چرا موتورهای تک فاز خازن دارند؟ توضیح فنی کامل

موتورهای تک فاز خازن دارند زیرا یک منبع تغذیه تک فاز به تنهایی نمی تواند میدان مغناطیسی دوار ایجاد کند - خازن با جابجایی جریان در یک سیم پیچ کمکی تقریباً 90 درجه، فاز دوم مصنوعی ایجاد می کند و اختلاف فاز مورد نیاز برای تولید گشتاور شروع و حفظ چرخش را تولید می کند. بدون خازن، یک موتور القایی تک فاز دارای گشتاور راه اندازی صفر است و تحت هیچ شرایط باری خود راه اندازی نمی شود.

این یکی از اساسی ترین سوالات در مهندسی برق و تعمیر و نگهداری موتور است. درک کردن چرا موتورهای تک فاز به خازن نیاز دارند؟ - و دقیقاً کاری که خازن در داخل موتور انجام می دهد - برای تکنسین ها، مهندسان و هر کسی که مسئول نگهداری سیستم های HVAC، پمپ ها، کمپرسورها، فن ها و سایر تجهیزات تک فاز موتور محرکه است، ضروری است.

مشکل اصلی: چرا برق تک فاز نمی تواند موتور را خود راه اندازی کند

یک موتور القایی تک فاز نمی تواند خود راه اندازی شود زیرا منبع تغذیه تک فاز آن یک میدان مغناطیسی ضربانی ایجاد می کند که به جای چرخش حول استاتور، به طور متناوب در امتداد یک محور به جلو و عقب می چرخد - و بدون میدان چرخشی، روتور هیچ گشتاور جهتی خالصی را تجربه نمی کند.

در یک موتور سه فاز، سه شکل موج جریان به طور طبیعی 120 درجه در زمان از هم جدا می شوند. این یک میدان مغناطیسی بدون چرخش در داخل استاتور ایجاد می کند که گشتاور را در روتور القا می کند و آن را به دنبال میدان هدایت می کند. قابلیت خود راه اندازی موتورهای سه فاز نیازی به قطعات اضافی ندارد.

در یک موتور تک فاز، تنها یک سیم پیچ وجود دارد که توسط یک شکل موج جریان متناوب انرژی می گیرد. میدان مغناطیسی تولید شده توسط این سیم پیچ در نوسان است - رشد می کند، فرو می ریزد، معکوس می شود و دوباره رشد می کند - اما نمی چرخد. می توان آن را از نظر ریاضی به دو میدان مغناطیسی ضد چرخش مساوی تجزیه کرد. این دو جزء ضد چرخش یکدیگر را از نظر گشتاور خالص روی روتور ثابت خنثی می کنند، به همین دلیل است که موتور تولید می کند وقتی روتور در حالت سکون است، گشتاور شروع دقیقا صفر است .

هنگامی که روتور در حال چرخش است (به هر وسیله خارجی)، روی یکی از دو جزء چرخان قفل می شود و به کار خود ادامه می دهد. به همین دلیل است که گاهی اوقات می توانید یک موتور تک فاز را با چرخش دستی شفت راه اندازی کنید - اما این روش برای کاربردهای واقعی خطرناک، غیرقابل اعتماد و غیرعملی است. خازن این مشکل را به طور دائم و ایمن حل می کند.

چگونه یک خازن مشکل راه اندازی تک فاز را حل می کند

خازن مشکل راه اندازی تک فاز را با ایجاد یک تغییر فاز زمانی بین جریان در سیم پیچ اصلی و جریان در یک سیم پیچ کمکی (شروع) حل می کند و دو میدان مغناطیسی خارج از فاز ایجاد می کند که با هم ترکیب می شوند و یک میدان مغناطیسی دوار حاصل را تولید می کنند که قادر به تولید گشتاور راه اندازی است.

در اینجا نحوه عملکرد مکانیسم مرحله به مرحله آمده است:

1. دو سیم پیچ مجزا به استاتور پیچیده می شوند - سیم پیچ اصلی و سیم پیچ کمکی (شروع یا اجرا). این سیم پیچ ها از نظر فیزیکی 90 درجه در اطراف محیط استاتور از یکدیگر منحرف می شوند.
2. خازن به صورت سری با سیم پیچ کمکی سیم کشی می شود. از آنجایی که یک خازن باعث می شود جریان تا 90 درجه به ولتاژ منجر شود، جریانی که از سیم پیچ کمکی عبور می کند نسبت به جریان سیم پیچ اصلی تغییر فاز می دهد.
3. این دو سیم پیچ، اکنون حامل جریان هایی هستند که در فاز تقریباً 90 درجه متفاوت هستند ، دو میدان مغناطیسی تولید می کند که هم از نظر مکانی و هم از نظر زمانی جبران می شوند - ترکیب این دو میدان یک میدان مغناطیسی چرخشی در داخل استاتور ایجاد می کند.
4. میدان دوار باعث القای جریان در روتور می شود توسط القای الکترومغناطیسی، و برهمکنش بین آن جریان های القایی و میدان چرخان استاتور، گشتاور ایجاد می کند - موتور را راه اندازی کرده و آن را به سمت سرعت کار شتاب می دهد.

کیفیت میدان دوار - و در نتیجه گشتاور راه‌اندازی - به این بستگی دارد که تغییر فاز به 90 درجه نزدیک است و دو جریان سیم‌پیچ چقدر با هم مطابقت دارند. یک خازن با اندازه مناسب برای یک موتور معین می تواند به تغییر فاز دست یابد 80 تا 90 درجه ، تولید یک میدان چرخشی تقریبا ایده آل و گشتاورهای شروع از 100% تا 350% گشتاور تمام بار بسته به طراحی موتور

انواع خازن های مورد استفاده در موتورهای تک فاز

موتورهای تک فاز از دو نوع خازن مجزا استفاده می کنند - خازن های راه اندازی و خازن های راه اندازی - که هر کدام برای شرایط الکتریکی مختلف طراحی شده اند و نقش های متفاوتی را در عملکرد موتور ایفا می کنند.

خازن ها را راه اندازی کنید

خازن های شروع برای وظیفه کوتاه مدت و با ظرفیت بالا . آنها فقط در طول دوره راه اندازی - معمولاً کمتر از 3 ثانیه - به صورت سری به سیم پیچ کمکی متصل می شوند و پس از اینکه موتور به حدود 75 تا 80 درصد سرعت سنکرون رسید، توسط یک کلید گریز از مرکز یا رله شروع قطع می شوند.

خازن‌های راه‌اندازی معمولاً دارای مقادیر خازن هستند 70 میکروفاراد (μF) تا 1200 میکروفاراد و درجه بندی ولتاژ 110-330 VAC. آنها از ساختار الکترولیتی استفاده می کنند که ظرفیت خازنی بالایی را در یک بسته فشرده امکان پذیر می کند، اما این ساختار نمی تواند انرژی مداوم را تحمل کند - اگر خازن استارت پس از راه اندازی قطع نشود، گرمای بیش از حد و خرابی در عرض چند ثانیه رخ می دهد.

خازن ها را اجرا کنید

خازن های اجرا برای عملیات مداوم و پایدار و در تمام مدت کارکرد موتور در مدار باقی بماند. آنها از ساخت فیلم پر شده با روغن یا خشک (فیلم پلی پروپیلن) استفاده می کنند که پایداری حرارتی بسیار بیشتری را نسبت به خازن های الکترولیتی ارائه می دهد، اما ظرفیت خازن را به محدوده کمتری محدود می کند - معمولاً 2 µF تا 70 µF - در ولتاژهای 370 VAC یا 440 VAC.

خازن‌های کارکرده یک هدف دوگانه دارند: تغییر فاز پیوسته در سیم‌پیچ کمکی را برای حفظ میدان دوار در حین کار حفظ می‌کنند و ضریب قدرت، کارایی و صافی گشتاور موتور را بهبود می‌بخشند. یک خازن با اندازه مناسب می تواند بازده موتور را بهبود بخشد 10-20٪ در مقایسه با موتوری که بدون موتور کار می کند.

جدول 1: مقایسه خازن های راه اندازی و خازن های راه اندازی مورد استفاده در موتورهای تک فاز که تفاوت های کلیدی الکتریکی و عملیاتی را پوشش می دهد.

انواع موتورهای تک فاز که از خازن استفاده می کنند

سه نوع اصلی از موتورهای تک فاز وجود دارد که از خازن استفاده می کنند: موتورهای استارت با خازن، موتورهای خازن کارکرده، و موتورهای با خازن استارت (CSCR) که هر کدام ترکیبات مختلفی از گشتاور راه اندازی، راندمان کارکرد و مناسب بودن کاربرد را ارائه می دهند.

موتورهای خازن استارت

موتورهای استارت خازن از یک خازن استارت به صورت سری با سیم پیچ کمکی در هنگام راه اندازی استفاده می کنند. هنگامی که موتور تقریباً به 75 درصد سرعت کامل رسید، یک کلید گریز از مرکز هم خازن شروع و هم سیم پیچ کمکی را قطع می کند. سپس موتور به تنهایی روی سیم پیچ اصلی کار می کند. این موتورها گشتاورهای راه اندازی را ارائه می دهند 200-350 درصد گشتاور تمام بار و معمولاً در کمپرسورها، پمپ ها و تجهیزاتی که نیاز به بار راه اندازی بالا دارند استفاده می شود.

موتورهای با خازن (خازن شکاف دائم / PSC)

موتورهای خازن تقسیم دائمی (PSC) از یک خازن واحد استفاده می کنند که به طور دائم در مدار باقی می ماند - هیچ خازن راه اندازی و هیچ کلید گریز از مرکز وجود ندارد. این طراحی مقداری از گشتاور راه اندازی را قربانی می کند (معمولا 30 تا 150 درصد گشتاور بار کامل ) در ازای راندمان کار بالاتر، عملکرد بی صداتر و قابلیت اطمینان بیشتر به دلیل حذف سوئیچ گریز از مرکز. موتورهای PSC بر کاربردهای فن HVAC، پمپ های کوچک و تجهیزاتی که بدون بار شروع به کار می کنند، تسلط دارند.

موتورهای خازن راه اندازی خازن (CSCR).

موتورهای CSCR هم از خازن استارت (برای گشتاور راه اندازی بالا) و هم از خازن اجرا (برای کارآمد بودن) استفاده می کنند. خازن استارت پس از راه اندازی خاموش می شود و خازن در حال اجرا برای همیشه در مدار باقی می ماند. این ترکیب بهترین های هر دو جهان را ارائه می دهد: گشتاورهای راه اندازی 300-400 درصد گشتاور تمام بار و راندمان در حال اجرا قابل مقایسه با یک موتور PSC است. موتورهای CSCR در کاربردهای راه اندازی سخت مانند کمپرسورهای هوا، کمپرسورهای تبرید و پمپ های سنگین استفاده می شوند.

جدول 2: مقایسه انواع موتورهای تک فاز بر اساس پیکربندی خازن، گشتاور راه اندازی، راندمان کارکرد و کاربرد معمولی. FLT = گشتاور بار کامل.

وقتی خازن در موتور تک فاز خراب می شود چه اتفاقی می افتد؟

هنگامی که یک خازن در یک موتور تک فاز خراب می شود، موتور یا به طور کامل راه اندازی نمی شود، به آرامی با صدای زمزمه شروع به کار می کند، داغ می شود و جریان زیادی می کشد، یا با گشتاور کاهش قابل توجهی کار می کند - بسته به اینکه جزء خراب خازن راه اندازی یا خازن در حال اجرا باشد.

• خازن شروع ناموفق: موتور با صدای بلند زمزمه می کند اما روشن نمی شود یا فقط پس از فشار دستی روشن می شود و به سختی کار می کند. اگر سوئیچ گریز از مرکز بسته باشد و خازن استارت کوتاه شود، به سرعت بیش از حد گرم می شود و ممکن است پاره شود یا آتش بگیرد.
• خازن اجرا نشده (مدار باز): یک موتور PSC با یک خازن کارکرد باز ممکن است هنوز راه اندازی شود و کار کند - اما فقط روی سیم پیچ اصلی که باعث کشیده شدن آن می شود. 20 تا 30 درصد جریان بیشتر نسبت به درجه بندی، گرمتر کار می کند و گشتاور کمتری تولید می کند. این امر تخریب عایق سیم پیچ را تسریع می کند و می تواند باعث خرابی زودرس موتور شود.
• خرابی خازن (اتصال کوتاه): یک خازن کوتاه کار باعث می شود سیم پیچ کمکی با ولتاژ کامل و بدون امپدانس راکتیو روشن شود و در نتیجه جریان سیم پیچ بسیار زیاد، گرمای بیش از حد سریع و فرسودگی احتمالی سیم پیچ در عرض چند دقیقه ایجاد شود.
• خازن ضعیف یا تخریب شده: خازنی که به دلیل سن یا تنش گرمایی ظرفیت خود را از دست داده است (اما به طور کامل از کار نرفته است) باعث کاهش گشتاور راه اندازی، افزایش جریان در حال اجرا و کاهش راندمان موتور می شود - علائمی که اغلب به عنوان یک مشکل مکانیکی به اشتباه تشخیص داده می شوند. ظرفیت خازن باید با ظرفیت سنج بررسی شود. خواندن بیش از 10٪ کمتر از ارزش رتبه بندی شده معمولاً ضمانت تعویض دارد.

نحوه تست خازن در موتور تک فاز

مطمئن ترین روش برای آزمایش خازن روی موتور تک فاز، استفاده از یک مولتی متر دیجیتال با تابع اندازه گیری ظرفیت (حالت میکروفاراد) و مقایسه قرائت با مقدار چاپ شده بر روی برچسب خازن است - یک خازن سالم باید در 6% ظرفیت نامی آن بعلاوه یا منفی باشد.

1. برق موتور را قطع کنید و اجازه دهید حداقل 5 دقیقه بماند تا شارژ باقیمانده از بین برود. خازن ها می توانند ولتاژهای خطرناک را حتی پس از قطع شدن برق حفظ کنند.
2. خازن را با خیال راحت تخلیه کنید با اتصال کوتاه یک مقاومت (تقریباً 10000 اهم، 5 وات) در ترمینال ها. هرگز پایانه های خازن را مستقیماً کوتاه نکنید - قوس حاصل می تواند به خازن آسیب برساند و باعث آسیب شود.
3. حداقل یک سیم خازن را جدا کنید از مدار قبل از آزمایش برای جلوگیری از تداخل سایر عناصر مدار.
4. مولتی متر را روی حالت ظرفیت خازنی قرار دهید و پروب ها را به پایانه های خازن وصل کنید. خواندن را در میکروفاراد ثبت کنید.
5. با ارزش رتبه بندی شده مقایسه کنید روی برچسب خازن قرائت با مثبت یا منفی 6 درصد قابل قبول است. زیر 90 درصد ظرفیت نامی، خازن باید تعویض شود. قرائت صفر نشان دهنده باز بودن خازن (شکست) است. قرائت مقاومت نزدیک به صفر نشان دهنده یک خازن کوتاه است.

نحوه انتخاب خازن جایگزین صحیح

هنگام تعویض یک خازن در یک موتور تک فاز، سه پارامتر را دقیقاً مطابقت دهید: ظرفیت در میکروفاراد، درجه ولتاژ و نوع خازن (شروع یا کارکرد) - هرگز یک خازن کارکرده را جایگزین خازن استارت یا بالعکس نکنید و هرگز از درجه ولتاژ کمتر از اصل استفاده نکنید.

• ظرفیت: امتیاز میکروF را دقیقاً برای خازن های در حال اجرا مطابقت دهید. برای خازن‌های راه‌اندازی، جایگزینی در 10% از مقدار نامی اولیه به طور کلی قابل قبول است.
• درجه ولتاژ: همیشه از خازن با ولتاژی برابر یا بالاتر از خازن اصلی استفاده کنید. استفاده از خازن با درجه ولتاژ کمتر از حد مورد نیاز باعث خرابی سریع می شود. ارتقاء از 370 VAC به 440 VAC در یک خازن فعال همیشه قابل قبول است و اغلب در محیط های با دمای محیط بالا توصیه می شود.
• اندازه فیزیکی و پیکربندی ترمینال: اطمینان حاصل کنید که جایگزین در داخل محفظه خازن یا براکت نصب موتور قرار می گیرد و نوع ترمینال آن سازگار است.

سوالات متداول در مورد خازن های موتور تک فاز

Q1: آیا موتور تک فاز می تواند بدون خازن کار کند؟

یک موتور تک فاز با یک خازن عملکرد ناموفق ممکن است به کار خود ادامه دهد (فقط روی سیم پیچ اصلی) اما با عملکرد قابل توجهی کاهش یافته - جریان بیشتر، گشتاور کمتر و افزایش گرما. موتوری که برای راه‌اندازی به خازن راه‌اندازی متکی است، اگر خازن راه‌اندازی از کار بیفتد، به هیچ وجه راه‌اندازی نمی‌شود، اگرچه ممکن است در صورت چرخش دستی کار کند. کار کردن با یک موتور با خازن از بین رفته یا از کار افتاده، آسیب سیم پیچ را تسریع می کند و عمر موتور را به طور چشمگیری کاهش می دهد.

Q2: چرا موتور تک فاز من زمزمه می کند اما روشن نمی شود؟

یک موتور تک فاز زمزمه کننده که راه اندازی نمی شود یکی از واضح ترین علائم الف است خازن استارت ناموفق . سیم پیچ اصلی دارای انرژی است (هموز تولید می کند) اما بدون جریان سیم پیچ کمکی تغییر فاز، گشتاور راه اندازی کافی برای غلبه بر اینرسی ایستا وجود ندارد. سایر علل احتمالی عبارتند از گیر کردن یاتاقان، گیر کردن مکانیکی در بار، یا گیرکردن سوئیچ گریز از مرکز. ابتدا خازن را بررسی کنید - رایج ترین و ساده ترین علت رفع آن است.

Q3: آیا خازن بزرگتر به معنای گشتاور بیشتر است؟

نه لزوما. هر موتور برای یک مقدار ظرفیت خازنی خاص طراحی شده است که تغییر فاز بهینه را برای پیکربندی سیم پیچ ایجاد می کند. استفاده از خازن به میزان قابل توجهی بزرگتر از مقدار مشخص شده می تواند باعث افزایش جریان در سیم پیچ کمکی، گرمای اضافی، کاهش راندمان و حتی آسیب موتور شود. همیشه از مقدار خازن مشخص شده توسط سازنده موتور استفاده کنید. بزرگ کردن یک خازن اجرا شده بیش از 10 تا 15 درصد بالاتر از ارزش رتبه بندی شده به طور کلی بدون راهنمایی مهندسی توصیه نمی شود.

Q4: خازن ها در موتورهای تک فاز چقدر دوام می آورند؟

خازن های کارکرد معمولا دوام دارند 10 تا 20 سال در شرایط عملیاتی معمولی، اگرچه گرما دشمن اصلی عمر خازن است - به ازای هر 10 درجه سانتیگراد افزایش دمای کار بالاتر از حد مجاز، عمر خازن تقریباً نصف می شود (قانون آرنیوس). خازن های راه اندازی به دلیل ساختار الکترولیتی و چرخه کاری پر تنش، معمولاً عمر مفید کوتاه تری دارند. 5 تا 10 سال . کاربردهای چرخه بالا (موتورهایی که چندین بار در روز روشن و متوقف می شوند) سایش خازن استارت را به میزان قابل توجهی تسریع می کنند.

Q5: چرا برخی از موتورهای تک فاز خازن ندارند؟

برخی از موتورهای تک فاز از روش های راه اندازی جایگزین استفاده می کنند که نیازی به خازن ندارند. موتورهای فاز اسپلیت (مقاومتی-شروع). از سیم پیچ کمکی با مقاومت بالا برای ایجاد یک تغییر فاز متوسط - به اندازه کافی برای بارهای شروع سبک - بدون خازن استفاده کنید. موتورهای قطب سایه دار که در فن‌ها و وسایل کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرد، از یک حلقه مسی سایه‌زن در اطراف قسمتی از هر قطب استاتور برای ایجاد یک جابجایی فاز خفیف و یک میدان چرخشی ضعیف، همچنین بدون خازن استفاده کنید. هر دو نوع در مقایسه با طراحی های مبتنی بر خازن، گشتاور و کارایی راه اندازی را قربانی می کنند.

Q6: آیا لمس خازن موتور خطرناک است؟

بله - یک خازن موتور می تواند یک بار الکتریکی خطرناک را حتی پس از خاموش شدن موتور و قطع برق حفظ کند. خازن های کار می توانند شارژ را برای چند دقیقه حفظ کنند. خازن های استارت می توانند برای مدت طولانی تری شارژ نگه دارند. همیشه یک خازن را قبل از استفاده از یک مقاومت از طریق آن تخلیه کنید و هرگز مستقیماً پایانه ها را کوتاه نکنید. هر خازن قطع شده را تا زمانی که به درستی دشارژ نشده و با یک ولت متر ایمن شود، به عنوان بالقوه برق دار رفتار کنید.

Q7: آیا موتورهای سه فاز به خازن نیاز دارند؟

خیر. موتورهای سه فاز نیازی به خازن ندارند زیرا منبع تغذیه سه فاز ذاتاً جداسازی فاز 120 درجه ای بین سیم پیچ ها را برای تولید میدان مغناطیسی دوار فراهم می کند. موتورهای سه فاز بدون نیاز به اجزای کمکی خود راه اندازی می شوند. نیاز به خازن خاص است موتورهای تک فاز به عنوان یک نتیجه از محدودیت اساسی توان تک فاز در تولید یک میدان استاتور دوار.

نتیجه گیری: خازن برای کارکرد موتور تک فاز ضروری است

پاسخ به چرا موتورهای تک فاز خازن دارند؟ به محدودیت اساسی الکتریسیته تک فاز برمی گردد: به طور طبیعی نمی تواند میدان مغناطیسی دوار مورد نیاز برای راه اندازی و به حرکت درآوردن کارآمد یک موتور القایی را تولید کند. خازن - چه نوع راه اندازی، چه نوع اجرا یا هر دو - این شکاف را با ایجاد تغییر فاز الکتریکی که یک میدان ضربانی را به میدان دوار تبدیل می کند، پر می کند و موتور را قادر می سازد گشتاور راه اندازی را ایجاد کند و به طور موثر کار کند.

درک نقش خازن‌ها در موتورهای تک فاز فقط دانش آکادمیک نیست، بلکه مستقیماً برای عیب‌یابی خرابی‌های موتور، انتخاب اجزای جایگزین صحیح و تصمیم‌گیری آگاهانه در مورد تعمیر و نگهداری و تعویض موتور قابل استفاده است. خازن جزء کم‌هزینه‌ای است، اما مشخصات، شرایط و نصب صحیح آن برای عملکرد مطمئن موتوری که به آن خدمت می‌کند، حیاتی است.

خواه از تجهیزات HVAC، پمپ های صنعتی، کمپرسورهای هوا یا هر ماشین تک فاز دیگری که موتور محرکه است نگهداری می کنید، نگه داشتن خازن در شرایط خوب - و دانستن علائم خرابی - یکی از با ارزش ترین اقدامات نگهداری پیشگیرانه است که می توانید برای افزایش عمر تجهیزات و جلوگیری از خرابی پرهزینه انجام دهید.