Ratgeber
Wo immer Wechselstrommotoren ihre Kraft entfalten, sind Motorkondensatoren im Spiel. Sie verbessern sowohl deren Start- als auch deren Dauerleistung. In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen die drei Varianten dieser kapazitiven Bauteile vor, erklären Aufbau und Funktion. Wir geben Ihnen außerdem Tipps für die Beschaffung.
Elektromotoren sind ein wesentlicher Bestandteil zahlreicher Industrieanlagen. Sie treiben Werkzeugmaschinen ebenso so an wie Förderbänder, Hebezeuge oder Lüftungs- und Klimaanlagen. Sowohl zum Start als auch zur Entfaltung der Dauerleistung sind Einphasen-Wechselstrommotoren allerdings auf Hilfe angewiesen – auf Motorkondensatoren.
Diese Bauelemente sind für das Anfahren von Wechselstrommotoren oder deren laufende Stromversorgung zuständig. Motor-Kondensatoren gibt es in drei verschiedenen Ausführungen: als Anlaufkondensator, als Betriebskondensator und als Dual-Run-Kondensator.
Betriebskondensator
Dieser Kondensatortyp ist für den Dauerbetrieb ausgelegt und bleibt während des gesamten Motorbetriebs im Stromkreis. Er verbessert die Energieeffizienz und das Drehmoment des Motors, indem er eine nahezu konstante Phasenverschiebung zwischen den Strom- und Spannungswellen erzeugt.
1. Hauptwicklung | 2. Hilfswicklung | 3. Betriebskondensator
Anlaufkondensator
Er erhöht das Drehmoment eines Motors während des Starts. Danach wird er durch einen Fliehkraftschalter oder ein Relais abgeschaltet, da seine Kapazität für den Dauerbetrieb des Motors zu hoch ist, Überhitzung oder Beschädigung des Kondensators oder des Motors wären die Folge.
Dual-Run-Kondensator
Überwiegend in Klima- und Lüftungsanlagen zu finden, kombiniert dieser Typ sowohl einen Anlauf- als auch einen Betriebskondensator in einem einzigen Gehäuse. Das macht ihn besonders platzsparend und effizient.
1. Hauptwicklung | 2. Hilfswicklung | 3. Betriebskondensator |
4. Anlaufkondensator | 5. Fliehkraftschalter
Die Phasenverschiebung, die durch einen Motor-Kondensator in einem Einphasen-Wechselstrommotor erzeugt wird, ist ein Schlüsselaspekt für dessen Betrieb und Effizienz. Dieser Prozess beruht auf der grundlegenden elektrischen Eigenschaft von Kondensatoren, die Spannung in Bezug auf den Strom zu verzögern. Diese Verzögerung wird als Phasenverschiebung bezeichnet und in Grad gemessen. Idealisiert beträgt die Phasenverschiebung eines perfekter Kondensator 90 Grad. In realen Anwendungen ist der Winkel aufgrund der Präsenz von Widerständen und der Induktivität der Motorwicklungen etwas kleiner, aber immer noch ausreichend, um ein wirksames Drehmoment zu erzeugen.
Erklärung: Ein Einphasen-Wechselstrommotor benötigt ein Drehfeld, um zu starten und effizient zu laufen. In einem reinen Einphasensystem ist dieses Drehfeld jedoch nicht natürlich vorhanden. Durch die Integration eines Motorkondensators wird eine künstliche Phasenverschiebung zwischen der Hauptwicklung und einer Hilfswicklung erzeugt. Diese Verschiebung teilt effektiv den Einphasenstrom in zwei Phasen mit einem zeitlichen Versatz, was ein rotierendes Magnetfeld im Stator erzeugt.
Für den Anlaufvorgang sorgt der Anlaufkondensator für eine signifikante Phasenverschiebung, die ein starkes Anlaufdrehmoment erzeugt. Der Betriebskondensator hingegen bietet eine geringere, aber konstante Phasenverschiebung. Sie sorgt für einen optimalen Betrieb des Motors bei seiner Nenndrehzahl.
Beim Start eines Einphasen-Wechselstrommotors erzeugt der Anlaufkondensator die oben beschrieben Phasenverschiebung zwischen dem Strom, der durch die Startwicklung fließt, und dem Strom durch die Hauptwicklung. Der Kondensator erhöht das Anlaufdrehmoment des Motors erheblich, indem er einen höheren Strom in die Startwicklung leitet. Das ist besonders bei schweren Lasten notwendig.
Nachdem der Motor seine Betriebsdrehzahl erreicht hat, wird der Anlaufkondensator normalerweise durch ein Relais oder einen Zentrifugalschalter aus dem Stromkreis genommen. Das vermeidet eine Überlastung des Kondensators.
Der Betriebskondensator bleibt während des gesamten Betriebs des Motors im Stromkreis. Auch er sorgt für die Phasenverschiebung, und zwar kontinuierlich. Das verbessert die Leistungsfähigkeit des Elektromotors, er läuft glatter und verbraucht weniger Strom. Der Kondensator kompensiert zudem auch die Blindleistung der Motorwicklungen. Das reduziert die Gesamtnachfrage nach Blindleistung im Stromnetz, für den Betreiber des Motors kann das eventuell zu geringeren Energiekosten führen.
Motorkondensatoren sind darauf ausgerichtet, die nötige Phasenverschiebung für den Motorstart und -betrieb zu erzeugen sowie die damit verbundenen hohen elektrischen Belastungen auszuhalten. Sie bestehen aus einem Dielektrikum, Elektroden und einem Gehäuse mit elektrischen Anschlüssen.
Das Dielektrikum ist das isolierende Material zwischen den Kondensatorplatten. Es kann aus verschiedenen Materialien bestehen, darunter Papier, Kunststofffolie oder metallisierte Folie. Die Wahl des Dielektrikums hängt von der erforderlichen Kapazität, der Spannungsfestigkeit und der Betriebstemperatur ab.
Die Elektroden bestehen meist aus Metallfolien oder metallisierten Kunststofffolien. In ihnen wird die elektrische Ladung gespeichert. Bei metallisierten Folien dient die Kunststofffolie gleichzeitig als Dielektrikum und Träger für die aufgedampfte Metallschicht.
Das Gehäuse eines Motorkondensators ist typischerweise aus Kunststoff oder Metall gefertigt und dient dem Schutz der internen Komponenten. Es ist so gestaltet, dass es die Wärmeabfuhr unterstützt und den Kondensator vor mechanischen Schäden und Umwelteinflüssen schützt.
Viele Motorkondensatoren sind als Wickelkondensatoren konstruiert. Bei ihnen ist die Dielektrikumfolie und die Elektrodenfolie aufeinandergelegt und zu einem Zylinder aufgerollt. Diese Konstruktion maximiert die Speicherfähigkeit pro Volumeneinheit und verbessert die Wärmeabfuhr.
Die Anschlüsse sind so gestaltet, dass sie eine einfache und zuverlässige elektrische Verbindung zum Motorstromkreis ermöglichen. Oft sind sie als Drahtausführungen oder als Kabel mit speziellen Flachsteckern beziehungsweise Schraubverbindungen ausgeführt. Einige Motorkondensatoren, insbesondere Anlaufkondensatoren, können auch mit internen Schutzschaltungen ausgestattet sein. Sie bewahren den Kondensator vor Überlastung.
Viele moderne Motorkondensatoren, insbesondere die mit metallisierter Kunststofffolie, besitzen selbstheilende Eigenschaften: Bei einem Durchschlag verdampft die Metallschicht um die Fehlstelle herum, wodurch ein weiterer Kurzschluss verhindert wird. Durch die Selbstheilung verliert der Kondensator nur geringfügig an Kapazität.
Einige Kondensatortypen sind mit einem Symbol gekennzeichnet, dass an ein Hashtag mit zwei Pfeilen erinnert. Es handelt sich dann um ein Bauteil mit selbstheilenden Eigenschaften.
Typ des Kondensators
Soll es sich um einen Anlaufkondensator für den kurzzeitigen Einsatz beim Motorstart oder um einen Betriebskondensator handeln? Einige Anwendungen erfordern möglicherweise einen Dual-Run-Kondensator, der beide Funktionen kombiniert.
Kapazität
Die Speicherfähigkeit eines Kondensators, ausgedrückt in Mikrofarad, ist entscheidend für seine Funktionsweise in einem Motorstromkreis. Der Kondensator muss den Spezifikationen des Motors entsprechen, zur Auswahl stehen im Allgemeinen Bauelemente mit Kapazitätswerten von 1 bis 80 Mikrofarad.
Nennspannung
Die Nennspannung sollte mindestens so hoch sein wie die maximale Betriebsspannung des Motors. Eine höhere Nennspannung bietet zusätzliche Sicherheitsmargen. Typische Werte sind 400, 450 und 500 Volt AC.
Betriebstemperatur
Die weitaus meisten Motokondensatoren sind für eine maximale Temperatur von 85 Grad Celsius ausgelegt.
Bauform und Größe
Es ist sicherzustellen, dass der Kondensator in den dafür vorgesehenen Platz im Gerät oder in der Anlage passt. Hinsichtlich der Anschlüsse lässt sich in der Regel zwischen radial bedrahteten Bauformen und Typen mit Steckern wählen.