da due lampade ad incandescenza collegate in parallelo con una potenza di 60 e 75 W, incluse in ciascun circuito di carico del dispositivo. (vedi fig. 1), che corrispondeva a una potenza totale di 400 W In conformità con scheda. uno la capacità del condensatore C1 era di microfarad 15. Lo spazio nel circuito magnetico del trasformatore TC-200-2 (0,5 mm) e lo schema di connessione dell'avvolgimento (per 237 V) sono stati scelti per fornire la corrente richiesta di 1,05 A .
Le tensioni U1, U2, U3 misurate sui circuiti di carico differivano tra loro di 2...3 V, il che confermava l'elevata simmetria della tensione trifase.
Sono stati inoltre effettuati esperimenti con un motore asincrono trifase con rotore a gabbia di scoiattolo AOL22-43F con una potenza di 400 W. Ha lavorato con un condensatore C1 con una capacità di 20 microfarad (a proposito, lo stesso di quando il motore funzionava con un solo condensatore di sfasamento) e con un trasformatore, il cui spazio e la connessione degli avvolgimenti erano selezionati da la condizione per ottenere una corrente di 0,7 A.
Di conseguenza, è stato possibile avviare rapidamente il motore senza un condensatore di avviamento e aumentare notevolmente la coppia percepita durante la frenata della puleggia sull'albero motore.
Purtroppo è difficile condurre un controllo più oggettivo, poiché in condizioni amatoriali è quasi impossibile fornire un carico meccanico normalizzato sul motore.
Va ricordato che il circuito di sfasamento è un circuito oscillatorio in serie sintonizzato su una frequenza di 50 Hz (per l'opzione di carico puramente attivo) e questo circuito non può essere collegato alla rete senza carico. 