Для чего нужен конденсатор в электродвигателе

Зачем нужен конденсатор на электромоторчике? И что будет если его удалить

Если вы когда-нибудь разбирали детскую машинку и вынимали из нее небольшие моторчики, то могли заметить, что на каждом из них напаян небольшой конденсатор к выводам питания.
Если его отпаять и проверить работу мотора, то практически ничего не изменится. Так зачем он нужен?
Конденсаторы емкостью 0,1-0,01 мкФ обычно припаиваются параллельно выводам коллекторных электродвигателей.

Проверим на опыте

Давайте возьмем двигатель и отпаяем конденсатор. Возьмем вольтметр и подключим параллельно выводам мотора. Для питания будем использовать две пальчиковые батарейки включенные последовательно, общим напряжением 3 В.

При включении и отключении мотора от питания появляются импульсы высокого напряжение до 1000 В

Это нормально, ЭДС самоиндукции еще никто не отменял. Причем с конденсатором таких скачков не наблюдалось.
Такие импульсы называю еще обратным током, они обычно губительный для любой цепи где есть электроника. Это первое для чего устанавливают этот конденсатор.

Изменения в работе

Теперь давайте подключим каждый двигатель по отдельности и послушаем на слух их работу.

Изменения конечно не очевидные, но мотор без конденсатора работает с дребезгами и более не устойчиво. Это второе зачем ставят конденсатор: искрогашение, благодаря чему увеличивается ресурс щеток и двигателя в целом.
И наконец третье, для чего используют конденсатор, это помехозащищенность. Если во время работы моторчика без конденсатора включить любой радиоприемник, то в нем будут отчетливо слышны помехи издаваемые коллектором двигателя.

Итог: зачем нужен электродвигателю нужен конденсатор?

• Первое — это искрогашение на щетках коллектора.
• Второе — помехозащита.
• Третье — защита питающей цепи от обратного тока.

Чем отличается пусковой конденсатор от рабочего?

Запуск и поддержание работы цепи в двигателях осуществляется устройствами накопления заряда. Эту задачу выполняют рабочие и пусковые конденсаторы. Любой конденсатор — пассивный элемент, главная задача которого накопление электроэнергии. При этом они имеют отличия: разнятся емкостью, способом подключения, условиями использования, предназначением.

Пусковой конденсатор отвечает за начальный импульс для старта силовой установки. А его рабочий аналог поддерживает стабильную работу электродвижка.

Что такое пусковой конденсатор и для чего он нужен

Когда речь заходит о том, зачем нужен конденсатор пуска, то ответ простой. По сути, это стартер. Пусковой конденсатор — это устройство накопления заряда, осуществляющее запуск двигателя. Этот элемент выполняет кратковременную, но необходимую работу, без которой движок просто не заведется.

Пусковые конденсаторы генерируют короткий высокий заряд для пуска мотора. Они служат для мгновенного использования и не могут быть применены как устройства накопления заряда продолжительной работы.

Как только силовой агрегат набирает нужную рабочую мощность, конденсатор пуска отсоединяется. Дальнейшая работа мотора проходит без него до тех пор, пока электрический двигатель не будет остановлен и не потребуется его повторный пуск.

Пусковой конденсатор присутствует не во всех электродвигателях. Он нужен в схемах, где в пусковой момент происходит нагрузка на вал, не дающая ротору свободно вращаться. В таких системах важность устройства сложно переоценить, так как мощности одного рабочего конденсатора не хватит для запуска и вывода движка на рабочую частоту — ротор силовой установки не будет вращаться.

Пусковое устройство накопления заряда нужно для запуска станков, подъемников, насосов, других электромеханических агрегатов, в которых важно быстро вывести мотор на нужную мощность. Часто этот элемент устанавливается в системах с мощными трехфазными двигателями, когда ресурсов рабочего конденсатора недостаточно для запуска установки. Пусковые конденсаторы работают при нагрузке до 220 вольт. Они более долговечные, чем их рабочие аналоги.

Для чего нужен рабочий конденсатор

Задачи у устройства накопления заряда рабочего вида другие. Этот элемент отличается постоянным подключением к цепи. Рабочий конденсатор отвечает за сдвиг фазы цепи между обмотками мотора, создавая между ними магнитное поле. То есть элемент служит для получения стабильного умеренного заряда и непрерывной работы электродвижка все время его работы.

Рабочий конденсатор так называется из-за непрерывного участия в схеме и постоянного удержания высоких параметров напряжения в обмотке мотора.

Эти элементы менее мощные, но более стабильные, чем их пусковые аналоги, реже выходят из строя.

Чем отличается рабочий конденсатор от пускового

Выше уже упоминалось, что пусковой конденсатор (ПК) выполняет старт электромотора и выводит его на рабочие параметры. Его задача важна, но кратковременна. В свою очередь рабочий конденсатор (РК) обеспечивает дальнейшую работу силового агрегата. Он работает одновременно с мотором, то есть все время, пока силовой агрегат находится в рабочем состоянии. Чтобы было еще понятнее, предлагаем схематично рассмотреть, чем отличаются рабочий и пусковой конденсатор:

1. • Где работает: РК задействуется в цепи рабочих обмоток, ПК — в пусковой обмотке.
2. • Функции. РК создает поле для работы электродвижка. ПК выполняет старт электромоторной установки.
3. • Промежуток работы. РК — все время работы мотора. ПК — при запуске до выхода на стабильный режим работы.
4. • Емкость. У ПК более высокая емкость (70-120 мкФ), чем у РК — нижний номинал емкости (7-70 мкФ). Для запуска двигателя требуется больший крутящий момент, чем для поддержания его работы, поэтому емкость — то есть емкость накопления энергии — пускового конденсатора должна быть выше, чем у рабочего конденсатора. Чтобы понять почему, приведем пример карусели на детской площадке — для ее запуска могут потребоваться значительные усилия, но как только она заработает, вам не нужно прилагать столько усилий, чтобы поддерживать ее движение.
5. • Принцип работы:

• • ПК генерирует в пусковой обмотке опережающий ток, который, в свою очередь, создает вращающееся магнитное поле, необходимое для пуска с увеличенным крутящим моментом. Как только электродвигатель выходит на свои стабильные показатели работы, ПК и пусковая обмотка отсоединяются от цепи.
• • РК генерирует опережающий ток во вспомогательной обмотке электромотора, нужный для поддержания постоянного магнитного поля и стабильной, ровной работы двигателя.

По сути, РК — та самая «рабочая лошадь», которая выполняет смещение фаз, за счет этого трехфазные моторы работают от однофазной электросети. ПК — дополнительный элемент с эпизодической занятостью.

Подключение рабочего и пускового конденсатора: отличия

Рабочий конденсатор подключается к внешней обмотке, 2-я обмотка подсоединяется к сети, 3-я – остается свободной. Пусковой аналог подсоединяется параллельно рабочему элементу к пусковой обмотке. Для пуска электродвигателя используется кнопка или переключатель электропривода.

Важно правильно выбирать конденсаторы при покупке и установке, так как у них разная ёмкость, другие технические характеристики и задачи.

Как выбрать и где купить конденсаторы?

Если вы хотите купить пусковые и рабочие конденсаторы, но не знаете какую модель подобрать, на какие параметры обращать внимание, как выполнить расчет, обратитесь за консультацией к специалисту компании Detels. Мы предлагаем большой выбор наиболее востребованных и редких деталей для бытовой и профессиональной техники. В ассортименте, как оригинальные запчасти, так и аналоги от проверенных поставщиков. Отправка товара выполняется национальными транспортными компаниями по всей Украине.

Отличия пускового и рабочего конденсатора

Фазосдвигающие конденсаторы делятся на рабочие и пусковые. В зависимости от конструкции и назначения агрегата, в составе которого они функционируют, могут участвовать в схеме как по отдельности, так и тандемом.

Рабочий конденсатор – элемент, который функционирует весь цикл вращения. Его ёмкость подбирается по формуле С=k∙I/U , где k – коэффициент, учитывающий схему соединения обмоток: 4,8∙103 для △ и 2,3∙103 для Y. Величину тока I можно рассчитать из формулы P=√3∙U∙I∙cos∙η∙φ. Напряжение элемента должно быть не менее чем в 1,15 раз выше сети, но целесообразнее остановить выбор на полуторакратном запасе. Важно отметить, что привод мощностью более 1 кВт предпочтительнее подключать звездой. Также стоит не забывать о присущих любому электродвигателю пусковых токах и для подключения использовать автоматический выключатель с время-токовой характеристикой «D».

Пусковой конденсатор – элемент, выполняющий свою задачу довольно непродолжительный отрезок времени. По достижении двигателем номинальных параметров, происходит отключение пускового участка цепи. Осуществляется это посредством использования специальных кнопочных постов, центробежного выключателя, реже встречается токовое реле, реле времени. Напряжение пускового конденсатора должно быть в 2-3 раза выше номинального в силу факторов, разобранных выше. При этом нужно иметь в виду, что согласно используемого «ФСК ЕЭС» ГОСТ 29322-2014 Таб. А.1 напряжение в сети может находиться в диапазоне от 198 до 253 В. Ёмкость пускового конденсатора в 2,5 раза должна превышать соответствующий параметр рабочего конденсатора: Cп=2,5∙Ср. Исходя из соображений безопасности, пусковой конденсатор шунтируется разрядным резистором, который снимает остаточный заряд в течении 50 с.

Существуют разные варианты подключений и они вносят свои коррективы в расчёты: если в схеме пусковая обмотка и пусковой конденсатор участвуют кратковременно – на 1 кВт приходится около 70 мкФ. Для рабочего конденсатора с допобмоткой будет достаточно 30 мкФ. Когда схема предусматривает разгон с пусковым, а работу с рабочим конденсатором на каждый кВт потребуется 10 мкФ.

Как видно, конструктивно разницы между пусковым и рабочим конденсаторами нет. Отличаются они параметрами, которые зависят от используемой схемы. Если расчёты показали необходимость использования ёмкости, которой нет в списке стандартных величин производителя, можно набрать схему из нескольких конденсаторов: при параллельном подключении ёмкости суммируются, а при последовательном расчёт выполняется по формуле 1/Собщ= 1/С1+1/С2+…1/Сn. Не стоит завышать ёмкость – это чревато перегревом. В свою очередь заниженный параметр не даст вращающего момента нужной величины, что не позволит ротору стартовать. Важно помнить, что с годами конденсаторы теряют ёмкость и перед использованием «великовозрастной» запчасти стоит проверить её показатели измерителем ёмкости.

В завершении уместным будет осветить нормативную сторону вопроса. В РФ устройство конденсаторов для двигателей переменного тока регламентируется ГОСТ IEC 60252-1-2011 и ГОСТ IEC 60252-2-2011, идентичными международным IEC 60252-1:2001 и IEC 60252-2:2003 соответственно. При этом в НТД от МЭК впоследствии были внесены значительные правки, а вот отечественные стандарты остались без корректив до сих пор. Среди прочих изменений было увеличено количество классов защиты и значительно расширены требования по информации, наносимой на деталь.

Для чего нужен конденсатор в электродвигателе

В процессе работы двигателей по обмотке течет ток, на 20-40% превышающий номинальный, поэтому при использовании электромотора в недозагруженном режиме или в режиме холостого хода, емкость рабочего конденсатора следует уменьшить.

В целях безопасности все пусковые конденсаторы должны использоваться с разрядным резистором. Сопротивление разрядного резистора подбирается так, чтобы по истечении 50 секунд полностью снять остаточное напряжение с конденсатора.

В случаях когда конденсатор используется при последовательной схеме включения со вспомогательной обмоткой электродвигателя, напряжение на клеммах конденсатора при рабочей скорости может быть значительно выше напряжения сети.

В процессе эксплуатации конденсаторов они могут устанавливаться непосредственно в физическом контакте с электродвигателем. В этом случае при выборе типа конденсатора необходимо учитывать, что конденсатор будет подвергаться воздействию повышенной температуры и вибраций — как от самого электродвигателя, так и от других пассивных элементов различного рода устройств, в составе которых будет применятся конденсатор.

При работе моторных конденсаторов проходят различного рода сложнейшие коммутационные процессы, в результате которых происходят скачкообразные изменения напряжения на клеммах конденсатора, в связи с чем номинальное напряжение конденсатора нужно выбирать так, чтобы в процессе работы изделия рабочее напряжение не превышало его более чем на 10%.

В процессе выбора необходимой емкости и рабочего напряжения нужно учитывать фактор резонанса, то есть когда значения напряжения вспомогательной обмотки электродвигателя и конденсатора находятся в околорезонансной точке. В этом случае происходит повышение напряжения на клеммах изделия.

Предельное напряжение на клеммах пускового конденсатора должно быть не более 450В, а его емкость выбирается, как правило, в два и более раз больше емкости рабочего конденсатора.

Как показывает практика, на каждые 100 Вт мощности электродвигателя требуется около 6-7 мкФ.

В случае, если не удается подобрать емкость в одном корпусе, допускается комбинирование путем параллельного соединения конденсаторов Собщ=С1+С2….+Сn.

При правильно подобранном конденсаторе мощность трехфазного двигателя, включенного в однофазную сеть, не должна уменьшиться более чем на 30%.

Область применения конденсаторов для асинхронных двигателей

Таблица: Область применения конденсаторов для асинхронных двигателей

рабочий	пусковой
Применение	В схемах асинхронных электродвигателей	В схемах асинхронных электродвигателей
Тип подключения	Последовательно со вспомогательной обмоткой электродвигателя	Параллельно рабочему конденсатору
В качестве	Является фазосмещающим элементом
Предназначение	Позволяет получить круговое вращающееся магнитное поле, необходимое для работы электродвигателя	Позволяет получить магниное поле, необходимое для повышения пускового момента электродвигателя
Время включения	В процессе работы электродвигателя	В момент пуска электродвигателя

Существуют две основные области применения конденсаторов для асинхронных электродвигателей.

1) Трёхфазный асинхронный электродвигатель, включаемый через конденсатор в однофазную сеть

В случае когда трехфазный электродвигатель необходимо подключить к однофазной сети, существует два возможных варианта подключения: «звезда» и «треугольник», причем наиболее предпочтительным во многих случаях является вариант «треугольник».

Приблизительный расчет для данного типа соединения производится по следующей формуле:

Сраб.=k*Iф/Uсети

• k – коэффициент, зависящий от соединения обмоток.
• Iф – номинальный фазный ток электродвигателя А.
• Uсети – напряжение однофазной сети В.

Для схемы соединения «Звезда» k=2800

Для схемы соединения «Треугольник» k=4800

Для определения пусковой емкости Спуск. исходят из пускового момента. В случае если пуск двигателя происходит без нагрузки, пусковая емкость не требуется.

Для получения пускового момента, близкого к номинальному, достаточно иметь пусковую емкость, определяемую соотношением Сп.=(2.5-3) Ср.

Рабочее напряжение конденсаторов должно быть в 1,5 раза выше напряжения сети.

Схема подключения

Рис. 1

Рис 1. Схема включения в однофазную сеть трехфазного асинхронного двигателя с обмотками статора, соединенными по схеме «звезда» (а) или «треугольник» (б):

• B₁ Переключатель направления вращения (реверс)
• В₂ — Выключатель пусковой емкости;
• С_р — рабочий конденсатор;
• C_п — пусковой конденсатор;
• АД — асинхронный электродвигатель.

2) Асинхронный электродвигатель, питаемый от однофазной сети и имеющий на статоре две обмотки, одна из которых включается в сеть непосредственно, а другая — последовательно с электрическим конденсатором для образования вращающегося магнитного поля. Конденсаторы создают сдвиг фаз между токами обмоток, оси которых сдвинуты в пространстве. Наибольший вращающий момент развивается, когда сдвиг фаз токов составляет 90°, а их амплитуды подобраны так, что вращающееся поле становится круговым. При пуске конденсаторного асинхронного двигателя оба конденсатора включены, а после его разгона один из конденсаторов отключают; это обусловлено тем, что при номинальной частоте вращения требуется значительно меньшая емкость, чем при пуске. конденсаторного асинхронного электродвигателя по пусковым и рабочим характеристикам близок к трехфазному асинхронному двигателю. Применяется в электроприводах малой мощности; при мощностях свыше 1 квт используется редко вследствие значительной стоимости и размеров конденсаторов.

Схема подключения

Рис. 2

Рис 2. Схема (а) и векторная диаграмма (б) конденсаторного асинхронного двигателя:

• U, U_Б, U_C — напряжения;
• I_A, I_Б — токи;
• А и Б — обмотки статора;
• В — центробежный выключатель для отключения С₁ после разгона двигателя;
• C₁ и C₂ — конденсаторы.