Как правильно рассчитать емкость конденсаторов для подключения трехфазного двигателя к однофазной сети. Какие формулы использовать для расчета рабочего и пускового конденсаторов. Как выбрать оптимальный тип конденсаторов для трехфазного мотора.
Особенности подключения трехфазных двигателей к однофазной сети
Трехфазные электродвигатели широко используются в промышленности благодаря своей эффективности и надежности. Однако в бытовых условиях чаще всего доступна только однофазная сеть 220 В. Возникает вопрос — можно ли подключить трехфазный мотор к обычной розетке? Ответ — да, можно, но для этого потребуется правильный расчет и подбор конденсаторов.
Основная задача при таком подключении — создать искусственную трехфазную систему с помощью конденсаторов. Для этого используются два типа конденсаторов:
- Рабочий конденсатор (Cраб) — подключается последовательно с одной из обмоток двигателя и работает постоянно
- Пусковой конденсатор (Спуск) — подключается параллельно рабочему только на время запуска двигателя
Правильный расчет емкости этих конденсаторов критически важен для нормальной работы трехфазного двигателя от однофазной сети.
Формулы для расчета емкости конденсаторов
Существуют различные формулы для расчета емкости конденсаторов в зависимости от схемы соединения обмоток двигателя. Рассмотрим основные формулы:
Для соединения обмоток звездой:
Cраб = 2800 * I / U
где:
- I — номинальный ток двигателя (А)
- U — напряжение сети (В)
Для соединения обмоток треугольником:
Cраб = 4800 * I / U
Емкость пускового конденсатора обычно принимают в 2-3 раза больше рабочего:
Спуск ≈ (2-3) * Cраб
Существует также упрощенная формула для предварительной оценки:
Cраб ≈ 7 мкФ на каждые 100 Вт мощности двигателя
Особенности выбора типа конденсаторов
При выборе конденсаторов для подключения трехфазного двигателя важно учитывать несколько факторов:
- Рабочее напряжение конденсатора должно быть минимум в 1,5 раза выше напряжения сети
- Емкость должна максимально точно соответствовать расчетной
- Конденсаторы должны выдерживать длительную работу под нагрузкой
Наиболее подходящими для этих целей являются следующие типы конденсаторов:
- Металлобумажные — доступны по цене, но имеют большие габариты
- Полипропиленовые пленочные — компактны, долговечны, стабильны
- Специальные пусковые — для кратковременной работы при пуске
Выбор конкретного типа зависит от мощности двигателя, режима работы и условий эксплуатации.
Схемы подключения конденсаторов
Существует два основных способа подключения конденсаторов к трехфазному двигателю при питании от однофазной сети:
1. Схема с постоянно включенным конденсатором
В этой схеме используется только рабочий конденсатор, который подключается последовательно с одной из обмоток двигателя. Схема проста, но обеспечивает меньший пусковой момент.
2. Схема с рабочим и пусковым конденсаторами
Здесь используются два конденсатора:
- Рабочий — включен постоянно
- Пусковой — подключается параллельно рабочему только на время запуска
Эта схема обеспечивает больший пусковой момент, но требует использования пускового устройства для отключения пускового конденсатора.
Практические рекомендации по подбору конденсаторов
При подборе конденсаторов для подключения трехфазного двигателя к однофазной сети следует придерживаться следующих рекомендаций:
- Рассчитайте требуемую емкость по приведенным выше формулам
- Выберите конденсаторы с ближайшим большим номиналом
- Убедитесь, что рабочее напряжение конденсаторов не менее 400 В для сети 220 В
- Для мощных двигателей используйте схему с отдельным пусковым конденсатором
- При отсутствии конденсатора нужной емкости, используйте параллельное соединение нескольких
Помните, что расчетные значения являются ориентировочными. Возможно, потребуется экспериментальный подбор оптимальной емкости для конкретного двигателя.
Ограничения и возможные проблемы
При подключении трехфазного двигателя к однофазной сети через конденсаторы следует учитывать ряд ограничений:
- Снижение мощности двигателя на 30-40% от номинальной
- Уменьшение пускового момента
- Возможный перегрев при длительной работе
- Нестабильная работа при резких изменениях нагрузки
Чтобы избежать проблем, не рекомендуется использовать такую схему для двигателей мощностью более 3 кВт или требующих частых пусков под нагрузкой.
Альтернативные способы питания трехфазных двигателей
Если использование конденсаторов не обеспечивает требуемых характеристик, можно рассмотреть альтернативные способы питания трехфазных двигателей:
- Использование однофазного частотного преобразователя
- Применение специальных устройств плавного пуска
- Замена трехфазного двигателя на однофазный аналог
Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки, выбор зависит от конкретных условий применения.
C I E L a b . X Y Z • Емкость конденсаторов для трехфазного асинхронного двигателя в бытовой однофазной сети
Сражаясь неустанно,
доживём мы, Санчо,
до Золотого века!
Расчет емкости фазосдвигающего конденсатора
для трехфазного асинхронного двигателя в бытовой однофазной сети
Треугольник Звезда Соединение обмоток двигателя, Δ/Y
Мощность двигателя, Вт
Напряжение в сети, В
Коэффициент мощности, cosφ
КПД двигателя, %
Нагрузка: Низкая Средняя Высокая
Емкость рабочего конденсатора, мкФ
Емкость пускового конденсатора (Ср×2.5), мкФ
Рабочий и пусковой конденсаторы включаются в цепь параллельно, во время пуска работают одновременно, затем пусковой отключают. В момент пуска асинхронных двигателей (особенно, с нагрузкой на валу) в сети 220 В требуется повышенная емкость фазосдвигающего конденсатора (в 2-3 раза выше емкости рабочего).
Двигатель, имеющий маркировку 220/380 и Δ/Y включается в однофазную сеть 220В по схеме треугольник, по схеме звезда в сети 220В такой двигатель будет терять в мощности троекратно и сильно греться.
При соединении конденсаторов параллельно их емкость суммируется. При соединении конденсаторов последовательно, рабочее напряжение в цепи будет равняться сумме напряжений всех конденсаторов, а емкость вычисляется по формуле: 1/C = 1/C1 + 1/C2 + … + 1/Cn. Рабочее напряжение в цепи конденсаторов должно быть минимум в полтора раза выше напряжения сети (то есть не менее 330В в сети 220В). Таким образом, два конденсатора на 200 мкф с рабочим напряжением 200В дадут при последовательном соединении емкость 100 мкф и допустимое рабочее напряжение 400В. При параллельном соединении емкость будет 400 мкф и рабочее напряжение 200В (самое низкое значение допустимого напряжения из всего набора конденсаторов в цепи). Необходимые конденсаторы представлены в сетевых магазинах в разделе пусковых конденсаторов (не ищите по старинке бумажные — их практически перестали выпускать).
Видеопримеры работы двигателя 2.2 кВт и 1.1 кВт с одной и той же нагрузкой и правильно подобранными рабочими и пусковыми конденсаторами, разница в скорости пуска 3 и 20 секунд. И сборка на 3.3 кВт весело крутится (пильный диск 350 мм в диаметре). Еще распиловка дров на 2.2 кВт: ракурс 1 и ракурс 2.
Схема включения в однофазную сеть трёхфазного асинхронного двигателя с обмотками статора, соединёнными по схеме «звезда» (а) или «треугольник» (б): B1 — Переключатель направления вращения (реверс), В2 — Выключатель пусковой ёмкости; Ср — рабочий конденсатор; Cп — пусковой конденсатор; АД — асинхронный электродвигатель.
На схеме представлено последовательное (сверху) и параллельное (снизу) соединение конденсаторов.
На рисунке представлена схема соединения обмоток двигателя «Звезда».
На рисунке представлена схема соединения обмоток двигателя «Треугольник».
© CIELab.XYZ
Скриптинг и поддержка – Михаил Сартаков
Всего посещений — 100052
Всего за день — 8
Уникальных сегодня — 8, вчера — 8, позавчера — 4
Расчёт ёмкости конденсатора для трехфазного электродвигателя
Содержание
- 1 Особенности включения трехфазных моторов в однофазные сети
- 2 Как подобрать номинал конденсатора
- 3 Расчет ёмкости конденсатора по формуле
- 4 Последовательное и параллельное подключение
- 5 Резюме
Как подобрать рабочий и пусковой конденсаторы для подключения трехфазного мотора к бытовой однофазной сети. Формулы и эмпирическое правило для определения номиналов конденсаторов, подключаемых по схеме звезда и треугольник.
Отечественные электрические сети по своей природе – трехфазные.
Электростанции всех типов генерируют электроэнергию с тремя сдвинутыми относительно друг друга на 120° фазами. Такой подход гарантирует удовлетворение нужд промышленности, где используются мощные потребители. В быту же это требование излишне, и допустимая мощность на одно частное домовладение ограничена 15 киловаттами. Поэтому из трех фаз используется только одна, и в подавляющем большинстве случаев этого вполне достаточно.
И все же имеется немало полезных приборов и устройств, в основу которых положено использование трехфазных электромоторов. Можно ли их применять в бытовой сети? Ответ будет отрицательным – будучи включенным в сеть 220 В, такой мотор попросту сгорит. Но если его немного переделать, то он сможет работать и в однофазной бытовой электросети.
Если разобраться, то фазы трехфазных сетей отличаются только временным сдвигом на треть периода между пиками переменного тока. Но и для одной фазы можно легко сделать три, просто включив в ее состав на уровне конечного прибора реактивные элементы, которыми в электротехнике являются индуктивности и емкости.
Если рассматривать конкретный пример, то есть электродвигатель, то индуктивность в нем присутствует изначально. Это обмотка статора. Останется только включить в схему конденсатор и перекоммутировать провода: тогда емкость, подключенная к одной из трех обмоток, будет сдвигать фазу в одну сторону, а соединив две другие, мы получим тот же сдвиг фазы, но уже в обратную сторону. И все это будет работать, будучи подключенным к однофазной сети.
Разумеется, если мощность такого мотора велика, может сработать вышеупомянутое ограничение, поэтому имеет смысл переделывать для работы в бытовой сети 220 В только не слишком требовательные к мощности электродвигатели.
Особенности включения трехфазных моторов в однофазные сети
Как мы уже знаем, у трехфазного двигателя имеются три обмотки, и они могут быть подключены одним из двух способов: звездой (принятое в электротехнике обозначение – Y) или треугольником (Δ).
Суть названий можно понять из приведенного рисунка.
При включении трехфазного электромотора в однофазную сеть лучше использовать схему с треугольником. Если вы увидите на шильдике двигателя обозначение Y, то обмотки нужно перекоммутировать в треугольник, иначе переделка станет бессмысленной из-за большой потери мощности.
А теперь поговорим о том, как именно реализовать схему с подключением дополнительного элемента. Особенность асинхронных электромоторов заключается в повышенных номиналах тока, обеспечивающих их уверенный пуск. Стандартный способ будет иметь недостатки: если рассчитать параметры так, чтобы пуск действительно был беспроблемным, то мотор после выхода на рабочие частоты вращения вала будет перегреваться, что приведет к его ускоренному износу. Если ограничить ток по номиналу, двигатель будет плохо запускаться, а при наличии стартовой нагрузки вообще не сможет стартовать. Но выход есть: использование двух конденсаторов, пускового и рабочего. Пример такой схемы представлен на рисунке:
Здесь Спуск внедрен в схему параллельно рабочему.
Если мощность электромотора невелика, номинал Спуск может быть равен номиналу Сраб. В продаже можно встретить специальные стартовые конденсаторы, о чем будет указывать слово starting в их обозначении.
Понятно, что назначение стартового аналога – помочь основному раскрутить мотор, после чего он должен быть отключен. Для этого в цепь включают выключатель, в простейшем виде – кнопочный. Более распространенным и удобным является использование комбинированной кнопки-включателя: для запуска мотора вы ее нажимаете и удерживаете, а когда мотор выйдет на рабочие обороты, кнопка отпускается, размыкая цепь Сстарт, но останется вжатой, то есть остальная цепь будет работать. Нажатие красной кнопки выключит двигатель.
Как подобрать номинал конденсатора
Поскольку трехфазные моторы, как правило, отличаются повышенной мощностью, конденсаторы для включения его в однофазную цепь тоже нужны повышенных номиналов. Речь идет о десятках, а часто – сотнях микрофарад.
Электролитические для этих целей малопригодны, поскольку они подключаются по однополярной схеме. То есть потребуется включение в цепь дополнительных элементов в виде диодного выпрямителя и нескольких сопротивлений. Второй их существенный недостаток – со временем они высыхают (испаряется электролит), вследствие чего их емкость постепенно падает, что проявляется их вздутием (пользователям компьютеров эта проблема известна очень даже хорошо). Если вовремя не заменить такую емкость, существует риск ее взрыва.
Поэтому задача подбора конденсаторов не так проста, как кажется, и обычно решается в несколько этапов.
Для начала делают приблизительный расчет исходя из простого правила: на каждые 100 Вт паспортной мощности электродвигателя необходимо 7 мкФ. То есть для 800-ваттного мотора потребуется подобрать ёмкостной элемент на 56 мкФ. Это правило касается рабочей емкости, для пусковой номинал должен быть увеличен в 1-3 раза, в зависимости от мощности двигателя. В среднем это двукратное превышение, для нашего случая это примерно 110 мкФ.
На практике следует изначально ставить изделия с номиналом, превышающим эти расчетные значения, чтобы воочию посмотреть, как будет вести себя электродвигатель в разных режимах: на старте, без нагрузки, под нагрузкой.
Сильное превышение чревато перегревом мотора, а если ёмкость конденсатора окажется меньше расчетной, двигатель потеряет в мощности при номинальной частоте вращения вала (поскольку этот показатель зависит от частоты напряжения сети, а не мощности).
Если мотор работает тихо, без натуги и без рывков – значит, мы выполнили подбор более-менее правильно. Но лучше все же ориентироваться на специальные расчетные формулы, которые обеспечат наиболее оптимальный режим работы электродвигателя.
На рисунке показана разводка проводов при подключении конденсаторов к трехфазному мотору (ПНВС – это пусковая кнопка промышленного изготовления). Непосредственно к выключателю подсоединяем провода, идущие от первой и третьей обмоток, провод от второй обмотки пускаем на емкостные входы, выходы коммутируем по отдельным контактам ПНВС.
По такой схеме можно подключать двигатель в однофазную цепь и во время испытаний, и в окончательном варианте.
Расчет ёмкости конденсатора по формуле
Существуют специальные формулы для расчета номиналов емкостей.
Так, для соединения «звездой» расчёт ёмкости производится по формуле:
Cраб=2800*I/U, где I/U- ток/напряжение в сети соответственно. Но если напряжение сети хорошо известно, то ток – величина зависимая, определяемая по формуле I=P/(Кэф*√3*U*cosα), где P – мощность электромотора (указывается в ваттах на шильдике), Кэф – КПД электродвигателя, а cosα – приведенный коэффициент мощности, его часто тоже указывают на шильдике или в паспорте мотора.
Для расчета номинала емкости пускового конденсатора применяется иная приближенная формула: Cстарт≈2,5* Cраб.
Для соединения «треугольником» для рабочей ёмкости она тоже довольно проста: Cраб =4800*I/U, а посчитать ток и номинал пускового можно по тем же формулам, что приведены выше.
КПД мотора и его рабочий ток обычно указывается на шильдике или в паспорте устройства, так что с вычислениями номиналов проблем возникнуть не должно.
Превышать полученное значение не рекомендуется – высок риск перегрева обмоток. После реализации схемы можно измерить рабочий ток под оптимальной нагрузкой, чтобы скорректировать емкость, в этом случае можно использовать формулу зависимости от тока и напряжения. Если мощность АКДЗ менее 500 Вт, пусковой конденсатор, скорее всего, не понадобится, особенно если запуск мотора производится без нагрузки. А это такие инструменты, как наждак, циркулярная пила или фуганок. А, к примеру, для погружного насоса на 3КВт С
Кроме ёмкости конденсатора для трехфазного электромотора, при выборе нужно обращать внимание и на его номинальное напряжение. Дело в том, что в момент запуска увеличена не только сила тока, но и напряжение, так что для сети на 220В желательно выбирать емкость с минимум полуторакратным запасом по напряжению, то есть 360-450 В, но это касается только Спуск или если в схеме присутствует только рабочий.
Особенности применения рабочей и стартовой емкостей описаны в следующей таблице:
| Рабочий конденсатор | Стартовый конденсатор | |
| Способ подключения | Последовательно ко второй обмотке трёхфазного электромотора | Параллельно рабочему |
| Для чего используется | Для формирования вращающегося магнитного поля, нужного для создания вращающего момента в роторе | Для увеличения момента вращения на этапе пуска электродвигателя |
| Когда активен | Все время | В момент пуска мотора до его выхода на номинальные обороты |
А теперь рассмотрим особенности достоинства и недостатки разных типов конденсаторов, используемых для подключения трехфазных двигателе к однофазным сетям:
| Металлобумажные | Полипропиленовые пленочные | Пусковые | |
| Изображение | |||
| Технология производства | Слой металлизированной пленки, нанесенной на диэлектрик (конденсаторную бумагу) | Аналогичная, но в качестве диэлектрика используется полипропиленовая лента малой толщины | Обертка из алюминиевой фольги, в которую заливается электролит. Диэлектрик – диоксид алюминия |
| Номиналы по напряжению, В | 160/200/300/400/600, 1000 | 450/630 | 200-460 |
| Номиналы емкости, мкФ | 0.1-20.0 | 1.0-150.0 | 50.0-1500.0 |
| Форма корпуса, материал | Прямоугольная, металл | Цилиндр, пластик | Цилиндр, металл (покрытый термостойким поливинилхлоридом) |
| Назначение | Cраб | Cраб/ Cпуск | Cстарт |
| Плюсы | Доступная стоимость | Большой ресурс, стабильность характеристик, компактность | Компактность, большая емкость |
| Минусы | Большие габариты, малый КПД, быстрое старение | Стоимость | Узкая сфера применения |
Последовательное и параллельное подключение
Расчетный показатель может оказаться таким, что подобрать одно-единственное устройство с нужным расчетным значением не получается. При этом условие точного соответствия номинала расчетным параметрам соблюдать настоятельно рекомендуется по указанным выше причинам. Как в таких случаях поступать? Выход есть, но придется немного повозиться.
Как известно со школьного курса физики, параллельное подключение конденсаторов будет иметь результирующую ёмкость, равную сумме их значений. Таким образом, можно выполнять подбор, комбинируя их номиналы так, чтобы в итоге получить необходимое значение. Количество емкостных элементов при этом в принципе не ограничивается, но есть одно важное условие: все они должны иметь одинаковое значение рабочего напряжения, ведь при параллельном подключении разница потенциалов на их электродах будет одинаковой.
Здесь тоже желательно точное совпадение номиналов напряжения. Небольшая разница допустима, но если, скажем, все используемые устройства в батарее будут рассчитаны на 300 В, а один – на 160, его время жизни окажется очень коротким.
Многие сайты предлагают воспользоваться онлайн калькулятором расчета электрической схемы, так что от вас даже не потребуется знания математики.
Сегодня металлобумажные конденсаторы практически не используют, а до появления металлополипропиленовых аналогов их приходилось помещать в специальный бокс, и для мощного промышленного оборудования такой бокс мог иметь впечатляющие размеры. Миниатюризация элементной базы, в том числе емкостей, позволила размещать сборные батареи большой емкости непосредственно на корпусе электромотора.
Что касается последовательного соединения, то результирующая емкость батареи будет определяться не суммой отдельных элементов, как это было при их параллельном подключении, а с помощью формулы 1/Срез=1/С1+1/С2+…+1/ Сn. В самом простом случае формула будет иметь вид Срез=С1*С2/( С1+С2). Из этого следует, что суммарная емкость всегда будет меньше номинала самого слабого из подключенных последовательно конденсаторов.
Напрашивается очевидный вывод, что никакого резона в использовании последовательного соединения нет, разве что для уменьшения номинала, но для этого можно просто взять устройство с меньшим значением номинала.
Действительно, зачем подключать последовательно два элемента по 40 мкФ каждая, если в итоге получим всего 20 мкФ?
Но из рисунка видно, что отличие между последовательным и параллельным подключением заключается не только в расчете итогового номинала емкости – результирующее напряжение тоже будет разным. В случае последовательного соединения – равным сумме напряжений между каждым конденсатором.
Это означает, что если подключить по такой схеме две емкости, каждая из которых имеет рабочее напряжение 250 вольт, в итоге получим 500 В. А чем больше номинал напряжения, тем выше стоимость. То есть здесь уже можно заниматься расчетами, что выгоднее, подключить один Срабоч на 20 мкФ с рабочим напряжением 500 В, или два на 40 мкФ, но напряжением 250 В.
Резюме
Как видим, самостоятельный расчет номиналов Срабоч и Сстарт при подключении трехфазного мотора к однофазной бытовой сети несложен, если известны исходные данные. Намного сложнее будет подобрать такой номинал – скорее всего, придется прибегнуть к соединению нескольких емкостей параллельно.
Трехфазное оборудование для коррекции коэффициента мощности
(903) 984-3061 | 2800 шоссе. 135 North, Kilgore, TX 75662
Steelman Industries
Искать на сайте
<< Индекс | < Страница 12 | Page 14>
Полезные формулы
(три этапа)
Силовой коэффициент
и
Power Triangle
| Контенты напряжения | ||
|---|---|---|
| Для 208 В | 61.31 МФД/КВАР | 2,78 А/кВАр |
| Для 240 В | 46.05 МФД/КВАР | 2,41 А/кВАр |
| Для 480 В | 11,51 МФД/КВАР | 1,20 А/кВАр |
| Для 600 Вольт | 7,37 МФД/КВАР | 0,96 А/кВАр |
Потери мощности при передаче тока могут быть значительно снижены за счет улучшения коэффициента мощности. Это преимущество в основном реализуется при наличии длинных проводников к двигателям или сильно нагруженных электрических распределительных системах. Известен как я 9{2})$$
Конденсаторы могут увеличить напряжение в системе. Это увеличение выгодно в электрических системах, где перепады напряжения являются проблемой. Расчет выглядит следующим образом:
$$( \hspace{3 pt}Напряжение \hspace{3 pt}Возрастание \hspace{3 pt}=frac{Конденсатор \hspace{3 pt}Квар \hspace{3 pt}x \hspace{3 pt} \hspace{3 pt} Трансформатор \hspace{3 pt} Реактивное сопротивление}{Transformer \hspace{3 pt}КВА} )$$
