Конденсаторные двигатели — устройство, принцип действия, применение
В этой статье поговорим о конденсаторных двигателях, которые по сути являются обычными асинхронными, отличающимися лишь способом подключения к сети. Затронем тему подбора конденсаторов, разберем причины необходимости точного подбора емкости. Отметим основные формулы, которые помогут в приблизительной оценке требуемой емкости.
Конденсаторным двигателем называется асинхронный двигатель, в цепь статора которого включена дополнительная емкость, с целью создать сдвиг фаз тока в обмотках статора. Зачастую это касается однофазных цепей при использовании трехфазных или двухфазных асинхронных двигателей.
Обмотки статора асинхронного двигателя физически сдвинуты друг относительно друга, и одна из них включается непосредственно в сеть, в то время как вторая, либо вторая и третья подключаются к сети через конденсатор. Емкость конденсатора подбирается так, чтобы сдвиг фаз токов между обмотками получился бы равным или хотя бы близким к 90°, тогда ротору будет обеспечен максимальный вращающий момент.
При этом модули магнитной индукции обмоток должны получиться одинаковыми, чтобы магнитные поля обмоток статора оказались бы сдвинуты относительно друг друга так, чтобы суммарное поле вращалось по кругу, а не по эллипсу, увлекая за собой ротор с наибольшей эффективностью.
Очевидно, ток и его фаза в подключенной через конденсатор обмотке связаны как с емкостью конденсатора, так и с эффективным импедансом обмотки, который в свою очередь зависит от скорости вращения ротора.
При старте двигателя импеданс обмотки определяется лишь ее индуктивностью и активным сопротивлением, поэтому он относительно мал в момент пуска, и здесь нужен конденсатор большей емкости для обеспечения оптимального пуска.
Когда же ротор разгонится до номинальных оборотов, магнитное поле ротора станет индуцировать в обмотках статора ЭДС, которая будет направлена против питающего обмотку напряжения — эффективное сопротивление обмотки теперь растет, и требуемая емкость снижается.
При оптимально подобранной емкости в каждом режиме (пусковой режим, рабочий режим) магнитное поле будет круговым, и здесь имеет значение как скорость вращения ротора, так и напряжение, и число витков обмотки, и подключенная в текущий момент емкость. Если оптимальное значение какого-нибудь параметра нарушено, поле становится эллиптическим, характеристики двигателя соответственно падают.
Для двигателей разного назначения схемы подключения емкостей разные. Когда требуется значительный пусковой момент, применяют конденсатор большей емкости, чтобы обеспечить оптимальные ток и фазу именно в момент пуска. Если пусковой момент не особо важен, то внимание уделяют только созданию оптимальных условий рабочего режима, при номинальной скорости вращения, и емкости подбирается для номинальных оборотов.
Довольно часто для качественного пуска применяют пусковой конденсатор, который на время запуска подключается параллельно рабочему конденсатору относительно малой емкости, чтобы вращающееся магнитное поле и при пуске было круговым, затем пусковой конденсатор отключают, и двигатель продолжает работу только с рабочим конденсатором. В особых случаях прибегают к набору конденсаторов с возможностью переключения для разных нагрузок.
Если пусковой конденсатор случайно не будет отключен после выхода двигателя на номинальные обороты, сдвиг фаз в обмотках уменьшится, не будет уже оптимальным, и магнитное поле статора станет эллиптическим, что ухудшит рабочие характеристики двигателя. Крайне важно правильно подобрать пусковую и рабочую емкости, чтобы двигатель работал эффективно.
На рисунке показаны типичные схемы включения конденсаторных двигателей, применяемые на практике. Например рассмотрим двухфазный двигатель с короткозамкнутым ротором, статор которого имеет две обмотки для питания в двух фазах А и В.
В цепь дополнительной фазы статора включен конденсатор С, поэтому токи IA и IВ текут в обеих обмотках статора в двух фазах. Наличием емкости добиваются фазового сдвига токов IA и IВ в 90°.
Векторная диаграмма показывает, что суммарный ток сети образован геометрической суммой токов обеих фаз IA и IВ. Подбором емкости С добиваются такого сочетания с индуктивностями обмоток, чтобы фазовый сдвиг токов получился именно 90°.
Ток IA запаздывает относительно приложенного сетевого напряжения UА на угол φА, а ток IВ — на угол φВ относительно напряжения UB, приложенного к зажимам второй обмотки в текущий момент. Угол между напряжением сети и напряжением, приложенным ко второй обмотке составляет 90°. Напряжение на конденсаторе UС образует угол 90° с током IВ.
По диаграмме видно, что полная компенсация фазового сдвига при φ = 0 достигается тогда, когда реактивная мощность потребляемая двигателем из сети равна реактивной мощности конденсатора С. Рядом на рисунке показаны типичные схемы включения трехфазных двигателей с конденсаторами в цепях обмоток статоров.
Промышленностью сегодня выпускаются конденсаторные двигатели на базе двухфазных. Трехфазные легко модифицируются вручную для питания от однофазной сети. Встречаются и мелкосерийные трехфазные модификации, уже оптимизированные при помощи конденсатора под однофазную сеть.
Часто такие решения можно встретить в бытовых приборах, таких как посудомоечные машины и комнатные вентиляторы. Промышленные циркуляционные насосы, воздуходувки и дымососы также часто используют в своей работе конденсаторные двигатели. Если требуется включить трехфазный двигатель в однофазную сеть — применяют фазосдвигающий конденсатор, то есть опять же переделывают двигатель в конденсаторный.
Для приблизительного расчета емкости конденсатора применяют известные формулы, в которые достаточно подставить напряжение питания и рабочий ток двигателя, и легко вычислить необходимую емкость для соединения обмоток звездой или треугольником.
Для нахождения рабочего тока двигателя достаточно прочитать данные на его шильдике (мощность, кпд, косинус фи), и так же подставить в формулу. В качестве пускового конденсатора принято устанавливать конденсатор в два раза большей емкости, чем рабочий.
К преимуществам конденсаторных двигателей, по сути — асинхронных, относится главным образом одно — возможность включить трехфазный двигатель в однофазную сеть. Из недостатков — необходимость оптимальной емкости под конкретную нагрузку, и недопустимость питания от инверторов с модифицированной синусоидой.
Надеемся, что эта статья была для вас полезной, и теперь вы понимаете, для чего асинхронным двигателям конденсаторы, и как подбирать их емкость.
Как работает конденсаторный электродвигатель и для чего он нужен
В современном оборудовании используется несколько разные виды электродвигателей. Разные по конструкции, характеристиками и принципу работы все эти двигатели подбираются для каждого конкретного случая по своим параметрам. Вместе с тем, довольно часто в приборах и оборудовании необходимы электродвигатели с возможностью подключения к однофазной сети. Одним из подходящих вариантов выступает конденсаторный электродвигатель, устройство и принцип работы которого мы рассмотрим в пределах данной статьи.
Устройство и принцип работы
Говоря о конденсаторных асинхронных двигателях, речь в первую очередь будет идти об электромоторах, изначально рассчитанных для подключения к однофазной сети. Это несколько перекликается с двухфазными или трехфазными двигателями, переделанными для подключения в обычную однофазную сеть на 220 Вольт. Но существенным отличием этих электродвигателей выступает то, что здесь конденсатор выступает как обязательное условие электрической схемы и включение в трёхфазную сеть 380 Вольт такого асинхронного двигателя просто невозможно.
Устройство и принцип работы конденсаторного двигателя основаны на физических свойствах асинхронного двигателя, но для создания движущей силы и вращения магнитного поля в цепь обмоток включен пусковой конденсатор.
По своему устройству он не отличается от обычного асинхронника и в составе имеет:
- Неподвижный статор в массивном корпусе с рабочей и пусковой обмотками.
- Закрепленный на валу ротор, приводимый в движение силой электромагнитного поля, создаваемого обмотками статора.
Обе части электродвигателя соединены между собой на подшипниках качения или скольжения (втулки), закрепленных в крышках корпуса статора.
По принципу работы конденсаторный электродвигатель, как отмечалось выше, относится к асинхронным – движение осуществляется за счет создания электромагнитного поля обмотками статора, сдвинутыми относительно друг друга на 90 градусов. Единственное отличие от трехфазных асинхронных электродвигателей заключается во включенном в цепь конденсаторе, через который включаются вторая обмотка электродвигателя.
Обычный асинхронный двигатель при включении в сеть начинает работу с пусковой обмоткой. После того как ротор набрал обороты, пусковая обмотка отключается и работу продолжает только рабочая обмотка. Минусом такого электромотора с пусковой обмоткой выступает момент пуска, когда ротор начинает набор оборотов. Для электродвигателя важно чтобы в этот момент не было нагрузки, или нагрузка была небольшой. Пусковой момент получается ниже, чем у аналогичных по мощности трёхфазных моторов.
В схеме подключения конденсаторного асинхронного двигателя есть фазосдвигающий конденсатор. При подключении в сеть через конденсатор во второй обмотке возникает сдвиг фаз, равный 90 градусам (на практике немного меньше). Это способствует тому, что в работу ротор включается с максимально возможным крутящим моментом.
Такой запуск обеспечивает включение двигателя как на холостом ходу, так и под нагрузкой. Это очень важно для подключения двигателя под нагрузкой. На практике по такой схеме подключается мотор от стиральной машины старых моделей. В момент пуска двигатель должен начать вращать воду в баке, а это существенная нагрузка на электродвигатель. При отсутствии пускового конденсатора двигатель не будет запускаться, он будет гудеть, греться, но работать не будет.
Виды конденсаторных двигателей
Схема подключения, при которой конденсаторный асинхронный двигатель запускается только от пускового конденсатора, имеет один существенный минус. Во время работы магнитное поле не остается круговым или эллиптическим, показатели работы падают, а электродвигатель греется. В таком случае для оптимального режима в цепь включается рабочий конденсатор, обеспечивающий постоянный сдвиг фаз, а не только в момент пуска.
Отметим, что можно выделить две группы конденсаторных двигателей:
- Конденсатор нужен только для пуска, тогда его называют пусковым. Обычно это маломощные приборы.
- Конденсатор нужен для постоянной работы, в этом случае его называют рабочим. В машинах большой мощности (несколько кВт) для пуска под нагрузкой может не хватать момента, и тогда подключают дополнительно еще один пусковой конденсатор. Чаще всего это делают с помощью кнопки ПНВС.
Подробнее со схемой подключения и тем как отличить эти типы однофазных двигателей вы можете ознакомиться в следующем видео ролике:
В международной классификации применяются обозначения для типов конденсаторных асинхронных двигателей:
- двигатель с пуском через конденсатор/работа через обмотку (индуктивность) (CSIR);
- двигатель с пуском через конденсатор/работа через конденсатор (CSCR);
- двигатель с постоянным разделением емкости (PSC).
Как работает такая схема представить несложно: пусковой конденсатор большой емкости обеспечивает пуск двигателя, а после набора мощности рабочий меньшей емкости обеспечивает максимально подходящий режим работы и скорости вращения ротора.
Для особых случаев, когда необходимо поддерживать необходимую скорость вращения ротора при разных нагрузках для рабочих конденсаторов, подбирают разные емкости с возможностью их переключения.
Чтобы изменить направление вращение, иначе говоря, включить реверс, нужно поменять местами концы одной из обмоток. Для этого удобно использовать 6 контактный тумблер.
Как подобрать емкость для пускового конденсатора
Сразу стоит сказать, что на шильдике двигателя обычно указывается ёмкость пускового и рабочего конденсатора (или только рабочего, если пусковой не нужен). При этом указываются точные данные характерные для конкретно этого электродвигателя с его особенностями устройства и работы.
Если шильдик затёрт или отсутствует, то рассчитать ёмкость рабочего и пускового конденсатора для однофазного можно скорее не по формуле, а по мнемоническому правилу:
Сумма рабочего и пускового конденсатора должна составлять 100 мкФ на 1 кВт мощности (70% пусковой и 30% рабочий). Если двигатель 1 кВт, то рабочий конденсатор нужен на 30 мкФ, а пусковой – на 70. А сами конденсаторы должны быть рассчитаны на напряжение больше чем в питающей сети. Обычно выбирают порядка 400 Вольт.
Но в литературе можно встретить и рекомендации о том, что, что ёмкость пускового конденсатора должна быть больше, чем емкость рабочего в 2 раза.
Как проверить работоспособность конденсатора подскажет статья, выложенная на нашем сайте ранее — https://samelectrik.ru/kak-pravilno-proverit-rabotaet-li-kondensator.html
Сфера практического применения
Конденсаторные асинхронные электродвигатели используются в бытовых электровентиляторах, холодильниках, некоторых современных стиральных машинах, практически во всех стиральных машинах производства СССР. Но в вытяжках чаще применяются двигатели с расщепленными полюсами без конденсатора, тем не менее, можно встретить модели и с рассматриваемым типом электродвигателя.
Кроме бытовой техники их сфера применения распространяется и на насосы мощностью до 2-3 кВт, компрессоры и различные станки с однофазным питанием, в общем, на все, что должно вращаться и работать от 220 Вольт.
Вот мы и рассмотрели, что такое конденсаторный двигатель, как он устроен и для чего нужен. Надеемся, предоставленная информация помогла вам разобраться в вопросе!
