8.  Выбор схемы включения.
Выбор схемы включения конденсаторного двигателя производится с учетом напряжения сети и данных двигателя по напряжению.
Схема выбрана правильно, если любая из обмоток статора трехфазного двигателя при номинальной нагрузке оказывается под напряжением, равным номинальному, или близким к нему. При этом имеется в виду, что установленная рабочая ёмкость определена по соотношению, соответствующему схеме.
Кроме согласования данных по напряжению, оцениваются особенности возможных схем. Заметим, что в отдельных конкретных случаях выбор вариантов схем может быть ограничен.

Рис. 9. Принципиальные электрические схемы конденсаторного двигателя с тремя статорными обмотками: 1 — рабочий конденсатор; 2— отключаемый пусковой конденсатор

Пример 10. Статорные обмотки двигателя электрорубанка 0,62 кВт, 220 В, 1,88 А соединены в звезду, причем нулевая точка недоступна. Очевидно, что как конденсаторный, он может иметь только одну схему включения, изображенную на рис. 9, а. Источником питания для двигателя служит сеть однофазного тока напряжением 220 В.
Рассмотрим особенности конденсаторного двигателя, включенного по схеме, приведенной на рис. 9, а. Назовем обмотку С1 — С4 главной фазой, через которую проходит весь ток двигателя, обмотку СЗ — С6, соединенную последовательно с конденсатором, — конденсаторной фазой и третью обмотку С2 — С5 вспомогательной фазой.
Изменение токов этих фаз с изменением скольжения оказывается совершенно различным. Если ток главной фазы с уменьшением нагрузки (скольжения) уменьшается, то ток конденсаторной фазы, наоборот, возрастает, достигая наибольшего значения при холостом ходе.
Вспомогательная фаза при холостом ходе находится в генераторном режиме — её активная мощность отрицательна. С возрастанием нагрузки она переходит в двигательный режим. При этом ток фазы, уменьшаясь, достигает некоторого минимального значения и затем начинает увеличиваться.
Активная мощность по фазам распределяется неравномерно. При номинальной нагрузке главная фаза развивает примерно такую же мощность, как конденсаторная и вспомогательная, взятые вместе. Равенства всех токов номинальному не достигается. Поэтому под номинальной будем иметь в виду такую нагрузку, при которой токи двух фаз равны номинальному, а ток третьей фазы составляет 70 — 85 % номинального. Это определение относится и к случаю соединения обмоток статора треугольником.
Характерными особенностями схемы являются относительно небольшие значения пускового момента и напряжения на конденсаторе.
В другой схеме включения (рис. 9, б) обмотки двигателя соединены в треугольник. По аналогии с предыдущей схемой здесь также можно различить главную, вспомогательную и конденсаторную фазы. Вспомогательной оказывается фаза С1 — С4, к которой подведено напряжение сети. Обмотка С2— С5 с параллельно присоединенным конденсатором представляет собой конденсаторную фазу и третья обмотка СЗ — С6— главную фазу.
Пример 11. В главе 6 для двигателя, соединенного в звезду, при напряжении сети 220 В была получена рабочая ёмкость Ср ном и 14,6 мкф. Напряжение на конденсаторе в соответствии с (17) равно Uк.ном ~ U = 220В.
При напряжении сети обмотки двигателя соединяются в треугольник по схеме рис. 9, б. Для нее в соответствии с (13)
Срном ~ 4800(Inom/U) = 4800(1.15/127) = 43,5 мкФ.
Сравнивая ёмкости 43,5 и 14,6 мкФ, видим, что для схемы на рис. 9, б рабочая ёмкость увеличивается в 3 раза. Напряжение на конденсаторе определяется по (17):
Uк.ном ~ U = 127B.
Активная мощность между обмотками распределяется неравномерно. Наибольшую мощность при номинальной нагрузке развивают главная и вспомогательная фазы.
Относительно небольшой пусковой момент составляет одно из характерных свойств этой схемы. Особенности её по сравнению с предыдущей состоят в том, что для одного и того же двигателя напряжение на конденсаторе уменьшается в √3 раз, а ёмкость рабочего конденсатора увеличивается в 3 раза.
Проведенное сравнение показывает, что первая схема (рис. 9, а) является предпочтительнее, так как ее технические и экономические показатели лучше: меньше ёмкость и габариты батареи конденсаторов, ниже стоимость ее установки. Однако, ее применение на всегда оказывается возможным. Если напряжение сети равно номинальному напряжению фазы, обмотки двигателя соединяются в треугольник (рис. 9, б) или как показано на рис. 9,в.
Обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя в схемах на рис. 9, в и г образуют две фазы — главную и конденсаторную.
Ток главной фазы возрастает с нагрузкой, конденсаторной — уменьшается. Двигатель работает с номинальной нагрузкой, когда по обеим фазам протекает номинальный ток. При этом обратное магнитное поле становится несущественным, вследствие чего использование мощности двигателя улучшается.
Активные мощности главной и конденсаторной фаз, соответствующие номинальной нагрузке, примерно одинаковы. С уменьшением нагрузки происходит некоторое возрастание мощности конденсаторной фазы. Мощность главной фазы довольно резко уменьшается и на холостом ходу приобретает отрицательное значение: главная фаза переходит в режим асинхронного генератора с конденсаторным возбуждением, работающего параллельно с сетью. С появлением нагрузки на вал главная фаза переходит в двигательный режим.
Достоинством схем рис. 9, в и г по сравнению с рассмотренными выше является возможность получения значительного пускового момента. Сравним эти схемы.
Пусть питающая сеть однофазного тока, как это часто встречается на практике, имеет напряжение 220 В. Очевидно, что если двигатель выполнен на напряжения 220/380 В, он включается по схеме, приведенной на рис. 9, в, или по схеме на рис. 9, г, если номинальные напряжения двигателя 127/220 В.
Напряжение на конденсаторе при номинальной нагрузке составит: для схемы на рис. 9, в Uк.ном ~ 2 U= 2 • 220 = 440 В, а для схемы на рис. 9, г Uк.ном ~ 1,5U = 1,15 - 220 = 253 В.
Между напряжениями на конденсаторе в том и другом случае имеется существенная разница. Повышение напряжения связано с некоторым увеличением стоимости конденсаторов и уменьшением безопасности обслуживания. Кроме того, вследствие возрастания индуктивного сопротивления цепи конденсаторной фазы при включении двигателя по схеме рис. 9, возникает опасность перенапряжения, особенно при пуске двигателя в ход.
Схема на рис. 9, г, выгодно отличаясь от предыдущей, заслуживает предпочтения.

Заметим, что двигатель на напряжения 127/220 В также может быть включен по схеме рис. 9, в, но на напряжение сети 127 В. Если же номинальные напряжения двигателя равны 220/380 В, а напряжение питающей сети — 220 В, то здесь вместо включения конденсаторного двигателя с двумя обмотками (рис. 9, в) следует выбрать схему с соединением фаз в треугольник, несмотря на увеличение ёмкости конденсаторов.
Пример 12. Имеются конденсаторы типа МБГЧ и ЭП. Двигатель 1 кВт, 220/380 В с номинальным током фазы 2,4 А включается на напряжение сети 220 В. Требуется определить значения рабочей и пусковой ёмкостей, а также расчётное напряжение на конденсаторах и напряжение при номинальной нагрузке.
Схема на рис. 9, б:
Рабочая ёмкость по (13):

Номинальное напряжение на конденсаторе по (17)

Расчётное напряжение на конденсаторе по (20)

По табл. 6 выбираем 13 конденсаторов МБП! ёмкостью по 4 мкФ с рабочим напряжением 250 В.
Отключаемую ёмкость принимаем по (16) равной

и выбираем для нее пять конденсаторов типа ЭП по 20 мкФ на 300 В.
Схема на рис. 9, в:
Рабочая ёмкость по (14):

Номинальное напряжение на конденсаторе по (19):

Оно может быть найдено также умножением номинального тока на реактивное сопротивление конденсатора Хс:

где ω = 2лf — угловая частота переменного тока; С — ёмкость, мкФ; f— частота напряжения сети, Гц.
Произведя вычисления для частоты/= 50 Гц, получим:

Расхождение с данными, полученными по (19), составляет примерно 4 %, что для практических расчётов вполне допустимо.

расчётное напряжение на конденсаторе по (22)

По табл. 6 выбираем девять конденсаторов МБГЧ по 2 мкФ на рабочее напряжение 500 В.
Для отключаемой ёмкости конденсаторы типа ЭП не подходят по напряжению. Поэтому отключаемую ёмкость составляем из конденсаторов типа МВГЧ, принимая ее равной

По табл. 6 выбираем семь конденсаторов по 4 мкФ на рабочее напряжение 500 В.
Приведенный пример подтверждает целесообразность включения конденсаторного двигателя при отмеченных условиях по схеме рис. 9, 6.
Пример 13. Выбрать схему включения конденсаторного двигателя 0,6 кВт, 127/220 В с номинальным током фазы 2,5 А, если напряжение сети 127 В. Определить рабочую ёмкость и выбрать конденсаторы типа КБГ-МН.
Сопоставление приведенных данных по напряжению показывает, что включение двигателя возможно по схемам рис. 9, б или в. Произведем вычисления для обеих схем.
Схема на рис. 9, б
Рабочая ёмкость по (13)

Расчётное напряжение на конденсаторе по (20)

По табл. 4 для частоты 50 Гц выбираем конденсаторы ёмкостью от 4 до 10 мкФ с допустимым напряжением переменного тока 200 В, что соответствует номинальному напряжению постоянного тока 400 В, обозначенному на конденсаторах.
По табл. 3 для рабочего напряжения постоянного тока 400 В выбираем 16 конденсаторов по 6 мкФ.
Схема на рис. 9, в
Рабочая емкость по (14)


Расчетное напряжение на конденсаторе по (22)
По табл. 4 для частоты 50 Гц выбираем конденсаторы емкостью 2 мкФ с допустимым напряжением переменного тока 300 В, что соответствует номинальному напряжению постоянного тока 600 В.
По табл. 3 для рабочего напряжения постоянного тока 600 В выбираем 16 конденсаторов емкостью по 2 мкФ.
При относительно невысоком напряжении на конденсаторах схема на рис. 9, в в данном конкретном случае отличается меньшими емкостью и стоимостью конденсаторов.
Аналогичным образом и синусоидально изменяющееся напряжение можно представить графически в виде вектора, вращающегося с угловой частотой ω. Векторы тока и напряжения, изображенные в соответствующих масштабах, можно совместить, т.е. показать в одной системе координат.
Совокупность векторов, изображающих синусоидально изменяющиеся функции времени, называется векторной диаграммой.
Между амплитудными и действующими значениями синусоидально изменяющихся токов и напряжений существует зависимость

где I, U— действующие значения тока и напряжения, т.е. значения, которые регистрируются приборами, включенными в цепь переменного тока.
Условимся в дальнейшем пользоваться действующими значениями синусоидальных величин.

Вращающиеся векторы тока и напряжения остаются неподвижными друг относительно друга, так как частоты вращения их равны, а направления вращения совпадают. Между ними в общем случае возникает сдвиг во времени, соответствующий фазовому углу φ. Угол сдвига векторов тока и напряжения зависит от характера нагрузки.
В цепи переменного тока различают: активное сопротивле­ние r, индуктивное сопротивление X_L, емкостное сопротивление X_c Независимо от числа и комбинаций этих сопротивлений в конкретной цепи их можно заменить одним эквивалентным или полным сопротивлением Z.