ตัวเก็บประจุเริ่มต้นทำงานอย่างไร? หลักการสำคัญ ขนาด และอาการความล้มเหลว

ตัวเก็บประจุสตาร์ททำงานโดยสร้างเฟสชิฟต์ที่ 60 ถึง 120 องศา ระหว่างกระแสในขดลวดเสริมและกระแสในขดลวดหลักของมอเตอร์เฟสเดียว การเปลี่ยนเฟสนี้จะสร้างสนามแม่เหล็กหมุนซึ่งสร้างแรงบิดเริ่มต้นเพียงพอที่จะหมุนโรเตอร์ ตัวเก็บประจุจะอยู่ในวงจรเพียงไม่กี่วินาที จนกระทั่งมอเตอร์ถึงประมาณ 75% ของความเร็วที่กำหนด จากนั้นจึงตัดการเชื่อมต่อด้วยสวิตช์แบบแรงเหวี่ยง หากสวิตช์ไม่สามารถเปิดได้ ตัวเก็บประจุจะดึงกระแสไฟมากเกินไป และโดยปกติจะระบายหรือแตกภายในไม่กี่นาที ตามหลักการออกแบบตัวเก็บประจุมอเตอร์กระแสสลับมาตรฐานที่อธิบายไว้ใน IEC 60252-1

อะไรนะ เริ่มตัวเก็บประจุ จริงๆแล้วทำ

มอเตอร์เหนี่ยวนำเฟสเดียวนั้นเรียบง่ายและทนทาน แต่มีข้อจำกัดโดยธรรมชาติ: ไม่สามารถพัฒนาแรงบิดสตาร์ทได้ด้วยตัวเอง ขดลวดเดี่ยวที่ป้อนโดยกระแสสลับจะสร้างสนามแม่เหล็กที่ไม่หมุน ดังนั้นโรเตอร์จึงยังคงอยู่กับที่ ตัวเก็บประจุสตาร์ทแก้ปัญหานี้โดยการเพิ่มขดลวดที่สอง หรือที่เรียกว่าขดลวดเสริมหรือขดลวดสตาร์ท ซึ่งตั้งใจจะเปลี่ยนเฟส

เมื่อตัวเก็บประจุอยู่ในวงจร จะทำให้กระแสไฟฟ้าในการสตาร์ทขดลวดนำกระแสในขดลวดหลักประมาณ 60 ถึง 120 องศา ขึ้นอยู่กับขนาดตัวเก็บประจุและการออกแบบขดลวด ความแตกต่างของเฟสนี้จะเปลี่ยนสนามที่เร้าใจเป็นสนามหมุน ซึ่งจะเหนี่ยวนำกระแสในแถบโรเตอร์และสร้างแรงบิดที่จำเป็นในการเอาชนะความเฉื่อยคงที่และทำให้โรเตอร์เคลื่อนที่

• ให้บริการระบบไฟฟ้า ผลักดัน แทนที่จะเป็นพลังต่อเนื่อง
• ใช้งานเฉพาะระหว่างลำดับการเริ่มต้น โดยทั่วไปจะใช้เวลา 2 ถึง 5 วินาที
• ได้รับการจัดอันดับสำหรับการปฏิบัติหน้าที่เป็นระยะๆ ไม่ใช่การทำงานต่อเนื่อง
• บายพาสโดยสวิตช์แรงเหวี่ยงหรือรีเลย์ศักย์ที่ความเร็วเต็ม

ฟิสิกส์เบื้องหลังการเปลี่ยนเฟส

เพื่อให้เข้าใจว่าเหตุใดตัวเก็บประจุจึงสร้างการเปลี่ยนเฟส คุณต้องดูความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันและกระแส ในวงจรต้านทานล้วนๆ แรงดันและกระแสอยู่ในเฟส ในวงจรอุปนัย กระแสไฟฟ้าจะเกิดความล่าช้า ในวงจรคาปาซิทีฟ กระแสไฟฟ้าจะทำให้เกิดแรงดันไฟ ขดลวดมอเตอร์เป็นแบบอุปนัย ดังนั้นจึงทำให้เกิดความล่าช้าตามธรรมชาติ ในทางตรงกันข้าม ตัวเก็บประจุจะบังคับกระแสให้เป็นแรงดันตะกั่ว

เมื่อคุณวางตัวเก็บประจุแบบอนุกรมโดยเริ่มขดลวด ตัวเก็บประจุจะทำหน้าที่เป็น a อุปกรณ์ล่วงหน้าเฟส . กระแสที่ไหลผ่านขดลวดหลักจะมีอุณหภูมิมากกว่ากระแสในขดลวดหลักประมาณ 90 องศา มุมที่แน่นอนขึ้นอยู่กับอิมพีแดนซ์รวมของตัวเก็บประจุและขดลวด สำหรับตัวเก็บประจุสตาร์ทที่ใช้งานได้จริง มุมเฟสจะอยู่ภายในช่วง 60 ถึง 120 องศา และนี่ก็เพียงพอที่จะสร้างสนามหมุนที่ใช้งานได้

ลำดับการทำงานทีละขั้นตอน

มาทำตามลำดับตั้งแต่เปิดเครื่องจนถึงความเร็วสูงสุด

1. กำลังจ่ายไปที่ขดลวดหลักโดยตรงจากสายไฟ AC ขดลวดหลักเริ่มดึงกระแสและสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง
2. ในเวลาเดียวกัน แรงดันไฟฟ้าจะถูกจ่ายให้กับชุดรวมของตัวเก็บประจุสตาร์ทและขดลวดสตาร์ท
3. ตัวเก็บประจุชาร์จอย่างรวดเร็วและเปลี่ยนกระแสในการสตาร์ทของขดลวดเพื่อให้กระแสไฟฟ้าของขดลวดหลักประมาณ 60 ถึง 120 องศา
4. ขดลวดทั้งสองนี้สร้างสนามแม่เหล็กที่กำลังหมุนอยู่ โรเตอร์เริ่มหมุนและเร่งความเร็วอย่างรวดเร็ว
5. เมื่อมอเตอร์ถึงความเร็วซิงโครไนซ์ประมาณ 75% สวิตช์แรงเหวี่ยงจะเปิดขึ้น และถอดตัวเก็บประจุสตาร์ทออกจากวงจร
6. ตอนนี้มอเตอร์ทำงานบนขดลวดหลักเพียงอย่างเดียว โดยที่ขดลวดเสริมจะไม่ทำงาน สนามหมุนยังคงอยู่เนื่องจากขดลวดเดี่ยวสามารถรักษาการหมุนได้เมื่อโรเตอร์เคลื่อนที่
7. เมื่อปิดมอเตอร์ สวิตช์แรงเหวี่ยงจะปิดอีกครั้ง เพื่อเตรียมวงจรสตาร์ทใหม่สำหรับการสตาร์ทครั้งถัดไป

รายละเอียดที่สำคัญ: ตัวเก็บประจุสตาร์ทได้รับการออกแบบมาให้ทำงานเป็นช่วงๆ ซึ่งหมายความว่าควรมีการจ่ายไฟไม่เกินประมาณ 3 ถึง 5 วินาทีต่อการสตาร์ท หากยังคงอยู่ในวงจร วัสดุอิเล็กทริกจะร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว ในตัวเก็บประจุสตาร์ท 250V AC ทั่วไป การเชื่อมต่อไว้นานกว่า 10 วินาทีอาจทำให้อุณหภูมิภายในเกิน 85 องศาเซลเซียส ซึ่งนำไปสู่การบวม การระบายอากาศ และความล้มเหลวขั้นสุดท้าย

เริ่มตัวเก็บประจุเทียบกับเรียกใช้ตัวเก็บประจุ: ความแตกต่างที่สำคัญ

ตัวเก็บประจุสตาร์ทและรันตัวเก็บประจุเป็นทั้งตัวเก็บประจุของมอเตอร์ แต่ทำหน้าที่ต่างกันและได้รับการจัดอันดับตามมาตรฐานที่แตกต่างกัน ตารางด้านล่างสรุปความแตกต่างที่สำคัญ

ความจุและรอบการทำงานเป็นสองความแตกต่างที่สำคัญที่สุด ตัวเก็บประจุสตาร์ทจะกักเก็บพลังงานมากขึ้นเพื่อส่งแรงบิดเริ่มต้นที่สูง แต่ไม่ได้ถูกสร้างขึ้นเพื่อรองรับกระแสไฟฟ้าต่อเนื่อง รันคาปาซิเตอร์เก็บพลังงานน้อยลงแต่ทำงานอย่างต่อเนื่อง มักจะควบคู่กับขดลวดเพียงเส้นเดียวเพื่อปรับปรุงมุมเฟส การใช้รันคาปาซิเตอร์แทนตัวเก็บประจุสตาร์ทจะไม่สร้างแรงบิดเพียงพอในการสตาร์ทมอเตอร์ การใช้ตัวเก็บประจุสตาร์ทแทนรันตัวเก็บประจุจะทำให้ตัวเก็บประจุหมดภายในไม่กี่นาที เนื่องจากตัวเก็บประจุสตาร์ทได้รับการออกแบบมาเพื่อการทำงานที่ไม่ต่อเนื่อง

วิธีการปรับขนาดตัวเก็บประจุเริ่มต้น

การเลือกตัวเก็บประจุสตาร์ทที่ถูกต้องนั้นเป็นงานวิศวกรรม แต่มีกฎทั่วไปที่ใช้กับมอเตอร์เฟสเดียวขนาดเล็กส่วนใหญ่

ความจุ

ความจุไฟฟ้าที่ต้องการขึ้นอยู่กับความต้องการแรงบิดล็อคโรเตอร์ของมอเตอร์ ตามแนวทางคร่าวๆ มอเตอร์ขนาด 1/2 แรงม้าที่ทำงานที่ 120V/60Hz โดยทั่วไปจะต้องใช้ตัวเก็บประจุสตาร์ทขนาด 200 ถึง 300 ไมโครฟารัด มอเตอร์ขนาด 1 แรงม้าอาจต้องใช้ไมโครฟารัด 400 ถึง 500 ตัว ค่าที่สูงกว่า 1,000 ไมโครฟารัดมักจะปรากฏเฉพาะในมอเตอร์ขนาดใหญ่กว่า 3 แรงม้าเท่านั้น

ระดับแรงดันไฟฟ้า

ระดับแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุต้องมีอย่างน้อย 1.5 เท่าของแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับ . สำหรับแหล่งจ่ายไฟ 230V ให้เลือกตัวเก็บประจุ 370V หรือ 450V สำหรับแหล่งจ่ายไฟ 115V โดยปกติตัวเก็บประจุ 250V ก็เพียงพอแล้ว ตัวเก็บประจุที่มีพิกัดต่ำเกินไปอาจไม่เสียทันที แต่ไดอิเล็กตริกภายในจะถูกเน้น และอายุการใช้งานจะลดลงอย่างมาก

ความอดทน

โดยทั่วไปแล้วตัวเก็บประจุสตาร์ทมาตรฐานจะมีค่าเผื่อบวกหรือลบ 10% หรือ 20% ผู้ผลิตบางรายระบุบวกหรือลบ 5% สำหรับการใช้งานพิเศษ หากคุณเปลี่ยนตัวเก็บประจุ ความจุไฟฟ้าทดแทนควรอยู่ภายใน 10% ของค่าเดิม ความจุเกินความจุเดิมมากกว่า 20% จะเพิ่มแรงบิดเริ่มต้น แต่ยังเพิ่มการดึงกระแสในระหว่างการสตาร์ทด้วย ซึ่งอาจทำให้ขดลวดเสริมร้อนเกินไป

ค่าเหล่านี้เป็นค่าบ่งชี้และไม่สามารถใช้แทนการตรวจสอบป้ายชื่อมอเตอร์ได้ ตรวจสอบคำแนะนำจากผู้ผลิตมอเตอร์เสมอ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อเปลี่ยนตัวเก็บประจุ ค่าต่างๆ จะขึ้นอยู่กับแนวทางการออกแบบทั่วไปใน IEC 60252 และ NEMA MG1

สัญญาณความล้มเหลวและการทดสอบ

ตัวเก็บประจุสตาร์ทอาจล้มเหลวกะทันหันหรือค่อยๆ สัญญาณความล้มเหลวทั่วไป ได้แก่ มอเตอร์ส่งเสียงฮัมโดยไม่หมุน กลิ่นไหม้ การบวมหรือการระบายอากาศที่มองเห็นได้ และตัวเก็บประจุที่อ่านค่าความจุต่ำกว่าค่าป้ายชื่ออย่างมาก

การทดสอบด้วยมัลติมิเตอร์

1. ถอดปลั๊กออกและรออย่างน้อย 2 นาทีเพื่อให้ตัวเก็บประจุคายประจุ ตัวเก็บประจุสตาร์ทส่วนใหญ่มีตัวต้านทานที่จะไล่ประจุ แต่คุณยังควรใช้อุปกรณ์คายประจุ
2. ตั้งมิเตอร์ไปที่โหมดการเก็บประจุไฟฟ้า และเชื่อมต่อโพรบข้ามขั้วต่อ
3. เปรียบเทียบการอ่านกับค่าพิกัด ค่าที่อ่านได้ต่ำกว่า 80% ของความจุที่ทำเครื่องหมายไว้บ่งชี้ว่าตัวเก็บประจุเสื่อมสภาพ
4. หากใช้โอห์มมิเตอร์กับตัวเก็บประจุสตาร์ทที่ไม่มีโพลาไรซ์ คุณจะเห็นค่าสั้นสั้นๆ จากนั้นจึงอ่านค่าได้แบบเปิด การอ่านค่าที่เปิดอย่างถาวรหรือลัดวงจรจะส่งสัญญาณความเสียหายภายใน

ข้อควรทราบในทางปฏิบัติประการหนึ่ง: ตัวเก็บประจุสตาร์ทหลายตัวเป็นแบบอิเล็กโทรไลต์และอาจแห้งเมื่อเวลาผ่านไป อายุขัยโดยทั่วไปคือ 4,000 ถึง 8,000 รอบการเริ่มต้น ซึ่งเป็นจำนวนครั้งที่มอเตอร์สตาร์ท ไม่ใช่จำนวนชั่วโมงการทำงานทั้งหมด ในการใช้งานมาตรฐานในครัวเรือนที่มอเตอร์สตาร์ท 5 ครั้งต่อวัน ตัวเก็บประจุที่มีพิกัด 6,000 รอบอาจมีอายุการใช้งาน 3 ถึง 4 ปี ในคอมเพรสเซอร์เชิงพาณิชย์ที่มีการสตาร์ท 50 ครั้งต่อวัน ตัวเก็บประจุตัวเดียวกันอาจใช้งานไม่ได้ภายใน 4 ถึง 5 เดือน นี่คือเหตุผลว่าทำไมคุณต้องจับคู่ตัวเก็บประจุให้ตรงกับรอบการทำงานของแอปพลิเคชัน

การใช้งานทั่วไป

ตัวเก็บประจุสตาร์ทใช้ในการใช้งานมอเตอร์เฟสเดียวที่หลากหลายซึ่งต้องการแรงบิดสตาร์ทสูง แอปพลิเคชันที่พบบ่อยที่สุด ได้แก่:

• คอมเพรสเซอร์เครื่องปรับอากาศ มักมีรีเลย์ที่มีศักยภาพในยูนิตขนาดใหญ่
• มอเตอร์เครื่องซักผ้า โดยเฉพาะในรุ่นขับเคลื่อนโดยตรง
• ปั๊มน้ำและบ่อน้ำที่สตาร์ทด้วยแรงดันเต็มหัว
• เครื่องเจียรและเครื่องจักรงานไม้ขนาดเล็กที่มีใบมีดหนัก
• ที่เปิดประตูโรงรถที่ต้องยกประตูหนักๆ ขึ้นมาจากที่เหลือ
• พัดลมและเครื่องเป่าลมที่มีความต้านทานท่อสูง

ในการใช้งานแต่ละอย่าง มอเตอร์ต้องเผชิญกับโหลดจำนวนมากที่ความเร็วเป็นศูนย์ คอมเพรสเซอร์ต้านทานการเคลื่อนไหวเนื่องจากด้านสารทำความเย็นมีแรงดัน ถังซักของเครื่องซักผ้าเต็มไปด้วยน้ำและเสื้อผ้าเปียก ปั๊มจุ่มอยู่ในน้ำ ตัวเก็บประจุสตาร์ทช่วยให้มอเตอร์เหล่านี้มีแรงผลักดันพิเศษเพื่อให้ทุกสิ่งเคลื่อนที่

หมายเหตุด้านความปลอดภัยและการจัดการ

ตัวเก็บประจุเก็บพลังงานแม้ว่าจะถอดปลั๊กออกแล้วก็ตาม ตัวเก็บประจุสตาร์ทสามารถเก็บประจุที่เป็นอันตรายได้เป็นเวลาหลายนาที คายประจุตัวเก็บประจุด้วยตัวต้านทานที่ได้รับการจัดอันดับอย่างเหมาะสม หรือใช้ไขควงที่มีด้ามจับหุ้มฉนวนก่อนสัมผัสทุกครั้ง อย่าลัดวงจรขั้วต่อด้วยวัตถุที่เป็นโลหะก่อนที่จะตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวเก็บประจุคายประจุจนหมด

นอกจากนี้ ให้ใช้ตัวเก็บประจุที่มีการระบายอากาศที่ปลอดภัย ตัวเก็บประจุแบบมีรูระบายอากาศเป็นตัวเก็บประจุที่สามารถปล่อยแรงดันภายในได้อย่างปลอดภัยในระหว่างที่เกิดการขัดข้อง แทนที่จะเกิดการระเบิด นี่เป็นสิ่งสำคัญในอุปกรณ์แบบปิด เช่น ห้องคอมเพรสเซอร์และตัวเครื่องเครื่องซักผ้า

ข้อควรทราบในทางปฏิบัติ: หากตัวเก็บประจุได้รับความเสียหายเมื่อมองเห็น เช่น ส่วนบนที่นูน อย่าพยายามนำกลับมาใช้ใหม่ เปลี่ยนยูนิตใหม่ที่มีความจุ แรงดันไฟฟ้า อัตราอุณหภูมิ และการกำหนดค่าขั้วต่อที่เทียบเคียงได้

คำถามที่พบบ่อย

จะเกิดอะไรขึ้นถ้าตัวเก็บประจุสตาร์ทไม่ตัดการเชื่อมต่อ?

ตัวเก็บประจุจะยังคงอยู่ในวงจรและดึงกระแสไฟฟ้าต่อไป เนื่องจากได้รับการออกแบบมาเพื่อการใช้งานที่ไม่ต่อเนื่อง อิเล็กโทรไลต์หรือฟิล์มภายในจึงร้อนขึ้นอย่างรวดเร็ว ภายในไม่กี่วินาที ความดันภายในจะเพิ่มขึ้น ช่องระบายอากาศจะเปิดขึ้น และตัวเก็บประจุจะทำงานล้มเหลว ในบางกรณี มอเตอร์อาจทำงานต่อไปแต่ต้องใช้กระแสสูงกว่าและมีแรงบิดเป็นจังหวะอย่างมาก

มอเตอร์สามารถทำงานโดยไม่มีตัวเก็บประจุสตาร์ทได้หรือไม่?

สำหรับมอเตอร์ขนาดเล็กที่มีโหลดสตาร์ทต่ำ บางครั้งมอเตอร์สามารถสตาร์ทได้โดยการหมุนด้วยมือหรือด้วยการควบคุมการสตาร์ทแบบพิเศษ แต่ในกรณีทั่วไป มอเตอร์เฟสเดียวที่ไม่มีตัวเก็บประจุสตาร์ทจะส่งเสียงฮัมเพราะไม่มีการสร้างสนามหมุน

ตัวเก็บประจุสตาร์ทมีอายุการใช้งานนานแค่ไหน?

อายุการใช้งานวัดจากรอบการเริ่มต้น ไม่ใช่ชั่วโมงการทำงาน ตัวเก็บประจุสตาร์ททั่วไปมีอายุการใช้งาน 4,000 ถึง 8,000 สตาร์ท ในเครื่องปรับอากาศในที่พักอาศัยซึ่งหมุนเวียน 8 ครั้งต่อวัน นั่นอาจใช้เวลา 1.5 ถึง 2.5 ปี ในหน่วยเชิงพาณิชย์ที่มี 50 ครั้งต่อวัน อาจใช้เวลาเพียง 3 ถึง 5 เดือนเท่านั้น

ฉันจะทราบได้อย่างไรว่าตัวเก็บประจุสตาร์ทเป็นปัญหาไม่ใช่มอเตอร์

ลองหมุนเพลามอเตอร์ด้วยมือหรือคันโยกเล็กๆ ขณะกำลังจ่ายไฟ หากมอเตอร์เริ่มหมุนทันที ตัวเก็บประจุอาจไม่ดี หากยังคงมีเสียงฮัมแม้จะช่วยหมุนแล้ว ปัญหาอาจอยู่ที่สวิตช์สตาร์ท ขดลวด หรือตัวเก็บประจุ คุณต้องวัดตัวเก็บประจุด้วยมิเตอร์

ฉันสามารถใช้ตัวเก็บประจุสตาร์ทที่ใหญ่กว่าเพื่อให้ได้แรงบิดสตาร์ทมากขึ้นได้หรือไม่?

การเพิ่มความจุไฟฟ้าให้สูงกว่าค่าเดิมประมาณ 20% อาจเพิ่มแรงบิด แต่ยังจะเพิ่มกระแสและความร้อนในการสตาร์ทขดลวดด้วย ซึ่งจะทำให้อายุการใช้งานของมอเตอร์สั้นลง การที่สูงกว่าค่าที่กำหนด 30% อาจทำให้การพันของขดลวดเกิดความร้อนมากเกินไปภายในการสตาร์ทเพียงไม่กี่ครั้ง

ฉันต้องใช้ตัวเก็บประจุแรงดันไฟฟ้าใดสำหรับมอเตอร์ 230V

การเลือกอย่างปลอดภัยคือตัวเก็บประจุพิกัด 370V หรือ 450V กฎคืออัตราแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุควรมีอย่างน้อย 1.5 เท่าของแรงดันไฟฟ้าของสายเสมอ

อะไรคือความแตกต่างระหว่างชุดฮาร์ดสตาร์ทและตัวเก็บประจุสตาร์ท?

โดยทั่วไปชุดฮาร์ดสตาร์ทจะรวมตัวเก็บประจุสตาร์ทเข้ากับรีเลย์ที่มีศักยภาพเพื่อให้คอมเพรสเซอร์มีบูสต์สตาร์ทที่แข็งแกร่งยิ่งขึ้น ออกแบบมาสำหรับคอมเพรสเซอร์ที่รับภาระระหว่างสตาร์ท ตัวเก็บประจุสตาร์ทธรรมดาทำงานร่วมกับสวิตช์แรงเหวี่ยง ซึ่งพบได้ทั่วไปในมอเตอร์ขนาดเล็ก

สรุป

ตัวเก็บประจุสตาร์ททำงานโดยการเลื่อนกระแสในขดลวดเสริมของมอเตอร์ชั่วคราว ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กหมุนเพื่อให้มอเตอร์สามารถพัฒนาแรงบิดขณะสตาร์ทได้ เป็นส่วนประกอบระยะสั้นที่สวิตช์แรงเหวี่ยงจะถอดออกเมื่อมอเตอร์ถึงประมาณ 75 ถึง 80% ของความเร็วเต็ม

ประเด็นหลักในทางปฏิบัติคือ:

• ใช้ตัวเก็บประจุที่ออกแบบมาสำหรับงานที่ไม่ต่อเนื่อง และจับคู่ความจุและแรงดันไฟฟ้าอย่างถูกต้อง
• อย่าเปลี่ยนตัวเก็บประจุสตาร์ทด้วยรันตัวเก็บประจุ
• ตรวจสอบสัญญาณความล้มเหลวทั่วไป: เสียงฮัม การบวม การระบายอากาศ และการอ่านค่าความจุไฟฟ้าต่ำ
• คายประจุตัวเก็บประจุก่อนหยิบจับทุกครั้ง

เมื่อปฏิบัติตามกฎเหล่านี้ คุณจะยืดอายุมอเตอร์ของคุณและหลีกเลี่ยงความล้มเหลวที่เกี่ยวข้องกับตัวเก็บประจุที่พบบ่อยที่สุด