Трехфазные асинхронные двигатели совершенно заслужено являются самыми массовыми в мире, благодаря тому, что они очень надежны, требуют минимального технического обслуживания, просты в изготовлении и не требуют при подключении каких-либо сложных и дорогостоящих устройств, если не требуется регулировка скорости вращения. Большинство станков в мире приводятся в действие именно трёхфазными асинхронными двигателями, они также приводят в действие насосы, электроприводы различных полезных и нужных механизмов.
Но как быть тем, кто в личном домовладении не имеет трехфазного электроснабжения, а в большинство случаев это именно так. Как быть, если хочется в домашней мастерской поставить стационарную циркулярную пилу, электрофуганок или токарный станок? Хочется порадовать читателей нашего портала, что выход из этого затруднительного положения есть, причем достаточно просто реализуемый. В этой статье мы намерены рассказать, как подключить трехфазный двигатель в сеть 220 В.
Принципы работы трехфазных асинхронных двигателей
Рассмотрим кратко принцип работы асинхронного двигателя в своих «родных» трехфазных сетях 380 В. Это очень поможет впоследствии адаптировать двигатель для работы в других, «не родных» условиях – однофазных сетях 220 В.
Устройство асинхронного двигателя
Большинство производимых в мире трехфазных двигателей – это асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКЗ), которые не имеют никакой электрической контактной связи статора и ротора. В этом их основное преимущество, так как щетки и коллекторы, – самое слабое место любого электродвигателя, они подвержены интенсивному износу, требуют технического обслуживания и периодической замены.
Рассмотрим устройство АДКЗ. Двигатель в разрезе показан на рисунке.
В литом корпусе (7) собран весь механизм электродвигателя, включающий две главные части – неподвижный статор и подвижный ротор. В статоре имеется сердечник (3), который набран из листов специальной электротехнической стали (сплава железа и кремния), которая обладает хорошими магнитными свойствами. Сердечник набран из листов по причине того, что в условиях переменного магнитного поля в проводниках могут возникнуть вихревые токи Фуко, которые в статоре нам абсолютно не нужны. Дополнительно каждый лист сердечника еще покрыт с обеих сторон специальным лаком, чтобы вообще свести на нет протекание токов. Нам от сердечника нужны только магнитные его свойства, а не свойства проводника электрического тока.
В пазах сердечника уложена обмотка (2), выполненная из медного эмалированного провода. Если быть точным, то обмоток в трехфазном асинхронном двигателе как минимум три – по одной на каждую фазу. Причем уложены это обмотки в пазы сердечника с определенным порядком – каждая расположена так, что находится под угловым расстоянием в 120° к другой. Концы обмоток выведены в клеммную коробку (на рисунке она расположена в нижней части двигателя).
Ротор помещен внутрь сердечника статора и свободно вращается на валу (1). Зазор между статором и ротором для повышения КПД стараются сделать минимальным – от полумиллиметра до 3 мм. Сердечник ротора (5) также набран из электротехнической стали и в нем тоже имеются пазы, но они предназначены не для обмотки из провода, а для короткозамкнутых проводников, которые расположены в пространстве так, что напоминают беличье колесо (4), за что и получили свое название.
Беличье колесо состоит из продольных проводников, которые связаны и механически, и электрически с торцевыми кольцами Обычно беличье колесо изготавливают путем заливки в пазы сердечника расплавленного алюминия, а заодно еще формуют монолитом и кольца, и крыльчатки вентиляторов (6). В АДКЗ большой мощности в качестве проводников клетки применяют медные стержни, сваренные с торцевыми медными кольцами.
Что такое трехфазный ток
Для того чтобы понять какие силы заставляют вращаться ротор АДКЗ, надо рассмотреть что такое трехфазная система электроснабжения, тогда все встанет на свои места. Мы все привыкли к обычной однофазной системе, когда в розетке есть только два или три контакта, один из которых (L), второй рабочий ноль (N), а третий защитный ноль (PE). Среднеквадратичное фазное напряжение в однофазной системе (напряжение между фазой и нулем) равно 220 В. Напряжение (а при подключении нагрузки и ток) в однофазных сетях изменяются по синусоидальному закону.
Из приведенного графика амплитудно-временной характеристики видно, что амплитудное значение напряжения не 220 В, а 310 В. Чтобы у читателей не было никаких «непоняток» и сомнений, авторы считают своим долгом сообщить, что 220 В – это не амплитудное значение, а среднеквадратичное или действующее. Он равно U=U max /√2=310/1,414≈220 В. Для чего это делается? Только для удобства расчетов. За эталон принимают постоянное напряжение, по его способности произвести какую-то работу. Можно сказать, что синусоидальное напряжение с амплитудным значением в 310 В за определенный промежуток времени произведет такую же работу, которое бы сделало постоянное напряжение 220 В за тот же промежуток времени.
Надо сразу сказать, что практически вся генерируемая электрическая энергия в мире трехфазная. Просто с однофазной энергией проще управляться в быту, большинству потребителей электроэнергии достаточно и одной фазы для работы, да и однофазные проводки гораздо дешевле. Поэтому из трехфазной системы «выдергивается» один фазный и нулевой проводник и направляются к потребителям – квартирам или домам. Это хорошо видно в подъездных щитах, где видно, как с одной фазы провод идет в одну квартиру, с другой во вторую, с третьей в третью. Это так же хорошо видно на столбах, от которых линии идут к частным домовладениям.
Трехфазное напряжение, в отличие от однофазного, имеет не один фазный провод, а три: фаза A, фаза B и фаза C. Фазы еще могут обозначать L1, L2, L3. Кроме фазных проводов, естественно, присутствует еще общий для всех фаз рабочий ноль (N) и защитный ноль (PE). Рассмотрим амплитудно-временную характеристику трехфазного напряжения.
Из графиков видно, что трехфазное напряжение – это совокупность трех однофазных, с амплитудой 310 В и среднеквадратичным значением фазного (между фазой и рабочим нулем) напряжения в 220 В, причем фазы смещены относительно друг друга с угловым расстоянием 2*π/3 или 120°. Разность потенциалов между двумя фазами называют линейным напряжением и оно равно 380 В, так как векторная сумма двух напряжений будет U л =2* U ф * sin(60°)=2*220* √3/2=220* √3=220*1,73=380,6 В , где U л – линейное напряжение между двумя фазами, а U ф – фазное напряжение между фазой и нулем.
Трехфазный ток легко генерировать передавать к месту назначения и в дальнейшем преобразовывать в любой нужный вид энергии. В том числе и в механическую энергию вращения АДКЗ.
Как работает трехфазный асинхронный двигатель
Если подать переменное трехфазное напряжение на обмотки статора, то через них начнут протекать токи. Они, в свою очередь, вызовут магнитные потоки, также изменяющиеся по синусоидальному закону и также сдвинутые по фазе на 2*π/3=120°. Учитывая, что обмотки статора расположены в пространстве на таком же угловом расстоянии – 120°, внутри сердечника статора образуется вращающееся магнитное поле.
трехфазный электродвигатель
Это постоянно изменяющееся поле пересекает «беличье колесо» ротора и вызывает в нем ЭДС (электродвижущую силу), которая также будет пропорциональна скорости изменения магнитного потока, что на математическом языке означает производную от магнитного потока по времени. Так как магнитный поток изменяется по синусоидальному закону, значит, ЭДС будет изменяться по закону косинуса, ведь (sinx )’= cosx . Из школьного курса математики известно, что косинус «опережает» синус на π/2=90°, то есть, когда косинус достигает максимума, синус его достигнет через π/2 — через четверть периода.
Под воздействием ЭДС в роторе, а, точнее, в беличьем колесе возникнут большие токи, учитывая, что проводники замкнуты накоротко и имеют низкое электрическое сопротивление. Эти токи образуют свое магнитное поле, которое распространяется по сердечнику ротора и начинает взаимодействовать с полем статора. Разноименные полюса, как известно, притягиваются, а одноименные отталкиваются друг от друга. Возникающие силы создают момент заставляющий ротор вращаться.
Магнитное поле статора вращается с определенной частотой, которая зависит от питающей сети и количества пар полюсов обмоток. Рассчитывается частота по следующей формуле:
n 1 = f 1 *60/ p, где
- f 1 – частота переменного тока.
- p – число пар полюсов обмоток статора.
С частотой переменного тока все понятно – она в наших сетях электроснабжения составляет 50 Гц. Число пар полюсов отражает, сколько пар полюсов имеется на обмотке или обмотках, принадлежащих одной фазе. Если к каждой фазе подключается одна обмотка, отстоящая на 120° от других, то число пар полюсов будет равно единице. Если одной к одной фазе подключаются две обмотки, тогда число пар полюсов будет равно двум и так далее. Соответственно и меняется угловое расстояние между обмотками. Например, при числе пар полюсов равным двум, в статоре размещается обмотка фазы A, которая занимает сектор не 120°, а 60°. Затем за ней следует обмотка фазы B, занимающая такой же сектор, а затем и фазы C. Далее чередование повторяется. При увеличении пар полюсов соответственно уменьшаются сектора обмоток. Такие меры позволяют уменьшить частоту вращения магнитного поля статора и соответственно ротора.
Приведем пример. Допустим, трехфазный двигатель имеет одну пару полюсов и подключен к трехфазной сети частотой 50 Гц. Тогда магнитное поле статора будет вращаться с частотой n 1 =50*60/1=3000 об/мин. Если увеличить количество пар полюсов – во столько же раз уменьшится частота вращения. Чтобы поднять обороты двигателя, надо увеличить частоту , питающего обмотки. Чтобы изменить направление вращения ротора, надо поменять местами две фазы на обмотках
Следует отметить, что частота вращения ротора всегда отстает от частоты вращения магнитного поля статора, поэтому двигатель и называется асинхронным. Почему это происходит? Представим, что ротор вращается с той же скоростью, что и магнитное поле статора. Тогда беличье колесо не будет «пронизывать» переменное магнитное поле, а оно будет для ротора постоянным. Соответственно не будет наводиться ЭДС и перестанут протекать токи, не будет взаимодействия магнитных потоков и исчезнет момент, приводящий ротор в движение. Именно поэтому ротор находится «в постоянном стремлении» догнать статор, но никогда не догонит, так как исчезнет энергия, заставляющая вращаться вал двигателя.
Разницу частот вращения магнитного поля статора и вала ротора называют частотой скольжения, и она рассчитывается по формуле:
∆ n= n 1 -n 2 , где
- n1 – частота вращения магнитного поля статора.
- n2 – частота вращения ротора.
Скольжением называется отношение частоты скольжения к частоте вращения магнитного поля статора, оно рассчитывается по формуле: S=∆ n/ n 1 =(n 1 — n 2)/ n 1 .
Способы подключения обмоток асинхронных двигателей
Большинство АДКЗ имеет три обмотки, каждая из которых соответствует своей фазе и имеет начало и конец. Системы обозначения обмоток могут быть разными. В современных электродвигателях принята система обозначения обмоток U, V и W, а их выводы обозначают цифрой 1 начало обмотки и цифрой 2 – ее конец, то есть обмотка U имеет два вывода U1 и U2, обмотка V–V1 и V2, а обмотка W – W1 и W2.
Однако еще до сих пор в эксплуатации находятся асинхронные двигатели, сделанные во времена СССР и имеющие старую систему маркировки. В них начала обмоток обозначаются C1, C2, C3, о концы C4, C5, C6. Значит, первая обмотка имеет выводы C1 и C4, вторая C2 и C5, а третья C3 и C6. Соответствие старых и новых систем обозначений представлено на рисунке.
Рассмотрим, как могут соединяться обмотки в АДКЗ.
Соединение звездой
При таком соединении все концы обмоток объединяют в одной точке, а к их началам подключают фазы. На принципиальной схеме такой способ подключения действительно напоминает звезду, за что и получил название.
При соединении звездой к каждой обмотке в отдельности приложено фазной напряжение в 220 В, а к двум обмоткам, соединенных последовательно линейное напряжение 380 В. Главное преимущество такого способа подключения – это небольшие токи запуска, так как линейное напряжение приложено к двум обмоткам, а не к одной. Это позволяет двигателю «мягко» стартовать, но мощность его будет ограничена, так как протекающие токи в обмотках будут меньше, чем при другом способе подключения.
Соединение треугольником
При таком соединении обмотки объединяют в треугольник, когда начало одной обмотки соединяется с концом следующей – и так по кругу. Если линейное напряжение в трехфазной сети 380 В, то через обмотки будут протекать токи гораздо больших величин, чем при соединении звездой. Поэтому мощность электродвигателя будет выше.
При соединении треугольником в момент запуска АДКЗ потребляет большие пусковые токи, которые могут в 7-8 раз превышать номинальные и способны вызвать перегрузку сети, поэтому на практике инженеры нашли компромисс – запуск двигателя и его раскручивание до номинальных оборотов производится по схеме звезда, а затем происходит автоматическое переключение на треугольник.
Как определить, по какой схеме подключены обмотки двигателя?
Прежде чем подключать трехфазный двигатель к однофазной сети 220 В, необходимо выяснить по какой схеме подключены обмотки и при каком рабочем напряжении может работать АДКЗ. Для этого необходимо изучить табличку с техническими характеристиками – «шильдик», который должен быть на каждом двигателе.
На такой табличке — «шильдике», можно узнать много полезной информации
На табличке имеется вся необходимая информация, которая поможет подключить двигатель к однофазной сети. На представленном шильдике видно, что двигатель имеет мощность 0,25 кВт и количество оборотов 1370 об/мин, что говорит о наличии двух пар полюсов обмоток. Значок ∆/Y означает, что обмотки можно соединить как треугольником, так и звездой, причем следующий показатель 220/380 В свидетельствует о том, что при соединении треугольником напряжение питающей сети должно быть 220 В, а при соединении звездой – 380 В. Если такой двигатель подключить в сеть 380 В треугольником, то обмотки его сгорят.
На следующем шильдике можно увидеть, что такой двигатель можно подключить только звездой и только в сеть 380 В. Скорее всего в клеммной коробке у такого АДКЗ будет только три вывода. Опытные электрики смогут подключить и такой двигатель к сети 220 В, но для этого надо будет вскрывать заднюю крышку, чтобы добраться до выводов обмоток, затем найти начало и конец каждой обмотки и произвести необходимую коммутацию. Задача сильно усложняется, поэтому авторы не рекомендуют подключать такие двигатели к сети 220 В, тем более что большинство современных АДКЗ могут подключаться по-разному.
На каждом двигателе есть клеммная коробка, расположенная чаще всего сверху. В этой коробке есть входы для питающих кабелей, а сверху она закрыта крышкой, которую необходимо снять при помощи отвертки.
Как говорят электрики и паталогоанатомы: «Вскрытие покажет»
Под крышкой можно увидеть шесть клемм, каждая из которых соответствует или началу, или концу обмотки. Помимо этого клеммы соединяются перемычками, и по их расположению можно определить, по какой схеме подключены обмотки.
Вскрытие клеммной коробки показало, что у «пациента» очевидная «звездная болезнь»
На фото «вскрытой» коробки видно, что провода, ведущие к обмоткам подписаны и перемычками соединены в одну точку концы всех обмоток – V2, U2, W2. Это свидетельствует о том, что имеет место соединение звездой. С первого взгляда может показаться, что концы обмоток расположены в логичном порядке V2, U2, W2, а начала «перепутаны» - W1, V1, U1. Однако, это сделано с определенной целью. Для этого рассмотрим клеммную коробку АДКЗ с подключенными обмотками по схеме треугольник.
На рисунке видно, что положение перемычек меняется – соединяются начала и концы обмоток, причем клеммы расположены так, что те же перемычки используются для перекоммутации. Тогда становится понятно почему «перепутаны» клеммы – так легче перебрасывать перемычки. На фотографии видно, что клеммы W2 и U1 соединены отрезком провода, но в базовой комплектации новых двигателей всегда присутствуют именно три перемычки.
Если после «вскрытия» клеммной коробки обнаруживается такая картина, как на фотографии, то это означает, что двигатель предназначен для звезды и трехфазной сети 380 В.
Такому двигателю лучше возвращаться в свою «родную стихию» — в цепи трехфазного переменного тока
Видео: Отличный фильм про трехфазные синхронные двигатели, который еще не успели раскрасить
Подключить трехфазный двигатель в однофазную сеть 220 В можно, но при этом надо быть готовым пожертвовать значительным снижением его мощности – в лучшем случае она составит 70% от паспортной, но для большинства целей это вполне приемлемо.
Основной проблемой подключения является создание вращающегося магнитного поля, которое наводит ЭДС в короткозамкнутом роторе. В трехфазных сетях реализовать это просто. При генерации трехфазной электроэнергии в обмотках статора наводится ЭДС из-за того, что внутри сердечника вращается намагниченный ротор, который приводится в движение энергией падающей воды на ГЭС или паровой турбиной на ГЭС и АЭС. Он создает вращающееся магнитное поле. В двигателях происходит обратное преобразование – изменяющееся магнитное поле приводит во вращение ротор.
В однофазных сетях получить вращающееся магнитное поле сложнее - надо прибегнуть к некоторым «хитростям». Для этого надо сдвинуть фазы в обмотках по отношению друг к другу. В идеальном случае нужно сделать так, что фазы будут сдвинуты по отношению друг к другу на 120°, но на практике это трудно реализовать, так как такие устройства имеют сложные схемы, стоят достаточно дорого и их изготовление и настройка требуют определенной квалификации. Поэтому в большинстве случаев применяют простые схемы, при этом несколько жертвуя мощностью.
Сдвиг фаз при помощи конденсаторов
Электрический конденсатор известен своим уникальным свойством не пропускать постоянный ток, но пропускать переменный. Зависимость токов, протекающих через конденсатор, от приложенного напряжения показана на графике.
Ток в конденсаторе всегда будет «лидировать» на четверть периода
Как только к конденсатору прикладывают возрастающее по синусоиде напряжение, он сразу «накидывается» на него и начинает заряжаться, так как изначально был разряжен. Ток в этот момент будет максимальным, но по мере заряда он будет уменьшаться и достигнет минимума в тот момент, когда напряжение достигнет своего пика.
Как только напряжение будет уменьшаться, конденсатор среагирует на это и будет начинать разряжаться, но ток при этом будет идти в обратном направлении, по мере разряда он будет увеличиваться (со знаком минус) до тех пор, пока уменьшается напряжение. К моменту, когда напряжение равно нулю ток достигает своего максимума.
Когда напряжение начинает расти со знаком минус, то идет перезаряд конденсатора и ток постепенно приближается от своего отрицательного максимума к нулю. По мере уменьшения отрицательного напряжения и стремлении его к нулю идет разряд конденсатора с увеличением тока через него. Далее, цикл повторяется заново.
Из графика видно, что за один период переменного синусоидального напряжения, конденсатор два раза заряжается и два раза разряжается. Ток, протекающий через конденсатор, опережает напряжение на четверть периода, то есть — 2* π/4= π/2=90° . Вот таким простым путем можно получить фазовый сдвиг в обмотках асинхронного двигателя. Сдвиг фаз в 90° не является идеальным в 120°, но вполне достаточен для того, чтобы на роторе появился необходимый вращательный момент.
Сдвиг фаз также можно получить, применив катушку индуктивности. В этом случае все произойдет наоборот – напряжение будет опережать ток на 90°. Но на практике применяют больше емкостной сдвиг фаз из-за более простой реализации и меньших потерь.
Схемы подключения трехфазных двигателей в однофазную сеть
Существует очень много вариантов подключения АДКЗ, но мы рассмотрим только наиболее часто используемые и наиболее просто реализуемые. Как было рассмотрено ранее, для сдвига фазы достаточно подключить параллельно какой-либо из обмоток конденсатор. Обозначение C р говорит о том, что это рабочий конденсатор.
Следует отметить, что соединение обмоток в треугольник предпочтительней, так как с такого АДКЗ можно «снять» полезной мощности больше, чем со звезды. Но существуют двигатели, предназначенные для работы в сетях с напряжением 127/220 В. О чем обязательно должна быть информация на шильдике.
Если читателям встретится такой двигатель, то - это можно считать удачей, так как его можно включать в сеть 220 В по схеме звезда, а это обеспечит и плавный пуск, и до 90% от паспортной номинальной мощности. Промышленностью выпускаются АДКЗ специально предназначенные для работы в сетях 220 В, которые могут называть конденсаторными двигателями.
Как двигатель не называй — он все равно асинхронный с короткозамкнутым ротором
Следует обратить внимание, что на шильдике указано рабочее напряжение 220 В и параметры рабочего конденсатора 90 мкФ (микрофарад, 1 мкФ=10 -6 Ф) и напряжение 250 В. Можно с уверенностью сказать, что этот двигатель фактически является трехфазным, но адаптированный для однофазного напряжения.
Для облегчения пуска мощных АДКЗ в сетях 220 В кроме рабочего применяют еще и пусковой конденсатор, который включается на непродолжительное время. После старта и набора номинальных оборотов пусковой конденсатор отключают, и вращение ротора поддерживает только рабочий конденсатор.
Пусковой конденсатор «дает пинка» при старте двигателя
Пусковой конденсатор – C п, подключают параллельно рабочему C р. Из электротехники известно, что при параллельном соединении емкости конденсаторов складываются. Для его «активации» применяют кнопочный выключатель SB, удерживаемый несколько секунд. Емкость пускового конденсатора обычно минимум в два с половиной раза выше, чем рабочего, причем сохранять заряд он может достаточно долго. При случайном прикосновении к его выводам можно получить довольно сильно ощутимый разряд через тело. Для того чтобы разрядить C п применяют резистор, подключенный параллельно. Тогда после отключения пускового конденсатора от сети, будет происходить его разряд через резистор. Его выбирают с достаточно большим сопротивлением 300 кОм-1 мОм и рассеиваемой мощностью не менее 2 Вт.
Расчет емкости рабочего и пускового конденсатора
Для уверенного запуска и устойчивой работы АДКЗ в сетях 220 В следует наиболее точно подобрать емкости рабочего и пускового конденсаторов. При недостаточной емкости C р на роторе будет создаваться недостаточный момент для подключения какой-либо механической нагрузки, а избыточная емкость может привести к протеканию слишком высоких токов, что в результате может привести к межвитковому замыканию обмоток, которое «лечится» только очень дорогостоящей перемоткой.
| Схема | Что рассчитывается | Формула | Что необходимо для расчетов |
|---|---|---|---|
 | Емкость рабочего конденсатора для подключения обмоток звездой – Cр, мкФ | Cр=2800*I/U; I=P/(√3*U*η*cosϕ); Cр=(2800/√3)*P/(U^2*n* cosϕ)=1616,6*P/(U^2*n* cosϕ) | Для всех: I – ток в амперах, A; U – напряжение в сети, В; P – мощность электродвигателя; η – КПД двигателя выраженное в величинах от 0 до 1 (если на шильдике двигателя оно указано в процентах, то этот показатель надо разделить на 100); cosϕ – коэффициент мощности (косинус угла между вектором напряжения и тока), он всегда указывается в паспорте и на шильдике. |
| Емкость пускового конденсатора для подключения обмоток звездой – Cп, мкФ | Cп=(2-3)*Cр≈2,5*Cр | ||
 | Емкость рабочего конденсатора для подключения обмоток треугольником – Cр, мкФ | Cр=4800*I/U; I=P/(√3*U*η*cosϕ); Cр=(4800/√3)*P/(U^2*n* cosϕ)=2771,3*P/(U^2*n* cosϕ) | |
| Емкость пускового конденсатора для подключения обмоток треугольником – Cп, мкФ | Cп=(2-3)*Cр≈2,5*Cр |
Приведенных формул в таблице вполне достаточно для того, чтобы рассчитать необходимую емкость конденсаторов. В паспортах и на шильдиках может указываться КПД или рабочий ток. В зависимости от этого можно вычислить необходимые параметры. В любом случае тех данных будет достаточно. Для удобства наших читателей, можно воспользоваться калькулятором, который быстро рассчитает необходимую рабочую и пусковую емкость.
Содержание:Конструкция трехфазного электродвигателя представляет собой электрическую машину, для нормальной работы которой необходимы трехфазные сети переменного тока. Основными частями такого устройства являются статор и ротор. Статор оборудован тремя обмотками, сдвинутыми между собой на 120 градусов. Когда в обмотках появляется трехфазное напряжение, на их полюсах происходит образование магнит ных потоков. За счет этих потоков, ротор двигателя начинает вращаться.
В промышленном производстве и в быту практикуется широкое применение трехфазных асинхронных двигателей. Они могут быть односкоростными, когда производится соединение звездой и треугольником обмоток электродвигателя или многоскоростными, с возможностью переключения с одной схемы на другую.
Соединение обмоток звездой и треугольником
У всех трехфазных электродвигателей обмотки соединяются по схеме звезды или треугольника.
При подключении обмоток по схема звезда, их концы соединяются в одной точке в нулевом узле. Поэтому, получается еще один дополнительный нулевой вывод. Другие концы обмоток соединяются с фазами сети 380 В.
Соединение треугольником заключается в последовательном соединении обмоток. Конец первой обмотки соединяется с начальным концом второй обмотки и так далее. В конечном итоге, конец третьей обмотки, соединится с началом первой обмотки. Подача трехфазного напряжения осуществляется в каждый узел соединения. Подключение по схеме треугольник отличается отсутствием нулевого провода.
Оба вида соединений получили примерно одинаковое распространение и не имеют между собой значительных отличительных особенностей.
Существует и комбинированное подключение, когда используются оба варианта. Такой способ применяется достаточно часто, его целью является плавный запуск электродвигателя, которого не всегда можно добиться при обычных подключениях. В момент непосредственного пуска, обмотки находятся в положении звезда. Далее, используется реле, которое обеспечивает переключение в положение треугольника. За счет этого происходит уменьшение пускового тока. Комбинированная схема, чаще всего, применяется во время пуска электродвигателей, обладающих большой мощностью. Для таких двигателей требуется и значительно больший пусковой ток, превышающий номинальное значение примерно в семь раз.
Электродвигатели могут подключаться и другими способами, когда применяется двойная или тройная звезда. Такие подключения используются для двигателей с двумя и более регулируемыми скоростями.
Запуск трехфазного электродвигателя с переключением со звезды на треугольник
Данный способ применяется для того, чтобы снизить пусковой ток, который может примерно в 5-7 раз превышать номинальный ток электродвигателя. Агрегаты со слишком большой мощностью имеют такой пусковой ток, при котором легко перегорают предохранители, отключаются автоматы и, целом, значительно понижается напряжение. При таком уменьшении напряжения снижается накаливание ламп, происходит снижение вращающего момента других электродвигателей, самопроизвольно отключаются и контакторы. Поэтому, применяются разные способы, с целью уменьшения пускового тока.
Общим для всех способов является необходимость снижения напряжения в обмотках статора на время непосредственного пуска. Чтобы уменьшить пусковой ток, цепь статора на время пуска может дополняться дросселем, реостатом или автоматическим трансформатором.
Наибольшее распространение получило переключение обмотки из звезды в положение треугольника. В положении звезды напряжение становится в 1,73 раза меньше, чем номинальное, поэтому и ток будет меньше, чем при полном напряжении. Во время пуска частота вращения электродвигателя увеличивается, происходит снижение тока и обмотки переключаются в положение треугольника.
Такое переключение допускается в электродвигателях, имеющих облегченный режим пуска, так как происходит снижение пускового момента, примерно в два раза. Данным способом переключаются те двигатели, которые конструктивно могут соединяться в треугольник. У них должны быть обмотки, способные работать при .
Когда нужно переключаться с треугольника в звезду
Когда необходимо выполнить соединение звездой и треугольником обмоток электродвигателя, следует помнить о возможности переключения с одного вида на другой. Основным вариантом является схема переключения звезда треугольник. Однако, при необходимости, возможен и обратный вариант.
Всем известно, что у электродвигателей, загруженных не полностью, происходит снижение коэффициента мощности. Поэтому, такие двигатели желательно заменять устройствами с меньшей мощностью. Однако, при невозможности замены и большом запасе мощности, производится переключение треугольник-звезда. Ток в цепи статора не должен превышать номинала, иначе произойдет перегрев электродвигателя.
Содержание:
Асинхронные электродвигатели зарекомендовали себя в работе такими показателями, как надежность в эксплуатации, возможность получения большой мощности крутящего момента, отличной производительностью. Важным показателем работы этих двигателей является способность переключений на соединение «звездой» и «треугольником» - а это стабильность при эксплуатации. Каждое соединение имеет свои достоинства, которые необходимо понимать при правильном применении асинхронных электродвигателей.
Оптимальный выбор подключения электродвигателя
Преобразование «звезды» в «треугольник» в асинхронном электродвигателе, а также способность к ремонту обмоток электродвигателя, и сравнительно с другими двигателями невысокая стоимость в совокупности со стойкостью к механическим воздействиям сделали этот вид двигателей наиболее популярными. Основным параметром, который характеризует достоинство асинхронных двигателей, является простота в конструкции. При всех достоинствах этого типа электрических двигателей он имеет и отрицательные моменты при эксплуатации.
На практике трехфазные асинхронные электродвигатели к сети могут присоединяться по схеме «звезда» и «треугольник». Подключение «звездой» - это когда концы статорной обмотки обираются в одну точку, и напряжение сети 380 вольт подается на начало каждой из обмоток, схематично этот вид соединения обозначается знаком (Y).
Если в коммутирующей коробке подключения электродвигателя выбирается вариант «треугольник», надо статорные обмотки соединить последовательно:
- конец первой обмотки - с началом второй;
- подсоединение конца «второй» - с началом третьей;
- конец третьей - с началом первой.
Схемы подключения электродвигателя
Специалисты, не вдаваясь в основы электротехники, приводят тот факт, что подключенные по схеме «звезда» электродвигатели работают мягче, чем включенные по схеме треугольник (Δ). Это хорошая схема для небольшой мощности двигателей. Они также акцентируют внимание на том факте, что при мягкой работе, когда используется схема «звезда» (Y), электродвигатель не набирает паспортной мощности.
Выбирая оптимальный вариант подключения электродвигателя, следует рассмотреть тот факт, что соединение треугольником (Δ) дает возможность двигателю набирать максимальную мощность, но значение пускового тока значительно возрастает.
Сравнивая показатели мощности, это основное различие соединений «звезда» и «треугольник» (Y, Δ), эксперты отмечают, что электродвигатели, имеющие соединение «звездой» (Y), обладают мощностью в 1,5 раза ниже, чем соединенные «треугольником» (Δ).
Для снижения параметров тока в момент пуска в отличающихся схемах включения (Δ) – (Y) рекомендуется использовать подключение двигателя «звездой и треугольником», комбинированную схему включения. Комбинированный, или его еще называют смешанный, вид подключения рекомендуется выполнять для электрических моторов с большой паспортной мощностью.
Когда включается схема соединения «звезда» (Y) и (Δ), с начала запуска работает соединение «звезда» (Y), после набора электродвигателем достаточных оборотов происходит переключение на соединение «треугольник» (Δ). Существуют устройства автоматического переключения соединений электродвигателя. Рассмотрим, чем отличаются схемы пуска электромоторов и в чем между ними разница.
Как управлять переключениями электродвигателя
Часто для пуска электрического двигателя большой мощности используется переключение соединения «треугольник» в «звезду», это необходимо для снижения параметров тока при пуске. Иными словами, пуск двигателя происходит в режиме «звезда», а вся работа осуществляется на соединении «треугольник». Для этой цели используется контактор на три фазы.
Необходимо при автоматическом переключении выполнить обязательные условия:
- сделать блокировку контактов от одновременного срабатывания;
- обязательное исполнение работы, с задержкой времени.
Задержка времени необходима для 100%-го отключения соединения «звезда», иначе при включении соединения «треугольник» возникнет между фазами КЗ. Используется реле времени (РВ), которое выполняет задержку переключения на интервал от 50 до 100 миллисекунд.
Какими способами можно сделать задержку времени переключений
Когда применяется схема «звезда и треугольник», надо обязательно выполнять задержку времени включения соединения (Δ), пока не отключится соединение (Y), специалистами отдается предпочтение трем методам:
- с помощью контакта нормально разомкнутого в реле времени, который проводит блокировку схемы «треугольник», когда происходит пуск электродвигателя, а момент переключения контролирует токовое реле (РТ);
- используя таймер в реле времени современного исполнения, который имеет способность переключать режимы с интервалом от 6 до 10 секунд.
- методом внешнего управления контакторами пускателя от автоматических блоков или ручное переключение.
Стандартная схема переключения
Классический вариант переключения со «звезды» на «треугольник» специалистами считается надежным способом, он не требует больших затрат, прост в исполнении, но, как и любой другой способ, имеет недостаток - это габаритные размеры РВ (реле времени). Этот тип РВ гарантированно выполняет задержку времени намагничиванием сердечника, а чтобы размагнитить его, требуется время.
Схема смешанного (комбинированного) включения работает следующим образом. Когда оператор включает трехфазный выключатель (АВ), пускатель электродвигателя приготовлен к действию. Через контакты кнопки «Стоп», нормально замкнутого положения и через нормально разомкнутые контакты кнопки «Пуск», которую нажимает оператор, электрический ток проходит в катушку контактора (КМ). Контакты (БКМ) обеспечивают самоподхват силовых контактов и удерживают их во включенном положении.
Реле в схеме (КМ) обеспечивает способность отключения оператором кнопкой «Стоп» электрический двигатель. Когда «фаза управления» проходит через пусковую кнопку, она также проходит замкнутые нормально расположенные контакты (БКМ1) и контакты (РВ) - запускается контактор (КМ2), силовые контакты его обеспечивают подачу напряжения на соединение (Y), начинается раскрутка ротора электродвигателя.
Когда оператор осуществляет пуск двигателя, контакты (БКМ2) в контакторе (КМ2) размыкаются, это порождает неработающее состояние силовых контактов (КМ1), которые обеспечивают питание соединения двигателя Δ.
Токовое реле (РТ) срабатывает практически сразу из-за высоких значений тока, которое включено в цепь токовых трансформаторов (ТТ1) и (ТТ2). Управляющая цепь катушки контактора (КМ2) шунтируется контактами токового реле (РТ), что не дает сработать (РВ).
В цепи контактора (КМ1) блок контактов (БКМ2) размыкается при запуске (КМ2), что не дает сработать катушке (КМ1).
С набором нужного параметра оборотов вращения ротора двигателя контакты токового реле размыкаются, так как пусковой ток уменьшается в управлении контактора (КМ2), одновременно с размыканием контактов, подающих напряжение на соединение обмотки (Y), БКМ2 соединяются, что приводит в рабочее положение контактор (КМ1), а в его цепи блок контактов БКМ2 размыкается, и, как следствие, обесточивается РВ. Преобразование включения «треугольника» в «звезду» происходит после остановки двигателя.
Важно! Временное реле отключается не сразу, а с задержкой, что дает некоторое время в цепи (КМ1) контактам реле быть замкнутым, этим обеспечивается пуск (КМ1) и работа двигателя по схеме «треугольник».
Недостатки стандартной схемы
Несмотря на надежность работы классической схемы переключения с одного соединения на другое соединение электрического двигателя большой мощности, она имеет свои неудобства:
- надо правильно делать расчет нагрузки на вал электродвигателя, иначе он будет долго набирать обороты, что не даст быстро сработать токовому реле и затем переключиться на работу по соединению Δ, а также в этом режиме крайне нежелательно долго эксплуатировать двигатель;
- во избежание перегрева обмоток двигателя специалисты рекомендуют включать в цепь тепловое реле;
- когда в классической схеме применяется современный вид РВ, надо соблюдать паспортные требования по нагрузке на вал;
Вывод
Важным условием при использовании схемы подключения «звезда-треугольник» является правильный расчет нагрузки на вал электродвигателя. Кроме этого нельзя отрицать тот факт, что когда отключается контактор одного соединения Y, а двигатель еще не набрал нужных оборотов, срабатывает фактор самоиндукции, и в сеть поступает повышенное напряжение, что может вывести из рабочего состояния другое рядом включенное оборудование и приборы.
Специалисты рекомендуют электрические двигатели, имеющие среднюю величину мощности, запускать по схеме Y, это дает мягкую работу и плавный пуск. Отличаются методики выбора включения и по имеющемуся напряжению на объекте, по нагрузке.
Для увеличения мощности передачи без увеличения напряжения сети, снижения пульсаций напряжения в блоках питания, для уменьшения числа проводов при подключении нагрузки к питанию, применяют различные схемы соединения обмоток источников питания и потребителей (звезда и треугольник).
Схемы
Обмотки генераторов и приемников при работе с 3-фазными сетями могут соединяться с помощью двух схем: звезды и треугольника. Такие схемы имеют между собой несколько отличий, различаются также нагрузкой по току. Поэтому, перед подключением электрических машин необходимо выяснить разницу в этих двух схемах — звезда и треугольник.
Схема звезды
Соединение различных обмоток по схеме звезды предполагает их подключение в одной точке, которая называется нулевой (нейтральной), и имеет обозначение на схемах «О», либо х, у, z. Нулевая точка может иметь соединение с нулевой точкой источника питания, но не во всех случаях такое соединение имеется. Если такое соединение есть, то такая система считается 4-проводной, а если нет такого соединения, то 3-проводной.
Схема треугольника
При такой схеме концы обмоток не объединяются в одну точку, а соединяются с другой обмоткой. То есть, получается схема, похожая по виду на треугольник, и соединение обмоток в ней идет последовательно друг с другом. Нужно отметить отличие от схемы звезды в том, что в схеме треугольника система бывает только 3-проводной, так как общая точка отсутствует.
В схеме треугольника при отключенной нагрузке и симметричной ЭДС равно 0.
Фазные и линейные величины
В 3-фазных сетях питания имеется два вида тока и напряжения – это фазные и линейные. Фазное напряжение – это его величина между концом и началом фазы приемника. Фазный ток протекает в одной фазе приемника.
При применении схемы звезды фазными напряжениями являются U a , U b, U c , а фазными токами являются I a , I b , I c . При применении схемы треугольника для обмоток нагрузки или генератора фазные напряжения — U aв, U bс, U cа , фазные токи – I ac , I bс, I cа .
Линейные значения напряжения измеряются между началами фаз или между линейных проводников. Линейный ток протекает в проводниках между источником питания и нагрузкой.
В случае схемы звезды линейные токи равны фазным, а линейные напряжения равны U ab , U bc, U ca . В схеме треугольника получается все наоборот – фазные и линейные напряжения равны, а линейные токи равны I a , I b , I c .
Большое значение уделяется направлению ЭДС напряжений и токов при анализе и расчете 3-фазных цепей, так как его направление влияет на соотношение между векторами на диаграмме.
Особенности схем
Между этими схемами есть существенная разница. Давайте разберемся, для чего в различных электроустановках используют разные схемы, и в чем их особенности.
Во время пуска электрического мотора ток запуска имеет повышенную величину, которая больше его номинального значения в несколько раз. Если это механизм с низкой мощностью, то защита может и не сработать. При включении мощного электромотора защита обязательно сработает, отключит питание, что обусловит на некоторое время падение напряжения и перегорание предохранителей, или отключение электрических автоматов. Электродвигатель будет работать с малой скоростью, которая меньше номинальной.
Видно, что имеется немало проблем, возникающих из-за большого пускового тока. Необходимо каким-либо образом снижать его величину.
Для этого можно применить некоторые методы:
- Подключить на запуск электродвигателя , дроссель, либо .
- Изменить вид соединения обмоток ротора электродвигателя.
В промышленности в основном применяют второй способ, так как он наиболее простой и дает высокую эффективность. Здесь работает принцип переключения обмоток электромотора на такие схемы, как звезда и треугольник. То есть, при запуске мотора его обмотки имеют соединение «звезда», после набора эксплуатационных оборотов, схема соединения изменяется на «треугольник». Этот процесс переключения в промышленных условиях научились автоматизировать.
В целесообразно применение сразу двух схем — звезда и треугольник. К нулевой точке необходимо подключить нейтраль источника питания, так как во время использования таких схем возникает повышенная вероятность перекоса фазных амплитуд. Нейтраль источника компенсирует эту асимметрию, которая возникает вследствие разных индуктивных сопротивлений обмоток статора.
Достоинства схем
Соединение по схеме звезды имеются важные преимущества:
- Плавный пуск электрического мотора.
- Позволяет функционировать электродвигателю с заявленной номинальной мощностью, соответствующей паспорту.
- Электродвигатель будет иметь нормальный рабочий режим при различных ситуациях: при высоких кратковременных перегрузках, при длительных незначительных перегрузках.
- При эксплуатации корпус электродвигателя не перегреется.
Основным достоинством схемы треугольника является получение от электродвигателя наибольшей возможной мощности работы. Целесообразно поддерживать режимы эксплуатации по паспорту двигателя. При исследовании электромоторов со схемой треугольника выяснилось, что его мощность повышается в 3 раза, по сравнению со схемой звезды.
При рассмотрении генераторов, схемы – звезда и треугольник по параметрам аналогичны при функционировании электродвигателей. Выходное напряжение генератора будет больше в схеме треугольника, чем в схеме звезды. Однако, при повышении напряжения снижается сила тока, так как по закону Ома эти параметры обратно пропорциональны друг другу.
Поэтому можно сделать вывод, что при разных соединениях концов обмоток генератора можно получить два разных номинала напряжения. В современных мощных электромоторах при запуске схемы – звезда и треугольник переключаются автоматически, так как это позволяет снизить нагрузку по току, возникающей при пуске мотора.
Процессы, происходящие при изменении схемы звезда и треугольник в разных случаях
Здесь, изменение схемы — имеется ввиду переключение на щитах и в клеммных коробках электрических устройств, при условии, что имеются выводы обмоток.
Обмотки генератора и трансформатора
При переходе со звезды в треугольник напряжение уменьшается с 380 до 220 вольт, мощность остается прежней, так как фазное напряжение не изменяется, хотя линейный ток увеличивается в 1,73 раза.
При обратном переключении возникают обратные явления: линейное напряжение увеличивается с 220 до 380 вольт, а фазные токи не изменяются, однако линейные токи снижаются в 1,73 раза. Поэтому можно сделать вывод, что если есть вывод всех концов обмоток, то вторичные обмотки трансформатора и генераторы можно применять на два типа напряжения, которые отличаются в 1,73 раза.
Лампы освещения
При переходе со звезды в треугольник лампы сгорят. Если переключение сделать обратное, при условии, что лампы при треугольнике горели нормально, то лампы будут гореть тусклым светом. Без нулевого провода лампы можно соединять звездой при условии, что их мощность одинакова, и распределяется равномерно между фазами. Такое подключение применяется в театральных люстрах.
Представляет собой полезное устройство, которое применяется во многих сферах деятельности человека, начиная от бытовой жизни, заканчивая промышленностью. В различных шлифовальных машинах, на конвейерах, станочных агрегатах, системах вентиляции промышленного типа и другое. Электродвигатель имеет 3 вывода , поэтому может быть выполнено соединение звезда и треугольник к трехфазной сети переменного тока или трансформатору.
Конструкция двигателя
Обмотки располагаются на статоре, а ротор выполнен короткозамкнутым в виде беличьего колеса: алюминиевые или медные кольца по торцам соединены между собой параллельными перемычками. Статор намотан специальным образом с определенным количеством полюсов, что зависит от параметров мощности и питающей сети. Бытовые вентиляторы имеют всего 2 полюса, промышленные тяговые электродвигатели по 8 и более.
Преимущества использования асинхронных электродвигателей со схемой включения звезда или треугольник очевидны и заключаются в следующем:
Способы подключения к сети
Сейчас попытаемся разобраться, что такое звезда и треугольник, в чем разница между ними. Асинхронный 3-фазный электродвигатель имеет 3 обмотки, которые, соединены определенным образом. Они могут подключаться как к сети 380 В, так и к переменному напряжению 220 В. Поэтому двигатель можно считать универсальным, но его качество работы напрямую зависит от способа подключения к сети или отдельному питающему трансформатору.
Например, в режиме разгона, когда тот подключается последовательно в цепь двигателя для снижения пускового напряжения. По такому принципу действует частотный преобразователь, регулируя начальный момент посредством изменения частоты, не допуская превышение потребления мощности более, чем на 10-20%. В обычном режиме запуска асинхронный двигатель потребляет до 600% от номинала, что может стать причиной автоматического выключения вводных автоматов.
Обычно при открытии клеммной коробки на моторе можно увидеть 3 вывода и дополнительную скрутку. Это говорит о типе подключения обмоток, которым в этом случае является звезда. Раскрутив общее соединение, вы получите 6 выводов, являющиеся концами и началами каждой из 3-х обмоток. Поэтому появляется возможность выполнить подключение по схеме треугольника.
Иногда в зависимости от способа управления и алгоритма образования управляющего напряжения в приводе требуется переключение со звезды на треугольник. И делать это можно в автоматическом режиме, например, при разгоне, чтобы электродвигатель сразу обеспечивал высокий крутящий момент. Это чаще всего используется в частотных системах управления, где требуется более жестко регулировать динамику двигателя и контролировать скорость вращения.
Когда и какую схему лучше использовать, зависит от требований, но каждый из способов имеет свои особенности. Например, они заключаются в развиваемой и потребляемой мощности, разнице линейных и фазных напряжений, а, соответственно, динамических и электрических показателях.
Основные формулы
Перед тем, как ознакомиться с особенностями, как соединить электродвигатель звезда-треугольник, стоит вспомнить основные формулы расчета мощности и соотношения напряжений и токов между ними. При расчете устройств с питанием от сети переменного напряжения или отдельного трансформатора используют понятие полная мощность. Она обозначается большой буквой S и находится как произведение действующего значения напряжения и тока U × I . Также, есть возможность расчета, исходя из ЭДС, при котором S = E × I .
Кроме полной, также различают:
- активную;
- реактивную мощность.
В первом случае она обозначается буквой P = E × I × cos φ или P = U × I × cos φ . Во втором случае Q = E × I × sin φ или Q = U × I × sin φ . Где в формулах E – электродвижущая сила, I – ток, φ – угол между напряжением и током, создаваемым сдвигом фаз в обмотках.
Если обмотки двигателя одинаковы между собой по всем параметрам, то все виды мощностей определяются как произведение тока и напряжения, умноженного на 3.
Соединение двигателя в звезду
Наиболее часто используемым является именно соединение в звезду, потому что в таком режиме обеспечивается необходимая мощность и гарантируется хороший крутящий момент на валу. Но стоит понимать, что недогруженный двигатель в 3-фазной сети будет потреблять лишнюю мощность, поэтому лучше использовать менее мощный мотор или регулировать частоту питающего трансформатора или привода, в зависимости от источника напряжения.
А чтобы определить электрические параметры сети , необходимо использовать соотношение √3. Первоначально следует отметить, что при соединении в звезду линейные и фазные токи одинаковы, а напряжение определяется по формуле U = √3 × U ф. Найти из нее фазное напряжение несложно. Соответственно, мощности определяются с учетом этого соотношения:
S = √3 × U × I
Следует помнить, что если на трансформаторе кроме 3-х фаз имеется также и 4-ый вывод со средней точки, то он должен быть подключен к электродвигателю .
Особенности применения подключения в звезду
На предприятиях, да и во всех остальных сферах, основным типом соединения 3-фазных двигателей является именно звезда, а питаются они от общей подстанции или отдельного трансформатора, обеспечивая, таким образом, гальваническую развязку. Схема включения его обмоток особо не влияет на работу двигателя. Если они соединены в треугольник
, то напряжение на выходе составит в 1.73 раза меньше и подключив двигатель к его обмоткам по схеме треугольника можно добиться примерного того же момента, что и в обычном режиме.
Фазные токи при соединении по схеме в звезду равны, а напряжение, подводимое к каждой из обмоток, в 1.73 раза меньше. Двигатель набирает свой момент за более длительное время, но при этом не перегревается. В таком режиме используются моторы на вентиляторах, помпах, шнеках и прочих агрегатах. Но, если необходимо увеличить момент и тяговую способность, то его кратковременно переключают в треугольник.
В таком случае к обмоткам подводится полное напряжение сети, а, следовательно, и увеличенный ток, что приводит к выделению дополнительной мощности на валу и нагреву мотора. Режим переключения на треугольник применяют для ускоренного запуска двигателя, а потому возвращают схему соединения в исходное состояние. Длительная работа в таком режиме приведет к скорому выходу из строя.