Động cơ một pha có tụ điện vì nguồn điện một pha không thể tự tạo ra từ trường quay - tụ điện tạo ra pha thứ hai nhân tạo bằng cách dịch chuyển dòng điện trong cuộn dây phụ khoảng 90 độ, tạo ra độ lệch pha cần thiết để tạo ra mô-men xoắn khởi động và duy trì chuyển động quay. Nếu không có tụ điện, động cơ cảm ứng một pha có mômen khởi động bằng 0 và sẽ không tự khởi động trong bất kỳ điều kiện tải nào.
Đây là một trong những câu hỏi cơ bản nhất trong kỹ thuật điện và bảo trì động cơ. Hiểu biết tại sao động cơ một pha cần tụ điện — và chính xác chức năng của tụ điện bên trong động cơ — là kiến thức cần thiết cho kỹ thuật viên, kỹ sư và bất kỳ ai chịu trách nhiệm bảo trì hệ thống HVAC, máy bơm, máy nén, quạt và các thiết bị điều khiển động cơ một pha khác.
Động cơ cảm ứng một pha không thể tự khởi động vì nguồn cung cấp một pha của nó tạo ra từ trường dao động luân phiên qua lại dọc theo một trục, thay vì quay quanh stato - và không có từ trường quay, rôto không chịu mô-men xoắn định hướng thực.
Trong động cơ ba pha, ba dạng sóng dòng điện tự nhiên cách nhau 120 độ theo thời gian. Điều này tạo ra một từ trường quay trơn tru bên trong stato, tạo ra mô-men xoắn trong rôto và khiến nó di chuyển theo từ trường. Khả năng tự khởi động của động cơ ba pha không cần thêm bộ phận nào.
Trong động cơ một pha, chỉ có một cuộn dây được cấp điện bởi một dạng sóng điện xoay chiều. Từ trường do cuộn dây này tạo ra dao động - nó tăng lên, suy giảm, đảo ngược và lại tăng lên - nhưng nó không quay. Về mặt toán học, nó có thể được phân tách thành hai từ trường quay ngược chiều bằng nhau. Hai thành phần quay ngược chiều này triệt tiêu lẫn nhau về mô men xoắn thực trên một rôto đứng yên, đó là lý do tại sao động cơ tạo ra mô men khởi động chính xác bằng không khi rôto đứng yên .
Khi rôto quay (bằng bất kỳ phương tiện bên ngoài nào), nó sẽ khóa vào một trong hai bộ phận quay và tiếp tục chạy. Đây là lý do tại sao đôi khi bạn có thể khởi động động cơ một pha bằng cách quay trục bằng tay - nhưng phương pháp này nguy hiểm, không đáng tin cậy và không thực tế đối với các ứng dụng thực tế. Tụ điện giải quyết vấn đề này một cách lâu dài và an toàn.
Tụ điện giải quyết vấn đề khởi động một pha bằng cách tạo ra sự dịch chuyển pha thời gian giữa dòng điện trong cuộn dây chính và dòng điện trong cuộn dây phụ (khởi động), tạo ra hai từ trường lệch pha kết hợp với nhau để tạo ra một từ trường quay tổng hợp có khả năng tạo ra mô-men xoắn khởi động.
Đây là cách cơ chế hoạt động từng bước:
Chất lượng của từ trường quay - và do đó mô-men xoắn khởi động - phụ thuộc vào mức độ lệch pha đến 90 độ và độ lớn của hai dòng điện quấn phù hợp như thế nào. Một tụ điện có kích thước phù hợp cho một động cơ nhất định có thể đạt được độ lệch pha là 80 đến 90 độ , tạo ra một trường quay gần như lý tưởng và mômen khởi động nằm trong khoảng từ 100% đến 350% mô-men xoắn đầy tải tùy theo thiết kế của động cơ.
Động cơ một pha sử dụng hai loại tụ điện riêng biệt - tụ điện khởi động và tụ điện chạy - mỗi loại được thiết kế cho các điều kiện điện khác nhau và phục vụ các vai trò khác nhau trong hoạt động của động cơ.
Tụ điện khởi động được thiết kế để thời gian ngắn, nhiệm vụ điện dung cao . Chúng chỉ được mắc nối tiếp với cuộn dây phụ trong khoảng thời gian khởi động - thường dưới 3 giây - và sau đó được ngắt kết nối bằng công tắc ly tâm hoặc rơle khởi động khi động cơ đạt khoảng 75–80% tốc độ đồng bộ.
Các tụ điện khởi động thường có giá trị điện dung nằm trong khoảng từ 70 microfarad (µF) đến 1.200 µF và định mức điện áp 110–330 VAC. Họ sử dụng cấu trúc điện phân cho phép điện dung cao trong một gói nhỏ gọn, nhưng cấu trúc này không thể chịu được nguồn điện liên tục - hiện tượng quá nhiệt và hỏng hóc xảy ra trong vòng vài giây nếu tụ điện khởi động không được ngắt kết nối sau khi khởi động.
Tụ chạy được thiết kế cho hoạt động liên tục, ổn định và duy trì mạch điện trong suốt thời gian động cơ hoạt động. Chúng sử dụng cấu trúc màng khô hoặc chứa đầy dầu (màng polypropylen), mang lại độ ổn định nhiệt cao hơn nhiều so với tụ điện nhưng hạn chế điện dung ở phạm vi thấp hơn - điển hình là 2 µF đến 70 µF - ở điện áp định mức 370 VAC hoặc 440 VAC.
Tụ điện chạy có hai mục đích: chúng duy trì sự dịch pha liên tục trong cuộn dây phụ để duy trì từ trường quay trong quá trình vận hành và chúng cải thiện hệ số công suất, hiệu suất và độ mượt của mô-men xoắn của động cơ. Một tụ điện chạy có kích thước phù hợp có thể cải thiện hiệu suất của động cơ bằng cách 10–20% so với một động cơ chạy không có động cơ.
| tính năng | Tụ khởi động | Chạy tụ điện |
| Phạm vi điện dung điển hình | 70 µF đến 1.200 µF | 2 µF đến 70 µF |
| Đánh giá điện áp | 110–330 VAC | 370 VAC hoặc 440 VAC |
| Loại công trình | Điện phân | Màng đầy dầu hoặc khô |
| Thời lượng trong mạch | Ít hơn 3 giây mỗi lần bắt đầu | Liên tục trong quá trình hoạt động |
| Mục đích chính | Mô-men xoắn khởi động cao | Hiệu quả và độ trơn tru của mô-men xoắn |
| Phương pháp ngắt kết nối | Công tắc ly tâm hoặc rơle khởi động | Luôn kết nối |
| Chế độ lỗi nếu để lại năng lượng | Quá nóng và thất bại trong vòng vài giây | Được thiết kế cho nhiệm vụ liên tục |
Bảng 1: So sánh tụ điện khởi động và tụ điện chạy được sử dụng trong động cơ một pha, bao gồm những khác biệt chính về điện và vận hành.
Có ba loại động cơ một pha chính sử dụng tụ điện: động cơ khởi động bằng tụ điện, động cơ chạy bằng tụ điện và động cơ chạy bằng tụ điện khởi động (CSCR) — mỗi loại cung cấp các kết hợp khác nhau của mô-men xoắn khởi động, hiệu suất chạy và tính phù hợp của ứng dụng.
Động cơ khởi động bằng tụ điện sử dụng tụ điện khởi động nối tiếp với cuộn dây phụ trong quá trình khởi động. Khi động cơ đạt khoảng 75% tốc độ tối đa, một công tắc ly tâm sẽ ngắt kết nối cả tụ điện khởi động và cuộn dây phụ. Động cơ sau đó chạy trên cuộn dây chính một mình. Những động cơ này cung cấp mômen khởi động của 200–350% mô-men xoắn đầy tải và thường được sử dụng trong máy nén, máy bơm và thiết bị có yêu cầu tải khởi động cao.
Động cơ tụ điện chia đôi vĩnh viễn (PSC) sử dụng một tụ điện chạy một lần duy trì trong mạch vĩnh viễn - không có tụ điện khởi động và không có công tắc ly tâm. Thiết kế này hy sinh một số mô-men xoắn khởi động (thường 30–150% mô-men xoắn đầy tải ) để đổi lấy hiệu suất vận hành cao hơn, vận hành êm hơn và độ tin cậy cao hơn do loại bỏ công tắc ly tâm. Động cơ PSC thống trị các ứng dụng quạt HVAC, máy bơm nhỏ và thiết bị khởi động không tải.
Động cơ CSCR sử dụng cả tụ điện khởi động (để mômen khởi động cao) và tụ điện chạy (để chạy hiệu quả). Tụ điện khởi động được ngắt sau khi khởi động, để lại tụ điện đang chạy trong mạch vĩnh viễn. Sự kết hợp này mang lại lợi ích tốt nhất của cả hai thế giới: mô-men xoắn khởi động của 300–400% mô-men xoắn đầy tải và hiệu suất vận hành tương đương với động cơ PSC. Động cơ CSCR được sử dụng trong các ứng dụng khởi động khó như máy nén khí, máy nén lạnh và máy bơm hạng nặng.
| Loại động cơ | Tụ điện được sử dụng | mô-men xoắn khởi động | Hiệu suất chạy | Ứng dụng điển hình |
| Tụ-khởi động | Chỉ bắt đầu | 200–350% FLT | Trung bình | Máy bơm, máy nén, băng tải |
| PSC (Tụ chạy) | Chỉ chạy | 30–150% FLT | Cao | Quạt HVAC, máy bơm nhỏ, máy thổi |
| CSCR | Bắt đầu và chạy | 300–400% FLT | Cao | Máy nén khí, điện lạnh |
| Tách pha (không có tụ điện) | không có | 100–175% FLT | Thấp | Tải nhẹ, thiết bị nhỏ |
Bảng 2: So sánh các loại động cơ một pha theo cấu hình tụ điện, mômen khởi động, hiệu suất vận hành và ứng dụng điển hình. FLT = Mô-men xoắn đầy tải.
Khi tụ điện bị hỏng trong động cơ một pha, động cơ không thể khởi động hoàn toàn, khởi động chậm kèm theo tiếng ồn, chạy nóng và tiêu thụ dòng điện quá mức hoặc hoạt động với mô-men xoắn giảm đáng kể - tùy thuộc vào bộ phận bị hỏng là tụ điện khởi động hay tụ điện chạy.
Phương pháp đáng tin cậy nhất để kiểm tra tụ điện trên động cơ một pha là sử dụng đồng hồ vạn năng kỹ thuật số có chức năng đo điện dung (chế độ microfarad) và so sánh số đọc với giá trị được in trên nhãn tụ điện - một tụ điện khỏe mạnh phải đọc trong khoảng cộng hoặc trừ 6% điện dung định mức của nó.
Khi thay thế tụ điện trên động cơ một pha, hãy khớp chính xác ba thông số: điện dung tính bằng microfarad, định mức điện áp và loại tụ điện (khởi động hoặc chạy) - không bao giờ thay thế tụ điện chạy bằng tụ điện khởi động hoặc ngược lại và không bao giờ sử dụng định mức điện áp thấp hơn ban đầu.
Động cơ một pha có tụ điện bị hỏng có thể tiếp tục chạy (chỉ trên cuộn dây chính) nhưng hiệu suất bị suy giảm đáng kể - dòng điện cao hơn, mô-men xoắn thấp hơn và nhiệt độ tăng lên. Động cơ dựa vào tụ điện khởi động để khởi động sẽ không khởi động được nếu tụ điện khởi động bị hỏng, mặc dù nó có thể chạy nếu quay thủ công. Việc vận hành động cơ khi thiếu tụ điện hoặc hỏng tụ điện sẽ làm tăng tốc độ hư hỏng cuộn dây và rút ngắn tuổi thọ động cơ một cách đáng kể.
Động cơ một pha kêu vo vo không khởi động được là một trong những triệu chứng rõ ràng nhất của bệnh tụ điện khởi động không thành công . Cuộn dây chính được cấp điện (tạo ra tiếng ồn) nhưng không có dòng điện cuộn dây phụ lệch pha nên không có đủ mômen khởi động để vượt qua quán tính tĩnh. Các nguyên nhân có thể khác bao gồm ổ trục bị kẹt, kẹt cơ học trong tải hoặc công tắc ly tâm bị kẹt. Trước tiên hãy kiểm tra tụ điện - đây là nguyên nhân phổ biến nhất và dễ khắc phục nhất.
Không nhất thiết phải như vậy. Mỗi động cơ được thiết kế cho một giá trị điện dung cụ thể để tạo ra sự dịch pha tối ưu cho cấu hình cuộn dây đó. Việc sử dụng tụ điện lớn hơn đáng kể so với quy định có thể gây ra quá dòng trong cuộn dây phụ, sinh nhiệt quá mức, giảm hiệu suất và thậm chí làm hỏng động cơ. Luôn sử dụng giá trị điện dung do nhà sản xuất động cơ chỉ định. Quá khổ một tụ điện chạy nhiều hơn 10–15% trên giá trị định mức nói chung là không nên làm nếu không có hướng dẫn kỹ thuật.
Chạy tụ điện thường kéo dài 10 đến 20 năm trong điều kiện hoạt động bình thường, mặc dù nhiệt là kẻ thù chính của tuổi thọ tụ điện - cứ tăng nhiệt độ hoạt động lên trên giới hạn định mức 10°C thì tuổi thọ của tụ điện giảm đi một nửa (Định luật Arrhenius). Các tụ điện khởi động, do cấu trúc điện phân và chu kỳ làm việc ứng suất cao, thường có tuổi thọ ngắn hơn 5 đến 10 năm . Các ứng dụng chu kỳ cao (động cơ khởi động và dừng nhiều lần trong ngày) làm tăng đáng kể độ mòn của tụ điện khởi động.
Một số động cơ một pha sử dụng các phương pháp khởi động thay thế không cần tụ điện. Động cơ tách pha (khởi động bằng điện trở) sử dụng cuộn dây phụ có điện trở cao để tạo ra sự lệch pha vừa phải - đủ cho tải khởi động nhẹ - mà không cần tụ điện. Động cơ cực bóng , được sử dụng trong các quạt và thiết bị nhỏ, sử dụng vòng che bằng đồng xung quanh một phần của mỗi cực stato để tạo ra độ lệch pha nhẹ và từ trường quay yếu, cũng không có tụ điện. Cả hai loại đều hy sinh mô-men xoắn khởi động và hiệu suất so với thiết kế dựa trên tụ điện.
Có - tụ điện động cơ có thể giữ lại dòng điện nguy hiểm ngay cả sau khi động cơ đã tắt và ngắt nguồn điện. Tụ điện chạy có thể giữ lại điện tích trong vài phút; tụ điện khởi động có thể giữ điện tích lâu hơn nữa. Luôn phóng điện tụ điện qua điện trở trước khi xử lý nó và không bao giờ làm ngắn mạch trực tiếp các cực. Hãy coi mọi tụ điện bị ngắt kết nối đều có khả năng mang điện cho đến khi nó được phóng điện đúng cách và được xác minh là an toàn bằng vôn kế.
Không. Động cơ ba pha không cần tụ điện vì nguồn điện ba pha vốn cung cấp sự phân tách pha 120 độ giữa các cuộn dây cần thiết để tạo ra từ trường quay. Động cơ ba pha tự khởi động mà không cần bộ phận phụ trợ. Sự cần thiết của tụ điện là dành riêng cho động cơ một pha là hệ quả của hạn chế cơ bản của nguồn điện một pha trong việc tạo ra từ trường quay stato.
Câu trả lời cho tại sao động cơ một pha có tụ điện dẫn đến hạn chế cơ bản của điện một pha: nó không thể tạo ra từ trường quay một cách tự nhiên cần thiết để khởi động và điều khiển động cơ cảm ứng một cách hiệu quả. Tụ điện - dù là loại khởi động, loại chạy hay cả hai - thu hẹp khoảng cách này bằng cách tạo ra sự dịch pha điện biến đổi trường xung thành trường quay, cho phép động cơ phát triển mô-men xoắn khởi động và hoạt động hiệu quả.
Hiểu vai trò của tụ điện trong động cơ một pha không chỉ là kiến thức hàn lâm — nó còn có thể áp dụng trực tiếp để khắc phục sự cố động cơ, lựa chọn bộ phận thay thế chính xác và đưa ra quyết định sáng suốt về bảo trì và thay thế động cơ. Tụ điện là một bộ phận có chi phí thấp nhưng thông số kỹ thuật, tình trạng và cách lắp đặt chính xác của nó đóng vai trò quan trọng đối với hoạt động đáng tin cậy của động cơ mà nó phục vụ.
Cho dù bạn đang bảo trì thiết bị HVAC, máy bơm công nghiệp, máy nén khí hay bất kỳ máy móc chạy bằng động cơ một pha nào khác, việc giữ tụ điện ở tình trạng tốt — và biết các dấu hiệu hỏng hóc — là một trong những hành động bảo trì phòng ngừa có giá trị cao nhất mà bạn có thể thực hiện để kéo dài tuổi thọ thiết bị và tránh thời gian ngừng hoạt động tốn kém.
Bản quyền © 2018 Công ty TNHH sản xuất động cơ Cixi Waylead.Tất cả quyền được bảo lưu.
Đăng nhập
Nhà sản xuất động cơ AC bán buôn
