Как подобрать пусковой конденсатор для однофазного двигателя

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.

Функция стабилизаторов сводится к тому, что они выполняют роль емкостных наполнителей энергии для выпрямителей фильтров стабилизаторов. Также они могут производить передачу сигнала между усилителями. Для запуска и работы в течение продолжительного количества времени, в системе переменного тока для асинхронных двигателей тоже используют конденсаторы. Время работы такой системы можно варьировать с помощью емкости выбранного конденсатора.

Первым и единственно главным параметром вышеупомянутого инструмента является емкость. Она зависит от площади активного подключения, который изолирован слоем диэлектрика. Этот слой практически невиден человеческому глазу, небольшое количество атомных слоев формируют ширину пленки.

То есть конденсатор создан для того, чтоб накапливать, хранить и передавать определенное количество энергии. Так зачем они нужны, если можно подключить источник питания напрямую к двигателю. Все тут не так просто. Если подключить двигатель непосредственно к источнику питания, то в лучшем случае он не будет работать, в худшем сгорит.

Для того чтоб трехфазный мотор работал в однофазной цепи нужен аппарат, который сможет сдвинуть фазу на 90° на рабочем (третьем) выводе. Также конденсатор играет роль, такой себе катушки индуктивности, за счет того что через него проходит переменный ток – его скачки нивелируются за чет того что, перед работой, в конденсаторе отрицательные и положительные заряды равномерно накапливаются на пластинах, а потом передаются принимающему устройству.

Всего существует 3 основных вида конденсаторов:

Описание разновидностей конденсаторов и расчет удельной емкости

• Схема подключения пусковых конденсаторов

Для электродвигателей с низкой частотой идеальным вариантом будет электролитический конденсатор, он обладает максимальной возможной емкостью, может достигать значения в 100000 мкФ. При этом напряжение может колебаться от стандартных 220 В до 600 В. Электродвигатели, в этом случае, могут использоваться в тандеме с фильтром источника энергии. Но при этом при подключении необходимо строго соблюдать полярность. Оксидная пленка, являющаяся очень тонкой, выступает в роли электродов. Зачастую электрики их называют оксидными.

Подбирая лучший вариант нужно учитывать несколько факторов. Если подключение происходит через однофазную сеть с напряжением в 220 В, то для пуска нужно использовать фазосдвигающий механизм. Притом их должно быть два, не только для самого конденсатора, но и для двигателя. Формулы, по которым вычисляется удельная емкость конденсатора, зависит от типа подключения к системе, их всего два: треугольник и звезда.

I₁ – номинальный ток фазы двигателя, А (Амперы, чаще всего указывается на упаковке двигателя);

U_сети – напряжение в сети (самые стандартные варианты 220 и 380 В). Есть и большее напряжение, но для них нужны совершенно другие типы соединения и более мощные двигатели.

где Сп – Пусковая емкость, Ср – рабочая емкость, Со – отключаемая емкость.

Чтоб не напрягаться с расчетами умные люди вывели средние, оптимальные значения, зная оптимальную мощность электродвигателей, которая обозначается – М. Важным правилом является то, что пусковая емкость должна быть больше рабочей.

При мощности От 0,4 до 0,8 кВт: рабочая емкость – 40 мкФ, пусковая мощность – 80 мкФ, От 0,8 до 1,1 кВт: 80 мкФ и 160, мкФ, соответственно. От 1,1 до 1,5 кВт: Ср – 100 мкФ, Сп – 200 мкФ. От 1,5- 2,2 кВт: Ср – 150 мкФ, Сп 250 мкФ; При 2,2 кВт рабочая мощность должна быть не меньше 230 мкФ, а пусковая – 300 мкФ.

При подключении двигателя, рассчитанного на работу при 380 В, в сеть переменного тока с напряжением 220 В, происходит потеря половины номинальной мощности, хотя это никак не влияет, но скорость вращения ротора. При расчете мощности это является важным фактором, уменьшить эти потери можно при схеме подключения «треугольник», КПД двигателя в этом случае будет равно 70%.

Полярные конденсаторы лучше не использовать в системе подключенных к сети переменного тока, в этом случае разрушается слой диэлектрика и происходит нагрев аппарата и, как следствие, замыканию накоротко

Схема подключения «Треугольник»

Само подключение является относительно легким, происходит присоединения токопроводящего провода к пусковому конденсатору и к клеммам двигателя (или мотора). То есть если более упрощенно взять есть мотор в нем находятся три токопроводящие клеммы. 1 – ноль, 2 – рабочая, 3 –фаза.

Провод питания заголяется и в нем есть два основных провода в синей и коричневой обмотке, коричневая присоединяется к 1 клемме, ней же присоединяется и один из проводов конденсатора, ко второй рабочей клемме происходит присоединение второго провода конденсатора, ну а к фазе подключается синий провод питания.

Если мощность двигателя является маленькой, до полтора кВт, о в принципе можно использовать только один конденсатор. Но при работе с нагрузками и с большими мощностями обязательное использование двух конденсаторов, они между собой последовательно соединены, но между ними установлен пусковой механизм, в народе называемый «тепловой», который отключает конденсатор при достижении необходимого объёма.

Нужно понять – сама обмотка двигателя уже имеет подключение по схеме «звезда», но электрики ее с помощью проводов превращают в «треугольник». Тут главное распределить провода, которые входят в распределительную коробку.

Схема подключения “Треугольник” и “Звезда”

Схема подключения «Звезда»

А вот если двигатель имеет 6 выходов – клемм для подключения, то его нужно раскрутить и посмотреть какие клеммы между собой взаимосвязаны. После этого она пере подключается все в тот же треугольник.

Для этого меняются перемычки, допустим на двигателе имеется 2 ряда клемм по 3 штуки, их номеруют слева направо (123,456), с помощью проводов последовательно соединяются 1 с 4, 2 с 5, 3 с 6, нужно в первую очередь найти нормативные документы и посмотреть на каком именно реле происходит пуск и окончание обмотки.

В этом случае условные 456 станут: нулем, рабочей и фазой – соответственно. К ним подключается конденсатор, как и в предыдущей схеме.

Когда конденсаторы подключены остается только опробовать собранную схему, главное не запутаться в последовательности соединения проводов.

К каждому объекту изначально подается трехфазный ток. Основная причина заключается в использовании на электростанциях генераторов с трехфазными обмотками, сдвинутыми по фазе между собой на 120 градусов и вырабатывающими три синусоидальных напряжения. Однако при дальнейшем распределении тока потребителю подводится только одна фаза, к которой и подключается все имеющееся электрооборудование.

Иногда возникает необходимость в использовании нестандартных устройств, поэтому приходится решать задачу, как подобрать конденсатор для трехфазного двигателя. Как правило, требуется рассчитать емкость данного элемента, обеспечивающего устойчивую работу агрегата.

Принцип подключения трехфазного устройства к одной фазе

Во всех квартирах и большинстве частных домов все внутреннее энергоснабжение осуществляется по однофазным сетям. В этих условиях иногда необходимо выполнить подключение трехфазного двигателя к однофазной сети. Эта операция вполне возможна с физической точки зрения, поскольку отдельно взятые фазы различаются между собой лишь сдвигом по времени. Подобный сдвиг легко организовать путем включения в цепь любых реактивных элементов – емкостных или индуктивных. Именно они выполняют функцию фазосдвигающих устройств когда используются рабочего и пускового элементов.

Следует учитывать то обстоятельство, что обмотка статора сама по себе обладает индуктивностью. В связи с этим, вполне достаточно снаружи двигателя подключить конденсатор с определенной емкостью. Одновременно, обмотки статора соединяются таким образом, чтобы первая из них сдвигала фазу другой обмотки в одну сторону, а в третьей обмотке конденсатор выполняет эту же процедуру, только в другом направлении. В итоге образуются требуемые фазы в количестве трех, добытые из однофазного питающего провода.

Таким образом, трехфазный двигатель выступает в качестве нагрузки лишь для одной фазы подключенного питания. В результате, в потребляемой энергии образуется дисбаланс, отрицательно влияющий на общую работу сети. Поэтому такой режим рекомендуется использовать в течение непродолжительного времени для электродвигателей небольшой мощности. Подключение обмоток в однофазную сеть может быть выполнено двумя способами – звездой или треугольником.

Схемы подключения трехфазного двигателя к однофазной сети

Когда трехфазный электродвигатель планируется включать в однофазную сеть, рекомендуется отдавать предпочтение соединению треугольником. Об этом предупреждает информационная табличка, закрепленная на корпусе. В некоторых случаях здесь стоит обозначение «Y», что означает соединение звездой. Рекомендуется переподключить обмотки по схеме треугольника, чтобы избежать больших потерь мощности.

Электродвигатель включается в одну из фаз однофазной сети, а две другие фазы создаются искусственным путем. Для этого используется рабочий (Ср) и пусковой конденсатор (Сп). В самом начале запуска двигателя необходим высокий уровень стартового тока, который не может быть обеспечен одним лишь рабочим конденсатором. На помощь приходит стартовый или пусковой конденсатор, подключаемый параллельно с рабочим конденсатором. При незначительной мощности двигателя их показатели равны между собой. Специально выпускаемые стартовые конденсаторы имеют маркировку «Starting».

Эти устройства работают только в периоды пуска, для того чтобы разогнать двигатель до нужной мощности. В дальнейшем он выключается с помощью кнопочного или двойного выключателя.

Виды пусковых конденсаторов

Небольшие электродвигатели, мощность которых не превышает 200-400 ватт, могут работать без пускового устройства. Для них вполне достаточно одного рабочего конденсатора. Однако при наличии значительных нагрузок на старте, обязательно используются дополнительные пусковые конденсаторы. Он подключается параллельно с рабочим конденсатором и в период разгона удерживается во включенном положении с помощью специальной кнопки или реле.

Для расчета емкости пускового элемента необходимо умножить емкость рабочего конденсатора на коэффициент, равный 2 или 2,5. В процессе разгона двигатель требует емкость все меньше и меньше. В связи с этим, не стоит держать пусковой конденсатор постоянно включенным. Высокая емкость при больших оборотах приведет к перегреву и выходу из строя агрегата.

В стандартную конструкцию конденсатора входят две пластины, расположенные напротив друг друга и разделенные слоем диэлектрика. При выборе того или иного элемента, необходимо учитывать его параметры и технические характеристики.

Все конденсаторы представлены тремя основными видами:

• Полярные. Не могут работать с электродвигателями, подключенными к переменному току. Разрушающийся слой диэлектрика может привести к нагреву агрегата и последующему короткому замыканию.
• Неполярные. Получили наибольшее распространение. Могут работать в любых вариантах включения за счет одинакового взаимодействия обкладок с диэлектриком и источником тока.
• Электролитические. В этом случае электроды представляют собой тонкую оксидную пленку. Они могут достигать максимально возможной емкости до 100 тыс. мкФ, идеально подходят к двигателям с низкой частотой.

Выбор конденсатора для трехфазного двигателя

Конденсаторы, предназначенные для трехфазного мотора, должны иметь достаточно высокую емкость – от десятков до сотен микрофарад. Электролитические конденсаторы не годятся для этих целей, поскольку для них требуется однополярное подключение. То есть, специально для этих устройств потребуется создание выпрямителя с диодами и сопротивлениями.

Постепенно в таких конденсаторах происходит высыхание электролита, что приводит к потере емкости. Кроме того, в процессе эксплуатации данные элементы иногда взрываются. Если все же решено использовать электролитические устройства, нужно обязательно учитывать эти особенности.

Классическим примеров служат элементы, представленные на рисунке. Слева изображен рабочий конденсатор, а справа – пусковой.

Подбор конденсатора для трехфазного двигателя выполняется опытным путем. Емкость рабочего устройства выбирается из расчета 7 мкФ на 100 Вт мощности. Следовательно, 600 Вт будет соответствовать 42 мкФ. Пусковой конденсатор как минимум в 2 раза превышает емкость рабочего. Таким образом 2 х 45 = 90 мкФ будет наиболее подходящим показателем.

Выбор осуществляется постепенно, исходя из работы двигателя, поскольку его реальная мощность напрямую зависит от емкости используемых конденсаторов. Кроме того, это можно сделать по специальной таблице. При недостатке емкости двигатель будет терять свою мощность, а при ее избытке наступит перегрев от чрезмерного тока. Если конденсатор выбран правильно, то двигатель будет работать нормально, без рывков и посторонних шумов. Более точно подбираем устройство путем расчетов, выполняемых по специальным формулам.

Расчет емкости

Емкость конденсатора для электродвигателя рассчитывается исходя из схемы соединения обмоток – звездой или треугольником.

В обоих случаях применяется общая расчетная формула: С_раб = к х I_ф/U_сети, к которой все параметры имеют следующие обозначения:

• к – является специальным коэффициентом. Его значение составляет 2800 для схемы «звезда» и 4800 для схемы «треугольник».
• Iф – номинальный ток статора, указанный на информационной табличке. При невозможности прочтения, выполняются измерения с помощью специальных измерительных клещей.
• Uсети – напряжение питающей сети, величиной в 220 вольт.

Подставив все необходимые значения, можно легко рассчитать, какая емкость будет у рабочего конденсатора (мкФ). Во время расчетов необходимо учитывать ток, поступающий к фазной обмотке статора. Он не должен превышать номинальное значение, точно так же, как нагрузка двигателя с конденсатором должна быть не выше 60-80% номинальной мощности, обозначенной на информационной табличке.

Как подключить пусковой и рабочий конденсаторы

На рисунке указана простейшая схема подключения пускового и рабочего элементов. Первый из них устанавливается сверху, а второй – снизу. Одновременно к двигателю подключается кнопка включения и выключения. Самое главное – внимательно разобраться с проводами, чтобы не перепутать концы.

Данная схема позволяет выполнить предварительную проверку с неточной прикидкой. Она же используется и после окончательного выбора наиболее оптимального значения.

Такой подбор осуществляется экспериментальным путем с использованием нескольких конденсаторов разной емкости. При параллельном подключении их суммарная мощность будет увеличиваться. В это время нужно контролировать работу двигателя. Если работа устойчивая и ровная, в этом случае можно покупать конденсатор с емкостью, равной сумме емкостей проверочных элементов.