Электродвигатели асинхронные конденсаторные

Электродвигатели асинхронные конденсаторные: принцип действия, конструкция и применение

Асинхронный конденсаторный двигатель — это разновидность однофазного асинхронного двигателя, в цепь обмоток которого включен фазосдвигающий конденсатор для создания вращающегося магнитного поля. В отличие от трехфазных двигателей, которые самостоятельно создают круговое поле, однофазные машины имеют пульсирующее поле и для запуска требуют дополнительных элементов. Конденсаторный двигатель решает эту проблему, обеспечивая высокий пусковой момент и улучшенные рабочие характеристики по сравнению с другими типами однофазных машин (с пусковой обмоткой или экранированными полюсами).

Принцип действия и теория работы

Основная задача конденсатора в цепи статора — создать фазовый сдвиг тока между двумя обмотками, приближенный к 90 электрическим градусам. При подаче однофазного напряжения на сетевую (основную) обмотку, ток через нее отстает от напряжения из-за индуктивного характера нагрузки. Ток через вспомогательную (пусковую) обмотку, включенную последовательно с конденсатором, опережает напряжение. При правильно подобранной емкости конденсатора разность фаз между токами обмоток создает эллиптическое или близкое к круговому вращающееся магнитное поле. Это поле наводит токи в короткозамкнутом роторе, взаимодействие которых с полем статора создает электромагнитный момент, приводящий ротор во вращение.

Существует две основные схемы включения конденсатора:

С конденсаторным пуском (Capacitor-Start Motor): Конденсатор (обычно электролитический, большой емкости) включен последовательно со вспомогательной обмоткой только на период запуска. После разгона двигателя до 70-80% номинальной скорости центробежный выключатель или реле времени отключает всю пусковую цепь. Двигатель работает только на основной обмотке. Характеризуется высоким пусковым моментом.
С постоянно включенным конденсатором (Capacitor-Run Motor): Конденсатор (обычно бумажный, пленочный или металлопленочный, на более высокое рабочее напряжение) включен постоянно. Емкость его меньше, чем в пусковых схемах. Он оптимизирован для работы в номинальном режиме, что обеспечивает высокий КПД и коэффициент мощности, но снижает пусковой момент.
Двухконденсаторные двигатели (Capacitor Start and Run Motor): Комбинированная схема, использующая два конденсатора — пусковой (большой емкости) и рабочий (меньшей емкости). Пусковой отключается после разгона, а рабочий остается в цепи. Это позволяет совместить высокий пусковой момент и хорошие рабочие характеристики.

Конструктивные особенности

Конструктивно статор конденсаторного двигателя аналогичен статору любого однофазного асинхронного двигателя: шихтованный магнитопровод из электротехнической стали с двумя распределенными обмотками, сдвинутыми в пространстве на 90 электрических градусов. Обмотки могут быть с равным или разным числом витков и сечением провода. Ротор — короткозамкнутый, типа «беличья клетка». Ключевым внешним элементом является конденсаторная батарея, размещаемая либо на корпусе двигателя в клеммной коробке или отдельном кожухе, либо выносная.

Основные характеристики и параметры

Технические характеристики конденсаторных двигателей определяются их схемой включения и параметрами элементов.

Параметр	Двигатель с конденсаторным пуском (Capacitor-Start)	Двигатель с постоянно включенным конденсатором (Capacitor-Run)	Двухконденсаторный двигатель (Capacitor Start and Run)
Пусковой момент	Высокий (200-350% от номинального)	Низкий (30-80% от номинального)	Высокий (200-350% от номинального)
Коэффициент мощности (cos φ) в номинальном режиме	0.6 — 0.8	0.9 — 0.95	0.9 — 0.95
КПД	Средний (50-65%)	Высокий (60-75%)	Высокий (65-75%)
Тип конденсатора	Электролитический, неполярный (пусковой)	Пленочный, бумажный (рабочий)	Электролитический (пусковой) + Пленочный (рабочий)
Типичная область применения	Компрессоры, поршневые насосы, подъемные механизмы	Вентиляторы, циркуляционные насосы, станки с непрерывной работой	Оборудование, требующее высокого пускового момента и длительной работы (деревообрабатывающие станки, мощные вентиляционные установки)

Расчет и подбор емкости конденсатора

Емкость рабочего конденсатора (C_раб) выбирается исходя из условий создания близкого к круговому вращающегося поля в номинальном режиме. Приближенные формулы для расчета:

Для схемы с постоянно включенным конденсатором: C_раб ≈ (2800
I_ном) / U_сети [мкФ], где I_ном — номинальный ток двигателя, А; U_сети — напряжение сети, В.
Для схемы с конденсаторным пуском: C_пуск ≈ (2.5 — 3)
C_раб.

Точный подбор требует учета конструктивных параметров двигателя и часто производится экспериментально по достижению минимального тока статора или максимального момента в рабочей точке. Напряжение на конденсаторе в рабочем режиме превышает сетевое из-за резонансных явлений. Для двигателя на 230В необходимо применять конденсаторы на напряжение не менее 400-450В (для рабочих) и 250-300В (для пусковых).

Преимущества и недостатки

Преимущества:

Возможность работы от однофазной сети 220В при наличии трехфазной конструкции.
Высокий пусковой момент (для схем с пусковым конденсатором).
Улучшенные энергетические показатели (КПД и cos φ) по сравнению с однофазными двигателями других типов.
Относительно простая конструкция и надежность.
Возможность реверса путем переключения выводов вспомогательной обмотки.

Недостатки:

Зависимость характеристик от емкости конденсатора, которая может изменяться со временем и температурой.
Увеличенные габариты и масса по сравнению с трехфазным двигателем той же мощности из-за наличия конденсатора и второй обмотки.
Стоимость и необходимость замены конденсаторов (особенно пусковых электролитических, имеющих ограниченный срок службы).
Мощность ограничена (обычно до 3-4 кВт на 220В) из-за высоких токов в однофазной сети.

Области применения

Конденсаторные двигатели широко применяются в оборудовании, где отсутствует трехфазная сеть, но требуются надежность и хорошие пусковые характеристики. Типичные применения:

Насосное оборудование: циркуляционные насосы систем отопления, скважинные и дренажные насосы, насосы высокого давления.
Вентиляционное и климатическое оборудование: вытяжные и приточные установки, вентиляторы крышные, канальные, тепловых завес.
Холодильное оборудование: компрессоры бытовых и коммерческих холодильников, кондиционеров.
Станки и инструмент: деревообрабатывающие станки (циркулярные пилы, рейсмусы), заточные станки, сверлильные машины.
Бытовые приборы: стиральные машины (активаторного типа), приводы гаражных ворот.

Эксплуатация и обслуживание

Основные эксплуатационные мероприятия для конденсаторных двигателей сводятся к контролю состояния конденсаторов и коммутационной аппаратуры. Необходимо:

Периодически проверять емкость конденсаторов мостовым измерителем. Падение емкости более чем на 15-20% от номинала требует замены.
Визуально контролировать отсутствие вздутия, подтеков электролита (для электролитических конденсаторов).
Проверять работу центробежного выключателя или пускового реле в двигателях с конденсаторным пуском.
Обеспечивать нормальный тепловой режим конденсаторов, не допуская их перегрева выше предельной температуры, указанной на корпусе.
При замене конденсатора выбирать аналог с тем же номинальным напряжением и не меньшей емкостью.

Ответы на часто задаваемые вопросы (FAQ)

Чем конденсаторный двигатель отличается от трехфазного, включенного в однофазную сеть через конденсатор?

Это принципиально разные схемы. В конденсаторном двигателе обмотки изначально рассчитаны на однофазную работу, имеют разное сопротивление и часто разное число витков. При включении трехфазного двигателя в однофазную сеть по схеме «треугольник» с рабочим и пусковым конденсаторами, обмотки идентичны. Трехфазный двигатель в такой схеме теряет 25-40% мощности, имеет худшие пусковые характеристики и повышенный нагрев по сравнению со своим номинальным трехфазным режимом. Специализированный конденсаторный двигатель оптимизирован для однофазной сети и показывает лучшие результаты в этом режиме.

Можно ли заменить электролитический пусковой конденсатор на пленочный?

Прямая замена, как правило, нецелесообразна. Для получения той же емкости пленочный конденсатор будет иметь значительно большие габариты и стоимость. Электролитические конденсаторы специально разработаны для кратковременной работы в пусковых цепях. Однако если режим работы двигателя предполагает частые пуски или длительное время разгона, применение специальных пусковых пленочных конденсаторов (например, типа «Motor Run-Start») может повысить надежность, хотя и увеличит стоимость узла.

Что будет, если емкость рабочего конденсатора выше или ниже требуемой?

Отклонение емкости от оптимальной ухудшает магнитное поле, делая его более эллиптическим. При завышенной емкости ток через вспомогательную обмотку возрастает, она перегревается. При заниженной емкости падает пусковой и рабочий момент, двигатель может не запуститься под нагрузкой, увеличивается ток в основной обмотке. В обоих случаях снижается КПД, растет нагрев, ухудшается вибрационная характеристика двигателя.

Как определить обмотки (основную и вспомогательную) у неизвестного двигателя?

Обычно вспомогательная обмотка имеет большее активное сопротивление (тоньше провод и/или больше витков). Измерьте сопротивление между всеми выводами. Наибольшее сопротивление будет между концами двух обмоток, соединенных последовательно. Далее, от общего провода сопротивление до вывода основной обмотки будет меньше, чем до вывода вспомогательной. Также можно ориентироваться по маркировке проводов (если сохранилась): как правило, основная обмотка обозначается U1-U2, вспомогательная — Z1-Z2 или V1-V2.

Почему двигатель с постоянно включенным конденсатором не запускается под нагрузкой, хотя вал вращается рукой?

Это характерный признак недостаточного пускового момента, вызванного малой емкостью рабочего конденсатора. Двигатели типа Capacitor-Run не предназначены для пуска под значительной нагрузкой. Для решения проблемы необходимо либо применять схему с пусковым конденсатором (двухконденсаторную), либо использовать двигатель другой конструкции (например, с конденсаторным пуском), либо снижать нагрузку на валу при пуске (например, с помощью bypass-клапана в насосах).

Заключение

Асинхронные конденсаторные двигатели представляют собой оптимальное решение для привода машин и механизмов, работающих от однофазной сети 220В, где требуются надежность, хороший пусковой момент и приемлемые энергетические показатели. Правильный выбор схемы включения (пусковая, рабочая или комбинированная), точный расчет и подбор емкости конденсаторов, а также регулярное обслуживание ключевых элементов (конденсаторов и коммутационной аппаратуры) являются залогом долговечной и эффективной работы данного типа электропривода. Понимание принципов работы и особенностей конструкции позволяет инженерно-техническому персоналу грамотно эксплуатировать, ремонтировать и модернизировать оборудование на основе конденсаторных асинхронных двигателей.

Электродвигатели асинхронные конденсаторные