Где применяются пусковые конденсаторы

Конденсатор – электронный компонент, предназначенный для накопления электрической энергии. По характеру работы он относится к пассивным элементам. В зависимости от режима работы, в которой работает элемент, различают конденсаторы постоянной емкости и переменной (как вариант — подстроечные). По виду рабочего напряжения: полярные – для работы при определенной полярности подключения, неполярные – могут использоваться как в цепи переменного, так и постоянного тока. При параллельном соединении результирующая емкость суммируется. Это важно знать при подборе необходимой емкости для электрической цепи.

Для запуска и работы асинхронных двигателей в однофазной цепи переменного тока используют конденсаторы:

Пусковой конденсатор предназначен для кратковременной работы – запуск двигателя. После выхода двигателя на рабочую частоту и мощность пусковой конденсатор отключают. Далее работа происходит без участия данного элемента. Это необходимо для определенных двигателей, схема работы которого предусматривает режим запуска, а так же для обычных двигателей, у которых в момент запуска присутствует нагрузка на валу, препятствующая свободному вращению ротора.

Схема подключения пускового конденсатора к асинхронному двигателю

Для запуска двигателя используют кнопку Кн1, которая коммутирует пусковой конденсатор С1 на время, необходимое для выхода электродвигателя на необходимую мощность и обороты. После этого конденсатор С1 отключают и мотор работает за счет сдвига фаз в рабочих обмотках. Рабочее напряжение такого конденсатора необходимо выбирать с учетом коофициента 1,15, т.е. для сети 220 В рабочее напряжение конденсатора должно быть 220*1,15= 250 В. Емкость пускового конденсатора можно рассчитать по исходным параметрам электродвигателя.

Рабочий конденсатор подключен к цепи все время и выполняет функцию фазосдвигающей цепи для обмоток электродвигателя. Для уверенной работы такого двигателя необходимо рассчитать параметры рабочего конденсатора. В связи с тем, что конденсатор и обмотка электродвигателя создают колебательный контур, в момент перехода из одной фазы цикла в другую на конденсаторе возникает повышенное напряжение, превышающее напряжение питания.

При определении емкости этого элемента в расчет берут мощность двигателя и схему соединения обмоток.

Различают два вида соединения обмоток трехфазного двигателя:

Для каждого из этих способов соединения свой расчет.

Треугольник: Ср=4800*Ip/Up.

Пример: для двигателя мощностью 1 кВт – ток составляет примерно 5А, напряжение 220 В. Ср = 4800*5/220. Емкость рабочего конденсатора составит 109 мФ. Округлить до ближайшего целого – 110 мФ.

Звезда: Ср=2800*Ip/Up.

Пример: двигатель 1000 Вт – ток составляет примерно 5 А, напряжение 220 В. Ср=2800*5/220. Емкость рабочего конденсатора составит 63,6 мФ. Округлить до ближайшего целого – 65 мФ.

Из расчетов видно, что способ соединения обмоток очень сильно влияет на величину рабочего конденсатора.

Сравнение рабочего и пускового конденсатора

Сравнительная таблица применения конденсаторов для асинхронных двигателей, включенных на напряжение 220 В.

РАБОЧИЙ	ПУСКОВОЙ
Где применяется	В цепи рабочих обмоток асинхронного двигателя	В пусковой цепи
Выполняемые функции	Создание вращающегося электромагнитного поля для работы электромотора	Сдвиг фаз между пусковой и рабочей обмоткой, запуск двигателя под нагрузкой
Время работы	От включения до окончания работы	Во время запуска до выхода на нужный режим.
Тип конденсатора	МБГО, МБГЧ и подобные нужного номинала и напряжения 1,15 выше питающего	МБГО, МБГЧ и подобные нужного номинала и на рабочее напряжение в 2-3 раза превышающее напряжение питания

В связи с тем, что указанные типы конденсаторов имеют относительно большие габариты и стоимость, в качестве рабочего и пускового конденсатора можно использовать полярные (оксидные) конденсаторы.

Они обладают следующим достоинством: при малых габаритах они имеют намного большую емкость, чем бумажные.

Наряду с этим существует весомый недостаток: включать в сеть переменного тока напрямую их нельзя. Для использования совместно с двигателем, нужно применить полупроводниковые диоды. Схема включения несложная, но в ней есть недостаток: диоды должны быть подобраны в соответствии с токами нагрузки. При больших токах диоды необходимо устанавливать на радиаторы. Если расчет будет неверным, или теплоотвод меньшей площади, чем требуется, диод может выйти из строя и пропустит в цепь переменное напряжение. Полярные конденсаторы рассчитаны на постоянное напряжение и при попадании на них напряжения переменного они перегреваются, электролит внутри них закипает и они выходят из строя, что может принести вред не только электромотору, но и человеку, обслуживающему данное устройство.

Напряжение 220 В – является напряжением опасным для жизни. В целях соблюдения правил безопасной эксплуатации электроустановок потребителей, сохранения жизни и здоровья лиц, эксплуатирующих данные устройства, применение данных схем включения должен проводить специалист.

Часто для подключения асинхронного трехфазного двигателя в бытовую электросеть используются конденсаторы для запуска электродвигателя. Для них рабочим является напряжение 380 В, которое применяется во всех сферах производства.

Но рабочее напряжение бытовой сети у нас 220 В. И для того, чтобы подключить промышленный трехфазный двигатель к обычной потребительской сети, используются фазосдвигающие элементы:

• пусковой конденсатор;
• рабочий конденсатор.

Пусковой конденсатор.

Схемы подключения при рабочем напряжении в 380 В

Выпускаемые промышленностью асинхронные трехфазные двигатели возможно подключить двумя основными способами:

• соединение «звездой»;
• соединение «треугольником».

Электродвигатели конструктивно выполняются из подвижного ротора и корпуса, в который вставлен находящийся неподвижно статор (может быть собран непосредственно в корпусе или вставляться туда). Статор имеет в своем составе 3 равнозначные обмотки, специальным образом намотанные и расположенные на нем.

При соединении «звездой» концы всех трех обмоток двигателя соединяются вместе, а к их началам подаются три фазы. При соединении обмоток «треугольником» конец одной соединяется с началом следующей.

Соединение треугольник и звезда.

Принцип работы двигателя

При работе электродвигателя, подключенного к трехфазной сети 380 В, в каждую из его обмоток последовательно подается напряжение и по каждой из них протекает ток, создающий переменное магнитное поле, которое воздействует на ротор, закрепленный подвижно на подшипниках, который заставляет его вращаться. Для запуска при таком варианте работы никаких дополнительных элементов не нужно.

Если один из трехфазных асинхронных электродвигателей подключить к однофазной сети 220 В, то вращающий момент не возникнет и двигатель не запустится. Для запуска от однофазной сети трехфазных устройств, придумано множество различных вариантов.

Одним из самых простых и распространенных среди них является применение фазового сдвига. Для этого используются различные фазосдвигающие конденсаторы для электродвигателей, через которые подключается контакт третьей фазы.

Кроме этого, обязательно наличие еще одного элемента. Это пусковой конденсатор. Он предназначен для запуска самого двигателя и должен работать только в момент запуска порядка 2-3 секунд. Если его оставить включенным на длительное время, то обмотки двигателя быстро перегреются и он выйдет из строя.

Чтобы это реализовать, можно использовать специальный выключатель, у которого есть две пары включаемых контактов. При нажатой кнопке одна пара фиксируется до последующего нажатия кнопки «Стоп», а вторая будет замкнута только тогда, когда нажимается кнопка «Пуск». Это предотвращает выход электродвигателя из строя.

Схемы подключения для рабочего напряжения в 220 В

Из-за того, что существует два основных варианта подключения обмоток электродвигателей, схем подвода бытовой сети будет тоже две. Обозначения:

• «П» – выключатель, осуществляющий пуск;
• «Р» – специальный переключатель, предназначенный для реверса двигателя;
• «Сп» и Ср» – пусковой и рабочий конденсаторы соответственно.

При подключении к сети 220 В у трехфазных электродвигателей появляется возможность менять направление вращения на противоположное. Это можно осуществлять при помощи тумблера «Р».

Схема подвода бытовой сети.

Внимание! Менять направление вращения можно лишь при отключении питающего напряжения и полной остановке электродвигателя, чтобы не сломать его.

«Сп» и «Ср» (рабочие и пусковые конденсаторы) можно рассчитать по специальной формуле: Ср=2800*I/U, где I – потребляемый ток, U – номинальное напряжение электродвигателя. После вычисления Ср можно подобрать и Сп. Емкость конденсаторов пусковых должна быть больше минимум в два раза, чем у Ср. Для удобства и упрощения выбора можно принять за основу следующие значения:

• М = 0,4 кВт Ср = 40 мкФ, Сп = 80 мкФ;
• М = 0,8 кВт Ср = 80 мкФ, Сп = 160 мкФ;
• М = 1,1 кВт Ср = 100 мкФ, Сп = 200 мкФ;
• М = 1,5 кВт Ср = 150 мкФ, Сп = 250 мкФ;
• М = 2,2 кВт Ср =230 мкФ, Сп = 300 мкФ.

Где М – номинальная мощность используемых электродвигателей, Ср и Сп – рабочие и пусковые конденсаторы.

Некоторые особенности и советы при работе от бытовой сети в 220 В

При использовании асинхронных электродвигателей, рассчитанных для рабочего напряжения 380 В в бытовой сфере, подключив их к сети 220 В, вы теряете около 50% номинальной мощности двигателей, но при этом скорость вращения ротора остается неизменной. Помните об этом, выбирая необходимую для работы мощность.

Уменьшить потери мощности можно, применив соединение обмоток «треугольником», при нем КПД электродвигателя останется где-то на уровне 70%, что будет ощутимо выше, чем при соединении обмоток «звездой».

Поэтому если технически осуществимо в распределительной коробке самого электродвигателя поменять соединение «звезда» на соединение «треугольник», то сделайте это. Ведь приобретение «дополнительных» 20% мощности будет хорошим шагом и помощью в работе.

При выборе конденсаторов пусковых и рабочих имейте в виду, что их номинальное напряжение должно быть минимум в 1,5 раза больше, чем напряжение в сети. То есть для сети в 220 В желательно для запуска и стабильной работы использовать емкости, рассчитанные на напряжение 400 – 500 В.

Двигатели с рабочим напряжением 220/127 В можно подключать только «звездой». При использовании другого соединения вы при пуске его просто сожжете, и останется только сдать все в утиль.

Если вы не можете подобрать конденсатор, использующийся для пуска и при работе, то можно взять их несколько и соединить параллельно. Общая емкость в этом случае подсчитывается следующим образом: Собщ = С1+С2+….+Ск, где к – необходимое их количество.

Иногда, особенно при значительной нагрузке, он сильно перегревается. В этом случае степень нагрева можно попытаться уменьшить, меняя емкость Ср (рабочего конденсатора). Ее постепенно снижают, проверяя при этом нагрев двигателя. И наоборот, если рабочая емкость недостаточна, то выходная мощность, выдаваемая устройством, будет маленькой. В этом случае можно попробовать увеличить емкость конденсатора.

Для более быстрого и легкого пуска устройства, если существует такая возможность, отключайте от него нагрузку. Это касается именно тех двигателей, которые были переделаны с сети 380 В на сеть 220 В.

Заключение по теме

Если вы хотите использовать для своих нужд промышленный трехфазный электродвигатель, то к нему нужно собрать дополнительную схему подключения, учитывая все необходимые для этого условия. И обязательно помните, что это электрическое оборудование и необходимо соблюдать все нормы и правила безопасности при работе с ним.

Добрый день, уважаемые читатели блога nasos-pump.ru

В рубрике «Принадлежности» рассмотрим конденсаторы для однофазных асинхронных двигателей переменного тока. У трехфазных двигателей при подключении к сети питания возникает вращающееся магнитное поле, за счет которого и происходит запуск двигателя. В отличие от трехфазных двигателей, у однофазных в статоре имеется две обмотки рабочая и пусковая. Рабочая обмотка подключена к однофазной сети питания напрямую, а пусковая последовательно с конденсатором. Конденсатор необходим для создания сдвига фаз между токами рабочей и пусковой обмоток. Самый большой вращающий момент в двигателе возникает тогда, когда сдвиг фаз токов обмоток достигает 90°, а их амплитуды создают круговое вращающееся поле. Конденсатор является элементом электрической цепи и предназначен для использования его ёмкости. Он состоит из двух электродов или правильней обкладок, которые разделёны диэлектриком. Конденсаторы имеют возможность накапливать электрическую энергию. В Международной системе единиц СИ за единицу ёмкости принимается ёмкость конденсатора, у которого на один вольт возрастает разность потенциалов при сообщении ему заряда в один кулон (Кл). Емкость конденсаторов измеряется в фарадах (Ф). Емкость в одну фараду очень большая. На практике используются более мелкие единицы измерения микрофарады (мкФ) одна мкФ равняется 10 -6 Ф, пикофарады (пФ) одна пФ равняется 10 -12 мкФ. В однофазных асинхронных двигателях в зависимости от мощности используются конденсаторы емкостью от нескольких до сотен мкФ.

Основные электрические параметры и характеристики

К основным электрическим параметрам конденсаторов для асинхронных двигателей относятся: номинальная емкость конденсатора и номинальное рабочее напряжение. Кроме этих параметров существует еще температурный коэффициент емкости (ТКЕ), тангенс угла потерь (tgd), электрическое сопротивление изоляции.

Емкость конденсатора. Свойство конденсатора накапливать и удерживать электрический заряд характеризуется его емкостью. Емкость (С) определяется как отношение накопленного в конденсаторе заряда (q), к разности потенциалов на его электродах или приложенному напряжению (U). Емкость конденсаторов зависит от размеров и формы электродов, их расположения друг относительно друга, а также материала диэлектрика который разделяет электроды. Чем емкость конденсатора больше, тем и накопленный им заряд больше Удельная ёмкость конденсатора – выражает отношение его ёмкости к объёму. Номинальная ёмкость конденсатора – это ёмкость, которую имеет конденсатор согласно нормативной документации. Фактическая же ёмкость каждого отдельного конденсатора отличается от номинальной, но она должна быть в пределах допускаемых отклонений. Значения номинальной ёмкости и ее допустимое отклонение в различных типах конденсаторов постоянной ёмкости установлена стандартом.

Номинальное напряжение – это то значение напряжения обозначенное на конденсаторе, при котором он работает в заданных условиях длительное время и при этом сохраняет свои параметры в допустимых пределах. Значение номинального напряжения зависит от свойств используемых материалов и конструкции конденсаторов. В процессе эксплуатации рабочее напряжение на конденсаторе не должно превышать номинальное. У многих типов конденсаторов при увеличении температуры допустимое номинальное напряжение снижается.

Температурный коэффициент емкости (ТКЕ) – это параметр выражающий линейную зависимостью емкости конденсатора от температуры внешней среды. На практике ТКЕ определятся как относительное изменение емкости при изменении температуры на 1°С. Если эта зависимость нелинейная, то ТКЕ конденсатора характеризуется относительным изменением емкости при переходе от нормальной температуры (20±5°С) к допустимому значению рабочей температуры. Для конденсаторов используемых в однофазных двигателях этот параметр важный и должен быть как можно меньше. Ведь в процессе эксплуатации двигателя его температура повышается, а конденсатор находится непосредственно на двигателе в конденсаторной коробке.

Тангенс угла потерь (tgd). Потеря накопленной энергии в конденсаторе обусловлена потерями в диэлектрике и его обкладках. Когда через конденсатор протекает переменный ток, то векторы тока и напряжения сдвинуты относительно друг друга на угол (d). Этот угол (d) и называют углом диэлектрических потерь. Если потери отсутствуют, то d=0. Тангенс угла потерь это отношение активной мощности (Pа) к реактивной (Pр) при напряжении синусоидальной формы определённой частоты.

Электрическое сопротивление изоляции – электрическое сопротивление постоянному току, определяется как отношение приложенного к конденсатору напряжения (U) , к току утечки (I ут ), или проводимости. Качество применяемого диэлектрика и характеризует сопротивление изоляции. Для конденсатора с большой емкостью сопротивление изоляции обратно пропорционально его площади обкладок, или его ёмкости.

На конденсаторы оказывает очень сильное воздействие влага. Асинхронные электродвигатели используемые в насосном оборудовании перекачивают воду, и высока вероятность попадания влаги на двигатель и в конденсаторную коробку. Воздействие влаги приводит к снижению сопротивления изоляции (возрастает вероятность пробоя), увеличению тангенса угла потерь, коррозии металлических элементов конденсатора.

Кроме всего при эксплуатации двигателя на конденсаторы воздействует различного вида механические нагрузки: вибрация, удары, ускорение и т.д. Как следствие могут появится обрыв выводов, трещины и уменьшение электрической прочности.

Рабочий и пусковой конденсаторы

В качестве рабочих и пусковых используются конденсаторы с оксидным диэлектриком (ранее они назвались электролитическими) Рабочие и пусковые конденсаторы для асинхронных двигателей включаются в сеть переменного тока, и они должны быть неполярными. Они имеют сравнительно большое 450 вольт для оксидных конденсаторов рабочее напряжение, которое в два раза превышает напряжение промышленной сети. На практике применяются конденсаторы с емкостью порядка десятков и сотен микрофарад. Как мы говорили выше, рабочий конденсатор используется для получения вращающего магнитного поля. Пусковая же емкость используется для получения магнитного поля, необходимого для повышения пускового момента электродвигателя. Пусковой конденсатор подключается параллельно рабочему через центробежный выключатель. Когда есть пусковая емкость вращающееся магнитное поле асинхронного двигателя в момент пуска приближается к круговому, а магнитный поток увеличивается. Это повышает пусковой момент и улучшает характеристики двигателя. При достижении асинхронным двигателем оборотов достаточных для отключения центробежного выключателя, пусковая емкость отключается и двигатель остается в работе только с рабочим конденсатором. Схема включения рабочего и пускового конденсаторов приведены на (Рис. 1).

Схема с рабочим и пусковым конденсаторами

В таблице приведены обособленные характеристики рабочих и пусковых конденсаторов для асинхронных двигателей .

Назначение Для асинхронных электродвигателей Для асинхронных электродвигателей Схема подключения Последовательно с пусковой обмоткой электродвигателя Параллельно рабочему конденсатору В качестве Фазосмещающего элемента Фазосмещающего элемента Для чего Для получения кругового вращающееся магнитного поля, необходимого для работы электродвигателя Для получения магнитного поля, необходимого для повышения пускового момента электродвигателя Время включения В процессе эксплуатации электродвигателя В момент пуска электродвигателя

Эксплуатация, обслуживание и ремонт

В процессе эксплуатации насосного оборудования с однофазным асинхронным двигателем особое внимание следует обращать на питающее напряжение электрической сети. В случае пониженного напряжения сети, как известно, снижается пусковой момент и частота вращения ротора, из-за увеличения скольжения. При низком напряжении увеличивается также нагрузка на рабочий конденсатор и возрастает время запуска двигателя. В случае значительного провала напряжения питания более 15% высока вероятность того, что асинхронный двигатель не запустится. Очень часто при низком напряжении выходит из строя рабочий конденсатор из-за повышенных токов и перегрева. Он расплавляется и из него вытекает электролит. Для ремонта необходимо приобрести и установить новый конденсатор соответствующей емкости. Очень часто случается, что нужного конденсатора под рукой нет. В этом случае можно подобрать требуемую емкость из двух или даже трех и четырех конденсаторов, подключив их параллельно. Здесь следует обратить внимание на рабочее напряжение, оно должно быть не ниже, чем напряжение на заводском конденсаторе. Общая емкость конденсатора(ов) должна отличаться от номинала не более чем 5%. Если установить емкость большего номинала, то двигатель запустится в работу и будет работать, но при этом начнет греться. Если с помощью клещей измерить номинальный ток двигателя, то ток будет завышен. Так как полное электрическое сопротивление цепи в обмотках двигателя состоит из активного сопротивления цепи и реактивного сопротивления обмоток двигателя и емкости, то с увеличением емкости общее сопротивление возрастает. Сдвиг фаз токов в обмотках из-за увеличения полного сопротивления электрической цепи обмоток после запуска двигателя сильно уменьшится, магнитное поле из синусоидального превратится в эллиптическое, и рабочие характеристики асинхронного двигателя очень сильно ухудшаются, снижается КПД и возрастают тепловые потери.

Иногда бывает, что вместе с конденсатором выходит из строя и пусковая обмотка однофазного двигателя. В такой ситуации стоимость ремонта резко возрастает, ибо надо не только заменить конденсатор, но еще и перемотать статор. Как известно, перемотка статора одна из самых дорогих операций при ремонте двигателя. Очень редко, но бывает и такая ситуация когда при низком напряжении выходит из строя только пусковая обмотка, а конденсатор при этом остается рабочим. Для ремонта двигателя нужно перематывать статор. Все эти ситуации с двигателем случаются при низком напряжении однофазной питающей сети. Для решения этой проблемы в идеальном случае необходим стабилизатор напряжения.