Как подобрать конденсатор для запуска электродвигателя

Как подобрать конденсатор для запуска электродвигателя?

Если имеется необходимость подключить асинхронный трехфазный электромотор в бытовую сеть, можно столкнуться с проблемой – сделать это, кажется, совершенно невозможно. Но если знаете основы электротехники, то можно подключить конденсатор для запуска электродвигателя в однофазной сети. Но существуют и бесконденсаторные варианты подключения, их тоже стоит рассмотреть при проектировании установки с электромотором.

Простые способы подключения электродвигателя

Проще всего будет подключить мотор при помощи частотного преобразователя. Существуют модели этих устройств, которые делают преобразование однофазного напряжения в трехфазное. Преимущество такого способа очевидно – нет потерь мощности в электродвигателе. Но вот стоимость такого частотного преобразователя довольно высокая – самый дешевый экземпляр обойдется в 5-7 тыс. рублей.

Есть еще один способ, который используется реже, – применение трехфазной обмотки асинхронника для преобразования напряжения. В этом случае вся конструкция окажется намного больше и массивнее. Поэтому проще окажется рассчитать, какие конденсаторы нужны для запуска электродвигателя и установить их, подключив по схеме. Главное – не потерять мощность, так как работа механизма будет происходить намного хуже.

Особенности схемы с конденсаторами

Обмотки всех трехфазных электромоторов могут соединяться по двум схемам:

1. «Звезда» – при этом концы всех обмоток подключаются в одной точке. А начала обмоток соединяются с питающей сетью.
2. «Треугольник» – начало обмотки соединяется с концом соседней. В итоге получается, что точки соединения двух обмоток подключаются к сети питания.

Выбор схемы зависит от того, каким напряжением питается мотор. Обычно при подключении к сети переменного тока 380 В обмотки соединяются в «звезду», а при работе под напряжением 220 В – в «треугольник».

На рисунке выше:

а) схема соединения «звезда»;

б) схема соединения «треугольник».

Так как в однофазной сети явно не хватает одного питающего провода, нужно его сделать искусственно. Для этого применяются конденсаторы, которые сдвигают фазу на 120 градусов. Это рабочие конденсаторы, их оказывается недостаточно при пуске электромоторов мощностью свыше 1500 Вт. Чтобы осуществить запуск мощных двигателей, потребуется дополнительно включать еще одну емкость, которая облегчит работу во время старта.

Емкость рабочего конденсатора

Для того чтобы узнать, какие конденсаторы нужны для запуска электродвигателя при работе в сети 220 В, нужно использовать такие формулы:

1. При подключении по схеме «звезда» С (раб) = (2800 * I1) / U (сети).
2. При подключении в «треугольник» С (раб) = (4800 * I1) / U (сети).

Ток I1 можно измерить самостоятельно, используя клещи. Но можно использовать и такую формулу: I1 = P / (1,73 · U (сети) · cosφ · η).

Значение мощности Р, напряжения питания, коэффициента мощности cosφ, КПД η можно найти на бирке, которая приклепана на корпусе электродвигателя.

Упрощенный вариант расчета рабочего конденсатора

Если все эти формулы кажутся вам немного сложными, можно воспользоваться их упрощенной версией: С (раб) = 66 * Р (двиг).

А если упростить по максимуму расчет, то для каждых 100 Вт мощности электромотора требуется емкость около 7 мкФ. Другими словами, если у вас мотор 0,75 кВт, то вам потребуется рабочий конденсатор емкостью не менее 52,5 мкФ. После подбора обязательно произведите замер тока при работе мотора – его величина не должна превышать допустимые значения.

Пусковой конденсатор

В том случае, если на мотор воздействуют большие нагрузки либо его мощность свыше 1500 Вт, одним только сдвигом фазы не обойтись. Потребуется знать, какие необходимы еще конденсаторы для запуска электродвигателя 2,2 кВт и выше. Пусковой подключается в параллель с рабочим, но вот только он исключается из цепи при достижении оборотов холостого хода.

Обязательно пусковые конденсаторы должны отключаться – в противном случае происходит перекос фаз и перегрев электродвигателя. Пусковой конденсатор должен быть по емкости больше рабочего в 2,5-3 раза. Если вы посчитали, что для нормальной работы мотора требуется емкость 80 мкФ, то для запуска нужно подключать еще один блок конденсаторов на 240 мкФ. В продаже вряд ли можно встретить конденсаторы с такой емкостью, поэтому нужно производить соединение:

1. При параллельном емкости складываются, напряжение рабочее остается таким, как указано на элементе.
2. При последовательном соединении складываются напряжения, а общая емкость будет равна С (общ) = (С1*С2*..*СХ)/(С1+С2+..+СХ).

Желательно устанавливать пусковые конденсаторы на электромоторы, мощность которых — свыше 1 кВт. Лучше немного снизить показатель мощности, чтобы увеличить степень надежности.

Какой тип конденсаторов использовать

Теперь вы знаете, как подобрать конденсаторы для запуска электродвигателя при работе в сети переменного тока 220 В. После подсчета емкости можно приступить к выбору конкретного типа элементов. Рекомендуется применять однотипные элементы в качестве рабочих и пусковых. Неплохо показывают себя бумажные конденсаторы, обозначения у них такие: МБГП, МПГО, МБГО, КБП. Можно также использовать и зарубежные элементы, которые устанавливаются в блоках питания компьютеров.

На корпусе любого конденсатора обязательно указывается рабочее напряжение и емкость. Один недостаток у бумажных элементов – они имеют большие габариты, поэтому для работы мощного двигателя потребуется немаленькая батарея элементов. Применять зарубежные конденсаторы намного лучше, так как они имеют меньшие размеры и большую емкость.

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.

Рабочее напряжение

Обязательно нужно учитывать один важный параметр конденсаторов – рабочее напряжение. Если использовать конденсаторы для запуска электродвигателя с очень большим запасом напряжения, это приведет к увеличению габаритов конструкции. Но если применить элементы, рассчитанные на работу с меньшим напряжением (например, 160 В), то это приведет к быстрому выходу из строя. Для того чтобы конденсаторы функционировали нормально, нужно, чтобы их рабочее напряжение было примерно в 1,15 раза больше, чем в сети.

Причем нужно учитывать одну особенность – если применяете бумажные конденсаторы, то при работе в цепях переменного тока их напряжение нужно уменьшать в 2 раза. Другими словами, если на корпусе указано, что элемент рассчитан на напряжение 300 В, то эта характеристика актуальна для постоянного тока. Такой элемент можно использовать в цепи переменного тока с напряжением не более 150 В. Поэтому лучше набирать батареи из бумажных конденсаторов, суммарное напряжение которых — около 600 В.

Подключение электромотора: практический пример

Допустим, у вас имеется электрический двигатель асинхронного типа, рассчитанный на подключение к сети переменного тока с тремя фазами. Мощность — 0,4 кВт, тип мотора — АОЛ 22-4. Основные характеристики для подключения:

1. Мощность — 0,4 кВт.
2. Напряжение питания — 220 В.
3. Ток при работе от трехфазной сети составляет 1,9 А.
4. Соединение обмоток двигателя производится по схеме «звезда».

Теперь осталось провести расчет конденсаторов для запуска электродвигателя. Мощность мотора сравнительно небольшая, поэтому, чтобы его использовать в бытовой сети, нужно подобрать только рабочий конденсатор, в пусковом надобности нет. По формуле вычисляете емкость конденсатора: С (раб) = 66*Р (двиг) = 66*0,4 = 26,4 мкФ.

Можно использовать и более сложные формулы, значение емкости будет отличаться от этого незначительно. Но если нет подходящего по емкости конденсатора, нужно произвести соединение нескольких элементов. При параллельном соединении емкости складываются.

Обратите внимание

Теперь вы в курсе, какие конденсаторы для запуска электродвигателя лучше всего использовать. Но мощность упадет примерно на 20-30 %. Если приводится в движение простой механизм, то это не почувствуется. Частота вращения ротора останется примерно такой же, какая указана в паспорте. Учтите, что если мотор рассчитан на работу от сети 220 и 380 В, то в бытовую сеть он включается только при условии, что обмотки соединены в треугольник. Внимательно изучите бирку, если на ней имеется только обозначение схемы «звезда», то для работы в однофазной сети придется вносить изменения в конструкцию электромотора.

3-фазный двигатель в однофазной сети

Трехфазные асинхронные электродвигатели не требуют дополнительных устройств для запуска и работы. Нужны лишь контакторы или иные устройства подачи трехфазного напряжения. Однако при включении двигателя в однофазную сеть используются другие способы запуска.

Фазосдвигающий конденсатор

Существует простой способ, позволяющий запитать трехфазный двигатель от бытовой однофазной сети с напряжением 220 В. Трехфазное напряжение получают путем сдвига фаз с помощью фазосдвигающего конденсатора. Делается это так.

В однофазной сети имеются два провода (фаза и ноль), между которыми существует сдвиг фаз 180 градусов. Для включения трехфазного двигателя нужны три проводника, напряжения на которых должны иметь сдвиг фаз 120 градусов. Поэтому, если подключить один из выводов двигателя к фазному проводнику напрямую, а другой – через фазосдвигающий конденсатор, то в совокупности с нулевым проводником и обмотками такая система будет трехфазной. Другими словами, будет обеспечен нужный режим питания.

Для расчета номинала фазосдвигающего конденсатора можно воспользоваться приближенной формулой:

где k – коэффициент, равный 4800 для схемы подключения «треугольник», 2800 – для «звезды», I – номинальный ток двигателя (указывается на шильдике), U – фазное напряжение (в нашем случае – 220 В).

Рабочее напряжение конденсатора следует выбирать не менее 400 В, при этом желательно использовать специальные конденсаторы для электродвигателей, на частоту 50 – 60 Гц.

Пусковой конденсатор

Приведенная выше формула справедлива для номинального тока. Но двигатель работает не только на номинале. При пуске его ток может превышать номинальное значение в 5-7 раз, а при работе – быть ниже в 2-3 раза (холостой ход). В результате момент на валу при включении будет мал, и двигатель будет разгоняться очень долго либо вообще не сможет запуститься. Поэтому для запуска используют дополнительный пусковой конденсатор, который подключают к рабочему (фазосдвигающему) на время разгона (3-5 секунд). Обычно емкость пускового конденсатора выбирают в 2-5 раз больше, в зависимости от требуемого момента при пуске и времени разгона.

Для подключения пускового конденсатора используют специальные ручные пускатели, в которых время пуска равно времени нажатия на двухпозиционную кнопку «Пуск». Пока оператор держит «Пуск» в позиции без фиксации, подключаются рабочий и пусковой конденсаторы. Как только оператор отпускает кнопку, она переходит в фиксированную позицию, и в схеме остается лишь рабочий конденсатор. Остановка двигателя производится кнопкой «Стоп». Кроме ручных пускателей могут использоваться релейные и электронные схемы.

Данный способ не применяется на практике для двигателей более 2,2 кВт из-за низкого КПД и большой емкости конденсаторов.

Двигатель с пусковой обмоткой

Конденсатор также используется в случае, когда двигатель имеет две обмотки – рабочую и пусковую. Рабочая обмотка подключается к питающему однофазному напряжению (220 В) напрямую. Пусковая обмотка имеет меньший ток и подключается через фазосдвигающей конденсатор. Совместно обе обмотки имеют такую конфигурацию, что формируют внутри статора вращающееся магнитное поле.

Емкость фазосдвигающего конденсатора обычно указывается на шильдике двигателя. На время пуска и разгона может применяться дополнительный конденсатор. Такой двигатель называют конденсаторным, и он предназначен для работы только в однофазной сети.

Трёхфазный двигатель — в однофазную сеть

Статьи

Пожалуй, наиболее распространённый и простой способ подключения трехфазного электродвигателя в однофазную сеть при отсутствии питающего напряжения

380 в – это способ с применением фазосдвигающего конденсатора, через который запитывается третья обмотка электродвигателя. Перед тем, как подключать трехфазный электродвигатель в однофазную сеть убедитесь, что его обмотки соединены «треугольником» (см. рис. ниже, вариант 2), т. к. именно это соединение даст минимальные потери мощности 3х-фазного двигателя при включении его в сеть

Мощность, развиваемая трехфазным электродвигателем, включенным в однофазную сеть с такой схемой соединения обмоток может составлять до 75% его номинальной мощности. При этом частота вращения двигателя практически не отличается от его частоты при работе в трёхфазном режиме.

На рисунке показаны клеммные колодки электродвигателей и соответствующие им схемы соединения обмоток. Однако, исполнение клеммной коробки электродвигателя может отличаться от показанного ниже – вместо клеммных колодок, в коробке может располагаться два разделённых пучка проводов (по три в каждом).

Эти пучки проводов представляют собой «начала» и «концы» обмоток двигателя. Их необходимо «прозвонить», чтобы разделить обмотки друг от друга и соединить по нужной нам схеме «треугольник» – последовательно, когда конец одной обмотки соединяется с началом другой т. д (С1-С6, С2-С4, С3-С5).

При включении трёхфазного электродвигателя в однофазную сеть, в схему «треугольник» добавляются пусковой конденсатор Сп, который используется кратковременно (только для запуска) и рабочий конденсатор Ср.

В качестве кнопки SB для запуска эл. двигателя небольшой мощности (до 1,5 кВт) можно использовать обычную кнопку «ПУСК», применяемую в цепях управления магнитных пускателей.

Для двигателей большей мощности стоит заменить её на коммутационный аппарат помощнее — напр, автомат. Единственным неудобством в этом случае будет необходимость ручного отключения конденсатора Сп автоматом после того как электродвигатель наберёт обороты.

Таким образом, в схеме реализована возможность двухступенчатого управления электродвигателем, уменьшая общую ёмкость конденсаторов при «разгоне» двигателя.

Если мощность двигателя невелика (до 1 кВт), то запустить его можно будет и без пускового конденсатора, оставив в схеме лишь рабочий конденсатор Ср.

Рассчитать ёмкость рабочего конденсатора можно формулой:

• С раб = 4800 • I / U, мкФ – для двигателей, включенных в однофазную сеть с соединением обмоток «треугольник».

• С раб = 2800 • I / U, мкФ – для двигателей, включенных в однофазную сеть с соединением обмоток «звезда».

Это наиболее точный способ, требующий, однако, измерения тока в цепи электродвигателя. Зная номинальную мощность двигателя, для определения ёмкости рабочего конденсатора лучше воспользоваться следующей формулой:

С раб = 66·Р ном, мкФ, где Р ном — номинальная мощность двигателя.

Упростив формулу, можно сказать, что для работы трёхфазного электродвигателя в однофазной сети, ёмкость конденсатора на каждые 0,1 кВт его мощности должна составлять около 7 мкФ.

Так, для двигателя мощностью 1,1 кВт ёмкость конденсатора должна составлять 77 мкФ. Такую ёмкость можно набрать несколькими конденсаторами, соединёнными друг с другом параллельно (общая ёмкость в этом случае будет равна суммарной), используя следующие типы: МБГЧ, БГТ, КГБ с рабочим напряжением, превышающим напряжение в сети в 1,5 раза.

Рассчитав ёмкость рабочего конденсатора можно определить ёмкость пускового — она должна превышать ёмкость рабочего в 2-3 раза. Применять конденсаторы для запуска следует тех-же типов, что и рабочие, в крайнем случае и при условии очень кратковременного запуска можно применить электролитические — типов К50-3, КЭ-2, ЭГЦ-М, рассчитанных на напряжение не менее 450 в.

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети без потери мощности

Как известно, при включении трёхфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть, по распространенным конденсаторным схемам: "треугольник", или "звезда", мощность двигателя используется только наполовину (в зависимости от применяемого двигателя).

Кроме того, затруднён запуск двигателя под нагрузкой.

В предлагаемой статье описан метод подключения двигателя без потери мощности.

В различных любительских электромеханических станках и приспособлениях чаще всего используются трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. К сожалению, трехфазная сеть в быту — явление крайне редкое, поэтому для их питания от обычной электрической сети любители применяют фазосдвигающий конденсатор, что не позволяет в полном объеме реализовать мощность и пусковые характеристики двигателя. Существующие же тринисторные "фазосдвигающие" устройства еще в большей степени снижают мощность на валу двигателей.

Вариант схемы устройства запуска трехфазного электродвигателя без потери мощности приведен на рис. 1.

Обмотки двигателя 220/380 В соединены треугольником, а конденсатор С1 включен, как обычно, параллельно одной из них. Конденсатору "помогает" дроссель L1, включенный параллельно другой обмотке. При определенном соотношении емкости конденсатора С1, индуктивности дросселя L1 и мощности нагрузки можно получить сдвиг фаз между напряжениями на трех ветвях нагрузки, равный точно 120°.

На рис. 2 приведена векторная диаграмма напряжений для устройства, представленного на рис. 1, при чисто активной нагрузке R в каждой ветви. Линейный ток Iл в векторном виде равен разности токов Iз и Ia, а по абсолютному значению соответствует величине Iф√3, где Iф=I1=I2=I3=Uл/R — фазный ток нагрузки, Uл=U1=U2=U3=220 В — линейное напряжение сети.

К конденсатору С1 приложено напряжение Uc1=U2, ток через него равен Ic1 и по фазе опережает напряжение на 90°.

Аналогично к дросселю L1 приложено напряжение UL1=U3, ток через него IL1 отстает от напряжения на 90°.

При равенстве абсолютных величин токов Ic1 и IL1 их векторная разность при правильном выборе емкости и индуктивности может быть равной Iл.

Сдвиг фаз между токами Ic1 и IL1 составляет 60°, поэтому треугольник из векторов Iл, Iс1 и IL1 — равносторонний, а их абсолютная величина составляет Iс1=IL1=Iл=Iф√3. В свою очередь, фазный ток нагрузки Iф=Р/ЗUL, где Р — суммарная мощность нагрузки.

Иными словами, если емкость конденсатора С1 и индуктивность дросселя L1 выбрать такими, чтобы при поступлении на них напряжения 220 В ток через них был бы равен Ic1=IL1=P/(√3⋅Uл)=P/380, показанная на рис. 1 цепь L1C1 обеспечит на нагрузке трехфазное напряжение с точным соблюдением сдвига фаз.

Таблица 1

В табл. 1 приведены значения тока Ic1=IL1. емкости конденсатора С1 и индуктивности дросселя L1 для различных величин полной мощности чисто активной нагрузки.

Реальная нагрузка в виде электродвигателя имеет значительную индуктивную составляющую. В результате линейный ток отстает по фазе от тока активной нагрузки на некоторый угол ф порядка 20. 40°.

На шильдиках электродвигателей обычно указывают не угол, а его косинус — широко известный cosφ, равный отношению активной составляющей линейного тока к его полному значению.

Индуктивную составляющую тока, протекающего через нагрузку устройства, показанного на рис. 1, можно представить в виде токов, проходящих через некоторые катушки индуктивности Lн, подключенные параллельно активным сопротивлениям нагрузки (рис. 3,а), или, что эквивалентно, параллельно С1, L1 и сетевым проводам.

Из рис. 3,б видно, что поскольку ток через индуктивность противофазен току через емкость, катушки индуктивности LH уменьшают ток через емкостную ветвь фазосдвигающей цепи и увеличивают через индуктивную. Поэтому для сохранения фазы напряжения на выходе фазосдвигающей цепи ток через конденсатор С1 необходимо увеличить и через катушку уменьшить

Векторная диаграмма для нагрузки с индуктивной составляющей усложняется. Ее фрагмент, позволяющий произвести необходимые расчеты, приведен на рис. 4.

Полный линейный ток Iл разложен здесь на две составляющие: активную Iлcosφ и реактивную Iлsinφ.

В результате решения системы уравнений для определения необходимых значений токов через конденсатор С1 и катушку L1:

IC1sin30° + IL1sin30° = Iлcosφ, IC1cos30° — IL1cos30° = Iлsinφ,

получаем следующие значения этих токов:

При чисто активной нагрузке (φ=0) формулы дают ранее полученный результат Ic1=IL1=Iл.

На рис. 5 приведены зависимости отношений токов Ic1 и IL1 к Iл от cosφ, рассчитанные по этим формулам Для (cosφ = √3/2 = 0,87) ток конденсатора С1 максимален и равен 2/√3Iл = 1.15Iл, а ток дросселя L1 вдвое меньше.

Этими же соотношениями с хорошей степенью точности можно пользоваться для типовых значений cosφ, равных 0,85. 0,9.

Таблица 2

В табл. 2 приведены значения токов IC1, IL1, протекающих через конденсатор С1 и дроссель L1 при различных величинах полной мощности нагрузки, имеющей указанное выше значение cosφ = √3/2.

Для такой фазосдвигающей цепи используют конденсаторы МБГО, МБГП, МБГТ, К42-4 на рабочее напряжение не менее 600 В или МБГЧ, К42-19 на напряжение не менее 250 В.

Дроссель проще всего изготовить из трансформатора питания стержневой конструкции от старого лампового телевизора. Ток холостого хода первичной обмотки такого трансформатора при напряжении 220 В обычно не превышает 100 мА и имеет нелинейную зависимость от приложенного напряжения.

Если же в магнитопровод ввести зазор порядка 0,2. 1 мм, ток существенно возрастет, а зависимость его от напряжения станет линейной.

Сетевые обмотки трансформаторов ТС могут быть соединены так, что номинальное напряжение на них составит 220 В (перемычка между выводами 2 и 2'), 237 В (перемычка между выводами 2 и 3') или 254 В (перемычка между выводами 3 и 3'). Сетевое напряжение чаще всего подают на выводы 1 и 1'. В зависимости от вида соединения меняются индуктивность и ток обмотки.

В табл. 3 приведены значения тока в первичной обмотке трансформатора ТС-200-2 при подаче на нее напряжения 220 В при различных зазорах в магнитопроводе и разном включении секций обмоток.

Сопоставление данных табл. 3 и 2 позволяет сделать вывод, что указанный трансформатор можно установить в фазосдвигающую цепь двигателя с мощностью примерно от 300 до 800 Вт и, подбирая зазор и схему включения обмоток, получить необходимую величину тока.

Индуктивность изменяется также в зависимости от синфазного или противофазного соединения сетевой и низковольтных (например, накальных) обмоток трансформатора.

Максимальный ток может несколько превышать номинальный ток в рабочем режиме. В этом случае для облегчения теплового режима целесообразно снять с трансформатора все вторичные обмотки, часть низковольтных обмоток можно использовать для питания цепей автоматики устройства, в котором работает электродвигатель.

Таблица 3

В табл. 4 приведены номинальные величины токов первичных обмоток трансформаторов различных телевизоров и ориентировочные значения мощности двигателя, с которыми их целесообразно использовать фазосдвигающую LC-цепь следует рассчитывать для максимально возможной нагрузки электродвигателя.

Таблица 4

При меньшей нагрузке необходимый сдвиг фаз уже не будет выдерживаться, но пусковые характеристики по сравнению с использованием одного конденсатора улучшатся.

Экспериментальная проверка проводилась как с чисто активной нагрузкой, так и с электродвигателем.

Функции активной нагрузки выполняли по две параллельно соединенных лампы накаливания мощностью 60 и 75 Вт, включенные в каждую нагрузочную цепь устройства (см рис. 1), что соответствовало общей мощности 400 Вт В соответствии с табл. 1 емкость конденсатора С1 составляла 15 мкф Зазор в магнитопроводе трансформатора ТС-200-2 (0,5 мм) и схема соединения обмоток (на 237 В) были выбраны из соображений обеспечения необходимого тока 1,05 А.

Измеренные на нагрузочных цепях напряжения U1, U2, U3 отличались друг от друга на 2. 3 В, что подтверждало высокую симметрию трехфазного напряжения.

Эксперименты проводились также с трехфазным асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором АОЛ22-43Ф мощностью 400 Вт. Он работал с конденсатором С1 емкостью 20 мкф (кстати, такой же, как и при работе двигателя только с одним фазосдвигающим конденсатором) и с трансформатором, зазор и соединение обмоток которого выбраны из условия получения тока 0,7 А.

В результате удалось быстро запустить двигатель без пускового конденсатора и заметно увеличить крутящий момент, ощущаемый при торможении шкива на валу двигателя.

К сожалению, провести более объективную проверку затруднительно, поскольку в любительских условиях практически невозможно обеспечить нормированную механическую нагрузку на двигатель.

Следует помнить, что фазосдвигающая цепь — это последовательный колебательный контур, настроенный на частоту 50 Гц (для варианта чисто активной нагрузки), и без нагрузки подключать к сети эту цепь нельзя.

Выбор и расчёт пускового конденсатора для трехфазных машин

Бывает необходимость использовать трёхфазный двигатель в бытовой однофазной сети, при этом сразу возникают вопросы:

• какие двигатели можно использовать для этих целей;
• какую выбрать схему подключения;
• какие элементы могут понадобиться;
• нужно ли производить расчёт пускового конденсатора.

Об этих и некоторых других вопросах мы поговорим в данной статье.

Асинхронные электродвигатели

В современной промышленности и в быту наибольшее распространение получили электродвигатели переменного тока. Это обусловлено рядом преимуществ:

• простота конструкции;
• надёжность;
• долговечность;
• высокая эффективность;
• хорошие массогабаритные показатели.

Всё это привело к тому, что это не только самые распространённые, но и наиболее доступные электродвигатели с точки зрения цены и возможности их приобретения для обычных людей.

Прежде чем перейти непосредственно к теме пусковых конденсаторов, необходимо понять принципы работы этих машин. Есть три основных типа.

1. Асинхронные с короткозамкнутым ротором.
2. Асинхронные с фазным ротором.
3. Синхронные.

Скорее всего, вы столкнётесь с необходимостью подключения первого типа двигателей, поэтому о них мы и будем говорить в дальнейшем.

Конструктивно электродвигатель состоит из неподвижного элемента — статора и вращающегося — ротора. На статоре намотана обмотка из медных проводов, концы и начала которых выведены в клеммную коробку. Обмотка ротора представляет собой алюминиевые стержни, залитые в специальные пазы в металлическом сердечнике ротора и замкнутые по краям кольцами из того же материала (поэтому данные машины и называются короткозамкнутыми). Вращение ротора возникает в результате взаимного воздействия магнитных полей статора и ротора друг на друга. В подавляющем большинстве случаев эти машины трёхфазные.

Принцип работы электродвигателя

При подключении электродвигателя к трёхфазной сети в статоре будет наводиться вращающееся магнитное поле, ротор начинает вращаться. Если же такой двигатель подключить к бытовой однофазной сети, магнитное поле машины будет пульсирующим и двигатель вращаться не будет.

Объяснить это состояние двигателя можно так. Представьте циферблат, где двенадцать часов, это точка, с которой двигатель начинает вращаться. Пульсирующее магнитное поле толкает ротор с одинаковой силой то вправо, то влево. Происходит это с большой частотой, и из-за инерционности ротора он не успевает разогнаться ни влево, ни вправо, при этом двигатель соответствующим образом гудит. Это опасное состояние, при котором он быстро перегревается и без использования защитных средств выйдет из строя. Если в этот момент рукой провернуть вал ротора в любую сторону, то двигатель начнёт вращаться.

Запускать электродвигатель таким способом неудобно, не всегда возможно и небезопасно. Поэтому при подключении трёхфазных двигателей к однофазной сети используют пусковой конденсатор, он позволяет сместить магнитное поле одной из обмоток и тем самым создать пусковой момент, под действием которого ротор начнёт вращаться.

Подключение трёхфазного электродвигателя к однофазной сети

Прежде чем производить расчёт ёмкости, необходимо убедиться, что двигатель может быть использован для сети 220 Вольт. Для начала смотрим на шильдик (металлическая пластинка с характеристиками) электродвигателя. Если там указано, что возможна работа при напряжении 380/220 Вольт или 220/127 Вольт, то такой двигатель нам подходит. Имейте в виду, что большее напряжение применяется при подключении электродвигателя звездой, а меньшее — при подключении треугольником.

На статоре намотано три одинаковых обмотки, при подключении звездой начала всех обмоток соединены в одну точку, а к концам подключается питающее напряжение. При подключении треугольником конец первой обмотки подключается к началу второй, конец второй — к началу третьей, конец третьей — к началу первой, а питающее напряжение подключается к точкам соединения двух обмоток.

Теперь вскрываем клеммную коробку и смотрим, как соединены обмотки. Начала и концы обмоток имеют следующее обозначение (в скобках указана новая маркировка):

• первая С1 (U1) — C4 (U2);
• вторая C2 (V1) — C5 (V2);
• третья C3 (W1) — C6 (W2).

Определить тип подключения можно при помощи подсказки, расположенной на внутренней стороне клеммной коробки.

При любой схеме подключения от двигателя будет идти три провода. В случае с однофазной цепью к двум из них подводится питающее напряжение, а третий провод соединяется с сетью через ёмкость, это и есть конденсатор для запуска двигателя и его работы. Для нормальной работы необходимо, чтобы этот конденсатор был подключён постоянно, и поэтому он называется рабочим. Конденсатор, который подключается для создания высокого пускового момента, называется пусковым.

Рабочий конденсатор

Подбор ёмкости для трехфазного электродвигателя — не такая простая задача, как может показаться. Для устойчивой работы в однофазной сети смещение магнитного поля в третьей обмотке должно присутствовать постоянно, для этого и рабочий конденсатор подключён к сети всё время работы двигателя. Поэтому конденсатор для пуска электродвигателя должен быть пригодным для длительной работы в сетях переменного тока.

В первую очередь, это специально изготовленные для этих целей конденсаторы с соответствующим рабочим напряжением. На корпусе таких элементов, кроме номинальной ёмкости, изображён значок переменного напряжения и указана его величина. В нашей сети напряжение 220 Вольт, значит, номинальное напряжение конденсатора должно быть больше или равно этой величине.

В советское время были широко распространены металлизированные бумажные герметизированные конденсаторы типа МБГО и аналогичные им. Благодаря тому, что они обладают хорошими показателями ёмкости и рабочего напряжения, а также из-за их надёжности они до сих пор широко используются домашними мастерами, в том числе и в качестве рабочих конденсаторов при переделке двигателей. На корпусе таких конденсаторов указано постоянное рабочее напряжение, поэтому нужно, чтобы оно превышало напряжение сети не менее чем в полтора раза. Для наших целей подойдут те, у которых рабочее напряжение выше 400 Вольт.

Расчёт конденсатора для трёхфазного двигателя

Для точного определения величины ёмкости конденсатора нужно провести несложный расчёт. При желании в сети можно найти онлайн-калькулятор, предназначенный для этих целей, или таблицы, в которых указаны различные мощности двигателей и соответствующие им величины ёмкости конденсаторов. Если есть необходимость произвести расчёт самостоятельно, то формулы имеют следующий вид:

Ср = (2800 · I) / Uc

Ср = (4800 · I) / Uc

Где:

• Ср — величина ёмкости, мкФ;
• 2800 коэффициент для схем с подключением звездой;
• 4800 коэффициент для схем с подключением треугольником;
• I — ток в схеме, А;
• Uc — напряжение сети, В.

Ток можно рассчитать по формуле:

I = P / (1,73 · Uc · cosφ · η)

Где:

• Р — мощность, Вт;
• cosφ — коэффициент мощности;
• η — КПД.

Все необходимые для расчёта данные можно найти на шильдике машины. При их отсутствии запомните, что для этого типа машин коэффициент мощности составляет примерно 0.9, а КПД около 0.75.

Для примера, произведём расчёт ёмкости конденсатора для двигателя мощностью 2 кВт при его включении треугольником к сети переменного тока напряжением 220 В. Рассчитаем ток в схеме (мощность из киловатт переводим в ватты):

I = P / (1,73 · Uc · cosφ · η) = 2000 / (1,73 · 220 · 0,9 · 0,75) = 7,78 А

Ср = (4800 · I) / Uc = (4800 · 7,78) / 220 = 169,7 мкФ

В результате получили, что необходима ёмкость в 170 микрофарад. В продаже вы не найдёте конденсатор такой ёмкости для напряжения 220 В, но его можно собрать из нескольких, руководствуясь следующими формулами расчёта суммарной ёмкости:

• при параллельном соединении С = С1 + С2;
• при последовательном соединении С = (С1 · С2) / (С1 + С2).

Величина ёмкости собранной батареи может несколько отличаться от расчётной, но следует помнить, что увеличение ёмкости приведёт к росту тока в обмотках двигателя и, как результат, к его повышенному нагреву, поэтому лучше подобрать ёмкость батареи меньше расчётной.

Величина ёмкости зависит и от нагрузки на валу. Так как учесть эту величину при расчёте затруднительно, а ещё из-за того, что номинальные ёмкости конденсаторов могут отличаться от указанных на них, крайне желательно после запуска и выхода электродвигателя на рабочие обороты проверить токи в обмотках, и если они выше номинальных, то необходимо уменьшить суммарную ёмкость батареи.

Выбор пускового конденсатора для электродвигателя

Для устойчивого пуска и работы двигателей сравнительно небольшой мощности достаточно рабочего конденсатора, но для мощных машин необходимо применение пускового конденсатора. В схему он включается параллельно рабочему через выключатель. В отличие от рабочего, на пусковой напряжение подаётся только в момент пуска, и после разгона электродвигателя он отключается. Его величина выбирается из расчёта две или три величины ёмкости рабочего конденсатора.

Конденсаторы для запуска электродвигателя подключаются всего на несколько секунд, поэтому для бытовых нужд в качестве пусковых можно применять электролитические (полярные) конденсаторы. Их плюс в том, что они обладают значительно большей ёмкостью, чем неполярные, при тех же размерах и значительно дешевле. Много таких конденсаторов в старых ламповых телевизорах, так что найти их не составит особого труда. Требования по напряжению такие же, как и к рабочим конденсаторам.

Однофазные двигатели переменного тока

Большая потребность в двигателях переменного тока для бытовых нужд привела к появлению однофазных машин. Отличие их от ранее рассмотренных в том, что на их статоре расположено не три, а две обмотки: пусковая и рабочая. Как и для трёхфазных машин, для их работы в пусковой обмотке необходим фазосдвигающий элемент, поэтому схема подключения однофазного двигателя содержит конденсатор.

В завершение хотелось бы отметить, что при конденсаторной схеме включения трёхфазных двигателей в бытовую сеть их характеристики становятся значительно хуже.

Мощность уменьшается примерно на 30%, что в некоторых случаях делает невозможным эксплуатацию электрооборудования. Решить эту проблему можно заменой электродвигателя на более мощный.
1. Небольшой пусковой момент. Это ещё один значительный недостаток такой схемы подключения, поэтому запускать такие двигатели желательно без нагрузки.
2. Низкий КПД и коэффициент мощности.

Что касается частоты вращения, то она остаётся неизменной и соответствует номинальной.

При монтаже и наладке схемы необходимо строго соблюдать правила техники безопасности. Не забывайте, что в схеме присутствуют конденсаторы, поэтому после отключения питания необходимо дать им время для разрядки, прежде чем касаться токопроводящих частей схемы.