Как подобрать конденсаторы для электродвигателя. Как рассчитать конденсатор пусковой для подключения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть
Асинхронные двигатели получили широкое применение в промышленности. Но электрические агрегаты небольшой мощности с успехом могут быть использованы и в быту. Для его функционирования необходимо вращающееся магнитное поле.
Однако однофазные двигатели не будут вращаться без созданного сдвига фаз, который организуется при помощи дополнительной обмотки и фазосдвигающим элементом. В качестве последнего подойдут конденсаторы MAL2118 .
Конденсатор можно подключить различными методами. Существует три различные схемы:
- пусковая;
- рабочая;
- смешанная.
Стоит отметить, что наиболее распространённой схемой является первая (пусковая). Её отличительная особенность заключается в том, что конденсатор включается в сеть двигателя только на момент его старта.
Затем электрический агрегат самостоятельно поддерживает своё вращение. Подобная схема включения позволяет не только экономить средства на установке комплектации (провода меньшего сечения), но и экономить на электроэнергии.
Не нужно забывать о том, что существует весьма вероятная угроза перегрева, которая в большинстве случаев зависит от местности в которой используется двигатель. В качестве защиты рекомендуется установить термореле.
Означенная схема выгодна в первую очередь тем, что позволяет исправлять искажения магнитного поля, тем самым сокращая потери на вихревые токи и повышая коэффициент полезного действия.
Конденсатор остаётся включённым весь период работы двигателя. Однако и в этом методе есть ложка дёгтя. Включение с рабочим конденсатором значительно ухудшает пусковые характеристики асинхронной машины.
Именно по этой причине инженеры советуют прийти к компромиссу и использовать сразу две схемы, объединённые в одну.
Благодаря использованию сразу двух схем, пусковые характеристики будут средними (вполне приемлемыми с точки зрения использования ресурсов).
Помните! Перед тем, как выполнять включение при помощи конденсатора, необходимо в обязательно порядке при помощи мультиметра оценить работоспособность электрического элемента (даже если он абсолютно новый).
Александр Шенрок наглядно продемонстрирует методы пуска асинхронного двигателя при помощи конденсатора:
добавил комментарий на ютубе:
всё несколько проще. В любом вменяемом учебнике, с названием “Электрические машины”, в конце раздела, посвящённого теории асинхронного двигателя, рассматривается вопрос работы асинхронника в однофазном режиме, с различными схемами подключения обмоток. Там же приводятся формулы расчёта ёмкости рабочих и пусковых конденсаторов. Точный расчёт, довольно сложен – нужно знать специфические параметры двигателя. Упрощённая методика расчёта имеет следующий вид: Звезда Сраб = 2800 (Iном / Uсет); Спуск = Сраб 2÷3 (при тяжёлых условиях запуска, кратность 5); Треугольник Сраб = 4800 (Iном / Uсет); Спуск = Сраб 2÷3 (при тяжёлых условиях запуска, кратность 5); где, Сраб – ёмкость рабочего конденсатора, мкФ; Спуск – ёмкость пускового конденсатора, мкФ; Iном – номинальный фазный ток двигателя при номинальной нагрузке, А; Uсет – напряжение сети, к которой будет подключён двигатель, В. Пример расчета. Исходные данные: имеем асинхронный электродвигатель – 4 кВт; схема соединения обмоток –Δ / Y напряжение U – 220 / 380 В; ток I – 8 / 13,9 А. По токам мотора: 8 А – это фазный ток (т.е. ток каждой из трёх обмоток) двигателя на треугольнике и звезде, и он же линейный ток на звезде; 13,9 А – это линейный ток двигателя на треугольнике (в расчётах нам не понадобится). Ну, и, собственно, сам расчёт: Звезда Сраб = 2800 (Iном / Uсет) = 2800 (8 / 220) = 101,8 мкФ Спуск = Сраб 2÷3 = 101,8 2÷3 = 203,6÷305,4 мкФ (при тяжёлых условиях запуска – 509 мкФ) Треугольник Сраб = 4800 (Iном / Uсет) = 4800 (8 / 220) = 174,5 мкФ Спуск = Сраб 2÷3 = 174,5 2÷3 = 349÷523,5 мкФ (при тяжёлых условиях запуска – 872,5 мкФ) Тип рабочего конденсатора – полипропиленовый (импортный СВВ-60 или отечественный аналог – ДПС). Напряжение кондёра не меньше 400 В по переменке (пример маркировки: АС ~ 450 В), для советских бумажных МБГО рабочая напруга должна быть не меньше 500 В, если меньше – соединять последовательно, но это потеря ёмкости, естественно – так много кондёров набирать придётся). Для пусковых конденсаторов лучше, конечно, тоже использовать полипропиленовые или бумажные, но это будет дорого и громоздко. Для удешевления, можно взять полярные электролитические (это те, у которых на корпусе есть « + » и/или « – »), предварительно сделав из двух полярных электролитов, один неполярный, соединив два конденсатора минусами вместе (можно соединять и плюсами, но у некоторых конденсаторов минус соединён с корпусом этих кондёров и если соединять их плюсами, то придётся эти кондёры изолировать не только от окружающего “железа”, но и друг от друга, а иначе КЗ), а оставшиеся два плюса оставить для подключения к обмоткам мотора (не забываем, что при последовательном соединении двух одинаковых конденсаторов их суммарная ёмкость уменьшается в два раза, а рабочее напряжение в два раза увеличивается – например, соединив последовательно (минус к минусу) два конденсатора 400 В 470 мкФ, получим один неполярный кондёр с рабочим напряжением 800 В и ёмкостью 235 мкФ). Рабочее напряжение каждого из двух последовательно соединённых электролитов, должно быть не меньше 400 В. Нужную пусковую ёмкость набираем (при необходимости) параллельным соединением таких сдвоенных (т.е. уже неполярных) электролитов – при параллельном соединении конденсаторов, рабочее напряжение остаётся неизменным, а ёмкости суммируются (так же, как и при параллельном соединении аккумуляторов). Можно и не изобретать этот “колхоз” со сдвоенными электролитами – есть готовые пусковые неполярные электролиты – например, тип CD-60. Но, в любом случае, с электролитами (и неполярными, и уж тем более с полярными) есть одно НО – такие конденсаторы в сеть 220 В можно включать (полярные лучше вообще не включать) только на время запуска двигателя – использовать электролиты как рабочие конденсаторы нельзя – взорвутся (полярные почти сразу, неполярные чуть позже). С рабочим конденсатором на треугольнике двигатель теряет 25-30 % свой трёхфазной мощности, на звезде 45-50 %. Без рабочего конденсатора, в зависимости от схемы соединения обмоток, потеря мощности составит более 60 %. И ещё один момент по кондёрам: в youtube немало видео, где народ подбирает рабочие конденсаторы по звуку мотора на холостом ходу (без нагрузки) и пугаясь повышенного гудения двигателя, уменьшает ёмкость рабочих конденсаторов до тех пор, пока это гул не снизится до более-менее приемлемого. Это неправильный подбор рабочего кондёра – так занижается мощность двигателя под нагрузкой. Да, повышенное гудение мотора это не очень хорошо, но не слишком опасно для обмоток, если ёмкость рабочего конденсатора не завышена. Дело в том, что в идеале, ёмкость рабочего конденсатора должна плавно меняться, в зависимости от нагрузки двигателя – чем больше нагрузка, тем больше должна быть ёмкость. Но сделать такую плавную регулировку ёмкости довольно сложно, это и дорого, и громоздко. Поэтому подбирают такую ёмкость, которая будет соответствовать какой-то конкретной нагрузке мотора – как правило, номинальной. При соответствии ёмкости рабочего конденсатора расчётной нагрузке двигателя, магнитное поле статора круговое и гудение минимально. Но когда ёмкость рабочего конденсатора превышает нагрузку мотора, магнитное поле статора становится эллиптическим, пульсирующим, неравномерным, и вот это пульсирующее магнитное поле и вызывает гудение, из-за неравномерного вращения ротора – ротор, вращаясь в одном направлении, попутно дёргается то вперёд, то назад, и при повышенных токах в обмотках, двигатель развивает меньшую мощность. Поэтому если мотор гудит на средних нагрузках и на холостом ходу, то это не так страшно, а вот если гудение наблюдается при полной нагрузке, то это говорит о явно завышенной ёмкости рабочего кондёра. В этом случае, уменьшение ёмкости позволит снизить токи в обмотках двигателя и его нагрев, выровнять (“скруглить”) магнитное поле статора (т.е. уменьшить гудение) и повысить развиваемую мотором мощность. Но оставлять мотор в работе на холостом ходу длительное время с рабочим кондёром, рассчитанным на полную мощность двигателя, всё же не стоит – в этом случае на рабочем конденсаторе будет повышенное напряжение (до 350 В), а по обмотке, подключенной последовательно с рабочим конденсатором, будет протекать повышенный ток (на 30 % больше номинального – на треугольнике, и на 15 % - на звезде). При увеличении нагрузки на мотор, напряжение на рабочем кондёре и ток в последовательно соединённой с рабочим кондёром обмотке двигателя будут снижаться.
Радиолюбители используют алюминиевые, танталовые, керамические конденсаторы и многие другие. От правильного выбора конденсатора зависит его надежность при эксплуатации, так как использовать его надо в таких режимах работы, которые не превышают заданные условия. Для этого нужно определить значения номинальных параметров и допустимые их изменения в процессе работы, возможные режимы и электрические нагрузки, конструкцию, показатели надежности и долговечности, варианты монтажа, размеры и массу.
Практика работы показывает, что разрешенное напряжение, обозначенное на его корпусе, не должно быть меньше, чем на электрической схеме. Можно выбрать больше на 20-30%. Емкость может быть использована в пределах +-10%, но лучше брать ее не меньше, чем на электрической схеме.
Если конденсаторы должны находиться в цепи питания, шунтировать ВЧ (высокие частоты), тогда лучше использовать керамические. Если они должны быть установлены в частотозадающем каскаде, тогда лучше брать их с малым ТКЕ (температурный коэффициент емкости), чтобы не было дрейфа частоты. Во всех случаях конденсаторы следует использовать при меньших нагрузках и облегченных режимах (по сравнению с максимально допустимыми).
Дополнительные сведения по выбору конденсатора
Выполненный монтаж и крепление должны обеспечивать нужную механическую прочность, отличный электрический контакт и отсутствие резонансных явлений. Их приспособления (для крепления) не должны повредить корпус и защитные покрытия, а также ухудшать условия отвода тепла. Никогда не надо применять конденсаторы сомнительного происхождения (например, электролитические, выполненные некачественно могут взрываться). Надо обращать внимание на удобство установки и наличие защиты выводных контактов от случайного замыкания.
Радиолюбители выбирают конденсаторы по их емкостям и рабочим напряжениям. Но есть и другие характеристики, на которые нужно обращать внимание. Конденсаторы еще не имеют идеальных параметров, поэтому они обладают такими свойствами, как ESR (Effective Series Resistance) - эквивалентное последовательное сопротивление и ESI (Effective Series Inductance) - эквивалентная последовательная индуктивность. На их емкость влияет температура, напряжение, механические воздействия. При неправильном выборе конденсатора может появиться повышенное потребление тока и увеличенный уровень шумов, нестабильная работа всей конструкции.
Многие владельцы довольно часто оказываются в ситуации, когда требуется подключить в гараже или на даче такое устройство, как трехфазный асинхронный двигатель к различному оборудованию, в качестве которого может выступать наждачный или сверлильный станок. При этом возникает проблема, поскольку источник рассчитан на однофазное напряжение. Что же здесь делать? На самом деле эту проблему решить довольно легко путем подключения агрегата по схемам, используемым для конденсаторных. Чтобы реализовать этот замысел, потребуются рабочее и пусковое устройство, часто именуемые как фазосдвигающие.
Для обеспечения правильной работы электродвигателя нужно рассчитать определённые параметры.
Для рабочего конденсатора
Чтобы подобрать эффективную емкость устройства, необходимо выполнить расчеты по формуле:
- I1 – номинальный показатель тока статора, для измерения которого применяют специальные клещи;
- Uсети – напряжение сети с одной фазой, (В).
После выполнения расчетов получится емкость рабочего конденсатора в мкФ.
Возможно для кого-то будет затруднительно рассчитать этот параметр по приведенной выше формуле. Однако в этом случае можно воспользоваться и другой схемой расчета емкости, где не нужно проводить столь сложных операций. Этот метод позволяет достаточно просто определить необходимый параметр на основании только мощности асинхронного двигателя.
Здесь достаточно помнить о том, что 100 Ватт мощности трехфазного агрегата должно соответствовать около 7 мкФ емкости рабочего конденсатора.
При расчётах нужно следить за током, который поступает на фазную обмотку статора в выбранном режиме. Недопустимым считается, если ток имеет большее значение, нежели номинальный показатель.
Для пускового конденсатора
Бывают ситуации, когда электродвигатель приходится включать в условиях большой нагрузки на валу. Тогда одного рабочего конденсатора будет недостаточно, поэтому к нему придется добавить пусковой конденсатор. Особенностью его работы является то, что он будет работать лишь в период пуска аппарата не более 3 секунд, чего используется ключ SA. Когда же ротор выйдет на уровень номинальной частоты вращения, прибор отключается.
Если по недосмотру владелец оставил включенными пусковые устройства, это приведет к образованию существенного перекоса по токам в фазах. В таких ситуациях высока вероятность перегрева двигателя. При определении емкости следует исходить из того, что величина этого параметра должна в 2,5-3 раза превосходить емкость рабочего конденсатора. Действуя подобным образом, можно добиться того, что пусковой момент двигателя достигает номинального показателя, в результате чего во время его запуска не возникает осложнений.
Для создания требуемой емкости конденсаторы могут подключаться по параллельной и последовательной схеме. Следует иметь в виду эксплуатация трехфазных агрегатов мощностью не более 1 кВт допускается в том случае, если их подключение осуществляется к однофазной сети при наличии исправного устройства. Причем здесь можно обойтись и без пускового конденсатора.
Тип
После расчетов нужно определить, какой тип конденсатора может использоваться для выбранной схемы
Наилучший вариант, когда применяется аналогичный тип для обоих конденсаторов. Обычно работу трехфазного двигателя обеспечивают бумажные пусковые конденсаторы, облаченные в стальной герметичный корпус типа МПГО, МБГП, КБП или МБГО.
Большая часть этих устройств выполнена в виде прямоугольника. Если взглянуть на корпус, то там приведены их характеристики:
- Емкость (мкФ);
- Рабочее напряжение (В).
Применение электролитических устройств
Используя бумажные пусковые конденсаторы, нужно помнить о следующем негативном моменте: они имеют довольно большие размеры, обеспечивая при этом небольшую емкость. По этой причине для эффективной работы трехфазного двигателя небольшой мощности приходится использовать достаточно большое количество конденсаторов. При желании бумажные можно заменить и электролитическими. В этом случае их необходимо подключать несколько иным способом, где обязательно должны присутствовать дополнительные элементы, представленные диодами и резисторами.
Однако специалисты не советуют использовать электролитические пусковые конденсаторы. Это связано с наличием у них серьезного недостатка, который проявляется в следующем: если диод не справится со своей задачей, на устройство начнет продаваться переменный ток, а это уже чревато его нагревом и последующим взрывом.
Другая причина состоит в том, что сегодня на рынке можно встретить улучшенные с металлизированным покрытием полипропиленовые пусковые модели переменного тока типа СВВ.
Чаще всего они рассчитаны на работу с напряжением 400-450 В. Как раз им и следует отдать предпочтение, учитывая, что они неоднократно показывали себя с хорошей стороны.
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.
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:
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.
Или токарный, с питанием на 380 Вольт. Его можно было бы установить в домашней мастерской или на даче. Да вот беда, в этих помещениях есть только обычные розетки.
В тех случаях, когда необходимо подключить трехфазный электродвигатель, а доступен лишь однофазный источник напряжения, выйти из положения можно, запитав одну из обмоток через фазосдвигающий элемент - конденсатор пусковой. Так можно получить замену третьей, сдвинутой на 120 градусов фазы напряжения.
В идеальном случае для разгона мотора требуется большая величина емкости, а по достижении номинальной угловой скорости - другая, меньшая. Чтобы этого добиться, применяют схему, которая дает возможность отключать избыточную емкость как в ручном, так и в автоматическом режиме, оставляя только ее рабочее значение.
В том случае, если обмотки соединены звездой, рабочая емкость рабочего конденсатора определяется по формуле:
Ср = 2800 (I/U)
В случае соединения треугольником зависимость другая:
Ср = 4800 (I/U)
Однако соединение обмоток двигателя треугольником нежелательно, ведь в этом случае напряжение должно составлять 380 вольт на каждой из них, а в бытовой сети - лишь 220.
Для простоты расчета величины емкости конденсатора можно использовать формулу, согласно которой
Р - мощность, Ватт;
Сп - емкость конденсатора пускового, мФ;
Сп - емкость конденсатора пускового, мФ.
Таким образом, емкость пускового конденсатора должна быть в полтора-два с половиной раза больше рабочей.
Напряжение в стандартной сети переменного тока составляет 220 вольт. Возникает вопрос о том, как определить величину тока, фигурирующую в приведенной формуле.
Это несложно. двигателя известна, она указана на табличке, закрепленной на его корпусе и служащей ему своеобразным паспортом.
I = P / (1,73 U cos φ),
I - величина тока, Ампер;
U - напряжение (220 Вольт);
φ - угол сдвига фаз.
Правильно рассчитав и подобрав пусковой конденсатор для электродвигателя, можно подключить к однофазной сети практически все типы трехфазных электромоторов. Некоторые из них будут работать лучше, то есть их характеристики окажутся более близки к паспортным при их штатном включении (например, серии АОЛ, УАД, АПН). Серия МА, отличающаяся тем, что в их конструкции применена схема двойной клетки короткозамкнутого ротора, будет показывать худшие результаты.
Подбирая конденсатор пусковой, следует учитывать тот факт, что в момент старта возникнут величины тока, многократно превышающие номинальное значение. Таким образом, следует помнить о том, что сечение проводников, обеспечивающих питание двигателя, должно быть выбрано с запасом.
Теперь о том, какой конденсатор пусковой можно использовать для подключения Электролитические емкости применять можно, но наличие в схеме выпрямительных диодов усложнит ее и понизит общую надежность всей системы. Еще Генри Форд справедливо утверждал, что чем меньше деталей, тем ниже вероятность поломки.
Проще и надежнее установить бумажный конденсатор пусковой. Напряжение, указанное на его корпусе, должно превышать 220 Вольт.
