Андрей Смирнов
Время чтения: ~12 мин.
Просмотров: 0

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсатора

Последовательное и параллельное соединение конденсаторов

На практике часто используются тела, обладающие малыми (и очень малыми) размерами, которые могут накопить большой заряд, при этом имея небольшой потенциал. Такие объекты называют конденсаторами. Одна из основных характеристик конденсатора – это его емкость.

Имея в резерве набор конденсаторов, обладающих разными параметрами, можно расширить спектр величин емкостей и диапазон рабочих напряжений, если применять их соединения.

Различают три типа соединений конденсаторов: последовательное, параллельное и смешанное (параллельное и последовательное).

Последовательное соединение конденсаторов

Последовательное соединение изконденсаторов изображено на рис. 1

Здесь (рис.1) положительная обкладка одного конденсатора соединяется с отрицательной обкладкой следующего конденсатора. При таком соединении обкладки соседних конденсаторов создают единый проводник. У всех конденсаторов, соединенных последовательно на обкладках имеются равные по величине заряды. Электрическая емкость последовательного соединения конденсаторов вычисляется по формуле:

где– электрическая емкость i-го конденсатора.

Если емкости конденсаторов при последовательном соединении равны, то емкость последовательного их соединения составляет:

где– предельное напряжение каждого конденсатора соединения. При последовательном соединении конденсаторов следует следить за тем, чтобы ни на один из конденсаторов батареи не падало напряжение, превышающее его максимальное рабочее напряжение.

Параллельное соединение конденсаторов

Параллельное соединение N конденсаторов изображено на рис. 2.

При параллельном соединении конденсаторов соединяют обкладки, обладающие зарядами одного знака (плюс с плюсом; минус с минусом). В результате такого соединения одна обкладка каждого конденсатора имеет одинаковый потенциал, например,, а другая. Разности потенциалов на обкладках всех конденсаторов при их параллельном соединении равны.

При параллельном соединении конденсаторов суммарная емкость соединения рассчитывается как сумма емкостей отдельных конденсаторов:

При параллельном соединении конденсаторов напряжение равно самой наименьшей величине рабочего напряжения конденсатора из состава рассматриваемого соединения.

Последовательно соединение конденсаторов

Последовательное соединение конденсаторов используют, если необходимо получить емкость меньшую емкости элемента. Такие элементы выдерживают более высокие напряжения. При последовательном соединении конденсаторов, обратная величина общей емкости равняется сумме обратных величин отдельных элементов. Для получения требуемой величины нужны определенные конденсаторы, последовательное соединение которых даст необходимую величину.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО, ПАРАЛЛЕЛЬНОГО И СМЕШАННОГО СОЕДИНЕНИЯ КОНДЕНСАТОРОВ

Цель работы:
Научиться составлять батареи конденсаторов и определять их емкость.

Теоретическая часть

Соединение конденсаторов параллельно

При параллельной схеме
подключения все обкладки конденсаторов соединяются в две группы, причем один вывод с каждого конденсатора соединяется в одну группу с другими, а второй — в другую. Наглядный пример параллельного соединения и схема

на картинке

Все параллельно соединенные
конденсаторы подключаются к одному источнику напряжения, поэтому существует на них две точки разности потенциалов или напряжения. На всех выводах конденсаторов будет абсолютно одинаковое напряжение.

При подключении параллельно все конденсаторы вместе, образуют принципиально одну емкость, величина которой будет равняться сумме всех емкостей подключенных в цепи конденсаторов. При параллельном подключении через каждый из конденсаторов потечет разный ток, который будет зависеть от величины емкости каждого из них. Чем выше емкость, тем больший ток потечет через неё.

Параллельное соединение
очень часто встречается в жизни. С его помощью можно из группы конденсаторов собрать любую необходимую емкость. Например, для запуска 3 фазного электродвигателя в однофазной сети 220 Вольт в результате расчетов Вы получили что необходима рабочая емкость 125 мкФ. Такой емкости конденсаторов Вы не найдете в продаже. Для того, что бы получить необходимую емкость придется купить и соединить параллельно 3 конденсатора один на 100 мкФ, второй- на 20, и третий на 5 мкФ.

Соединение конденсаторов последовательно

При последовательном соединении
конденсаторов каждая из обкладок соединяется только в одной точке с одной обкладкой другого кон­денсатора. Получается цепочка конденсаторов. Крайние два вывода подключаются к источнику тока, в результате чего происходит перераспределение между ними электрических зарядов. Заряды на всех промежуточных обкладках одинаковые величине с чередованием по знаку.

Через все соединенные конденсаторы последовательно протекает одинаковой величины ток, потому что у него нет другого пути прохождения.Общая же емкость
будет ограничиваться площадью обкладок самого маленького по величине, потому что как только зарядится полностью конденсатор с самой маленькой емкостью- вся цепочка перестанет пропускать ток и заряд остальных прервется. Высчитывается же ем

кость по этой формуле:

Но при последовательном
соединении увеличивается расстояние (или изоляция) между обкладками до величины равной сумме расстояний между обкладками всех последовательно подключенных конденсаторов. Например, если взять два конденсатора с рабочим напряжением 200 Вольт и соединить последовательно, то изоляция между их обкладками сможет выдержать 1000 Вольт при подключении в схему.

Из выше сказанного можно сделать вывод
, что последовательно соединять необходимо:

1. Для получения
эквивалентного меньшего по емкости конденсатора.

2. Если необходима емкость
, работающая на более высоких напряжениях.

3. Для создания
емкостного делителя напряжения, который позволяет получить меньшей величины напряжение из более высокого.

Практически, для получения первого и второго достаточно просто купить один конденсатор с необходимой величиной емкости или рабочим напряжением. Поэтому данный метод соединения в жизни не встречается.

Относительная диэлектрическая проницаемость

Не менее значимым фактором, влияющим на емкость конденсатора, является такое свойство материала между обкладками как относительная диэлектрическая проницаемость ɛ. Это безразмерная физическая величина, которая показывает во сколько раз сила взаимодействия двух свободных зарядов в диэлектрике меньше, чем в вакууме.

Материалы с более высокой диэлектрической проницаемостью позволяют обеспечить большую емкость. Объясняется это эффектом поляризации – смещением электронов атомов диэлектрика в сторону положительно заряженной пластины конденсатора.

Поляризация создает внутренне электрическое поле диэлектрика, которое ослабляет общую разность потенциала (напряжения) конденсатора. Напряжение U препятствует притоку заряда Q на конденсатор. Следовательно, понижение напряжения способствует размещению на конденсаторе большего количества электрического заряда.

Ниже приведены примеры значений диэлектрической проницаемости для некоторых изоляционных материалов, используемых в конденсаторах.

Воздух – 1.0005

Бумага – от 2.5 до 3.5

Стекло – от 3 до 10

Слюда – от 5 до 7

Порошки оксидов металлов – от 6 до 20

Калькулятор расчета емкости рабочего и пускового конденсатора

Время чтения: 2 минутыНет времени?

Ссылка на статью успешно отправлена!

Когда асинхронный двигатель подключается в однофазную сеть 220/230 В необходимо обеспечить сдвиг фаз в обмотках статора, имитирующий вращающееся магнитное поле. Это и приводит к вращению вала ротора электродвигателя, как в «родных» трехфазных сетях переменного тока. Для достижения этой цели в «не родных сетях» и служит конденсатор.

Подключение конденсатора к электродвигателю

Подбирать конденсатор следует очень внимательно, поэтому специально для читателей нашего онлайн-журнала был разработан удобный калькулятор с необходимыми пояснениями.

Пояснения к расчету

Схема соединения обычно отмечена на самом конденсаторе, и может обозначаться либо звёздой, либо треугольником. Как правило, это две разные формы, ёмкость которых рассчитывается, по- разному:

Ср = 2800*I/U; I = P/(√3*U*η*cosϕ) Ср — емкость рабочего конденсатора
Ср = 4800*I/U; I = P/(√3*U*η*cosϕ) Ср — емкость рабочего конденсатора
Сп = 2,5*Ср, где Сп — емкость пускового конденсатора при любом способе подключения
Расшифровка обозначений: Ср — емкость рабочего конденсатора, мкФ Сп — емкость пускового конденсатора, мкФ I — ток, А U — напряжение в сети, В η — КПД двигателя в %, деленных на 100cosϕ — коэффициент мощности

Полученные результаты расчета используются для подбора конденсаторов нужных номиналов. Номинала именно расчетного значения вряд ли можно будет найти, поэтому правила подбора следующие:

  • если расчетное значение точно попало в существующий номинал, то в этом случае повезло — берете именно такой.
  • если совпадения нет, то рекомендуется выбирать емкость ближайшего нижнего номинального значения. Выбирать выше не следует (особенно для рабочих конденсаторов), так как существует вероятность значительного возрастания рабочих токов и перегрева обмоток.
  • По напряжению конденсаторы обязательно подбираются с номиналом не менее, чем в 1,5 раза выше напряжения сети, поскольку в момент пуска напряжение на самом конденсаторе всегда повышенное. Например, для однофазного напряжения 220 В рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее 360 В, а по опыту электриков даже не менее 400 В.

Ниже мы приведем таблицу номинальных значений конденсаторов серий СВВ60 и СВВ65. Эти конденсаторы чаще всего применяют при подключении асинхронных двигателей. Серия СВВ65 отличается от серии СВВ60 металлическим корпусом.

В качестве пусковых часто применяют электролитические конденсаторы серии CD60. Причем опытные профессионалы не рекомендуют использовать их в качестве рабочих, поскольку продолжительные время работы быстро выводит их из строя.

Изображение
Номинальное рабочее напряжение, В400; 450; 630220-275; 300; 450
Номинальный ряд, мкФ1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 5,0; 6,0; 7,0; 8,0; 10; 12; 14; 15; 16; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 60; 65; 70; 75; 80; 85; 90; 100; 120; 1505; 10; 15; 20; 25; 50; 75; 100; 150; 200; 250; 300; 350; 400; 450; 500; 600; 700; 800; 1000; 1200; 1500

Иногда бывает рациональнее использовать два и более конденсатора, чтобы получить нужную емкость. При этом они могут быть соединены последовательно или параллельно. При параллельном соединении результирующая емкость будет складываться, при последовательном она будет меньше емкости любого из конденсаторов. Для расчета данного соединения мы также подготовили для вас специальный калькулятор.

Расчетные зависимости

Маркировка конденсаторов.

Существует несколько основных способов маркировки конденсаторов, давайте рассмотрим их все по очереди. Итак, один из вариантов – это маркировка тремя цифрами, например так:

В данном случае первые две цифры указывают на емкость конденсатора в пикофарадах (пФ), а третья обозначает множитель:

  • если третья цифра от 0 до 5, то емкость в пикофарадах необходимо умножить на 10 в соответствующей степени. Степень как раз и определяется третьим числом
  • если третья цифра – 8, то величину емкости умножаем на 0.01
  • если третья цифра – 9, то величину емкости умножаем на 0.1

Давайте на практическом примере разберемся как же определить емкость, руководствуясь этими правилами – определим электроемкость изображенных на рисунке конденсаторов.

Для первого из них имеем маркировку “470” – первые две цифры – 47 – значит емкость равна 47 пФ. Множитель равен 0, тогда емкость определяется следующим образом:

C= 47 \cdot 10^0 = 47\medspace пФ

Запишем аналогичные выражения для второго, третьего, четвертого и пятого конденсаторов:

C_2= 15 \cdot 0.1 = 1.5\medspace пФ

C_3 = 22\cdot 10^3 = 22000\medspace пФ = 22\medspace нФ

C_4 = 47\cdot 10^4 = 470000\medspace пФ = 470\medspace нФ

C_5 = 68\cdot 10^2 = 680\medspace пФ = 6.8\medspace нФ

Как видите, здесь нет ничего сложного, поэтому переходим к следующему способу

Расчет емкости конденсатора асинхронного двухфазного двигателя (конденсаторный двигатель)

Однофазный асинхронный двигатель

Обмотка статора однофазного асинхронного двигателя занимает приблизительно 2/3 окружности, именно по этой причине его мощность на 1/3 меньше мощности трехфазного двигателя таких же габаритов.

Ток, протекая по обмотке статора, создает пульсирующее магнитное поле, которое можно представить как два поля, вращающиеся в разных направлениях. Поле, которое вращается в направлении ротора называется прямым полем, а второе – обратным. Они воздействуют на ротор и создают соответствующие моменты (Мпр и Мобр).

По причине разных направлений вращения эти электрические машины не могут самостоятельно совершить пуск, так как при неподвижном роторе, то есть при S=1, пусковой момент, он же Мрез, равен нолю (смотри Рисунок 1). Однако, если придать движение ротору, то прямой и обратный моменты не будут равны и двигатель продолжит вращение в том же направлении (ток, протекающий по обмотке ротора будет оказывать размагничивающее действие и при этом будет ослабляться обратное поле).

Рисунок 1 — Зависимость механических характеристик от прямого и обратного вращающих полей

Пуск двигателя с помощью пусковых устройств

Для того чтоб запустить однофазный асинхронный двигатель применяют устройства для пуска двигателя:

— Конденсатор – C;

— Резистор – R.

Пуск трехфазных асинхронных двигателей осуществляется более простым способом из-за уже имеющегося в сети сдвига фаз на 120 электрических градусов

Для получения пускового момента используют пусковую обмотку статора, которая по отношению к рабочей обмотке сдвинута на 90 электрических градусов. Применяют фазосдвигающие элементы, которые подключают к пусковой обмотке. Эта обмотка работает, обычно, около 3 первых секунд, после чего принудительно отключается вручную или с помощью автоматов. По этой причине ее изготовляют из провода меньшего сечения и с меньшим количеством витков по сравнению с рабочей обмоткой.

Пуск при помощи резистора производится при малых необходимых пусковых моментах, то есть если нагрузка на валу незначительна. Рисунок 2 иллюстрирует применение пускового а) конденсатора и б) резистора; где Р – рабочая обмотка, П – пусковая обмотка.

Рисунок 2 – Схема подключения однофазного асинхронного двигателя

Двухфазные асинхронные двигатели

Наличие конденсатора значительно улучшает характеристики двигателя, по этой причине используются двухфазные асинхронные двигатели. В них две обмотки являются рабочими, в одну из них вводится конденсатор для смещения угла между фазами на 90 градусов и создания кругового магнитного поля. Такие двигатели называют конденсаторными.

Расчет емкости конденсатора для двигателя:

Емкость такого конденсатора определяется по формуле:

,

где – ток, протекающий в обмотке статора,

sinφ1 – сдвиг фаз между напряжение и током без конденсатора,

f– частота питающей сети,

U – напряжение сети,

n – коэффициент трансформации.

,

Где и kоб1,kоб2 — обмоточные коэффициенты,

W1, W2, — количество витков обмоток статора и ротора.

Напряжение на зажимах конденсатора выше чем напряжение сети и определяется следующей формулой:

Для повышения пусковых характеристик Существуют двигатели в одну обмотку которых ставятся два конденсатора, один из которых пусковой, второй – рабочий. Пусковой конденсатор обычно имеет емкость в разы большую чем рабочий. При этом пусковой отключается при достижении 70-80% номинальной скорости электрической машины.

Рисунок 3 – Пример подключения пары конденсаторов (конденсаторный двигатель)

Преимущества и недостатки конденсаторных двигателей

Недостатки по сравнению с трехфазным двигателем:

— Меньшая мощность;

— Увеличенное скольжение при номинальном режиме;

— Скорость вращения вала при холостом ходу ниже;

— Пониженная кратность пускового момента;

— Повышенная кратность пускового тока.

Преимущества:

— Имеют высокую эксплуатационную надежность;

— Не требуют трехфазного источника тока.

Недостаточно прав для комментирования

Смешанный способ

Сочетает в себе параллельное и последовательное подключения.

При этом для участков с последовательным соединением характерны свойства последовательного соединения, а для участков с параллельным — свойства параллельного.

Оно используется, когда ни электроемкость, ни номинальное напряжение приборов, имеющихся в продаже, не подходят для задачи. Обычно такая проблема возникает в радиотехнике.

Чтобы определить общее значение электроемкости, нужно будет сначала определить это же значение для параллельно соединенных двухполюсников, а потом для их последовательного соединения.

Единица и формулы расчёта

Ёмкость в виде электрического свойства, способного хранить заряды, измеряется в фарадах (Ф) и обозначается С. Величина названа в честь английского физика Майкла Фарадея. Конденсатор ёмкостью 1 фарад способен хранить заряд в 1 кулон на пластинах с напряжением 1 вольт. Значение С всегда положительно.

Математическое выражение фарада

Ёмкость конденсатора — постоянная величина, означающая потенциальную способность хранить энергию. Количество заряда, хранимое в отдельно взятый момент, определяется уравнением Q=CV, где V — приложенное напряжение. Таким образом, регулируя напряжение на пластинах, можно увеличивать или уменьшать заряд. Эта формула ёмкости в виде C=Q/V в единичных значениях определяет, в чём измеряется ёмкость конденсатора в СИ, и является математическим выражением фарада.

Специалисты по электронике единицу в один фарад считают не совсем практичной, поскольку она представляет собой огромное значение. Даже 1/1000 F — это очень большая ёмкость. Как правило, для реальных электрических компонентов применяют следующие величины:

  • пикофарад — 10—12 Ф;
  • нанофарад — 10—9 Ф;
  • микрофарад — 10—6 Ф.

Диэлектрическая проницаемость

Фактор, благодаря которому изолятор определяет ёмкость конденсатора, называется диэлектрической проницаемостью. Обобщённая формула расчёта ёмкости конденсатора с параллельными пластинами представлена выражением C= ε (A / d), где:

  • А — площадь меньшей пластины;
  • d — расстояние между ними;
  • ε — абсолютная проницаемость используемого диэлектрического материала.

Диэлектрическая проницаемость вакуума ε0 является константой и имеет значение 8,84х10—12 фарад на метр. Как правило, проводящие пластины разделены слоем изоляционного материала, а не вакуума. Чтобы найти ёмкость конденсатора, пластины которого находятся в воздухе, можно воспользоваться значением ε0. Разницей диэлектрической проницаемости атмосферы и вакуума можно пренебречь, поскольку их значения очень близки.

На практике в формулах нахождения ёмкости конденсатора используется относительная диэлектрическая проницаемость в качестве коэффициента, означающая, насколько электрическое поле между зарядами уменьшается в диэлектрике по сравнению с вакуумом. Некоторые значения этой величины для различных материалов:

  • 1,0006 — воздух;
  • 2,5—3,5 — бумага;
  • 3—10 — стекло;
  • 5—7 — слюда.

Что это за телевидение?

Заключение

Источник

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации