Как работает пусковой конденсатор

Из статьи читатели узнают о том, как подобрать конденсаторы к электродвигателю, чтобы получился привод с оптимальными характеристиками.

Питание обычного синхронного и асинхронного двигателя осуществляется от сети переменного напряжения. Существуют также и «необычные» движки, например, питающиеся от бортовой сети транспортных средств или от специальных генераторов. Принцип их работы такой же, но частота питающего напряжения, как правило, заметно больше 50 Гц.

В электродвигателе переменного тока статор обеспечивает пространственное перемещение магнитного поля. Без этого ротор не сможет начать вращение самостоятельно.

Роль конденсаторов в электроприводе

Если напряжение питания однофазное, с помощью конденсатора можно получить в статоре перемещение магнитного поля. Для этого в нем нужна дополнительная обмотка. Она подключается через конденсатор. Величина его емкости прямо пропорционально влияет на пусковой крутящий момент. Если измерять его величину (ось ординат) соответственно увеличению емкости (ось абсцисс), получится кривая. С определенного значения величины емкости приращение момента станет все меньше и меньше.

Величина емкости, начиная с которой приращение крутящего момента заметно уменьшается, будет оптимальной для пуска данного мотора. Но для разогнанного движка и его продолжительной работы пусковой конденсатор всегда слишком велик своей емкостью. Для поддержания стабильной работы электродвигателя применяется рабочий конденсатор. Его емкость меньше, чем у пускового. Правильно подобрать рабочий конденсатор также можно экспериментально.

Как определить оптимальную величину емкости

Для этого потребуется несколько конденсаторов, соединяемых параллельно. По ходу соединений амперметром измеряется ток, потребляемый электромотором. Он будет уменьшаться по мере увеличения суммарной емкости. Но с определенной величины ее ток начнет увеличиваться. Минимальному значению величины силы тока соответствует оптимальное значение емкости рабочего конденсатора. Для нормальной работы движка применяются два конденсатора с возможностью параллельного соединения между собой. Схема подключения, содержащая пусковой и рабочий конденсатор, показана далее.

При пуске они соединяются, образуя наилучшую по величине емкость для разгона движка. Зачем применять отдельный пусковой конденсатор такой же емкости, если установка получится неоправданно громоздкой. Поэтому выгодно использовать емкость, составленную из двух частей. Хотя в нее входит и рабочий конденсатор, он при пуске становится частью пускового виртуального конденсатора. А отключаемые так и называются — пусковые конденсаторы.

Расчет рабочей емкости

Экспериментальное определение емкости конденсаторов наиболее точное. Однако эксперименты эти занимают немалое время и довольно трудоемки. Поэтому на практике в основном используются оценочные методы. Для них потребуется значение мощности движка и коэффициенты. Они соответствуют схеме «звезда» (12,73) и «треугольник» (24). Величина мощности необходима для расчета силы тока. Для этого ее паспортное значение делится на 220 (величина действующего напряжения электросети). Мощность принимается в ваттах.

• Полученное число умножается на соответствующий коэффициент и дает величину микрофарад.

Подбор пусковой емкости

Но упомянутым способом определяется емкость рабочего конденсатора. Если движок задействован в электроприводе, с ним он может не запуститься. Потребуется дополнительный пусковой конденсатор. Чтобы не утруждать себя, выполняя подбор, можно начать с такого же по величине емкости. Если двигатель так и не запускается из-за нагрузки со стороны привода, надо добавлять параллельно конденсаторы для запуска электродвигателя.

После каждого подсоединяемого экземпляра нужно подавать напряжение на движок для проверки запуска. После пуска движка последний из подсоединенных конденсаторов завершит формирование емкости, необходимой для двигателя в режиме запуска. Если по какой-либо причине после пребывания в подсоединенном состоянии к электросети конденсатор отсоединяется от нее, его надо обязательно разрядить.

Для этого следует использовать резистор номиналом в несколько килоом. Предварительно, перед тем как подключить, его выводы надо согнуть так, чтобы их концы получились на том же расстоянии, что и клеммы. Резистор берут за один из выводов пассатижами с изолированными рукоятками. Прижимая выводы резистора к клеммам на несколько секунд, разряжают конденсатор. После этого желательно удостовериться мультиметром-вольтметром, сколько вольт на нем. Желательно, чтобы напряжение либо обнулилось, либо осталось менее 36 В.

Металлобумажные и пленочные конденсаторы

Величина 220 В напряжения сети переменного тока, используемая для технических характеристик двигателей, соответствует действующему значению. Но при нем амплитудное значение напряжения составит 310 В. Именно до этого уровня будет заряжаться конденсатор электродвигателя. Поэтому номинальное напряжение пускового и рабочего конденсатора выбирается с запасом и составляет не менее 350 вольт. Наиболее надежными разновидностями их являются металлобумажные и металлопленочные конденсаторы.

Но их размеры велики, а емкости одного конденсатора недостаточно для большинства промышленных движков. Например, для движка мощностью 1 кВт только рабочая емкость получается равной 109,1 мкФ. Следовательно, пусковая емкость получится более чем в 2 раза больше. Чтобы выбрать конденсатор нужной емкости, например, для движка 3 кВт при наличии уже выбранного экземпляра для мощности 1 киловатт, его можно взять за основу. В этом случае один конденсатор заменяется тремя, подключенными параллельно.

Для работы движка нет разницы, какие конденсаторы — один или три — задействованы при включении. Но выбирать лучше три. Этот вариант отличается экономичностью, несмотря на большее число соединений. Перенапряжение повредит только один из трех. И его замена обойдется дешевле. Один большой конденсатор при замене будет отличаться существенно более высокой ценой.

Далее показаны изображения и размеры конденсаторов металлобумажной и металлопленочной структуры и размеры их для того, чтобы можно было оценить габариты конденсаторной батареи на их основе.

Если нужен оптимальный по размеру экземпляр, его подбирают в таблице по приведенным данным.

Электролитические конденсаторы

Рассматриваемые металлопленочные конденсаторы стабильны, надежны и долговечны при соблюдении правильных условий эксплуатации, среди которых важнейшим параметром является напряжение. Но в электросети в результате коммутации потребителей, а также по другим причинам возможны перенапряжения. Если происходит пробой изоляции обкладок, они становятся непригодными для дальнейшей работы. Но подобное происходит не часто и основной проблемой применения этих моделей являются габариты.

Более компактной альтернативой могут быть электролитические конденсаторы (т.н. электролиты). Они имеют существенные отличия своими меньшими размерами и структурой. Поэтому могут заменить несколько единиц металлобумажных на 1 электролит. Но свойства их структуры ограничивают продолжительность срока службы. Хотя есть и положительная сторона — самовосстановление после пробоя. Продолжительная работа электролитов на переменном токе невозможна. Он нагреется и, в конце концов, разрушится, по крайней мере, предохранительный клапан. А то и корпус.

Чтобы предотвратить подобные происшествия, необходимо подсоединить диоды. Подключение пускового конденсатора с диодами делается, как показано далее на изображении. Но это не значит, что можно применить любую из моделей электролитов с напряжением 350 В или больше. Уровень пульсаций и частота их строго регламентированы. Если происходит превышение этих параметров, начинается нагрев. Конденсатор может выйти из строя. Для запуска и работы двигателей изготавливаются специальные электролиты с диодами внутри. Необходимо применять для движков только такие модели.

Причем из-за пульсаций напряжения не все электролиты могут выполнять функцию рабочей емкости. Их чаще используют при пуске с последующим отключением.

Для рабочих емкостей делаются специальные электролитические модели, устойчивые к пульсациям. Металлобумажные и пленочные пусковые конденсаторы для электродвигателей в этом отношении намного выносливее. Поэтому если необходима надежность, лучше применить их. Но это будет в ущерб габаритам электропривода.

Конденсаторные двигатели — разновидность асинхронных двигателей, в обмотки которого включены конденсаторы для создания сдвига фазы тока. [1] Подключаются в однофазную сеть посредством специальных схем. По количеству фаз статора делятся на двухфазные и трёхфазные.

Существует разные схемы подключения, больше вариантов для трёхфазных двигателей, различающиеся способом соединения обмоток двигателя и составом дополнительных элементов, но минимальная работоспособная схема содержит один конденсатор, от чего и происходит название.

Как правило, одна из обмоток («фаза двигателя») запитывается напрямую от однофазной сети, а другие обмотки запитывается через электрический конденсатор, который сдвигает фазу подводимого тока почти на +90°, или через катушку индуктивности, которая сдвигает фазу почти на −90°. Чтобы результирующее вращающееся магнитное поле не было эллиптическим, последовательно с конденсатором включается переменный проволочный резистор, с помощью которого добиваются кругового вращающегося магнитного поля.

Содержание

Применение [ править | править код ]

Промышленные конденсаторные двигатели имеют в основе, как правило, двухфазный двигатель (проще производство и схема подключения). Трёхфазные двигатели переделываются под однофазную сеть обычно в частном порядке или мелкосерийном производстве в силу массовости таких типов двигателей и сетей, выбирая при этом между сложностью схемы и недоиспользованием мощности двигателя.

Такие двигатели используются в основном в бытовой технике малой мощности: активаторных стиральных машинах, механизмах катушечных и стационарных кассетных магнитофонов, недорогих проигрывателях виниловых дисков, вентиляторах и другой подобной технике.

Также такие двигатели применяются в циркуляционных насосах водопроводных и отопительных систем (напр. компании Grundfos), и в воздуходувках и дымососах отопительных и водонагревательных агрегатов (напр. Buderus).

Трёхфазные асинхронные двигатели в однофазную электрическую сеть включают через фазосдвигающий конденсатор.

Первый вывод обмотки электродвигателя подключается к «фазовому» проводу, второй вывод — к нейтральному проводу. Третий вывод обмотки подключается через конденсатор, ёмкость которого подбирается по формулам, в зависимости от того, как соединены обмотки двигателя — звездой или треугольником.

Если обмотки соединены звездой, тогда ёмкость «рабочего» конденсатора должна быть

C W O R K / S T A R = 2800 I U <displaystyle C_=2800<frac >> .

Если обмотки соединены треугольником, тогда ёмкость «рабочего» конденсатора должна быть

C W O R K / T R I A N G L E = 4800 I U <displaystyle C_=4800<frac >> , где

U <displaystyle U> — напряжение сети, вольт;

I <displaystyle I> — рабочий ток двигателя, ампер;

При пуске двигателя кнопкой подключается пусковой конденсатор C L A U N C H <displaystyle C_> , ёмкость которого должна быть в два раза больше ёмкости рабочего. Как только двигатель наберёт нужные обороты, кнопку «Пуск» отпускают.

Переключатель B 2 <displaystyle B_<2>> позволяет изменять направление вращения электродвигателя. Выключатель B 1 <displaystyle B_<1>> отключает электродвигатель.

Используя паспортные данные электродвигателя, можно определить его рабочий ток I <displaystyle I> по формуле:

cos varphi >>> , где

P <displaystyle P> — электрическая мощность двигателя, Ватт;

U <displaystyle U> — напряжение сети, вольт;

cos ⁡ φ <displaystyle cos varphi > — коэффициент мощности.

Преимущества [ править | править код ]

Практически единственный способ реализации асинхронного двигателя в обычной бытовой однофазной сети.

Недостатки [ править | править код ]

Ёмкость конденсатора подобрана для случая оптимальной частоты вращения двигателя. В случае, если частота вращения ниже оптимальной (пуск или большая механическая нагрузка, особенно переменная) противо-ЭДС в обмотке, подключенной через конденсатор, отклоняется от идеального значения, что разбалансирует всю схему и приводит к появлению эллиптического магнитного поля с сильным падением мощности.

Поэтому схема применима только для небольших или для практически постоянных нагрузок, как, например, в проигрывателе виниловых дисков или же отопительном циркуляционном насосе. В пылесосе же, например, это невозможно, и потому там применяется коллекторный двигатель.

Кроме того, конденсаторный двигатель, как и любой асинхронный, предъявляет довольно высокие требования к качеству синусоиды и частоте питающего напряжения. Потому устройства, содержащие такие двигатели нельзя подключать к дешёвому «компьютерному» ИБП — в режиме работы от батарей такой ИБП дает часто не синус, а меандр, иногда с частотой куда выше 50 Гц. Такие устройства требуют online UPS.

Определение пускового конденсатора

Он служит для поддержания тока, на вспомогательной обмотке двигателя и переходит в состояние отключения, когда двигатель начал работать. Работает пусковой конденсатор очень небольшой промежуток времени (порядка нескольких секунд). Пусковой конденсатор обеспечивает надежную работу электрического двигателя, так как максимальная нагрузка на электрический двигатель осуществляется в момент его начала работы и до набора рабочей скорости.

Как и всякий конденсатор, пусковой конденсатор характеризуется емкостью. Пусковые конденсаторы обычно имеют две алюминиевые обкладки, которые разделяет бумага, пропитанная непроводящим электролитом. Часто в пусковых конденсаторах в качестве диэлектрика применяют оксидную пленку, которую наносят на один из электродов. Пусковые конденсаторы изготавливают в небольших корпусах. Диапазон емкостей пусковых конденсаторов от 15 до 600 мкФ. Рабочее напряжение составляет от 110 до 450 В.

Пусковой конденсатор дает возможность повысить показатель магнитного потока, усилить пусковой вращающий момент, что увеличивает срок эксплуатации двигателя.

Пусковые конденсаторы часто применяют в кондиционерах, насосах, бытовой технике.

Схема питания электродвигателя с пусковым конденсатором

Если в схему питания электродвигателя включают пусковой конденсатор, то мы имеем более простой пуск двигателя и соответственно больший срок работы двигателя. Схема подключения однофазного электродвигателя при наличии пускового конденсатора приведена на рис.1

В приведенной схеме пусковая обмотка будет включаться на короткое время старта двигателя. Для того чтобы избежать перегрева дополнительной обмотки в цепь включают термореле. Рабочий и пусковой конденсаторы включают параллельно.

В настоящее время в интернете присутствует большое количество специальных калькуляторов для расчета емкости пускового конденсатора. Для проведения подобных расчетов следует знать: каков тип соединения обмоток у двигателя (треугольник, звезда); какова мощность двигателя; напряжение в сети; коэффициент мощности. Рабочий конденсатор в приведенной на рис.1 схеме необходим для работы электрической сети во время всего времени функционирования двигателя. Пусковой конденсатор должен иметь емкость в 2-3 раза больше, чем рабочий.

При выборе конденсаторов необходимо учитывать интервал рабочей температуры и возможные отклонения емкости от расчета, габариты элементов, а так же некоторые другие параметры.

И так, пусковой конденсатор применяют в схемах электродвигателей, подключая его параллельно рабочему конденсатору, при этом он является фазосмещающим элементом и позволяет получить магнитное поле, которое требуется для увеличения пускового момента электродвигателя. Работает пусковой конденсатор только в момент запуска двигателя.