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 С
пуск внедрен в схему параллельно рабочему. Если мощность электромотора невелика, номинал С
пуск может быть равен номиналу С
раб. 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 С
старт, 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: C
раб=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/(К
эф*√3*U*cosα), где P – мощность электромотора (указывается в ваттах на шильдике), К
эф – 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: C
старт≈2,5* C
раб.
Для соединения «треугольником» для рабочей ёмкости она тоже довольно проста: C
раб =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
пуск не помешает, поскольку он сразу стартует с максимальной нагрузкой. 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 С
пуск 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/С
рез=1/С1+1/С2+…+1/ С
n. В самом простом случае формула будет иметь вид С
рез=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 С
рабоч на 20 мкФ с рабочим напряжением 500 В, или два на 40 мкФ, но напряжением 250 В.
Резюме
Как видим, самостоятельный расчет номиналов С
рабоч и С
старт 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. https://youtu.be/5anM4DLr3ZQ
