Расчет емкости конденсатора для трехфазного двигателя

Как правильно подобрать и рассчитать емкость конденсатора на трехфазный двигатель

Подключение силового оборудования в однофазную сеть (220В) чаще всего производят емкостным методом. При этом нужно знать, как подобрать конденсаторы на трехфазный двигатель, от которого осуществляется привод. Из них собирается пусковая цепь, создающая необходимый момент и перекос фаз. В этой статье мы постараемся вкратце рассмотреть вопросы расчета и подбора емкости, а также возможные схемы подключения асинхронного электромотора.

Что такое трехфазный двигатель?

Большинство силовых агрегатов, преобразующих электрическую энергию с тепловую, представляют собой асинхронные машины. Если разобрать любой такой двигатель, то станет понятно, что он имеет два ключевых компонента, на взаимодействии которых строится вся его работа.

Статор

Это неподвижная часть мотора, имеющая кольцевидную форму – полый цилиндр. Сразу следует уточнить, что он не является цельным, грубо говоря изготовленным через точение круглой стальной болванки. Статор набирается из кольцевых пластин (магнитопровода), что позволяет избежать образования так называемых поверхностных токов Фуко, которые могут сильно разогревать металл. На внутреннем диаметре имеются продольные пазы, в которые укладывается обмотка из проволоки. Большинство стандартных двигателей являются трехфазными, то есть имеют три обмотки статора (по одной на каждую фазу). Геометрически каждая обмотка/фаза является смещенной относительно других на 120°. Такой расчет позволяет при подаче на фазные клеммы напряжения 380В возбудить в обмотках вращающееся магнитное поле.

Ротор

Это подвижная (вращающаяся) часть, конструктивно объединенная с приводным валом. Он также имеет наборный пластинчатый сердечник (магнитопровод), но в отличии от статора, пазы для обмоток располагаются на внешнем диаметре. Более того, называть их обмотками можно только с функциональной точки зрения, поскольку реально они представляют собой медные прутки определенного диаметра, а не пучки (катушки) проволоки.

С обоих сторон прутки соединяются на кольцевые ограничивающие пластины, образуя некоторое подобие беличьей клетки. Такая компоновка наиболее распространена и называется «коротко замкнутый ротор». При подаче напряжения здесь также магнитное поле, но оно имеет несколько меньшую частоту вращения (асинхронную), нежели у статора. Эта разница называется скольжением и составляет порядка 2…10%. Благодаря ей, между полями наводится ЭДС (электродвижущая сила), которая и заставляет вал вращаться с рабочей частотой.

Как подключить 3ех фазный двигатель в однофазную сеть?

Запуск двигателя с тремя рабочими обмотками возможет потому, что он по умолчанию имеет сдвинутые на 120° фазы. Если подать напряжение всего на одну фазу, то не произойдет ровным счетом ничего по аналогии с однофазным двигателем на 220В, где в таком случае возникают эквивалентные разнонаправленные магнитные поля. Формально для этого нужно включить в работу хотя бы еще одну фазу, чтобы создать сдвиг и набрать необходимый момент. Подключение в сеть с напряжением 220В чаще всего производят через дополнительный контур – цепь из рабочих и пусковых конденсаторов.

Общая пусковая схема при подключении звездой (слева) и треугольником (справа) будет иметь следующий вид:

Как можно видеть, и в первом, и во втором случае две из трех обмоток подключаются напрямую к однофазной сети на 220В. Третья фаза закольцовывается на одну из двух предыдущих посредством промежуточной цепи конденсаторов: Сраб – основной/рабочий и Сп–для запуска. Второй подключен параллельно через ключ SA. Последний имеет нормально разомкнутые контакты, а крайнее положение кнопки не фиксируется – для того, чтобы через пусковой конденсатор пошел ток, ее нужно удерживать нажатой.

Почему используются параллельные емкости?

Любой человек, в свое время не зевавший на уроках физики, должен помнить, что максимальное потребление энергии 3ех фазным двигателем наблюдается именно в момент его запуска, когда происходит рост частоты вращения от 0 до номинала. Чем больше мощность, тем это пиковое потребление электричества выше. Из чего следует логический вывод – емкости, которая будет поддерживать работу на 220В скорее всего не хватит для старта. Поэтому, для вывода мотора на режим ее по расчету нужно увеличить примерно вдвое относительно рабочей.

После запуска, когда будут достигнуты оптимальные обороты (не менее 70% от номинальных), пусковые конденсаторы отключают, отпуская кнопку SA. Сделать это нужно обязательно, иначе большая суммарная емкость вызовет серьезный перекос фаз и перегрев обмоток.

Если же мощность мотора невелика или он не работает под серьезной нагрузкой, то скорее всего можно будет обойтись пуском через рабочий контур.

Как рассчитать емкость и подобрать конденсатор

Очевидно то, что вопрос выбора емкостей для запуска и работы трехфазного двигателя в однофазной сети, зависит от его мощности, номинального (фазного) тока и напряжения. Расчет обычно ведется через следующие формулы:

В данном уравнении присутствуют две величины:

• U – напряжение в однофазной сети (220В),
• IН– номинальный или фазный ток, А.

Обе схемы подключений дают разные значения линейных и фазных характеристик, что видно на следующих иллюстрациях:

Вычислить необходимый ток между обмотками можно с помощью клещей либо используя формулы. Если же и тот, и другой вариант видятся сложными, то можно провести расчет и подобрать конденсатор через эмпирическую зависимость: 7 мкФ на 100 Вт мощности.

Что касается пусковых конденсаторов, то их подбор ведется с расчетом, что емкость должна быть выше, нежели у рабочих, чтобы покрыть пиковое потребление при запуске. Разные источники указывают на разные значения пропорционального коэффициента: от 1,5 до 3. На практике же чаще всего используют рекомендацию по двукратному увеличению.

Далее можно подобрать конденсаторы и приступить к компоновке. Для организации запуска двигателя используются бумажные (МБГП, КБП, МБГО), электролитические или металлизированные полипропиленовые (СВВ) модели. Первые, как правило, массовые и дешевые, но имеют сравнительно большие габариты при малой емкости, что вынуждает набирать целые батареи. Электролитические модели требуют использования в схеме управления диодных элементов и сопротивления, повреждение или выход из строя которых приведет к разрушению конденсатора. СВВ модели более современные, а посему в них нет практически тех недостатков, которые присутствуют в аналогах. По форме емкостные блоки могут выпускаться либо квадратными, либо круглыми (бочонками).

Также следует подобрать рабочее напряжение конденсатора, которое по расчету должно быть примерно в 1,15 раза выше чем в однофазной сети на 220В. Меньшие значения негативно сказываются на долговечности блоков, а большие – на габаритах сборки.

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсатора

Когда асинхронный двигатель подключается в однофазную сеть 220/230 В необходимо обеспечить сдвиг фаз в обмотках статора, имитирующий вращающееся магнитное поле. Это и приводит к вращению вала ротора электродвигателя, как в «родных» трехфазных сетях переменного тока. Для достижения этой цели в «не родных сетях» и служит конденсатор.

Подключение конденсатора к электродвигателю

Подбирать конденсатор следует очень внимательно, поэтому специально для читателей нашего онлайн-журнала был разработан удобный калькулятор с необходимыми пояснениями.

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсатора

Пояснения к расчету

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:

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.

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.

Подбор конденсатора для трехфазного двигателя

Наши сети электропитания созданы трехфазными. Потому что генераторы, работающие на электростанциях, имеют трехфазные обмотки и вырабатывают три синусоидальных напряжения, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 120°.

Но мы чаще всего пользуемся всего одной фазой — проводим себе один фазный провод из трех и все к нему подключаем. Только в технике нашей часто встречаются электродвигатели, и они по природе своей трехфазны. Ну а фаза от фазы чем отличается? Только сдвигом во времени. Сдвига такого очень просто добиться, включив в цепь питания реактивные элементы: емкости или индуктивности.

Но ведь обмотка на статоре сама и является индуктивностью. Поэтому остается добавить к двигателю снаружи только емкость, конденсатор, а обмотки подключить так, чтобы одна из них в другой сдвигала фазу в одну сторону, а конденсатор в третьей делал то же самое, только в другую. И получатся те же самые три фазы, только «вынутые» из одной фазы питающих проводов.

Последнее обстоятельство означает, что мы нагружаем трехфазным двигателем только одну из фаз приходящего питания. Разумеется, это вносит дисбаланс в потребление энергии. Поэтому все-таки лучше, когда трехфазный двигатель питается трехфазным напряжением, а построить цепь его питания от одной приходящей фазы хорошо, только если мощность двигателя не особо велика.

Включение трехфазного электродвигателя в однофазную сеть питания

Обмотки электродвигателя соединяют двумя способами: звезда (Y) или треугольник (Δ).

При подключении трехфазного двигателя к однофазной сети предпочтительнее соединение типа треугольник. На шильдике двигателя об этом есть информация, и когда там обозначено Y — звезда, самым лучшим вариантом было бы открыть его кожух, найти концы обмоток и правильно переключить обмотки в треугольник. Иначе потери мощности будут слишком большими.

Включение двигателя на одну фазу питающей сети требует создания из нее и двух остальных. Это можно сделать по следующей схеме

При запуске двигателя в работу в самом начале требуется высокий стартовый ток, поэтому емкости рабочего конденсатора обычно не хватает. Чтобы «ему помочь», используют специальный стартовый конденсатор, который подключается к рабочему конденсатору параллельно. В самом простом случае (невысокая мощность двигателя) его выбирают точно таким же, как и рабочий. Но для этой цели выпускаются и специально стартовые конденсаторы, на которых так и написано: starting.

Стартовый конденсатор должен быть включен в работу только во время пуска и разгона двигателя до рабочей мощности. После этого его отключают. Используется кнопочный выключатель. Или двойной: одной клавишей включается сам двигатель и кнопка фиксируется во включенном положении, кнопка же, замыкающая цепь рабочего конденсатора, каждый раз размыкается.

Как подобрать конденсатор

Конденсаторы для трехфазного двигателя нужны достаточно большой емкости — речь идет о десятках и сотнях микрофарад. Однако конденсаторы электролитические для этой цели не годятся. Они требуют подключения однополярного, то есть специально для них придется городить выпрямитель из диодов и сопротивлений. Кроме того, со временем в электролитических конденсаторах высыхает электролит и они теряют емкость. Поэтому если будете ставить такой на двигатель, необходимо делать на это скидку, а не верить тому, что на них написано. Ну и еще одно за ними числится: электролитические конденсаторы имеют свойство иногда взрываться.

Поэтому задачу, как выбрать конденсатор под трехфазный двигатель, часто решают в несколько этапов

Сначала подбираем приблизительно. Надо рассчитать емкость конденсатора по простейшему соотношению как 7 мкФ на каждые 100 ватт мощности. То есть 700 ватт дает нам 49 мкФ первоначально. Емкость выбираемого пускового конденсатора берется в диапазоне 1–3-кратного превышения емкости рабочего конденсатора. Выберите 2*50 = 100 мкФ — будет само то. Ну, для начала можно взять побольше, потом подобрать конденсаторы, ориентируясь на работу двигателя. От емкости конденсаторов зависит реальная мощность движка. Если ее мало, двигатель при тех же оборотах потеряет мощность (обороты не зависят от мощности, а только от частоты напряжения), так как ему будет не хватать тока. При чрезмерной емкости конденсаторов у него будет перегрев от избытка тока.

Нормальная работа двигателя, без шума и рывков — это неплохой критерий правильно выбранного конденсатора. Но для большей точности можно сделать расчет конденсаторов по формулам, а такую проверку оставить на потом в качестве окончательного подтверждения успешности результатов подбора конденсаторов.

Однако надо все-таки подключить конденсаторы.

Подключение пускового и рабочего конденсаторов для трехфазного электромотора

Вот оно соответствие всех нужных приборов элементам схемы

Теперь выполним подключение, внимательно разобравшись с проводами

Так можно подключить двигатель и предварительно, используя неточную прикидку, и окончательно, когда будут подобраны оптимальные значения.

Подбор можно сделать и экспериментально, имея несколько конденсаторов разных емкостей. Если их присоединять параллельно друг другу, то суммарная емкость будет увеличиваться, при этом нужно смотреть, как ведет себя двигатель. Как только он станет работать ровно и без перенагрузки, значит, емкость находится где-то в районе оптимума. После этого приобретается конденсатор, по емкости равный этой сумме емкостей испытываемых конденсаторов, включенных параллельно. Однако можно при таком подборе измерять фактический потребляемый ток, используя измерительные токовые клещи, а провести расчет емкости конденсатора по формулам.

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.