Как работает пусковой конденсатор? Основные принципы, определение размеров и симптомы отказов

Пусковой конденсатор работает, создавая фазовый сдвиг от 60 до 120 градусов. между током во вспомогательной обмотке и током в основной обмотке однофазного двигателя. Этот фазовый сдвиг создает вращающееся магнитное поле, которое генерирует достаточный пусковой момент для вращения ротора. Конденсатор остается в цепи всего несколько секунд, пока двигатель не достигнет примерно 75% номинальной скорости, а затем отключается центробежным выключателем. Если переключатель не размыкается, конденсатор потребляет чрезмерный ток и обычно выходит из строя или взрывается в течение нескольких минут в соответствии со стандартными принципами проектирования конденсаторов двигателей переменного тока, описанными в IEC 60252-1.

Что за Пусковой конденсатор На самом деле делает

Однофазные асинхронные двигатели просты и надежны, но у них есть неотъемлемое ограничение: они не могут самостоятельно развивать пусковой момент. Единственная обмотка, питаемая переменным током, создает пульсирующее магнитное поле, которое не вращается, поэтому ротор остается неподвижным. Пусковой конденсатор решает эту проблему путем добавления второй обмотки, известной как вспомогательная или пусковая обмотка, которая намеренно сдвинута по фазе.

Когда конденсатор включен в цепь, ток в пусковой обмотке опережает ток в основной обмотке примерно на 60–120 градусов, в зависимости от размера конденсатора и конструкции обмотки. Эта разность фаз превращает пульсирующее поле во вращающееся поле, которое индуцирует ток в стержнях ротора и генерирует крутящий момент, необходимый для преодоления статической инерции и приведения ротора в движение.

• Обеспечивает электрическое толкать а не постоянная мощность
• Активен только во время стартовой последовательности, обычно от 2 до 5 секунд.
• Рассчитан на прерывистую, а не непрерывную работу.
• Обходится центробежным выключателем или потенциальным реле на полной скорости.

Физика фазового сдвига

Чтобы понять, почему конденсатор создает фазовый сдвиг, вам нужно посмотреть на взаимосвязь между напряжением и током. В чисто резистивной цепи напряжение и ток синфазны. В индуктивной цепи ток отстает от напряжения. В емкостной цепи ток опережает напряжение. Обмотка двигателя является индуктивной, поэтому она, естественно, вызывает задержку. Конденсатор, напротив, заставляет ток опережать напряжение.

Когда вы подключаете конденсатор последовательно с пусковой обмоткой, он действует как устройство опережения фазы . Ток, протекающий через пусковую обмотку, опережает ток в основной обмотке примерно на 90 градусов. Точный угол зависит от общего сопротивления конденсатора и обмотки. Для практичных пусковых конденсаторов фазовый угол остается в диапазоне от 60 до 120 градусов, и этого достаточно для создания полезного вращающегося поля.

Пошаговая последовательность работ

Давайте проследим последовательность от включения до полной скорости.

1. Питание подается на основную обмотку непосредственно от сети переменного тока. Основная обмотка начинает потреблять ток и создает собственное магнитное поле.
2. В то же время напряжение подается на последовательную комбинацию пускового конденсатора и пусковой обмотки.
3. Конденсатор быстро заряжается и смещает ток в пусковой обмотке так, что он опережает ток основной обмотки примерно на 60–120 градусов.
4. Две обмотки теперь создают вращающееся магнитное поле. Ротор начинает вращаться и быстро ускоряется.
5. Как только двигатель достигает примерно 75% своей синхронизированной скорости, центробежный переключатель размыкается, удаляя пусковой конденсатор из цепи.
6. Теперь двигатель работает только на своей главной обмотке, а вспомогательная обмотка обесточена. Вращающееся поле сохраняется, поскольку одиночная обмотка может поддерживать вращение при движении ротора.
7. Когда двигатель выключается, центробежный переключатель снова замыкается, повторно активируя пусковую цепь для следующего запуска.

Важная деталь: пусковой конденсатор рассчитан на повторно-кратковременный режим работы, то есть он должен находиться под напряжением не более 3–5 секунд при каждом пуске. Если он останется в цепи, диэлектрический материал быстро нагреется. В типичном пусковом конденсаторе переменного тока на 250 В пребывание в подключенном состоянии более 10 секунд может привести к тому, что внутренняя температура превысит 85 градусов Цельсия, что приведет к вздутию, утечке воздуха и окончательному выходу из строя.

Пусковой конденсатор и рабочий конденсатор: ключевые различия

Пусковые и рабочие конденсаторы являются конденсаторами двигателя, но они выполняют разные функции и оцениваются по разным стандартам. В таблице ниже приведены основные различия.

Емкость и рабочий цикл являются двумя наиболее важными различиями. Пусковой конденсатор хранит больше энергии для обеспечения высокого пускового момента, но он не предназначен для работы с постоянным током. Рабочий конденсатор хранит меньше энергии, но работает непрерывно, часто в сочетании с одной обмоткой для улучшения фазового угла. Использование рабочего конденсатора вместо пускового конденсатора не создаст достаточный крутящий момент для запуска двигателя. Использование пускового конденсатора вместо рабочего конденсатора приведет к его перегоранию за считанные минуты, поскольку пусковой конденсатор предназначен для прерывистого режима работы.

Как подобрать размер пускового конденсатора

Выбор правильного пускового конденсатора — инженерная задача, но существуют общие правила, применимые к большинству небольших однофазных двигателей.

Емкость

Требуемая емкость зависит от требуемого крутящего момента двигателя при заблокированном роторе. Приблизительно: для двигателя мощностью 1/2 лошадиной силы, работающего при 120 В/60 Гц, обычно требуется пусковой конденсатор емкостью от 200 до 300 микрофарад. Мотору мощностью 1 лошадиная сила может потребоваться от 400 до 500 микрофарад. Значения выше 1000 микрофарад обычно появляются только в более крупных двигателях мощностью более 3 лошадиных сил.

Номинальное напряжение

Номинальное напряжение конденсатора должно быть не менее В 1,5 раза выше сетевого напряжения переменного тока . Для источника питания 230 В выберите конденсатор на 370 В или 450 В. Для источника питания 115 В обычно достаточно конденсатора на 250 В. Конденсатор со слишком низким номиналом может не выйти из строя немедленно, но его внутренний диэлектрик будет подвержен нагрузке, и срок его службы значительно сократится.

Толерантность

Стандартные пусковые конденсаторы обычно имеют допуск плюс-минус 10% или 20%. Некоторые производители указывают плюс-минус 5% для особых случаев применения. Если вы заменяете конденсатор, емкость замены должна находиться в пределах 10 % от исходного значения. Превышение исходной емкости более чем на 20 % приведет к увеличению пускового момента, но также к увеличению потребления тока во время пуска, что может привести к перегреву вспомогательной обмотки.

Эти значения являются ориентировочными и не заменяют проверку паспортной таблички двигателя. Всегда проверяйте рекомендации производителя двигателя, особенно при замене конденсатора. Значения основаны на типичных методах проектирования в соответствии с IEC 60252 и NEMA MG1.

Признаки неисправности и тестирование

Пусковой конденсатор может выйти из строя внезапно или постепенно. Общие признаки неисправности включают гудение двигателя без вращения, запах гари, видимое вздутие или выделение воздуха, а также конденсатор, емкость которого значительно ниже значения, указанного на паспортной табличке.

Тестирование с помощью мультиметра

1. Отключите питание и подождите не менее 2 минут, пока конденсатор разрядится. Большинство пусковых конденсаторов имеют резистор, который сбрасывает заряд, но вам все равно следует использовать разрядник.
2. Установите измеритель в режим измерения емкости и подключите щупы к клеммам.
3. Сравните показание с номинальным значением. Показание ниже 80% от маркированной емкости указывает на неисправность конденсатора.
4. Если вы используете омметр на неполяризованном пусковом конденсаторе, вы должны увидеть кратковременное короткое замыкание, а затем – обрыв. Постоянно разомкнутое или короткозамкнутое показание сигнализирует о внутреннем повреждении.

Одно практическое замечание: многие пусковые конденсаторы являются электролитическими и со временем могут высохнуть. Типичная продолжительность жизни составляет От 4000 до 8000 пусковых циклов , то есть количество запусков двигателя, а не общее количество часов работы. В стандартном домашнем использовании, когда двигатель запускается 5 раз в день, конденсатор, рассчитанный на 6000 циклов, может прослужить от 3 до 4 лет. В коммерческом компрессоре с 50 запусками в день один и тот же конденсатор может выйти из строя через 4–5 месяцев. Вот почему вы должны подобрать конденсатор в соответствии с рабочим циклом приложения.

Общие приложения

Пусковые конденсаторы используются в широком спектре однофазных двигателей, где требуется высокий пусковой момент. Наиболее распространенные приложения включают в себя:

• Компрессоры кондиционеров, часто с потенциальным реле в более крупных агрегатах.
• Двигатели стиральных машин, особенно в моделях с прямым приводом
• Водяные насосы и скважинные насосы, запускаемые при полном напоре
• Шлифмашины и небольшие деревообрабатывающие станки с тяжелыми лезвиями.
• Устройство открывания гаражных ворот, которое должно поднять тяжелую дверь из состояния покоя
• Вентиляторы и воздуходувки с существенным сопротивлением воздуховодов

В каждом из этих применений двигатель сталкивается со значительной нагрузкой при нулевой скорости. Компрессор сопротивляется движению, поскольку сторона хладагента находится под давлением. Барабан стиральной машины наполнен водой и мокрой одеждой. Насос погружен в воду. Пусковой конденсатор придает этим двигателям дополнительную толкающую силу, позволяющую привести все в движение.

Замечания по безопасности и обращению

Конденсаторы сохраняют энергию даже после отключения питания. Пусковой конденсатор может удерживать опасный заряд в течение нескольких минут. Всегда разряжайте конденсатор с помощью резистора соответствующего номинала или отвертки с изолированной ручкой, прежде чем прикасаться к нему. Никогда не замыкайте клеммы металлическим предметом, пока не убедитесь, что конденсатор полностью разряжен.

Кроме того, используйте конденсаторы с защитной вентиляцией. Вентилируемый конденсатор — это конденсатор, который может безопасно сбросить внутреннее давление во время отказа, а не взорваться. Это важно для закрытого оборудования, такого как компрессорные кабины и корпуса стиральных машин.

Практическое замечание: если конденсатор когда-либо был визуально поврежден, например, вздутый верх, не пытайтесь использовать его повторно. Замените новым блоком, имеющим аналогичную емкость, напряжение, номинальную температуру и конфигурацию клемм.

Часто задаваемые вопросы

Что произойдет, если пусковой конденсатор никогда не отключится?

Конденсатор остается в цепи и продолжает потреблять ток. Поскольку он предназначен для повторно-кратковременного режима работы, внутренний электролит или пленка быстро нагреваются. Через несколько секунд внутреннее давление возрастает, вентиляционное отверстие открывается, и конденсатор выходит из строя. В некоторых случаях двигатель может продолжать работать, но при более высоком потреблении тока и значительной пульсации крутящего момента.

Может ли двигатель работать без пускового конденсатора?

Для небольшого двигателя с низкой пусковой нагрузкой иногда двигатель можно запустить вращением вручную или с помощью специального устройства управления пуском. Но в общем случае однофазный двигатель без пускового конденсатора просто гудит, потому что вращающегося поля не создается.

Как долго работает пусковой конденсатор?

Срок службы измеряется в пусковых циклах, а не в часах работы. Типичный пусковой конденсатор рассчитан на 4000–8000 пусков. Для бытового кондиционера, работающего 8 раз в день, этот срок может составлять от 1,5 до 2,5 лет. В коммерческом подразделении с 50 пусками в день это может занять всего от 3 до 5 месяцев.

Как определить, что проблема в пусковом конденсаторе, а не в двигателе?

Попробуйте повернуть вал двигателя вручную или с помощью небольшого рычага при подаче питания. Если двигатель сразу начинает вращаться, скорее всего, неисправен конденсатор. Если он по-прежнему гудит даже при помощи вращения, проблема может быть в пусковом выключателе, обмотке или конденсаторе. Конденсатор нужно измерить мультиметром.

Могу ли я использовать пусковой конденсатор большего размера, чтобы получить больший пусковой момент?

Увеличение емкости примерно на 20% по сравнению с исходным значением может увеличить крутящий момент, но также увеличит ток и нагрев в пусковой обмотке, что сокращает срок службы двигателя. Превышение номинального значения на 30 % может привести к перегреву обмотки всего за несколько пусков.

Конденсатор какого напряжения мне нужен для двигателя на 230 В?

Безопасный выбор — конденсатор с номинальным напряжением 370 В или 450 В. Правило заключается в том, что номинальное напряжение конденсатора всегда должно быть как минимум в 1,5 раза выше напряжения сети.

В чем разница между комплектом жесткого запуска и пусковым конденсатором?

Комплект для жесткого запуска обычно сочетает в себе пусковой конденсатор и потенциальное реле, что обеспечивает более сильный пусковой импульс компрессора. Он предназначен для компрессоров, находящихся под нагрузкой во время запуска. Конденсатор простого пуска работает с центробежным переключателем, который часто встречается в двигателях меньшего размера.

Резюме

Пусковой конденсатор работает путем временного смещения тока во вспомогательной обмотке двигателя, создавая вращающееся магнитное поле, позволяющее двигателю развивать пусковой момент. Это компонент кратковременного режима работы, который центробежный переключатель удаляет, когда двигатель достигает примерно 75–80% полной скорости.

Основные практические выводы:

• Используйте конденсатор, предназначенный для прерывистого режима работы, и правильно сопоставьте емкость и напряжение.
• Никогда не заменяйте пусковой конденсатор рабочим конденсатором.
• Проверьте наличие типичных признаков неисправности: гудения, вздутия, вентиляции и низких показаний емкости.
• Всегда разряжайте конденсаторы перед работой.

Соблюдая эти правила, вы продлите срок службы вашего двигателя и избежите наиболее распространенных неисправностей, связанных с конденсаторами.