Некогда очень популярна была схема пуска трехфазного асинхронного двигателя в однофазное напряжение. Для этого использовались специальные схемы с пусковыми и рабочими конденсаторами. Конденсаторы должны были быть рассчитанными на работу в цепи переменного тока, выдерживать возникающие в схеме напряжения, а при мощности двигателя до одного киловатта обладать значительной электрической емкостью.
При отсутствии неполярных (бумажных или биполярных электролитических) конденсаторов потребители были вынуждены использовать полярные электролитические конденсаторы, подобрав их по емкости и рабочему напряжению, и включая их встречно-последовательно по особым схемам.
В литературе и сети можно найти следующие 5 схем включения электролитических конденсаторов в качестве неполярных:
Разберем вначале схемы, совершенно неработоспособные; но, тем не менее, приводимые как возможность замены неполярного конденсатора двумя электролитическими (схема г) или даже одним (схема д).
Очевидно, сторонники схемы г ошибочно предполагали (даже не потрудившись сделать опытную проверку), что одна полуволна переменного тока будет протекать по конденсатору C1 через полупроводниковый диод VD1, а другая - по конденсатору C2 через диод VD2. Тем самым, якобы и во внешней цепи ток будет протекать непрерывно, а каждый из конденсаторов будет работать лишь в соответствии со своей полярностью.
По факту, каждый из конденсаторов зарядится до амплитуды приложенного переменного напряжения, оба диода окажутся заперты, и ток во внешней цепи будет отсутствовать. Можно рассмотреть "работу" схемы и иначе. Это - известная схема выпрямителя с удвоением напряжения, при подключении нагрузки к точкам A и B. Поскольку нагрузки нет, отсутствуют как ток нагрузки, так и ток во внешней цепи.
Схема д также неработоспособна. Это мостовой выпрямитель без нагрузки, также не потребляющий от сети тока.
Работоспособны лишь схемы а, б и в. Схема б работает лучше схемы а, благодаря наличию двух полупроводниковых диодов. В схеме в диоды работают в более "мягком" режиме благодаря наличию токоограничивавшего резистора R1.
Это было введение. А теперь - основное содержание статьи, содержащее сведения и графики, которые вы вряд ли еще где встречали в сжатом виде и применительно к теме статьи. Причина проста - схемы встречного включения электролитических конденсаторов не рассматриваются в учебниках электротехники, поскольку эти схемы "противозаконны". А в практических пособиях приводятся лишь схемы, с краткими указаниями по необходимой емкости и рабочему напряжению конденсаторов, исходя из мощности запускаемого асинхронного электродвигателя, схемы соединения его обмоток (звезда или треугольник, либо какая иная), и напряжения сети. Мы и намерены заполнить данной статьей "серую" зону между теорией и практикой.
Начнем с электролитического конденсатора. По своей конструкции этот конденсатор полярен, и его включение в схему допускается лишь согласно обозначенной на нем полярности (+/-).
При правильном включении конденсатор способен длительно выдерживать приложенное постоянное напряжение в пределах своего рабочего напряжения, переполюсовка же может привести к взрыву конденсатора (некоторые конденсаторы, на этот случай, снабжены "предохранительным клапаном" в виде резиновой пробки в коротком патрубке).
Причины - в разном сопротивлении конденсатора при включении его в прямом и обратном направлениях. Но рассуждения о сопротивлении слишком общие, лучше рассмотреть вольт-амперную характеристику (ВАХ) электролитического конденсатора. Понятие ВАХ является обычным для нелинейных элементов, например, полупроводниковых диодов; для электролитических конденсаторов эти характеристики не принято приводить, но ничто не мешает снять подобную характеристику самостоятельно, измерив зависимость между напряжением на конденсаторе и током через него.
Ниже пример подобной характеристики для электролитического конденсатора емкостью 500 мкФ и рабочим напряжением 50 В.
Не правда ли, ВАХ электролитического конденсатора (толстая синяя линия) схожа с ВАХ полупроводникового диода? Только напряжение отсечки (отсекается на оси напряжений касательной к правой ветви ВАХ, штриховая тонкая серая линия)) не 0,2-0,6 В, а все 12 В. Но при обратном напряжении порядка 2-3 В ток через конденсатор практически отсутствует.
Известно, что прямое падение напряжения на выпрямительном диоде снижает выходное напряжение выпрямителя, так и падение напряжения на включенном противополярно электролитическом конденсаторе ухудшает характеристики результирующего неполярного конденсатора и приводит к нагреву конденсатора.
Этот недостаток устраняется подключением к конденсаторам диодов, т.е. переходу от схемы а к схеме б. Схема б и является идеальной для использования электролитических конденсаторов взамен неполярного. Разберем работу схемы, считая диоды и конденсаторы идеальными.
Не следует представлять, как это иногда делается, что каждый из диодов в течение "своего" полупериода пропускает ток, проходящий через соответствующий конденсатор, с заменой "рабочей" пары диод/конденсатор в следующий полупериод.
На самом деле все далеко не так. Диоды заперты практически все время, открываясь лишь на короткое время, а напряжение на каждом из конденсаторов практически синусоидально с частотой питающей сети; отсутствие переполюсовки обеспечивается наличием на конденсаторе постоянной составляющей, равной половине амплитуды переменного напряжения.
Ниже графики напряжений на электролитических конденсаторах и токов через диоды для случая сетевого напряжения 220 В, приложенного к выводам результирующего неполярного конденсатора (ВАХ снята для конденсатора рабочим напряжением всего 50 В, графики не предполагают использования этих конденсаторов!).
Из графиков следует, что на каждом из конденсаторов постоянное напряжение равно 156 В, т.е. половине амплитудного напряжения питающей сети 311 В, а мгновенное напряжение синусоидально изменяется от 0 до амплитуды сетевого напряжения. Отсюда следует требование к рабочему напряжению электролитических конденсаторов - он должно равняться амплитуде питающего напряжения.
Суммирование напряжения на конденсаторах дает, по определению, напряжение питающей сети с нулевой постоянной составляющей и амплитудными значениями 311 В.
Из описания работы схемы выявляются также требования к полупроводниковым диодам - они должны выдерживать обратное напряжение, равное амплитуде напряжения питающей сети (1,41 от эффективного напряжения).
Общеизвестно, что емкость результирующего неполярного конденсатора равна половине емкости каждого из электролитических конденсаторов. Обычно это объясняется тем, что конденсаторы соединены последовательно, из чего и следует описанный вывод. Это объяснение также не годится, во всяком случае, оно неубедительно, поскольку относится к совершенно иной схеме соединения.
"Работает" другое объяснение. Через оба конденсатора, в силу их последовательного соединения, и запертости диодов большую часть времени, протекает одинаковый ток, этот же ток протекает во внешней цепи. Но переменное напряжение во внешней цепи вдвое выше переменной составляющей напряжения на каждом из конденсаторов, что означает, что реактивное сопротивление составного конденсатора вдвое выше реактивного сопротивления каждого из конденсаторов. Большему реактивному сопротивлению отвечает меньшая емкость, зависимость обратно-пропорциональная; тем самым, емкость составного конденсатора вдвое меньше емкости каждого из конденсаторов.
Каждый из постоянно запертых диодов открывается лишь на короткое время, один раз в течение периода, и на соответствующем конденсаторе фиксируется амплитудное напряжение сети, после чего, при запертом состоянии обоих диодов, по мере изменения мгновенного напряжения в сети, изменяются (на одинаковую величину, но в противоположных направлениях) напряжения на последовательно включенных конденсаторах.
Поскольку эти напряжения действуют встречно, напряжения на конденсаторах изменяются вдвое медленнее, чем напряжение в сети.
Режим работы диодов импульсный, и иногда, для облегчения их работы, в схему включают ограничительный резистор R1 (схема в). Схема в по режиму работы диодов и конденсаторов является промежуточной между схемами а и б.
Если приведенная информация оказалась для вас полезной, и вы согласны с выводами (нет, не следует ставить лайки) - дайте ссылку на статью на форумах электриков, где вы наверняка обмениваетесь информацией и ищете советы. То, что до конца статью дочитали лишь электрики, у меня сомнений нет.
Если остались вопросы либо обнаружены ошибки - делитесь в комментариях к статье. Ответ будет дан обязательно в силу нашего понимания вопроса.
К данной статье написано дополнение с измерением характеристик результирующего конденсатора в схеме с диодами и без диодов.
Другая статья по теме электрики - о соотношении цена/емкость пальчиковых элементов питания АА. Из 4 типов выбран лучший.