Как выбрать и подобрать конденсаторы для запуска электродвигателя

Асинхронный или коллекторный: как отличить

Вообще, отличить тип двигателя можно по табличке — шильдику — на которой написаны его данные и тип. Но это только в том случае, если его не ремонтировали. Ведь под кожухом может быть что угодно. Так что если вы не уверены, лучше определить тип самостоятельно.

Так выглядит новый однофазный конденсаторный двигатель

Как устроены коллекторные движки

Отличить асинхронный и коллекторный двигатели можно по строению. У коллекторных обязательно есть щетки. Они расположены возле коллектора. Еще обязательный атрибут движка этого типа — наличие медного барабана, разделенного на секции.

Такие двигатели выпускаются только однофазные, они часто устанавливаются в бытовой технике, так как позволяют получить большое число оборотов на старте и после разгона. Также они удобны тем, что легко позволяют менять направление вращения — необходимо только поменять полярность. Несложно также организовать изменение скорости вращения — изменением амплитуды питающего напряжения или угла его отсечки. Потому и используются подобные двигатели в большей части бытовой и строительной техники.

Строение коллекторного двигателя

Недостатки коллекторных двигателей — высокая шумность работы на больших оборотах. Вспомните дрель, болгарку, пылесос, стиральную машину и т.д.. Шум при их работе стоит приличный. На малых оборотах коллекторные двигатели не так шумят (стиральная машина), но не все инструменты работают в таком режиме.

Второй неприятный момент — наличие щеток и постоянного трения приводит к необходимости регулярного технического обслуживания. Если токосъемник не чистить, загрязнение графитом (от стирающихся щеток) может привести к тому, что соседние секции в барабане соединятся, мотор попросту перестанет работать.

Асинхронные

Асинхронный двигатель имеет статор и ротор, может быть одно и трёхфазным. В данной статье рассматриваем подключение однофазных двигателей, потому речь пойдет только о них.

Асинхронные двигатели отличаются невысоким уровнем шумов при работе, потому устанавливаются в технике, шум работы которой критичен. Это кондиционеры, сплит-системы, холодильники.

Строение асинхронного двигателя

Есть два типа однофазных асинхронных двигателей — бифилярные (с пусковой обмоткой) и конденсаторные. Вся разница состоит в том, что в бифилярных однофазных двигателях пусковая обмотка работает только до разгона мотора. После она выключается специальным устройством — центробежным выключателем или пускозащитным реле (в холодильниках). Это необходимо, так как после разгона она только снижает КПД.

В конденсаторных однофазных двигателях конденсаторная обмотка работает все время. Две обмотки — основная и вспомогательная — смещены относительно друг друга на 90°. Благодаря этому можно менять направление вращения. Конденсатор на таких двигателях обычно крепится к корпусу и по этому признаку его несложно опознать.

Более точно определить бифилярный или конденсаторный двигатель перед вами, можно при помощи измерений сопротивления обмоток. Если сопротивление вспомогательной обмотки больше в два раза (разница может быть еще более значительная), скорее всего, это бифилярный двигатель и эта вспомогательная обмотка пусковая, а значит, в схеме должен присутствовать выключатель или пусковое реле. В конденсаторных двигателях обе обмотки постоянно находятся в работе и подключение однофазного двигателя возможно через обычную кнопку, тумблер, автомат.

Что такое конденсатор

Конденсатор состоит из двух пластин, расположенных друг напротив друга. Между ними помещается диэлектрик. Его задача – снимать поляризацию, т.е. заряд близкорасположенных проводников.

Существует три вида конденсаторов:

Полярные. Не рекомендуется использовать их в системах, подключенных к сети переменного тока, т.к. вследствие разрушения слоя диэлектрика происходит нагрев аппарата, вызывающий короткое замыкание.
Неполярные. Работают в любом включении, т.к. их обкладки одинаково взаимодействуют с диэлектриком и с источником.
Электролитические (оксидные). В роли электродов выступает тонкая оксидная пленка. Считаются идеальным вариантом для электродвигателей с низкой частотой, т.к. имеют максимально возможную емкость (до 100000 мкФ).

Как подобрать конденсатор для трехфазного электродвигателя

Задаваясь вопросом: как подобрать конденсатор для трехфазного электродвигателя, нужно принять во внимание ряд параметров.

Чтобы подобрать емкость для рабочего конденсатора, необходимо применить следующую расчетную формулу: Сраб.=k*Iф / U сети, где:

k – специальный коэффициент, равный 4800 для подключения «треугольник» и 2800 для «звезды»;
Iф – номинальное значение тока статора, это значение обычно указывается на самом электродвигателе, если же оно затерто или неразборчиво, то его измеряют специальными клещами;
U сети – напряжение питания сети, т.е. 220 вольт.

Таким образом вы рассчитаете емкость рабочего конденсатора в мкФ.

Еще один вариант расчета – принять во внимание значение мощности двигателя. 100 Ватт мощности соответствуют примерно 7 мкФ емкости конденсатора

Осуществляя расчеты, не забывайте следить за значением тока, поступающего на фазную обмотку статора. Он не должен иметь большего значения, чем номинальный показатель.

В случае, когда пуск двигателя производится под нагрузкой, т.е. его пусковые характеристики достигают максимальных величин, к рабочему конденсатору добавляется пусковой. Его особенность заключается в том, что он работает примерно в течение трех секунд в период пуска агрегата и отключается, когда ротор выходит на уровень номинальной частоты вращения. Рабочее напряжение пускового конденсатора должно быть в полтора раза выше сетевого, а его емкость – в 2,5-3 раза больше рабочего конденсатора. Чтобы создать необходимую емкость, вы можете подключить конденсаторы как последовательно, так и параллельно.

Чаще всего значение общей емкости Сраб+Спуск (не отдельного конденсатора) таково: 1 мкФ на каждые 100 ватт.

Есть несколько режимов работы двигателей подобного типа:

Пусковой конденсатор + дополнительная обмотка (подключаются на время запуска). Емкость конденсатора: 70 мкФ на 1 кВт мощности двигателя.
Рабочий конденсатор (емкость 23-35 мкФ) + дополнительная обмотка, которая находится в подключенном состоянии в течение всего времени работы.
Рабочий конденсатор + пусковой конденсатор (подключены параллельно).

Если вы размышляете: как подобрать конденсатор к электродвигателю 220в, стоит исходить из пропорций, приведенных выше. Тем не менее, нужно обязательно проследить за работой и нагревом двигателя после его подключения. Например, при заметном нагревании агрегата в режиме с рабочим конденсатором, следует уменьшить емкость последнего. В целом, рекомендуется выбирать конденсаторы с рабочим напряжением от 450 В.

Как выбрать конденсатор для электродвигателя – вопрос непростой. Для обеспечения эффективной работы агрегата нужно чрезвычайно внимательно рассчитать все параметры и исходить из конкретных условий его работы и нагрузки.

Схема подключения и расчёт пускового конденсатора

Выход из строя конденсаторов в цепи компрессора кондиционеров случается не так уж и редко. А зачем вообще нужен конденсатор и для чего он там стоит?

Бытовые кондиционеры небольшой мощности в основном питаются от однофазной сети 220 В. Самые распространённые двигатели которые применяют в кондиционерах такой мощности- асинхронные со вспомогательной обмоткой, их называют двухфазные электродвигатели или конденсаторные .

В таких двигателях две обмотки намотаны так, что их магнитные полюсы расположены под углом 90 град. Эти обмотки отличаются друг от друга количеством витков и номинальными токами, ну соответственно и внутренним сопротивлением. Но при этом они рассчитаны так что при работе они имеют одинаковую мощность.

В цепь одной из этих обмоток, её производители обозначают как стартовую(пусковую), включают рабочий конденсатор, который постоянно находится в цепи. Этот конденсатор ещё называют фазосдвигающим, так как он сдвигает фазу и создаёт круговое вращающееся магнитное поле. Рабочая или основная обмотка подключена напрямую к сети.

Сравнение рабочего и пускового конденсатора

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

Таблица сравнения характеристик.

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.

Будет интересно Что такое ионистор?

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.

Как рассчитать емкость рабочего конденсатора

Для двух соединений обмоток берутся несколько разные соотношения.

В формуле введен коэффициент соединения Кс, который для треугольника равен 4800, а для звезды — 2800.

Где значения Р (мощность), U (напряжение 220 В), η (КПД двигателя, в процентном значении деленном на 100) и cosϕ (коэффициент мощности) берутся с шильдика двигателя.

Вычислить значение можно с помощью обычного калькулятора или воспользовавшись чем-то вроде подобной вычислительной таблицы. В ней нужно подставить значения параметров двигателя (желтые поля), результат получается в зеленых полях в микрофарадах

Однако не всегда есть уверенность, что параметры работы двигателя соответствуют тому, что написано на шильдике. В этом случае нужно измерить реальный ток измерительными клещами и воспользоваться формулой Cр = Кс*I/U.

При подключении асинхронного трехфазного электродвигателя на 380 В в однофазную сеть на 220 В необходимо рассчитать емкость фазосдвигающего конденсатора, точнее двух конденсаторов – рабочего и пускового конденсатора. Онлайн калькулятор для расчета емкости конденсатора для трехфазного двигателя в конце статьи.

Расчет параметров конденсатора онлайн

Не знаю как Вам, а мне никогда не нравилось работать и вычислять ёмкости конденсаторов. Больше всего раздражало наличие в исходных данных, ёмкостей в разных номиналах, в пикофарадах, в нанофарадах, микрофарадах. Их приходилось переводить в Фарады, что влекло за собой глупейшие ошибки в расчетах.

Конденсатор — в принципе это любая конструкция, которая может сохранять накопленный электрический потенциал. Если же эта конструкция, не только хранит электроэнергию, но и генерирует её, то это уже источник электропитания и никак не конденсатор.

Конструкция конденсаторов может быть любой, но чаще всего в практике используется плоский конденсатор, состоящий из двух проводящих пластин, между которыми находится какой либо диэлектрик.

Это связано с тем, что расчет ёмкости такого конденсатора ведется по известной формуле и простотой его создания.

Свернув такой плоский конденсатор в рулон, мы получаем, что при фактическом скромном размере «рулона», там находится плоский конденсатор, длиной в десятки сантиметров и обладающий повышенной ёмкостью.

Емкости конденсаторов некоторых форм известны, и мы дальше их рассмотрим.

Но хотелось бы заметить, что на наш взгляд, потенциал развития конденсаторов до конца не завершен.

Ведь форма конструкции какого либо конденсатора может быть любая, материалы из которого сделаны обкладки или диэлектрический слой тоже могут быть любыми в пределах таблицы Менделеева.

Единственная сложность, это невозможность теоретически просчитать потенциальную ёмкость, новосозданного (другой конструкции) конденсатора. Это усложняет нахождение самой лучшей конструкции конденсатора.

Данный бот рассчитывает параметры типовых форм конденсаторов. Отличие от других калькуляторов, присутствующих в интернете, это возможность задавать параметры, которые Вам известны, для того что бы рассчитать остальные.

И последнее нововведение, которое вы можете использовать. Вам не обязательно придется переводить заданные данные в метры, фарады и т.д. Достаточно обозначить размерность данных.

Например, если ёмкость известна и равно 100 пикофарад, то боту можно так и написать c=100пикофарад или с=100пФ, бот сам переведет в Фарады.
Результат, тоже будет выдан оптимально визуальному восприятию пользователя.
Это стало возможно с созданием бота Система единиц измерения онлайн

Плоский конденсатор. Параметры

Полученные характеристики плоского конденсатора

Самая простая и самая распространенная конструкция конденсатора это два плоских проводника разделенных тонким слоем диэлектрика ( то есть материала не проводящего электрический ток).

Ёмкость такого сооружения определяется следующей формулой.

где ε0 = 8,85.10-12 Ф/м — абсолютная диэлектрическая проницаемость

Если же конденсатор состоит не из пары пластин, а каого то n-ого количества плоских пластин то ёмкость такого «слоёного» конденсатора составит

Еще интереснее выглядит формуа такого «слоёного» конденсатора, если в слоях находятся разные диэлектрики , разной толщины d

S- площадь одной из обкладок конденсатора ( предполагаем что другая обкладка имеет такую же площадь)
d- расстояние между обкладками
С- ёмкость конденсатора
Рассмотрим примеры

Задача: Ёмкость плоского конденсатора 350 нанофарад, расстояние между обкладками 1 миллиметр, и заполнено воздухом. Определить какова площадь обкладок?

Сообщаем боту что нам известно: C=350нФ, d=1мм. Так как у воздуха диэлектрическая проницаемость 1.00059 то e=1.00059. Поле площадь очистим, так именно его мы будем определять

Получаем вот такой ответ

Полученные характеристики плоского конденсатора

d = 1 милиметр e = 1.00059 C = 350 нанофарад S = 39.524703024086 м2

Ответ, площадь обкладок конденсатора при таких значениях должна составлять почти 40 квадратных метров.

Цилиндрический КОНДЕНСАТОР

Полученные характеристики цилиндрического конденсатора

Цилиндрический конденсатор представляет в простейшем случае две трубки разного диаметра вложенных друг в друга. разделенных диэлетриком

Иногда может получится так, что ёмкость цилиндрического конденсатора станет отрицательной величиной. Ничего страшного, это лишь говорит о том что Вы перепутали радиусы внешней и внутренней оболочки местами.

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсатора

Схема соединения обычно отмечена на самом конденсаторе, и может обозначаться либо звёздой, либо треугольником. Как правило, это две разные формы, ёмкость которых рассчитывается, по- разному:

Схема подключения рабочего и пускового конденсатора при разных способах подключения обмоток	Расчетные зависимости
	Ср = 2800I/U; I = P/(√3Uηcosϕ)

Ср – емкость рабочего конденсатора

Ср = 4800*I/U; I = P/(√3*U*η*cosϕ)

Ср – емкость рабочего конденсатора

Сп = 2,5*Ср, где Сп – емкость пускового конденсатора при любом способе подключения

Расшифровка обозначений:

Ср – емкость рабочего конденсатора, мкФ Сп – емкость пускового конденсатора, мкФ I – ток, А U – напряжение в сети, В η – КПД двигателя в %, деленных на 100 cosϕ – коэффициент мощности

Полученные результаты расчета используются для подбора конденсаторов нужных номиналов. Номинала именно расчетного значения вряд ли можно будет найти, поэтому правила подбора следующие:

если расчетное значение точно попало в существующий номинал, то в этом случае повезло – берете именно такой.
если совпадения нет, то рекомендуется выбирать емкость ближайшего нижнего номинального значения. Выбирать выше не следует (особенно для рабочих конденсаторов), так как существует вероятность значительного возрастания рабочих токов и перегрева обмоток.
По напряжению конденсаторы обязательно подбираются с номиналом не менее, чем в 1,5 раза выше напряжения сети, поскольку в момент пуска напряжение на самом конденсаторе всегда повышенное. Например, для однофазного напряжения 220 В рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 360 В, а по опыту электриков даже не менее 400 В.

Ниже мы приведем таблицу номинальных значений конденсаторов серий СВВ60 и СВВ65. Эти конденсаторы чаще всего применяют при подключении асинхронных двигателей. Серия СВВ65 отличается от серии СВВ60 металлическим корпусом. В качестве пусковых часто применяют электролитические конденсаторы серии CD60. Причем опытные профессионалы не рекомендуют использовать их в качестве рабочих, поскольку продолжительные время работы быстро выводит их из строя.

Полипропиленовые пленочные конденсаторы серий СВВ60 и СВВ65	Электролитические неполярные конденсаторы серии CD60
Изображение
Номинальное рабочее напряжение, В	400; 450; 630	220-275; 300; 450
Номинальный ряд, мкФ	1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 10; 12; 14; 15; 16; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 60; 65; 70; 75; 80; 85; 90; 100; 120; 150	5; 10; 15; 20; 25; 50; 75; 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 1000; 1200; 1500

Иногда бывает рациональнее использовать два и более конденсатора, чтобы получить нужную емкость. При этом они могут быть соединены последовательно или параллельно. При параллельном соединении результирующая емкость будет складываться, при последовательном она будет меньше емкости любого из конденсаторов. Для расчета данного соединения мы также подготовили для вас специальный калькулятор.

Как подобрать пусковой конденсатор для однофазного электромотора

До использования в пусковой цепи конденсатор проверяют тестером на исправность. При подборе рабочего конденсатора можно применять такое же приближенное правило а-7 микрофарад на 100 ватт номинальной электрической мощности. Емкость пускового также берется в 2-3 раза выше.

При подборе конденсатора на 220 вольт следует выбирать модели с номиналом не менее 400. Это объясняется переходными электромагнитными процессами при запуске, дающими кратковременные пусковые броски напряжения до 350-550 вольт.

Однофазные асинхронные электромоторы часто применяются в домашних электроприборах и электроинструменте. Для пуска таких устройств, особенно под нагрузкой, требуется пусковая обмотка и сдвиг фазы. Для этого используется конденсатор, подключаемый по одной из известных схем.

Конструкция асинхронного однофазного электродвигателя

Если запуск осуществляется с преодолением большого момента инерции, подсоединяют пусковой конденсатор.

Как работает

Однофазный двигатель на 220В с конденсатором может обладать мощностью от 5 Вт до 10 кВт. Все зависит от конструктивных особенностей машины. Ротор такого привода, как правило, представляет собой короткозамкнутую обмотку по типу «беличьей клетки». Это алюминиевые стержни, залитые в пазы и замкнутые накоротко.

Обмотки в таком приводе две, несмотря на его название. Они всегда смещены относительно друг друга на 90°. При этом больше места в статоре занимает так называемая главная обмотка.

Однофазный двигатель получил такое имя из-за того, что вместе с двигателем работает только одна, главная (или рабочая), обмотка. По ней протекает переменный ток, создающий магнитное поле, которое время от времени меняется. Можно сказать, что оно состоит из двух полей, которые вращаются навстречу друг другу, а их амплитуда при этом одинаковая.

Схематическое расположение обмоток

Закон электромагнитной индукции говорит о том, что магнитные потоки в замкнутых роторных витках вызывают появление индукционного тока. Последний, в свою очередь, взаимодействует с тем полем, которое его порождает. Если все моменты сил, которые действуют на ротор равны нулю, деталь не двигается.

А с началом вращения описанное равенство будет тут же нарушено. Это связано со скольжением витков ротора. Оно будет отличным относительно вращающегося магнитного поля. Следовательно, сила Ампера, которая действует на замкнутые роторные витки со стороны прямого магнитного поля станет больше, чем со стороны обратного магнитного поля.

Возникновение индукционного тока в замкнутых роторных витках возможно только в случае, когда витки пересекают силовые линии поля. Чтобы это произошло, скорость вращения витков должна быть немного меньше той, с которой вращается поле.

Это и послужило источником названия электроприводов такого типа. Их именовали асинхронными.

Механическая нагрузка обратно пропорциональна скорости вращения. Это значит, что если увеличивается величина нагрузки, уменьшается скорость вращения. Величина индукционного тока в роторных витках при этом увеличивается. Из этого следует увеличение и механической мощности привода, а также мощности переменного тока, который он потребляет.

Внешний вид обмотки

Подведем небольшой промежуточный итог:

Электроток – причина возникновения пульсирующего магнитного поля в статоре двигателя. Его можно рассматривать как два отдельных поля, которые вращаются навстречу с равной амплитудой.
Если ротор не двигается, оба поля становятся причиной появления моментов, равных нулю, но разнонаправленных.
Когда ротор начинает вращаться в одну из сторон, один из моментов будет преобладать над другим, то есть, вращение двигателя будет происходить только в заданную сторону.
При отсутствии специальных механизмов пуска в двигателе, во время старта соответствующий момент будет нулевым, то есть привод не начнет вращаться.

Виды конденсаторов

Конденсатор — это две металлические пластины, разделённые диэлектриком. Различают их по типу диэлектрика, материалу корпуса и способу производства пластин. Есть такие типы конденсаторов:

Бумажные. Пластины в нём — металлическая фольга, а диэлектрик — специальная бумага. Запаиваются они обычно в металлический корпус, так как прочностью не отличаются. Нормально себя ведут как в низкочастотных цепях, так и в высокочастотных.
Металлобумажные. Отличаются тем, что на бумагу нанесено металлическое напыление. Они более надёжны, при одинаковых размерах с бумажными имеют большую ёмкость.
Электролитические. На металлическую фольгу (тантал или алюминий) наносится оксид, который и выполняет роль диэлектрика. Второй слой диэлектрика — электролит. Он может быть сухим или жидким. Обычно электролитическими называют с жидким электролитом. Электролитические конденсаторы практически всегда поляризованы. И при их подключении, обязательно соблюдать полярность. В противном случае они просто выйдут из строя. Бывают такие подвиды: Хотя конденсаторы с сухим электролитом относятся к тому же типу, их обычно называют танталовыми. Именно с танталом обычно применяют сухой электролит.
Алюминиевые электролитические конденсаторы. Это когда на алюминиевую фольгу нанесён триоксид алюминия. Они имеют большую ёмкость при малых размерах, но применяться могут только в низкочастотных схемах. И ещё один недостаток — большой ток утечки.
Танталовыми правильно называть конденсаторы из танталовой фольги, в которых диэлектрик — пентоксид тантала. Они так же компактны, как и алюминиевые, но имеют более низкий ток утечки. И ещё — они более прочные механически.

Твердотельные или полимерные. В них диэлектрик — полимер. Это относительно новый тип конденсаторов. Они более устойчивы к температуре (как высокой, так и к низкой), имеют маленький ток утечки, низкое эквивалентное сопротивление и большой импульсный ток. Ими можно заменять электролитические аналоги, так как они более стабильны. Плёночные. Ещё один из новых видов конденсаторов. Между металлическими пластинами проложена плёнка пластика. Это может быть поликарбонат, полиэстер, полипропилен и другие полимеры с диэлектрическими свойствами. Они более прочные механически, выдерживают высокие токи имея при этом очень малые токи утечки, стойки к пробою. Свойства отличные, но они имеют небольшую ёмкость. По совокупности характеристик обычно стоят в резонансных цепях (с возможным скачкообразным увеличением параметров). Керамические. На керамическую основу наносится металлизированное напыление. Могут быть однослойными (малой ёмкости) и многослойными. Наиболее компактные конденсаторы, стойкие к механическим воздействиям. Но свойства керамических материалов сильно зависят от температуры, напряжения и частоты. Потому свойства керамических конденсаторов разные и зависят от вида использованной керамики. Для них также введена особая маркировка. Во-первых, потому что имеют малые размеры, а во-вторых, потому что делают из различной керамики и имеют большие отличия в характеристиках. Высокочастотные с воздушным диэлектриком. Это специальные конденсаторы, которые радиолюбителям не встречаются.

Это все виды конденсаторов, которые можно встретить сейчас в продаже и на платах. Как видите, их немало и выглядят они совсем по-разному. Так как часть проблем с техникой связана с выходом их из строя, то неплохо было бы разбираться в их маркировке. Так уйдёт меньше времени на поиск замены.