Как рассчитать конденсатор и подключить асинхронный двигатель на 220В

Асинхронные двигатели широко применяются в быту и промышленности благодаря своей простоте конструкции, надежности и доступной цене. Они используются в различных устройствах, таких как насосы, вентиляторы, стиральные машины, электроинструменты и многое другое. В этой статье мы рассмотрим, как подключить асинхронный двигатель на 220 В к сети электропитания. Мы подробно разберем различные схемы подключения однофазных двигателей, а также рассмотрим нюансы и особенности каждого метода.

Особенности включения трехфазных моторов в однофазные сети

Трехфазный двигатель обладает тремя обмотками, которые можно соединить двумя способами:

• Звездой (Y)- общепринятое обозначение в электротехнике.
• Треугольником (Δ).

При подключении трехфазного двигателя к однофазной сети рекомендуется использовать схему с треугольником.

Если на шильдике двигателя указано обозначение «Y», то перед подключением необходимо перекоммутировать обмотки в «треугольник». В противном случае двигатель не будет работать эффективно из-за значительных потерь мощности.

Асинхронные электродвигатели славятся своими высокими пусковыми токами, что гарантирует их уверенный старт. Однако стандартное подключение имеет существенный недостаток: если параметры рассчитать для безупречного пуска, то после выхода на рабочие обороты двигатель будет перегреваться, приводя к ускоренному износу. Ограничение же тока по номиналу чревато плохим пуском, а при наличии стартовой нагрузки мотор и вовсе не запустится.

Решение этой проблемы лежит в использовании двух конденсаторов: пускового и рабочего.

Пусковой конденсатор включается в цепь обмотки двигателя только на время пуска. Он обеспечивает необходимый пусковой момент, помогая мотору преодолеть момент инерции покоя и начать вращаться.

Рабочий конденсатор же подключен постоянно. Он оптимизирует работу двигателя в рабочем режиме, повышая его коэффициент мощности и уменьшая потребление тока.

Пример такой схемы представлен на рисунке:

С_пуск конденсатор подключается к схеме параллельно рабочему. В случае маломощного электродвигателя номиналы С_пуск и С_раб могут совпадать. Специальные стартовые конденсаторы имеют в своем обозначении слово «starting». Задача стартового конденсатора — помочь основному конденсатору раскрутить двигатель, после чего он должен быть отключен.

Для отключения стартового конденсатора в цепь включается выключатель, который может быть простым кнопочным.

Комбинированная кнопка-включатель является более распространенным и удобным решением для управления работой асинхронного двигателя с конденсаторами.

При нажатии кнопки и удержании ее в нажатом состоянии происходит замыкание цепи стартового конденсатора (С_пуск), обеспечивая необходимый пусковой момент для раскрутки двигателя. После выхода двигателя на рабочие обороты кнопка отпускается, размыкая цепь Спуск. При этом кнопка остается в нажатом положении, поддерживая рабочую цепь с рабочим конденсатором (С_раб). Для выключения двигателя необходимо нажать красную кнопку.

Как подобрать номинал конденсатора

Трехфазные электродвигатели обычно обладают повышенной мощностью, поэтому для их подключения к однофазной сети требуются конденсаторы повышенного номинала, исчисляемые десятками, а то и сотнями микрофарад. Электролитические конденсаторы для этих целей не подходят, так как они работают по однополярной схеме.

Для их включения в цепь потребуются дополнительные элементы: диодный выпрямитель и несколько сопротивлений. Еще один недостаток электролитических конденсаторов: со временем они высыхают (испаряется электролит), что приводит к постепенному снижению емкости и вздутию (явление, хорошо знакомое пользователям компьютеров). Несвоевременная замена таких конденсаторов может привести к их взрыву.

Рекомендуется использовать:

• Неполярные пленочные конденсаторы: обладают большей надежностью и долговечностью, не высыхают со временем.
• Бумажные конденсаторы: менее распространены, но также могут быть использованы.

Задача подбора конденсаторов для подключения асинхронного двигателя к однофазной сети не так проста, как может показаться на первый взгляд.

Обычно она решается в несколько этапов:

1. Расчет рабочей емкости:

• Исходное правило: на каждые 100 Вт мощности двигателя требуется 7 мкФ емкости.
• Пример: для 800-ваттного двигателя потребуется 56 мкФ (800 Вт / 100 Вт/мкФ = 8 мкФ * 7 мкФ/100 Вт = 56 мкФ).

2. Расчет пусковой емкости:

• Номинал пускового конденсатора должен быть в 1-3 раза выше рабочей емкости, в зависимости от мощности двигателя.
• В среднем используется двукратное превышение: для 800-ваттного двигателя это 112 мкФ (56 мкФ * 2 = 112 мкФ).

При подборе конденсатора для асинхронного двигателя важно не только ориентироваться на расчетные значения, но и проверять его работу в реальных условиях. Рекомендуется изначально ставить конденсатор с номиналом, превышающим расчетный. Это позволит наглядно увидеть поведение двигателя в разных режимах: при запуске, без нагрузки и под нагрузкой.

Чрезмерно высокая емкость конденсатора может привести к перегреву двигателя. С другой стороны, если емкость будет меньше расчетной, двигатель потеряет мощность при номинальной частоте вращения вала. Это связано с тем, что данный показатель зависит от частоты напряжения сети, а не от мощности.

Оптимальным режимом работы двигателя является его тихая, плавная работа без рывков. Достичь этого можно, используя специальные расчетные формулы. Однако, рекомендуется дополнительно провести практические испытания разных конденсаторов, чтобы окончательно убедиться в правильном подборе.

Расчет ёмкости конденсатора по формуле

Для подбора конденсаторов асинхронных двигателей существуют специальные формулы.

При соединении обмоток «звездой» емкость конденсатора рассчитывается по следующей формуле:

Cраб = 2800 * I / U, где:

• Cраб- искомая емкость конденсатора (в микрофарадах);
• I — ток в сети (в амперах);
• U — напряжение сети (в вольтах).

Важно отметить, что ток в сети является зависимой величиной. Его можно рассчитать по следующей формуле:

I = P / (Кэф * √3 * U * cosα), где:

• P — мощность электродвигателя (в ваттах, указана на шильдике);
• Кэф- коэффициент полезного действия (КПД) электродвигателя (также указан на шильдике или в паспорте);
• cosα — приведенный коэффициент мощности (его значение можно найти на шильдике или в паспорте двигателя).

Последовательное применение этих формул позволит вам рассчитать емкость конденсатора, необходимую для оптимальной работы асинхронного двигателя.

Для определения емкости пускового конденсатора используется следующая формула:

C_старт ≈ 2,5 * C_раб, где:

• C_старт— искомая емкость пускового конденсатора (в микрофарадах);
• C_раб— емкость рабочего конденсатора, рассчитанная по формулам, приведенным выше.

Для соединения обмоток «треугольником» формула расчета рабочей емкости выглядит следующим образом:

• Cраб = 4800 * I / U, где:
• Cраб- искомая емкость рабочего конденсатора (в микрофарадах);
• I — ток в сети (в амперах);
• U — напряжение сети (в вольтах).

Ток в сети и емкость пускового конденсатора можно рассчитать по формулам, приведенным в предыдущих разделах. Необходимые для расчетов данные о мощности, КПД и рабочем токе двигателя обычно указываются на шильдике или в паспорте устройства.

Не рекомендуется превышать расчетное значение емкости конденсатора, так как это может привести к перегреву обмоток двигателя. После сборки схемы рекомендуется измерить рабочий ток под нагрузкой. Полученное значение можно использовать для корректировки емкости конденсатора по формуле, учитывающей ток и напряжение. Для маломощных АД (до 500 Вт) пусковой конденсатор может не понадобиться, особенно если пуск происходит без нагрузки. Это относится к таким инструментам, как наждак, циркулярная пила или фуганок.

Однако для мощных устройств (например, погружного насоса на 3 кВт) пусковой конденсатор необходим, так как они сразу стартуют с большой нагрузкой. Помимо емкости, при выборе конденсатора следует обращать внимание на его номинальное напряжение. В момент запуска двигателя возрастает не только ток, но и напряжение.

Поэтому для сети 220 В рекомендуется выбирать конденсаторы с запасом по напряжению не менее 1,5 раза, то есть 360-450 В. Это правило касается как пусковых, так и рабочих конденсаторов, если в схеме используется только один рабочий.

Соединение конденсаторов

В некоторых случаях одного конденсатора недостаточно для выполнения требуемой задачи. В таких ситуациях электронные компоненты объединяют в группы, называемые батареями. При таком подключении множество конденсаторов соединяются друг с другом, образуя новую структуру с другими характеристиками.

Существует два основных способа соединения конденсаторов в батареи:

1. Последовательный.
2. Параллельный.

Последовательное соединение

При последовательном соединении конденсаторы выстраиваются в цепочку один за другим. Число элементов в такой цепи может варьироваться от двух и более, но на практике чаще всего используются комбинации из 2-5 конденсаторов.

Соединение осуществляется таким образом, что положительный вывод одного конденсатора соединяется с отрицательным выводом следующего. В результате получается длинная последовательность, напоминающая вагоны в поезде.

Важно отметить, что при последовательном соединении общая емкость группы конденсаторов становится меньше емкости каждого из них в отдельности. Это происходит потому, что при таком соединении увеличивается толщина диэлектрика между обкладками, а площадь их соприкосновения остается неизменной.

Для расчета суммарной емкости конденсаторов, соединенных последовательно, можно использовать следующую формулу:

C_общ = 1 / (1/C₁ + 1/C₂ + … + 1/C_n), где:

• Cобщ- суммарная емкость группы конденсаторов (в микрофарадах);
• C₁, C₂, …, C_n— емкости отдельных конденсаторов в группе (в микрофарадах).

Следует помнить, что рабочее напряжение батареи конденсаторов, соединенных последовательно, равно сумме рабочих напряжений каждого из них.

Таким образом, последовательное соединение конденсаторов позволяет повысить рабочее напряжение, но при этом снижает общую емкость.

Параллельное соединение

При параллельном соединении конденсаторы соединяются друг с другом одноименными обкладками. То есть все положительные выводы конденсаторов соединяются вместе, а все отрицательные — также. В результате получается конструкция, имеющая всего два вывода: один общий для всех положительных обкладок, и один общий для всех отрицательных.

При таком соединении общая емкость группы конденсаторов становится равной сумме емкостей каждого из них в отдельности.  Это происходит потому, что при параллельном соединении увеличивается площадь соприкосновения обкладок, а толщина диэлектрика между ними остается неизменной.

Для расчета суммарной емкости конденсаторов, соединенных параллельно, можно использовать следующую формулу:

C_общ = C₁ + C₂ + … + C_n, где:

• C_общ— суммарная емкость группы конденсаторов (в микрофарадах);
• C₁, C₂, …, C_n— емкости отдельных конденсаторов в группе (в микрофарадах).

Важно отметить, что рабочее напряжение батареи конденсаторов, соединенных параллельно, ограничено рабочим напряжением самого низковольтного элемента.

Таким образом, параллельное соединение конденсаторов позволяет увеличить общую емкость, но при этом рабочее напряжение остается неизменным. Эта схема применяется в тех случаях, когда требуется высокая емкость при относительно небольшом рабочем напряжении.

Общие правила подключения электродвигателя через конденсатор

Для запуска трехфазного электродвигателя, рассчитанного на 380В, в однофазной сети 220В применяют конденсаторы.

Важно: Используйте бумажные (или пусковые) конденсаторы, номинальное напряжение которых больше или равно напряжению сети (рекомендуется вдвое больше).

Подойдут конденсаторы: МБГО,  МБГЧ, МБГП, МБГТ, МБГВ, КБГ, БГТ, ОМБГ, K42-4, K42-19, и другие

Для начала необходимо правильно соединить выводы обмоток электродвигателя.

Существует два основных способа:

1. Схема «звезда» (Y):при этом обмотки соединяются в одной точке, образуя звезду.
2. Схема «треугольник» (Δ):обмотки соединяются последовательно, образуя треугольник.

В большинстве случаев для подключения электродвигателя к сети 220 В используется схема «треугольник».

Чтобы узнать, какая схема подходит именно для вашего двигателя, необходимо найти паспортную табличку двигателя. Она обычно находится на корпусе двигателя. В табличке найти информацию о схеме соединения обмоток.

Важно! Неправильное соединение обмоток может привести к поломке двигателя.

Маркировка «Δ/Y 220/380V» на электродвигателе означает:

• Δ (треугольник):данная схема подключения используется для работы двигателя в сети 220 В.
• Y (звезда):данная схема подключения используется для работы двигателя в сети 380 В.

Следующий важный момент — это выбор способа запуска двигателя:

• Прямой пуск:подходит для двигателей малой мощности (до 1 кВт) и механизмов с малой инерцией. Однако, при таком способе пусковой ток может в 6-7 раз превышать рабочий ток.
• Пуск с помощью пускового автотрансформатора:используется для плавного снижения пускового тока и уменьшения нагрузки на электросеть.
• Пуск с помощью реостата:обеспечивает плавный пуск двигателя за счет постепенного увеличения напряжения на его обмотках.
• Частотный пуск:самый современный и эффективный способ, позволяющий регулировать не только пусковой ток, но и скорость вращения двигателя.

Выбор метода пуска зависит от мощности двигателя, типа подключаемого механизма и требований к технологическому процессу. В некоторых случаях может использоваться комбинированный способ запуска — звезда-треугольник. Сначала двигатель запускается по схеме «звезда» (с меньшим пусковым током), а затем, после набора оборотов, переключается на схему «треугольник» (для обеспечения полной мощности).

При запуске асинхронного двигателя без нагрузки используется только один конденсатор, который называется рабочим. Он обеспечивает плавный пуск двигателя и поддерживает его работу в номинальном режиме.

В случае необходимости запуска двигателя под нагрузкой в схему добавляется второй конденсатор — пусковой. Он включается только в момент запуска, помогая двигателю преодолеть момент инерции нагрузки. После набора оборотов пусковой конденсатор отключается.

Рассмотрим схемы подключения электродвигателя 380 В на 220 В для обоих случаев.

Схемы подключения электродвигателя через конденсатор

Подключение электродвигателя через конденсатор по схеме «треугольник», запуск — без нагрузки:

В схеме подключения электродвигателя обычно используется однополюсный автоматический выключатель. Он обеспечивает защиту двигателя от перегрузки по току и коротких замыканий. Однако использование автомата не является обязательным.

При прямом включении в сеть двигатель подключается к сети напрямую, через розетку, используя обычную штепсельную вилку. При таком способе подключения двигатель не защищен от перегрузок и коротких замыканий. Необходимо использовать розетку, рассчитанную на ток, соответствующий мощности двигателя.

Включение через выключатель освещения: двигатель включается и выключается с помощью обычного выключателя освещения. Выключатель должен быть рассчитан на ток, соответствующий мощности двигателя. Не рекомендуется использовать этот способ для мощных двигателей.

Подключение электродвигателя через конденсатор по схеме «звезда», запуск — без нагрузки:

При запуске асинхронного двигателя 380 В на 220 В под нагрузкой необходимо использовать пусковой конденсатор. Он обеспечивает дополнительный момент силы на валу двигателя, который требуется для преодоления инерции нагрузки. Пусковой конденсатор подключается параллельно рабочему конденсатору.

Важно:

• Пусковой конденсатор должен включаться только в момент запуска двигателя.
• После набора оборотов пусковой конденсатор необходимо отключать.
• Несоблюдение этих правил может привести к поломке двигателя.

В рассмотренной схеме запуск двигателя осуществляется следующим образом:

1. Нажмите и удерживайте кнопку SB.
2. Включите автоматический выключатель, чтобы подать напряжение на двигатель.
3. Как только двигатель запустится, отпустите кнопку SB.

В качестве кнопки SB можно использовать обычный выключатель.

Однако более удобным и безопасным вариантом является использование пускателя нажимного с пусковым контактом (ПНВС-10).

Преимущества ПНВС-10:

• Автоматическое отключение пускового конденсатора:При отпускании кнопки «пуск» один из контактов размыкается, отключая пусковой конденсатор.
• Плавный пуск:ПНВС-10 обеспечивает плавный пуск двигателя, что снижает нагрузку на сеть и сам двигатель.
• Защита от перегрузок:Некоторые модели ПНВС-10 оснащены защитой от перегрузок, которая автоматически отключает двигатель при превышении допустимого тока.

Как поменять направление вращения однофазного асинхронного двигателя: 2 схемы

Существует вероятность, что асинхронный двигатель (АД) был запущен по одному из перечисленных ранее принципов, но вращается в направлении, не соответствующем необходимому для привода. В другом случае, на станке может потребоваться реверс для обработки деталей. Новая разработка способна решить обе эти задачи.

Вспомним начальную схему, где концы главной и вспомогательной обмоток соединялись случайным образом. Теперь же необходимо изменить последовательность включения одной из них. Рассмотрим пример изменения полярности пусковой обмотки.

Аналогичным образом можно поступить и с главной обмоткой. В этом случае ток, проходящий по такой последовательно собранной цепочке, изменит направление одного из магнитных потоков, что приведет к изменению направления вращения ротора.

Для разового реверса достаточно такого переключения. Но если станок требует периодической смены направления движения привода, целесообразно использовать схему реверса с управлением тумблером.

Подойдет переключатель с двумя или тремя фиксированными положениями и шестью выводами. Выбор конкретной модели зависит от тока нагрузки и допустимого напряжения.

Схема реверса однофазного АД с пусковой обмоткой через тумблер:

Рекомендуется подключать токи к тумблеру через вспомогательную обмотку, так как она работает кратковременно. Это позволит увеличить срок службы контактов тумблера.

Для реверсирования асинхронного двигателя с конденсаторным запуском удобно использовать следующую схему:

В условиях тяжелого запуска целесообразно использовать дополнительный конденсатор (C2), который подключается параллельно основному конденсатору (C1) через средний контакт кнопки ПНВС с самовозвратом.

Переключать тумблер реверса необходимо только при полностью остановленном роторе двигателя. Ни в коем случае нельзя менять направление вращения двигателя под напряжением. Случайная смена направления работы двигателя во время его работы под напряжением приводит к образованию мощных бросков тока, что негативно влияет на ресурс двигателя и может привести к его поломке.

Для безопасной работы необходимо тщательно выбрать место для установки тумблера реверса на станке.

В представленной схеме пакетный выключатель имеет три положения:

• «0»:В этом положении двигатель полностью обесточен и не вращается.
• «1»:При переключении в данное положение двигатель запускается в направлении часовой стрелки.
• «2»:Переключение в это положение приводит к запуску двигателя в направлении против часовой стрелки.

Таким образом, с помощью данного пакетного выключателя можно легко управлять направлением вращения асинхронного двигателя.