Подключение однофазного двигателя с конденсатором: простые инструкции для начинающих

Подключение однофазного двигателя с конденсатором: простые инструкции для начинающих

При рассмотрении методов подключения однофазных асинхронных двигателей нельзя обойти внимание два способа, конструктивно отличающихся от схем для подключения через конденсатор.

С экранированными полюсами и расщепленной фазой

В конструкции такого двигателя используется короткозамкнутая дополнительная обмотка, а на статоре присутствуют два полюса. Аксиальный паз делит каждый из них на две несимметричные половины, на меньшей из которых располагается короткозамкнутый виток.

После включения двигателя в электрическую сеть пульсирующий магнитный поток разделяется на 2 части. Одна из них движется через экранированную часть полюса. В результате получается два разнонаправленных потока с отличной от основного поля скоростью вращения. Благодаря индуктивности появляется электродвижущая сила и сдвиг магнитных потоков по фазе и времени.

Витки короткозамкнутой обмотки приводят к существенным потерям энергии, что и является главным недостатком схемы, однако она относительно часто используется в климатических и нагревательных приборах с вентилятором.

С асимметричным магнитопроводом статора

Особенностью двигателей с данной конструкцией заключается в несимметричной форме сердечника, из-за чего появляются явно выраженные полюса. Для работы схемы необходим короткозамкнутый ротор и обмотка в виде беличьей клетки. Характерным отличием этой конструкции является отсутствие необходимости в фазовом смещении. Улучшенный пуск двигателя осуществляется благодаря оснащению его магнитными шунтами.

Среди недостатков этих моделей асинхронных электродвигателей выделяют низкий КПД, слабый пусковой момент, отсутствие реверса и сложность обслуживания магнитных шунтов. Но, несмотря на это, они имеют широкое применение в производстве бытовой техники.

Связанные вопросы и ответы:

Что такое однофазный двигатель

Бытовая техника и приборы низкой мощности работают от однофазного переменного тока, кроме того, не везде может быть обеспечено трёхфазное электропитание. Поэтому однофазные электродвигатели переменного тока получили широкое распространение, особенно в США. Очень часто электродвигателям переменного тока отдают предпочтение, так как их отличает прочная конструкция, низкая стоимость, к тому же они не требуют технического обслуживания.

Как видно из названия, однофазный индукционный электродвигатель работает по принципу индукции; тот же принцип действует и для трёхфазных электродвигателей. Однако между ними есть различия: однофазные электродвигатели, как правило, работают при переменном токе и напряжении 110 -240 В, поле статора этих двигателей не вращается. Вместо этого каждый раз при скачке синусоидального напряжения от отрицательного к положительному меняются полюса.

В однофазных электродвигателях поле статора постоянно выравнивается в одном направлении, а полюса меняют своё положение один раз в каждом цикле. Это означает, что однофазный индукционный электродвигатель не может быть пущен самостоятельно.

Теоретически, однофазный электродвигатель можно было бы запустить при помощи механического вращения двигателя с последующим немедленным подключением питания. Однако на практике пуск всех электродвигателей осуществляется автоматически.

Выделяют четыре основных типа электродвигателей:

• индукционный двигатель с пуском через конденсатор / работа через обмотку (индуктивность) (CSIR),

• индукционный двигатель с пуском через конденсатор/работа через конденсатор (CSCR),

• индукционный двигатель с реостатным пуском (RSIR) и

• двигатель с постоянным разделением емкости (PSC).

На приведённом ниже рисунке показаны типичные кривые соотношения вращающий момент/частота вращения для четырёх основных типов однофазных электродвигателей переменного тока.

Как работает однофазный двигатель

Чтобы однофазный асинхронный электродвигатель начал работать, необходимо создать пульсирующий магнитный поток. Он возникает при прохождении электротока по основной обмотке статора с запуском от вспомогательного витка.

Переменный электроток проходит по проводнику в соответствии со всем известным правилом буравчика: в результате возникают концентрические магнитные потоки. Когда синусоида достигнет максимума, магнитный поток также будет достигать своих наибольших значений. Однако в переменной электросети ток будет менять направление в витке с частотой 50 Гц. При пересечении кривой оси абсцисс, ток начнет движение по витку обмотки в обратном направлении, в результате магнитный поток, который им создается, будет иметь противоположные полюса. Также изменится направление результирующего вектора.

Оба потока имеют одинаковые характеристики, поэтому перемена направления с частотой 100 раз за 1 сек обеспечит суммарный нулевой результат. Из-за этого значение прямого и обратного магнитного потока совпадает.

Фпр = Фобр

Такая ситуация значит, что если просто поместить в поле с такими параметрами ротор электромотора, то он не сможет вращаться. В нем 100 раз в минуту будет меняться направление магнитного потока, в результате ротор будет оставаться в стартовом положении. Однако ситуация начнет меняться, если появится импульс к стартовому движению. В такой ситуации начнется скольжение, которое спровоцирует постоянное вращение вала. Величина такого скольжения будет рассчитываться по формуле:

Sпр = (n1 — n2) / n1, в которой:

n1 – это значение частоты вращения электромагнитного поля электромотора;

n2 – частота, с которой вращается ротор электромотора;

S – величина скольжения однофазного двигателя.

Когда магнитный поток меняется, поле статора и ротор электродвигателя будут вращаться в одном направлении. В этом случае скольжение будет рассчитываться по другой формуле:

Sобр = (n1 — ( — n2)) / n1.

Стержни будут попеременно пересекаться магнитными потоками с разным направлением. Это позволит создать ЭДС, чтобы сгенерировать электроток в роторе и обеспечить ответный магнитный поток. Он будет взаимодействовать с электромагнитным полем статора электродвигателя.

Чтобы запустить однофазный асинхронный электродвигатель, недостаточно просто подать на него напряжение. Для решения этой задачи потребуется первичный импульс, его можно получить несколькими способами:

• Раскручивать вал вручную для получения импульса нужной величины;
• Кратковременно вводить пусковую катушку;
• Расщепить электромагнитное поле короткозамкнутым ротором.

Первый способ в практических целях не используется – его можно встретить только в лабораторных условиях. На практике из-за высокой скорости вращения ротора он может травмировать оператора, поэтому ручной пуск не применяется.

Как можно увеличить мощность однофазного двигателя

Итак, для проведения работ вам следует «вооружиться»:

• набором проводов разного сечения;
• тестером;
• частотным преобразователем;
• источником тока с изменяемой ЭДС.

Сначала необходимо подключить электродвигатель к имеющемуся у вас источнику тока и изменяемой ЭДС и увеличить ее значение. Напряжение в обмотках должно увеличиваться соответственно и поравняться со значением ЭДС (если не принимать во внимание потери в подводящих проводниках, но они незначительны).

Для расчета увеличения мощности двигателя определите значение увеличения напряжения и возведите эту цифру в квадрат. Например, если напряжение на обмотках выросло в два раза (со 110В до 220В), мощность двигателя увеличилась в четыре раза.

Иногда самый рациональный способ повысить мощность электродвигателя – перемотать обмотку. Во многих моделях это медный проводник. Вам следует взять провод из того же материала и той же длины, но большего сечения. Мощность двигателя (и ток в проводе) увеличатся во столько же раз, во сколько снизится сопротивление обмотки. Следите за тем, чтобы напряжение на обмотках оставалось неизменным.

Расчет в этом случае тоже достаточно прост. Разделите большую цифру сечения провода на меньшую. Если провод сечением 0.5 мм заменен проводом сечением 0.75 мм, показатель мощности вырастает в 1.5 раза.

Если вы включаете асинхронный трехфазный двигатель в однофазную бытовую сеть, на первую обмотку подается фаза, на второй фаза сдвигается конденсатором, на третьей сдвиг фаз отсутствует. Именно последняя обмотка создает момент вращения в противоположном направлении (тормозящий момент). Увеличить полезную мощность двигателя в этом случае можно путем отключения третьей обмотки. Это приведет к исчезновению тормозящего момента, генерируемого при работе всех обмоток, и, соответственно, повышению мощности. Данный метод удобен в том случае, когда одна обмотка у двигателя уже сгорела – двух оставшихся вам вполне хватит для подключения и обеспечения работы агрегата.

Еще лучшего результата вы достигнете, поменяв местами выводы третьей обмотки и создав таким образом момент вращения в правильном направлении. В этом случае двигатель «выдаст» более 50% мощности от номинала. Эту обмотку рекомендуется подключать через конденсатор с правильно подобранной емкостью.

У асинхронного двигателя переменного тока мощность можно увеличить, присоединив к нему частотный преобразователь, который повысит частоту переменного тока в обмотках. Значение мощности в этом случае фиксируется с помощью тестера, поставленного на режим ваттметра. Существует два вида преобразователей частоты, отличающиеся принципом работы и устройством:

• Приборы с непосредственной связью (выпрямители). Они не подходят для мощного оборудования, но с небольшим двигателем, использующимся в быту, способны «справиться». С помощью такого устройства осуществляется подключение обмотки к сети. Выходное напряжение, образованное им, имеет частоту от 0 до 30 Гц. При этом управлять скоростью вращения привода можно только в ограниченном диапазоне.
• Приборы с промежуточным звеном постоянного тока. Они производят двухступенчатое преобразование энергии – выпрямление входного напряжения, его фильтрацию и сглаживание и последующую трансформацию в напряжение с требуемой частотой и амплитудой при помощи инвертора. В процессе преобразования КПД оборудования может быть несколько снижен. Благодаря возможности обеспечивать плавную регулировку оборотов и выдавать на выходе напряжение с достаточно высокой частотой, преобразователи данного типа более востребованы и широко применяются в быту и на производстве.

Произведя необходимые расчеты и выбрав наиболее эффективный в вашем случае способ, вы сможете заставить двигатель работать с нужной вам мощностью. Не забывайте о мерах предосторожности.

Что такое конденсатор

Конденсатор - один из простейших двухэлектродных пассивных электронных радиокомпонентов, предназначение которого - накапливать электрический заряд.

Вместе с резисторами, это настоящие столпы электроники - они есть буквально во всех электроприборах. Имея незамысловатый конструктив и работая по простому принципу, но обладая очень длительным периодом развития, этот радиокомпонент играет незаменимую роль в работоспособности подавляющего числа электрических цепей.

Данная статья кратко расскажет, как создавался этот прибор, познакомит с его устройством и принципом работы, условным графическим изображением на схемах. Также будут отражены типовые разновидности конденсаторов, их параметры и будет дана методология расшифровки чаще всего встречающихся маркировок.

Время чтения: 15 минут

Эксперт - Василий Мокрецов

инженер-программист, инженер-электроник.

История создания

Конденсатор (от лат. condensatio - «накопление»), а если быть точным, то его ранний предшественник - «лейденская банка», был изобретён сравнительно давно - в 1745 году в голландском городе Лейден учёным Питером ван Мушенбрук.

Им стал стеклянный сосуд - банка, внутренняя и наружная поверхность которой были обложены тонколистовым оловом. Эти металлические обкладки и служат конденсаторными электродами, разделёнными диэлектрическим корпусом банки.

Они накапливают на своих обкладках заряд электроэнергии, полученный, допустим, от электрофорной машины, хорошо всем известной из школьных уроков физики.

Прикосновение к электродам «лейденской банки» Кюнеусом - учеником Питера ван Мушенбрука, сопровождалось первым в мире прохождением электрозаряда высокого напряжения через тело человека.

Это событие ознаменовало начало нового этапа эволюции теоретической электродинамики и её практической стороны - электротехники, которые впоследствии развились до такого раздела науки как электроника.

Основы функционирования конденсатора

Устройство и принцип работы

На рисунке изображена модель простого плоского конденсатора, который лежит в основе всех существующих компонентов. Конструктивно он очень прост, состоит (как минимум) из двух обкладок, разделённых слоем диэлектрика.

Принцип работы тоже несложен и заключается в том, что при подведении к обкладкам разноимённых зарядов, т.е. заряде конденсатора, они накапливаются, благодаря образующемуся между обкладками электрическому полю. При разряде конденсатора накопленная энергия возвращается в электрическую цепь.

Так как этот элемент нужен для накопления электричества, то логично предположить, что основной его характеристикой, показывающей, насколько много может накапливаться электроэнергии, стала электрическая ёмкость , обозначаемая литерой C .

Как конденсатор влияет на работу однофазного двигателя

Для работы однофазного электродвигателя требуется использование конденсаторов, которые обеспечивают пуск двигателя, создавая необходимую разность потенциалов. Существует несколько типов конденсаторов, которые используются в таких электродвигателях.

Одним из наиболее распространенных типов конденсаторов является электролитический конденсатор. Он имеет высокую емкость и низкую стоимость, что делает его популярным выбором для многих приложений. Однако, он обладает некоторыми недостатками, такими как ограниченный срок службы и возможность утечки электролита при повышенных температурах.

Другим типом конденсатора, используемым в однофазных электродвигателях, является пленочный конденсатор. Он обладает высокой стабильностью, надежностью и долгим сроком службы. Однако, он также имеет некоторые недостатки, такие как более высокая стоимость по сравнению с электролитическим конденсатором и больший размер.

Кроме того, существуют также специализированные типы конденсаторов для определенных приложений, такие как конденсаторы с металлизированной пленкой для работы в условиях повышенной температуры или конденсаторы переменного тока для использования с переменной частотой питания.

Выбор типа конденсатора для однофазного электродвигателя зависит от требований конкретного приложения. При выборе конденсатора необходимо учитывать его емкость, напряжение, рабочую температуру, срок службы и другие параметры, чтобы обеспечить надежную и эффективную работу электродвигателя.

Как подключить однофазный двигатель с конденсатором

Во втором случае, для моторов с рабочим конденсатором, дополнительная обмотка подключена через конденсатор постоянно.

По информации на бирке мотора можно определить какая система в нем использована. Сложность схемы заключается в том, что емкость конденсатора для выравнивания магнитного поля подбирается с учетом токовых нагрузок.

Здесь каждая обмотка используется на свое рабочее напряжение, отсюда и мощность. Расчёт емкости производится исходя из рабочего напряжения и тока, или паспортной мощности мотора. Кратковременным подключением пускового конденсатора на валу двигателя создается мощный стартовый вращающий момент, время запуска сокращается в разы.

Из-за сложности формул расчёта принято выбирать емкости, исходя из приведённых выше пропорций. Расчет емкости конденсатора мотора Существует сложная формула, с помощью которой высчитывают необходимую точную емкость конденсатора. В этих двигателях, рабочая и пусковая — одинаковые обмотки по конструкции трехфазных обмоток. После списания прибора в утиль в большинстве случаев электродвигатели сохраняют работоспособность и могут еще довольно долго послужить в виде самодельных электронасосов, точил, станков, вентиляторов и газонокосилок.

В результате получается два разнонаправленных потока с отличной от основного поля скоростью вращения. Это схема обмотки звездой Красные стрелки — это распределение напряжения в обмотках мотора, говорит о том, что на одной обмотке распределяется напряжение единичной фазы в В, а двух других — линейного напряжения В.

После запуска двигателя, конденсаторы содержат определенное количество заряда, потому прикасаться к проводникам запрещается. В этой обмотке (еще имеет название рабочей) магнитный поток изменяется с такой частотой, с которой протекает по обмотке ток. Вычислить, какие провода к какой обмотке относятся, можно путем измерения сопротивления. Обмотка, у которой сопротивление меньше — есть рабочая. В статоре однофазного электродвигателя находится однофазная обмотка, что отличает его от трехфазного.

Двигатели с высотой вращения более 90 мм представлены в чугунном исполнении. Такая схема исключает блок электроники, а следовательно — мотор сразу же с момента старта, будет работать на полную мощность — на максимальных оборотах, при запуске буквально срываясь с силой от пускового электротока, который вызывает искры в коллекторе; существуют электромоторы с двумя скоростями. Это необходимый запас для компенсации потерь мощности при старте — создании вращающегося момента магнитного поля. После она выключается специальным устройством — центробежным выключателем или пускозащитным реле в холодильниках.

Генератор может исполнять роль двигателя, а он в свою очередь — генератора. На корпусе однофазного асинхронного электродвигателя должна быть схема подключения, где указываются выводы основной и дополнительной обмотки, а также емкость конденсатора. В этом случае движок гудит, ротор остается на месте.

Какие инструменты и материалы нужны для подключения однофазного двигателя с конденсатором

Чтобы управлять работой асинхронным двигателем, имеющим пусковую обмотку, разработана специальная кнопка. Она состоит из трех контактов, один из которых отключается после включения устройства. Называется эта кнопка «ПНВС» и включает в себя средний контакт, который не фиксируется после включения и два крайних контакта с фиксацией.

Внешний вид кнопки ПНВС и состояние контактов после того как кнопка «пуск» отпущена

Если двигатель с пусковой обмоткой, то у него может быть 3 или 4 вывода. Измерив их сопротивление, можно узнать, какой из концов или каких 2 конца имеют отношение к пусковой обмотке.

У двигателя, имеющего 3 вывода, один из концов пусковой обмотки уже соединен с рабочей обмоткой. Как уже было сказано выше, рабочая обмотка всегда имеет меньшее сопротивление, по сравнению с пусковой. У двигателя с 4-мя выводами пусковую обмотку придется соединять с рабочей самостоятельно, на пусковой кнопке. В результате, получится также 3 вывода, которые принимают участие в работе двигателя:

• Один конец от рабочей обмотки.
• Другой конец от пусковой обмотки.
• Третий конец общий (соединение рабочей и пусковой обмотки).

Поэтому подключение таких двигателей ничем не отличается друг от друга, достаточно найти обмотки и соответствующим образом подключить их на реле ПНВС.

• Подключение однофазного двигателя с пусковой обмоткой посредством кнопки ПНВС.

Правильное подключение:

Три провода, выходящие из двигателя, подключаются так: провод, представляющий пусковую обмотку, крепится к среднему контакту (верхнему), а остальные два на крайние (тоже верхние) контакты. Питание 220 V подается на крайние контакты (нижние), при этом средний нижний контакт соединяется перемычкой с боковым контактом (нижним), который включает рабочую обмотку, но не общую, представляющую соединение рабочей и пусковой обмотки. В противном случае двигатель просто не запустится.

Какие особенности необходимо учитывать при подключении однофазного двигателя с конденсатором

Для подключения двигателя с пусковой обмоткой потребуется кнопка, у которой один из контактов после включения размыкается. Эти размыкающиеся контакты надо будет подключить к пусковой обмотке. В магазинах есть такая кнопка — это ПНВС. У нее средний контакт замыкается на время удержания, а два крайних остаются в замкнутом состоянии.

Внешний вид кнопки ПНВС и состояние контактов после того как кнопка «пуск» отпущена»

Сначала при помощи измерений определяем какая обмотка рабочая, какая — пусковая. Обычно вывод от мотора имеет три или четыре провода.

Рассмотрим вариант с тремя проводами. В этом случае две обмотки уже объединены, то есть один из проводов — общий. Берем тестер, измеряем сопротивление между всеми тремя парами. Рабочая имеет самое меньшее сопротивление, среднее значение — пусковая обмотка, а наибольшее — это общий выход (меряется сопротивление двух последовательно включенных обмоток).

Если выводов четыре, они звонятся попарно. Находите две пары. Та, в которой сопротивление меньше — рабочая, в которой больше — пусковая. После этого соединяем один провод от пусковой и рабочей обмотки, выводим общий провод. Итого остается три провода (как и в первом варианте):

• один с рабочей обмотки — рабочий;
• с пусковой обмотки;
• общий.

С этими тремя проводами и работаем дальше — используем для подключения однофазного двигателя.

Со всеми этими 

Подключение однофазного двигателя с пусковой обмоткой через кнопку ПНВС

подключение однофазного двигателя

Все три провода подключаем к кнопке. В ней тоже имеется три контакта. Обязательно пусковой провод «сажаем на средний контакт (который замыкается только на время пуска), остальные два — на крайн ие (произвольно). К крайним входным контактам ПНВС подключаем силовой кабель (от 220 В), средний контакт соединяем перемычкой с рабочим ( обратите внимание! не с общим ). Вот и вся схема включения однофазного двигателя с пусковой обмоткой (бифилярного) через кнопку.

Как избежать ошибок при подключении однофазного двигателя с конденсатором

Асинхронный конденсаторный однофазный двигатель состоит из двух одинаковых обмоток, которые сдвинуты в пространстве относительно друг друга на 90 электрических градусов:

главная или рабочая (U1, U2)

вспомогательная или пусковая (Z1, Z2)

А Вы знаете, как отличить рабочую обмотку от пусковой? Если нет, то переходите по указанной ссылочке.

Главную (рабочую) обмотку такого двигателя подключают непосредственно в однофазную сеть. Вспомогательную (пусковую) обмотку подключают в эту же сеть, но только через рабочий конденсатор.

На этом этапе многие электрики путаются и ошибаются, потому что в обычном асинхронном однофазном двигателе вспомогательную обмотку после пуска нужно отключать. Здесь же вспомогательная обмотка всегда находится под напряжением, т.е. в работе. Это значит, что конденсаторный однофазный двигатель имеет вращающуюся магнитодвижущую силу (МДС) на протяжении всего рабочего процесса. Вот поэтому он по своим характеристикам практически не уступает трехфазным . Но тем не менее недостатки у него имеются:

заниженный пусковой момент

небольшая перегрузочная способность

Для нашего однофазного двигателя АИРЕ 80С2 емкость рабочего конденсатора уже известна (из паспорта), и она составляет 50 (мкФ). Вообще то можно и самостоятельно рассчитать емкость рабочего конденсатора, но формула эта достаточно сложная, поэтому я ее Вам приводить не буду.

Если не знаете (или подзабыли) как можно измерить емкость, то  напомню Вам, что я уже писал статью о том, как пользоваться цифровым мультиметром при измерении емкости конденсатора. Читайте, там все подробно описано.

Если по условиям пуска однофазного двигателя требуется более высокий момент, то параллельно рабочему конденсатору на время пуска необходимо подключить пусковой конденсатор, емкость которого выбирают опытным путем для получения наибольшего пускового момента. По опыту могу сказать, что емкость пускового конденсатора можно взять в 2-3 раза больше рабочего.

Вот пример подключения однофазного конденсаторного двигателя с тяжелым пуском:

Подключить пусковой конденсатор можно с помощью кнопки или же использовать более сложную схему, например, на реле времени .

Забыл сказать о роторах.

Чаще всего роторы однофазных двигателей выполняются короткозамкнутыми. Более подробно о короткозамкнутых роторах я рассказывал в статье про устройство асинхронных двигателей .