Como funciona um capacitor de partida: sinais de mudança de fase, torque e falha

Um motor de partida com capacitor de 1/2 HP consome corrente de rotor bloqueado, zumbe e desarma sua sobrecarga em segundos. O capacitor de partida falhou ao abrir. Esse único componente, não maior que uma bateria de células D, é a razão pela qual o motor não consegue produzir o campo magnético rotativo necessário para acelerar a partir da paralisação. Um capacitor de partida funciona inserindo brevemente um elemento eletrolítico de alta capacitância em série com o enrolamento auxiliar; o condutor de corrente resultante cria uma mudança de fase que imita uma alimentação bifásica, gera torque de partida e depois se desconecta quando o motor atinge aproximadamente 70 a 80 por cento da velocidade síncrona. Este artigo explica o mecanismo de mudança de fase, a construção interna que limita os capacitores de partida a ciclos de trabalho curtos, as classificações que você deve corresponder durante a substituição e os padrões de falha que apontam para um capacitor desgastado em vez de um motor com defeito. Para obter uma referência passo a passo sobre princípios básicos, dimensionamento e sintomas de falha, consulte este guia para iniciar a operação do capacitor .

O mecanismo de mudança de fase: por que um motor monofásico não pode iniciar automaticamente

Uma fonte CA monofásica produz um campo magnético pulsante, não rotativo. Se você energizar apenas o enrolamento principal de um motor de indução, o rotor terá torque igual em ambas as direções e simplesmente ficará parado, zumbindo. O capacitor de partida resolve isso criando um segundo caminho de corrente com um deslocamento de tempo deliberado. Quando o capacitor é conectado em série com o enrolamento de partida, a reatância capacitiva faz com que a corrente nesse enrolamento avance em relação à tensão. Enquanto isso, o enrolamento principal, que é altamente indutivo, tem sua corrente atrasada em relação à tensão. A diferença de fase entre as duas correntes do enrolamento pode aproximar-se de 90 graus elétricos. Essas duas correntes fora de fase produzem um campo magnético rotativo que coloca o rotor em movimento.

A quantidade de torque inicial depende do valor da capacitância. Muito pouca capacitância e o ângulo de fase são pequenos, então o torque é fraco. Demasiada capacitância e a corrente no enrolamento de arranque tornam-se excessivas, arriscando danos no isolamento. A maioria dos motores de partida com capacitor são projetados em torno de uma janela de capacitância específica; um capacitor de substituição que é 20 por cento abaixo do valor da placa de identificação ainda pode dar partida em um motor com carga leve, mas ele terá dificuldades sob carga e consumirá corrente mais alta.

Quando o rotor atingir cerca de 75 por cento da velocidade síncrona , a chave centrífuga abre e remove o capacitor de partida do circuito. Se a chave permanecer fechada, o capacitor de partida permanecerá energizado, superaquecerá e normalmente será ventilado ou inchado em minutos. Esse é um dos modos de falha mais comuns em motores de partida com capacitor.

Construção Interna: Por que os capacitores de partida eletrolíticos têm um ciclo de trabalho curto

Os capacitores de partida são quase sempre do tipo eletrolítico. Duas folhas de alumínio separadas por um espaçador poroso são embebidas em um eletrólito condutor. A folha anódica possui uma camada de óxido gravada que fornece alta capacitância por unidade de volume. Esta construção permite que um capacitor de partida de 200 µF e 250 VCA caiba em um pacote do tamanho de uma lata pequena. A desvantagem é que o eletrólito não pode tolerar corrente contínua sem superaquecimento. Os capacitores de partida são classificados para ciclos de trabalho curtos, geralmente expressos como um número máximo de partidas por hora ou um ciclo de trabalho percentual, como 3 por cento .

Execute capacitores, por outro lado, use filme de polipropileno metalizado. Eles têm menor capacitância por volume, mas podem lidar com ondulação CA contínua por anos. É por isso que você não pode substituir um capacitor de operação por um capacitor de partida com a mesma classificação de microfarad e vice-versa. Um capacitor de funcionamento forçado para operação de partida irá falhar rapidamente porque seu filme não consegue lidar com a alta corrente de partida. Um capacitor de partida deixado no circuito como um capacitor de operação superaquecerá e será ventilado.

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Para aplicações de serviço contínuo onde um motor precisa de uma mudança de fase permanente, os capacitores de filme como a série CBB60 são a escolha correta. Eles estão disponíveis em caixas de alumínio ou plástico com cabos duplos, terminais de inserção ou terminais de parafuso e são projetados para operação em 50/60 Hz com capacitância estável por milhares de horas.

Principais classificações que você deve corresponder: capacitância, tensão e ciclo de trabalho

Selecionar um capacitor de partida não envolve simplesmente encontrar o mesmo valor de microfarad. Classificação de tensão, ciclo de trabalho e montagem física são importantes. A tabela abaixo compara os parâmetros críticos dos capacitores de partida e de operação para que você possa evitar uma aplicação incorreta que leva a falhas repetidas.

A classificação de tensão merece atenção especial. Um capacitor de partida marcado como 250 VCA é projetado para um circuito de 240 VCA com alguma margem. Usar um capacitor de 125 VCA em uma linha de 240 V causará falha imediata. Ir mais alto, como um capacitor de 330 VCA em um circuito de 240 V, é geralmente seguro e pode prolongar a vida útil porque o dielétrico sofre menos estresse. No entanto, classificações de tensão mais altas geralmente vêm com tamanhos físicos maiores, portanto verifique o espaço de montagem.

A tolerância de capacitância é normalmente ±20 por cento para capacitores de partida. Alguns projetos de motores são sensíveis ao limite superior dessa tolerância. Se o capacitor original for de 200 µF, uma substituição entre 180 e 220 µF geralmente é aceitável. Uma substituição de 150 µF não é. Se você não conseguir encontrar o valor exato, escolha o próximo valor padrão mais alto em vez de um valor mais baixo, mas permaneça dentro de 20% para evitar corrente excessiva do enrolamento de partida.

Capacitor Iniciar vs Executar: Diferenças Críticas que Você Não Pode Ignorar

O erro mais caro no reparo do motor é confundir um capacitor de partida com um capacitor de operação. Eles são semelhantes, ambos têm dois terminais e são medidos em microfarads. Mas a sua construção interna e a função pretendida não poderiam ser mais diferentes. Um capacitor de partida é construído para alguns segundos de alta corrente de partida. Um capacitor de operação é construído para corrente de ondulação contínua em magnitude mais baixa. Se você instalar um capacitor de operação em um circuito de partida, ele provavelmente falhará em alguns dias porque o filme não consegue lidar com as repetidas partidas de alta corrente. Se você instalar um capacitor de partida em um circuito de funcionamento, ele superaquecerá, ventilará e possivelmente explodirá porque o eletrólito ferve sob corrente alternada contínua.

Alguns compressores de ar condicionado usam um capacitor de funcionamento duplo, geralmente do tipo CBB65, que contém duas seções de capacitor em uma lata: uma seção de compressor hermético e uma seção de ventilador. Isso não é um capacitor de partida. É um par de capacitores de funcionamento compartilhando um invólucro. Não conecte um capacitor de funcionamento duplo no lugar de um capacitor de partida, a menos que a placa de identificação do motor exija especificamente uma configuração de capacitor dividido permanente. Para compressores de ar condicionado e de refrigeração que necessitam de uma partida forçada, um capacitor de partida e um relé separados são adicionados ao circuito do capacitor de operação.

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Ao substituir um capacitor de funcionamento em um ar condicionado, máquina de lavar ou bomba de água, um capacitor à prova de explosão CBB65 ou um capacitor de motor CBB60 fornece a classificação de serviço contínuo e os recursos de segurança necessários. Esses capacitores de filme estão disponíveis com terminais de inserção, condutores ou terminais de parafuso para combinar com a montagem original.

Sintomas de falha e o que eles dizem sobre o circuito

Um capacitor de partida raramente falha sem aviso. Os sintomas seguem um padrão previsível porque o motor perde a mudança de fase. Aqui estão os sinais mais comuns, classificados de acordo com a frequência com que aparecem nas chamadas de serviço.

• O motor zumbe, mas não gira. O rotor está travado porque a corrente do enrolamento inicial está ausente ou é muito pequena para criar um campo rotativo. Verifique primeiro o capacitor de partida e depois a chave centrífuga.
• A sobrecarga desarma após 5 a 15 segundos. O motor consome corrente de rotor bloqueado, que normalmente é 6 a 8 vezes a corrente de plena carga. O aquecedor ou disjuntor de sobrecarga abre para proteger os enrolamentos.
• A caixa do capacitor está abaulada, rachada ou com vazamento de eletrólito. Isso indica que o capacitor sofreu sobretensão ou superaquecimento. Substitua-o e inspecione a chave centrífuga quanto a emperramento.
• Cheiro de queimado perto da caixa de terminais do motor. O capacitor de partida pode ter sido ventilado. Desconecte a alimentação imediatamente e não tente reiniciar até que o capacitor seja substituído.
• O motor dá partida lentamente ou somente quando você gira manualmente o eixo. Isto sugere que o capacitor de partida perdeu capacitância, mas não está completamente aberto, ou que o circuito do enrolamento de partida tem alta resistência.

Se o motor zumbir e o capacitor parecer bom, não negligencie a chave centrífuga. Uma chave que não fecha impedirá que o capacitor de partida seja conectado. Uma chave que não abre manterá o capacitor de partida no circuito, causando superaquecimento em minutos. Ambas as condições imitam um capacitor ruim do ponto de vista do operador.

Como testar um capacitor de partida com segurança

Testar um capacitor de partida requer primeiro descarregá-lo. Mesmo depois de a energia ser removida, um capacitor eletrolítico pode reter uma carga perigosa. Siga estas etapas em ordem.

1. Desconecte toda a energia do motor. Bloqueie a desconexão, se possível. Verifique com um testador de tensão sem contato se os terminais estão desenergizados.
2. Descarregue o capacitor usando um 20 kW, 5 W resistor entre os terminais por pelo menos 10 segundos. Não provoque curto-circuito nos terminais com uma chave de fenda; isso pode danificar o capacitor e criar risco de faísca.
3. Desconecte um fio do capacitor para isolá-lo do circuito. Observe a orientação do terminal para remontagem.
4. Defina um multímetro digital para o modo de capacitância. Conecte as pontas de teste aos terminais do capacitor. Observe a leitura. Um bom capacitor de partida deve ler dentro ±20 por cento do seu valor de placa de identificação.
5. Se a leitura for zero ou muito baixa, o capacitor está em curto. Se a leitura estiver aberta (OL), o capacitor falhou na abertura. Ambas as condições requerem substituição.
6. Inspecione a caixa quanto a protuberâncias, rachaduras ou vazamento de eletrólito. Qualquer dano físico significa substituição, mesmo que a leitura da capacitância pareça aceitável.
7. Verifique a chave centrífuga se o capacitor estiver bom, mas o motor ainda não der partida. Com o motor desenergizado, acione manualmente a chave e verifique o estado de mudança de continuidade.

Um medidor de capacitância é a ferramenta mais rápida para esse trabalho, mas um multímetro analógico configurado para resistência também pode revelar um capacitor em curto ou aberto. Quando você conecta um medidor analógico, a agulha deve pular em direção a zero e depois subir lentamente de volta ao infinito à medida que o capacitor é carregado. Uma agulha que permanece em zero indica um curto. Uma agulha que não se move indica um circuito aberto.

Seleção e Substituição: Correspondendo à Especificação Original

Quando um capacitor de partida falha, o caminho mais seguro é substituí-lo por um capacitor que corresponda à classificação original de microfarad, classificação de tensão e montagem física. Aqui estão os detalhes que mais importam.

• Capacitância: Combine dentro de 20 por cento. Abaixar reduz o torque de partida. Ir mais alto aumenta a corrente do enrolamento inicial e pode causar o desarme da sobrecarga.
• Tensão: Igual ou superior. Um capacitor de 330 VCA pode substituir um capacitor de 250 VCA. Nunca desça. Tensão mais alta oferece mais margem contra transientes de linha.
• Ciclo de trabalho: Os capacitores de partida são classificados para serviços curtos. Não substitua um capacitor de operação, a menos que o motor seja projetado para operação permanente com capacitor dividido.
• Tipo de terminal: Combine com o original: conexão rápida de 1/4 pol., terminais de parafuso ou cabos. Conexões ruins causam arcos e falhas prematuras.
• Temperatura operacional: Verifique a classificação de temperatura do capacitor. Um capacitor classificado para 65°C não durará em um ambiente de 85°C. Escolha uma classificação de temperatura mais alta quando possível.

Para motores que utilizam um capacitor de funcionamento contínuo, como aqueles em máquinas de lavar, bombas de água e condicionadores de ar, os capacitores de filme das séries CBB60 e CBB61 são projetados para longa vida útil. O capacitor de motor quadrado CBB61 é comum em motores de ventiladores e sopradores, enquanto o capacitor à prova de explosão CBB65 é o padrão para compressores de ar condicionado. Ao solicitar uma substituição, confirme as dimensões da caixa e as orelhas de montagem, pois um capacitor que se ajusta eletricamente, mas não mecanicamente, não permanecerá no lugar.

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Perguntas frequentes

O que acontece se eu usar o capacitor de partida de tamanho errado?

Um capacitor muito pequeno não criará mudança de fase suficiente, então o motor produzirá torque de partida fraco, zumbido e consumirá alta corrente. Um capacitor muito grande empurrará corrente excessiva através do enrolamento de partida, o que pode superaquecer o enrolamento e desarmar a sobrecarga. Em ambos os casos, o motor pode não dar partida ou pode dar partida apenas sem carga. Sempre fique dentro de 20% do valor microfarad da placa de identificação.

Um motor pode funcionar sem um capacitor de partida?

Somente se o motor for um motor com capacitor dividido permanente ou um motor de pólo sombreado. Um motor de partida com capacitor precisa do capacitor de partida para produzir o torque inicial. Sem ele, o motor não partirá da parada sob carga. Alguns motores darão partida se você girar o eixo manualmente, mas essa não é uma solução segura ou prática.

Quanto tempo deve durar um capacitor de partida?

Um capacitor de partida de qualidade em um motor com manutenção adequada pode durar 5 a 10 anos ou mais. Os fatores que encurtam a vida útil incluem partidas frequentes, alta temperatura ambiente, sobretensão e uma chave centrífuga emperrada que mantém o capacitor no circuito depois que o motor atinge a velocidade.

Por que meu capacitor de partida continua falhando?

Falhas repetidas geralmente apontam para um problema no circuito, e não para um lote de capacitores defeituoso. Verifique se a chave centrífuga está travada, verifique se a tensão da linha não está muito alta e confirme se o capacitor substituto tem a classificação de tensão correta. Um motor que dá partida muitas vezes por hora pode precisar de um capacitor com uma classificação de ciclo de trabalho mais alta ou de um método de partida diferente.

A baixa tensão pode danificar um capacitor de partida?

A baixa tensão reduz o torque de partida e faz com que o motor consuma uma corrente mais alta por mais tempo. O capacitor de partida permanece mais tempo no circuito, o que aumenta o aquecimento. A partida prolongada em baixa tensão reduzirá a vida útil do capacitor. Se a tensão de alimentação estiver consistentemente abaixo da classificação da placa de identificação do motor, corrija a tensão antes de substituir o capacitor novamente.

Quais ferramentas eu preciso para testar um capacitor de partida?

Um multímetro digital com modo capacitivo é a ferramenta mais conveniente. Um multímetro analógico também pode ser usado para verificar condições de curto ou aberto. Você também precisará de um resistor de descarga (20 kΩ, 5 W), chaves de fenda isoladas e um testador de tensão sem contato. Óculos de segurança são recomendados porque um capacitor eletrolítico com defeito pode liberar eletrólito.

Um capacitor de partida funciona criando uma mudança de fase que fornece a um motor monofásico o campo rotativo necessário para acelerar a partir da paralisação. Essa mudança de fase dura apenas alguns segundos, razão pela qual os capacitores de partida usam construção eletrolítica e são classificados para ciclos de trabalho curtos. Quando um motor zumbe, mas não dá partida, o capacitor de partida é o primeiro componente a ser testado. Combine exatamente o valor do microfarad, a classificação de tensão e o ciclo de trabalho e inspecione a chave centrífuga enquanto estiver na caixa de terminais.

Para capacitores de funcionamento contínuo em eletrodomésticos, bombas e sistemas de ar condicionado, os capacitores de filme, como as séries CBB60, CBB61 e CBB65, fornecem capacitância estável e longa vida útil. Eles estão disponíveis em vários estilos de gabinetes, configurações de terminais e opções de montagem para combinar com o equipamento original. Substituir um capacitor com falha pelo tipo correto é a diferença entre um motor que funciona por anos e um que falha novamente no próximo mês.