Подбор конденсатора для запуска однофазного двигателя

Расчет емкости конденсатора асинхронного двухфазного двигателя (конденсаторный двигатель)

Однофазный асинхронный двигатель

Обмотка статора однофазного асинхронного двигателя занимает приблизительно 2/3 окружности, именно по этой причине его мощность на 1/3 меньше мощности трехфазного двигателя таких же габаритов.

Ток, протекая по обмотке статора, создает пульсирующее магнитное поле, которое можно представить как два поля, вращающиеся в разных направлениях. Поле, которое вращается в направлении ротора называется прямым полем, а второе – обратным. Они воздействуют на ротор и создают соответствующие моменты (М_пр и М_обр).

По причине разных направлений вращения эти электрические машины не могут самостоятельно совершить пуск, так как при неподвижном роторе, то есть при S=1, пусковой момент, он же М_рез, равен нолю (смотри Рисунок 1). Однако, если придать движение ротору, то прямой и обратный моменты не будут равны и двигатель продолжит вращение в том же направлении (ток, протекающий по обмотке ротора будет оказывать размагничивающее действие и при этом будет ослабляться обратное поле).

Рисунок 1 — Зависимость механических характеристик от прямого и обратного вращающих полей

Пуск двигателя с помощью пусковых устройств

Для того чтоб запустить однофазный асинхронный двигатель применяют устройства для пуска двигателя:

— Конденсатор – C;

— Резистор – R.

Пуск трехфазных асинхронных двигателей осуществляется более простым способом из-за уже имеющегося в сети сдвига фаз на 120 электрических градусов

Для получения пускового момента используют пусковую обмотку статора, которая по отношению к рабочей обмотке сдвинута на 90 электрических градусов. Применяют фазосдвигающие элементы, которые подключают к пусковой обмотке. Эта обмотка работает, обычно, около 3 первых секунд, после чего принудительно отключается вручную или с помощью автоматов. По этой причине ее изготовляют из провода меньшего сечения и с меньшим количеством витков по сравнению с рабочей обмоткой.

Пуск при помощи резистора производится при малых необходимых пусковых моментах, то есть если нагрузка на валу незначительна. Рисунок 2 иллюстрирует применение пускового а) конденсатора и б) резистора; где Р – рабочая обмотка, П – пусковая обмотка.

Рисунок 2 – Схема подключения однофазного асинхронного двигателя

Двухфазные асинхронные двигатели

Наличие конденсатора значительно улучшает характеристики двигателя, по этой причине используются двухфазные асинхронные двигатели. В них две обмотки являются рабочими, в одну из них вводится конденсатор для смещения угла между фазами на 90 градусов и создания кругового магнитного поля. Такие двигатели называют конденсаторными.

Расчет емкости конденсатора для двигателя:

Емкость такого конденсатора определяется по формуле:

,

где – ток, протекающий в обмотке статора,

sinφ₁ – сдвиг фаз между напряжение и током без конденсатора,

f– частота питающей сети,

U – напряжение сети,

n – коэффициент трансформации.

,

Где и k_об1,k_об2 — обмоточные коэффициенты,

W₁, W₂, — количество витков обмоток статора и ротора.

Напряжение на зажимах конденсатора выше чем напряжение сети и определяется следующей формулой:

Для повышения пусковых характеристик Существуют двигатели в одну обмотку которых ставятся два конденсатора, один из которых пусковой, второй – рабочий. Пусковой конденсатор обычно имеет емкость в разы большую чем рабочий. При этом пусковой отключается при достижении 70-80% номинальной скорости электрической машины.

Рисунок 3 – Пример подключения пары конденсаторов (конденсаторный двигатель)

Преимущества и недостатки конденсаторных двигателей

Недостатки по сравнению с трехфазным двигателем:

— Меньшая мощность;

— Увеличенное скольжение при номинальном режиме;

— Скорость вращения вала при холостом ходу ниже;

— Пониженная кратность пускового момента;

— Повышенная кратность пускового тока.

Преимущества:

— Имеют высокую эксплуатационную надежность;

— Не требуют трехфазного источника тока.

Недостаточно прав для комментирования

Напряжение

Рассматривая различные типы пусковых выпрямителей трехфазного двигателя, подключаемого к однофазной сети, следует принимать во внимание и такой параметр, как рабочее напряжение. Ошибкой будет использование выпрямителя, показатель напряжения которого превышает на порядок требуемый

Помимо высоких затрат на его приобретение придется выделить для него больше места из-за его больших габаритов

Ошибкой будет использование выпрямителя, показатель напряжения которого превышает на порядок требуемый. Помимо высоких затрат на его приобретение придется выделить для него больше места из-за его больших габаритов.

В то же время не стоит рассматривать модели, в которых напряжение имеет меньший показатель, нежели напряжение сети. Устройства с такими характеристиками не смогут эффективно выполнять свои функции и довольно скоро выйдут из строя.

Чтобы свести к не ошибиться при выборе рабочего напряжения , следует придерживаться следующей схемы расчета: итоговый параметр должен соответствовать произведению фактического напряжения сети и коэффициента 1,15, при этом расчетное значение должно составлять не менее 300 В.

В том случае, если выбираются бумажные выпрямители для работы в сети переменного напряжения, то их рабочее напряжение нужно разделить на 1,5-2. Поэтому рабочее напряжение для бумажного конденсатора, для которого производитель указал напряжение в 180 В, в условиях работы в сети переменного тока составит 90-120 В.

Дабы понять, как на практике реализуется идея подключение трехфазного электродвигателя к однофазной сети, выполним эксперимент с использованием агрегата АОЛ 22-4 мощностью 400 (Вт) . Главная задача, которая должна быть решена – запуск двигателя от однофазной сети с напряжением 220 В.

Используемый электродвигатель имеет следующие характеристики:

• показатель мощности вчера– 400 кВт;
• напряжение сети 220В переменного напряжения;
• Ток, все характеристики которого были определены при помощи электроизмерительных клещей в трехфазном режиме работы– 1,9А;
• Схема подключения обмоток «звезда».

Помня о том, что используемый электродвигатель имеет небольшую мощность, при подключении его к однофазной сети можно купить лишь рабочий конденсатор.

Расчет емкости рабочего выпрямителя:

Пользуясь приведенными формулами, возьмем за среднее значение емкости рабочего выпрямителя показатель 25 мкФ. Здесь была выбрана несколько большая емкость, равная 10 мкФ. Так мы попытаемся выяснить, как влияет такое изменение на пуск аппарата.

Теперь нам необходимо купить выпрямители, в качестве последних будут использоваться конденсаторы типа МБГО. Далее на основе подготовленных выпрямителей выполняется сборка требуемой емкости.

В процессе работы следует помнить, что каждый такой выпрямитель имеет емкость 10 мкФ.

Если взять два конденсатора и соединить их друг с другом по параллельной схеме, то итоговая емкость составит 20 мкФ. При этом показатель рабочего напряжения будет равен 160В. Для достижения требуемого уровня в 320 В необходимо взять эти два выпрямитель и подключить их еще к такой же паре, конденсаторов, соединенных параллельно, но уже применив последовательную схему. В итоге суммарная емкость составит 10 мкФ. Когда батарея рабочих конденсаторов будет готова, подключаем ее к двигателю. Далее останется только запустить его в однофазной сети.

В процессе проведенного эксперимента с подключением двигателя к однофазной сети работа потребовала меньше времени и сил. Используя подобный агрегат с выбранной батареей выпрямителей, следует учесть, что его полезная мощность будет находиться на уровне до 70-80 % от номинальной мощности, при этом частота вращения ротора будет соответствовать номинальному показателю.

Важно: если используемый двигатель рассчитан на сеть напряжением 380/220 В, то при подключении к сети следует использовать схему «треугольник»

Обращайте внимание на содержание бирки: бывает так, что там приведено изображение звезды с напряжением 380 В. В этом случае правильную работу двигателя в сети можно обеспечить, выполнив следующие условия

Сперва придется «распотрошить» общую звезду, после чего соединить с клеммником 6 концов. Искать общую точку следует в лобовой части двигателя.

Видео: подключение однофазного двигателя в однофазную сеть

Решение об использовании пускового конденсатора следует принимать исходя из конкретных условий, чаще всего оказывается достаточно рабочего. Однако если используемый двигатель подвергается повышенной нагрузке, то эксплуатацию рекомендуется остановить. В этом случае необходимо правильно определить необходимую емкость устройства, чтобы обеспечить эффективную работу агрегата.

Самый простой способ подключения трехфазного двигателя в однофазную сеть

Подключение трехфазного двигателя на 380-400 вольт в однофазную сеть на 220 вольт может понадобиться, пожалуй, только в одном случае. Когда трехфазный двигатель есть в наличии и хочется его использовать. Потому как чего он будет без дела валяться? И даже сразу находится место, где его можно применить. Например, появляется чрезвычайная необходимость того, чтобы откатные ворота открывались автоматически. И разумеется эти работы необходимо выполнить своими руками и из подручных материалов. Не пугает даже поиск подходящего для этого дела редуктора.

Также часто появляется насущная потребность соорудить циркулярную пилу. Желательно с фуганком. Или же просто идет изготовление очередного точильного станка. Несмотря на то, что есть два покупных разного размера

А уж на то, что однофазный электродвигатель в данном случае был бы более экономичным, просто не обращается внимание

Разумеется существуют разные схемы подключения трёхфазного двигателя в однофазную сеть. Однако, приведенная схема, пожалуй, является наиболее простой. В этой схеме обмотки двигателя соединяются треугольником. В этом случае у двигателя получается наибольший крутящийся момент. То есть, наиболее полно используется мощность электродвигателя

А это немаловажно при подобном подключении. Потому как при подключении в однофазную сеть мощность трехфазного двигателя снижается

К двум вершинам треугольника подключаем напряжение 220 вольт. А к третьей вершине треугольника подключаем один из сетевых контактов через конденсатор. Этот конденсатор называется рабочей ёмкостью. Потому что он включается на все время работы двигателя.

Также параллельно рабочему конденсатору подключается пусковой конденсатор. Он подключается через кнопку включения, которая автоматически отключается после нажатия. Разумеется пусковой конденсатор включается только на время пуска. Если двигатель запускается без пускового конденсатора, то применять этот конденсатор не нужно.

При стандартных частоте 50 герц и напряжении 220-240 вольт ёмкость рабочего конденсатора C (раб.) находится по формуле:

C (раб.) = 66 × P (ном.)

где P (ном.) — номинальная мощность электродвигателя (кВт)

Ёмкость же пускового конденсатора находится по формуле

C (пуск.) = 2 × C (раб.) = 132 × P (ном.)

То есть, ёмкость пускового конденсатора должна быть минимум в два раза больше чем у рабочего.

Так как это простая схема, то для подключения лучше использовать обычные металлобумажные конденсаторы. Однако, в большинстве случаев они имеют малую ёмкость. А значит придётся соединять их в большие блоки. Подобрать нужные параметры часто проблематично. Потому можно также использовать специальные электролитические конденсаторы для работы с электродвигателями переменного тока. Они подключаются также как металлобумажные. А вот схема подключения полярных электролитических конденсаторов имеет более сложное устройство.

Обычно для того, чтобы подобрать нужную ёмкость приходится соединять несколько конденсаторов вместе. При параллельном подключении общая емкость конденсаторов суммируется. Общее напряжение параллельно соединенных конденсаторов равно наименьшему номиналу в цепи. При последовательном соединении конденсаторов общая емкость будет меньше самого маленького номинала в цепи. А общее напряжение конденсаторов при последовательном соединении суммируется.

Напряжение конденсаторов подбирается большей величины, чем напряжение сети. Амплитудное напряжение однофазной сети составляет около 310 вольт. Также необходимо взять запас на различные всплески и импульсы напряжения. Потому напряжение конденсаторов должно быть не менее 450 вольт.

При включении двигатель может начать вращаться не в ту сторону, которая нужна. Для изменения вращения нужно поменять местами два провода, подключенные к двум вершинам треугольника. После этого электродвигатель будет вращаться в другую сторону. Разумеется, подключение двигателя должно осуществляться под защитой автоматического выключателя номиналом, нужным для данной мощности двигателя. Если вы не уверены в правильности собранной схемы, то для проведения монтажных работ лучше пригласить специалиста.

Для вашего удобства подборка публикаций

Источник

Характеристики конденсатора

Основной характеристикой данного элемента является емкость, или С. Она определяет способность устройства собирать электрический заряд, зависит от геометрической конфигурации крышек и от электрической проницаемости диэлектрика между крышками.

Важно! Емкость зависит от типа используемого диэлектрика, а также от геометрических размеров элемента. Для того, чтобы описать принцип работы устройства формулой, необходимо понять, что это постоянная пропорциональность в уравнении, представляющая собой взаимную зависимость накопленного заряда q от площади пластинок и от разности потенциалов V между ними

Для того, чтобы описать принцип работы устройства формулой, необходимо понять, что это постоянная пропорциональность в уравнении, представляющая собой взаимную зависимость накопленного заряда q от площади пластинок и от разности потенциалов V между ними.

Вам это будет интересно Особенности поперечного сечения

Мощность выражается в единицах, называемых фарадами F. Но на практике используются и более мелкие единицы, такие как микрофарады и пикофарады.

Внешний вид устройств

Таким образом, если напряжение U приложено к конденсатору, электрический заряд накапливается на крышках детали. Значение накопленного заряда на каждой пластинке одинаково, они отличаются только знаком. Этот процесс накопления электрического показателя на называется зарядкой.

Другим параметром детали является номинальное напряжение, а именно, его максимальное значение, которое может подаваться на конденсатор. При подключении более высокого напряжения возникает пробой диэлектрика. Это приводит к короткому замыканию элемента. Каким будет номинальное значение напряжения, зависит от типа диэлектрика и его толщины.

Важно! Чем толще диэлектрик, тем выше номинальное напряжение, которое он выдерживает. Условные обозначения

Условные обозначения

Ещё одним параметром является ток утечки -значение проводящего показателя, возникающее при подаче постоянного напряжения на концы элемента.

Включение трехфазного электродвигателя в однофазную сеть питания

Обмотки электродвигателя соединяют двумя способами: звезда (Y) или треугольник (Δ).

При подключении трехфазного двигателя к однофазной сети предпочтительнее соединение типа треугольник. На шильдике двигателя об этом есть информация, и когда там обозначено Y — звезда, самым лучшим вариантом было бы открыть его кожух, найти концы обмоток и правильно переключить обмотки в треугольник. Иначе потери мощности будут слишком большими.

Включение двигателя на одну фазу питающей сети требует создания из нее и двух остальных. Это можно сделать по следующей схеме

При запуске двигателя в работу в самом начале требуется высокий стартовый ток, поэтому емкости рабочего конденсатора обычно не хватает. Чтобы «ему помочь», используют специальный стартовый конденсатор, который подключается к рабочему конденсатору параллельно. В самом простом случае (невысокая мощность двигателя) его выбирают точно таким же, как и рабочий. Но для этой цели выпускаются и специально стартовые конденсаторы, на которых так и написано: starting.

Стартовый конденсатор должен быть включен в работу только во время пуска и разгона двигателя до рабочей мощности. После этого его отключают. Используется кнопочный выключатель. Или двойной: одной клавишей включается сам двигатель и кнопка фиксируется во включенном положении, кнопка же, замыкающая цепь рабочего конденсатора, каждый раз размыкается.

Использование электролитических конденсаторов

Можно применять даже электролитические конденсаторы, но у них есть особенность – они должны работать на постоянном токе. Поэтому, чтобы установить их в конструкцию, потребуется использовать полупроводниковые диоды. Без них использовать электролитические конденсаторы нежелательно – они имеют свойство взрываться.

Но даже если вы установите диоды и сопротивления, это не сможет гарантировать полную безопасность. Если полупроводник пробивается, то на конденсаторы поступит переменный ток, в результате чего произойдет взрыв. Современная элементная база позволяет использовать качественные изделия, например конденсаторы полипропиленовые для работы на переменном токе с обозначением СВВ.

Например, обозначение элементов СВВ60 говорит о том, что конденсатор имеет исполнение в цилиндрическом корпусе. А вот СВВ61 имеет прямоугольной формы корпус. Эти элементы работают под напряжением 400. 450 В. Поэтому они могут без проблем использоваться в конструкции любого аппарата, где требуется подключение асинхронного трехфазного электродвигателя в бытовую сеть.

Основные схемы подключения

В качестве фазозамещающего элемента для подключения однофазного асинхронного двигателя можно использовать разные электромеханические элементы (катушка индуктивности, активный резистор и др.), однако конденсатор обеспечивает наилучший пусковой эффект, благодаря чему и применяется для этого чаще всего.

однофазный асинхронный двигатель и конденсатор

Различают три основные способа запуска однофазного асинхронного двигателя через:

• рабочий;
• пусковой;
• рабочий и пусковой конденсатор.

В большинстве случаев применяется схема с пусковым конденсатором. Это связано с тем, что она используется как пускатель и работает только во время включения двигателя. Дальнейшее вращение ротора обеспечивается за счет пульсирующего магнитного поля рабочей фазы, как уже было описано в предыдущем абзаце. Для замыкания цепи пусковой цепи зачастую используют реле или кнопку.

Поскольку обмотка пусковой фазы используется кратковременно, она не рассчитана на большие нагрузки, и изготавливается из более тонкой проволоки. Для предотвращения выхода её из строя в конструкцию двигателей включают термореле (размыкает цепь после нагрева до установленной температуры) или центробежный выключатель (отключает пусковую обмотку после разгона вала двигателя).

Таким путем достигаются отличные пусковые характеристики. Однако данная схема обладает одним существенным недостатком – магнитное поле внутри двигателя, подключенного к однофазной сети, имеет не круговую, а эллиптическую форму. Это увеличивает потери при преобразовании электрической энергии в механическую и, как следствие, снижает КПД.

Схема с рабочим конденсатором не предусматривает отключение дополнительной обмотки после запуска и разгона двигателя. В данном случае конденсатор позволяет компенсировать потери энергии, что приводит к закономерному увеличению КПД. Однако в пользу эффективности проходится жертвовать пусковыми характеристиками.

Для работы схемы необходимо подбирать элемент с определенной ёмкостью, рассчитанной с учетом тока нагрузки. Неподходящий по емкости конденсатор приведет к тому, что вращающееся магнитное поле будет принимать эллиптическую форму.

Своеобразной «золотой серединой» является схема подключения с использованием обоих конденсаторов – и пускового, и рабочего. При подключении двигателя таким способом его пусковые и рабочие характеристики принимают средние значения относительно описанных выше схем.

На практике для приборов, требующих создания сильного пускового момента используется первая схема с соответствующим конденсатором, а в обратной ситуации – вторая, с рабочим.

Величина емкости: рабочей и пусковой

Удельную ёмкость этих элементов можно высчитать, используя онлайн-калькулятор в сети интернет. Расчёт делают, самостоятельно пользуясь формулами.

Для запускающего элемента

Известны две формулы для определения ёмкости пускового двухполюсника:

• для схемы «звезда» – Cп = 2800*I/U;
• для схемы «треугольник» – Cп = 4800*I/U.

Номинальный ток рассчитывают, пользуясь выражением:

Здесь:

• P – мощность мотора;
• U – напряжение сети;
• η – КПД;
• cosϕ – коэффициент мощности.

Для рабочего элемента

Подобрать рабочий конденсатор можно из расчёта:

Запущенный и устойчиво работающий двигатель нуждается в применении рабочей ёмкости для вращения под нагрузкой.

Для чего необходимо знать энергию

В большинстве случаев применения емкостей в электрических цепях понятие энергии не употребляется. Особенно это относится к время,- и частотозадающим цепям, фильтрам. Но есть области, где необходимо использовать накопители энергии. Наиболее яркий пример –фотографические вспышки. В накопительном конденсаторе энергия источника питания накапливается сравнительно медленно – несколько секунд, но разряд происходит практически мгновенно через электроды импульсной лампы.

Конденсатор, подобно аккумулятору, служит для накопления электрического заряда, но между этими элементами есть много различий. Емкость аккумулятора несравненно выше, чем у конденсатора, но последний способен отдать ее практически мгновенно. Лишь недавно, с появлением ионисторов, это различие несколько сгладилось.

Ионистор

Какова же ориентировочная величина энергии? Можно для примера вычислить ее для уже упомянутой фотовспышки. Пускай, напряжение питания составляет 300 В, а емкость накопительного конденсатора – 1000 мкФ. При полном заряде величина энергии составит 45 Дж. Это довольно большая величина. Прикосновение к выводам заряженного элемента может привести к несчастному случаю.

Конденсатор фотовспышки

Важно! Принудительный разряд путем закорачивания выводов металлическими предметами чреват выходом устройства из строя. Накопленная энергия конденсатора способна за долю секунды расплавить выводы внутри элемента и вывести его из строя

Конденсатор или аккумулятор

Использование таких изделий вместо АКБ ограничено незначительной емкостью серийных электролитических моделей. Ситуация изменилась с появлением ионисторов, которые отличаются увеличенной емкостью (до десятков тыс. фарад). Ниже перечислены особенности, которые следует учесть при сравнении конденсаторов и аккумуляторных батарей.

Преимущества ионисторов:

• длительное сохранение хороших рабочих параметров;
• широкий температурный диапазон (от -40°C до + 60°C);
• надежность;
• простота обращения;
• разумная стоимость.

Недостатки:

• быстрый самостоятельный разряд (15-25% за 24 часа);
• сравнительно небольшой запас энергии (1-1,5 мА на 1 Ф).

Для правильного применения конденсаторов требуется точный предварительный расчет. Как накопители энергии, эти элементы применяют в комплекте с солнечными батареями. В таких наборах при непрерывной эксплуатации обозначенные потери можно признать приемлемыми. Если придется отключить источник питания на длительный срок, предпочтительным выглядит использование АКБ.