Соединение обмоток трехфазного двигателя. Основные сведения о трехфазном токе. Соединение звездой и треугольником

Асинхронный двигатель питается от трехфазной сети переменного тока. Для работы может использоваться соединение треугольником и звездой. Для того чтобы все смогло стабильно работать, необходимо применять созданные для этого специальные перемычки, будь то соединение звездой или треугольником. Это наиболее удобные варианты для соединения и, соответственно, имеющие высокую степень надежности.

Отличия соединений

Для начала следует выяснить, в чем разница звезды и треугольника. Если подойти к подобному вопросу с точки зрения электротехники, то первый вариант дает возможность двигателю работать более плавно и мягко. Но есть один момент : двигатель не сможет выйти на полную мощность, которая представлена в характеристиках технического плана.

Соединение треугольником дает возможность двигателю в скором времени достичь максимальной мощности. Следовательно, на полную мощность применяется КПД устройства. Однако, есть серьезный недостаток, который заключается в больших пусковых токах.

Борьба с такими явлениями, как высокие показатели пусковых токов, состоит в подключении к схеме реостата пуска. Это дает возможность осуществить гораздо более плавный пуск двигателя и улучшить его рабочие характеристики.

Подключение звездой

Соединение звездой заключается в том, что концы всех 3 обмоток воссоединяются в общую точку под названием нейтраль. Если в наличии имеется нейтральный провод, то такая схема считается четырехпроводной, при его отсутствии - она трехпроводная.

Начало у выводов закрепляется к определенным фазам сети питания. Напряжение, которое приложено к этим фазам, равняется 380 вольтам или 660 вольтам. К основным плюсам такой схемы следует отнести:

Безостановочная работа двигателя на протяжении длительного времени и с устойчивостью.
Благодаря понижению мощности оборудования повышаются надежность и время эксплуатации для схемы звезда.
Пуск привода электрического типа благодаря такому соединению обладает повышенной плавностью.
Есть возможность для влияния на параметры кратковременной перегрузкой.
При работе корпус у оборудования не станет доступен для перегрева.

Имеется оборудование с соединением обмоток внутри. Поскольку на колодку подобного оборудования ставят только три вывода, то прочие методы соединения не могут быть применимы. Такое исполнение не требует наличия квалифицированных специалистов.

Схема треугольником

Вместо схемы звезда можно использовать соединение треугольником, суть которого в соединении концов и начал обмоток последовательным образом. Конец у обмотки фазы С замыкает цепь и создает целый контур. За счет такой формы получающаяся схема будет более эргономичной.

На каждой из обмоток имеется линейное напряжение 220 или 380 вольт. Из основных достоинств схемы имеются :

Мощность электрических двигателей достигает наивысшего значения.
Применение соответствующего реостата для более плавного пуска.
Значительно увеличенный момент вращения.
Высокие показатели тяговых усилий.

Применяют треугольник в таких механизмах, где требуются весомые пусковые нагрузки и энергия для мощных механизмов. Значительный момент вращения достигается ростом показателей ЭДС самоиндукции. Вызвано такое явление большими токами протекания.

Комбинация из звезды и треугольника

Если конструкция сложного типа, то используют комбинированный метод звезды и треугольника. Использование подобного способа ведет к тому, что сильно возрастает мощность. Но в случае, когда двигатель не может подойти по техническим характеристикам, все будет перегреваться и сгорит.

Чтобы снизить линейное напряжение в обмотках статора, следует применить схему звезда. После снижения протекающего тока начнется увеличение частоты. Схема релейно-контактного типа помогает переключить треугольник на звезду.

Именно эта комбинация выдает наибольшую надежность и значительную продуктивность применяемого оборудования без опасений в плане выхода из строя. Эта схема эффективна для двигателей, где задействована облегченная схема пуска. Но при понижении пускового тока и неизменном моменте ее применять не стоит. Альтернативой служит фазный ротор с реостатом для пуска.

Ток во время пуска двигателя в 7 раз превосходит рабочий ток. Мощность в полтора раза выше при соединении треугольником, пуск с высокой плавностью при этом получается с помощью проводов частотного типа.

Метод воссоединения звездой требует учета того момента, что нужно исправлять перекосы фаз, иначе есть риск выхода оборудования из строя.

Линейные и фазные напряжения при треугольнике равняются между собой. Если требуется включить двигатель в бытовую сеть, то нужен фазосдвигающего вида конденсатор. Таким образом, использование схемы треугольником или звездой зависит от конструкции двигателя и требований бытовой сети. Потому следует внимательно смотреть на показатели двигателя и необходимые параметры, которые требуется увеличить для более эффективной работы конструкции.

Сегодня асинхронные электромоторы пользуются популярностью благодаря надежности, отличной производительности и сравнительно невысокой стоимости. Двигатели этого типа обладают конструкцией, способной выдерживать сильные механические нагрузки. Чтобы пуск агрегата прошел успешно, его необходимо правильно подключить. Для этого используется соединения типа «звезда» и «треугольник», а также их комбинация.

Виды соединений

Конструкция электромотора достаточно проста и состоит из двух главных элементов - неподвижного статора и расположенного внутри, вращающегося ротора . Каждая из этих частей имеет собственные обмотки, проводящие ток. Статорная уложена в специальные пазы при обязательном соблюдении расстояния в 120 градусов.

Принцип работы двигателя прост - после включения пускателя и подачи напряжения на статор возникает магнитное поле, заставляющее ротор вращаться. Обе оконечности обмоток выводятся в распределительную коробку и располагаются в два ряда. Их выводы маркируются буквой «С» и получают цифровое обозначение в пределах от 1 до 6.

Чтобы их соединить, можно использовать один из трех способов:

«Звезда»;
«Треугольник»;
«Звезда-треугольник».

Однако комбинированную схему нельзя использовать, если необходимо уменьшить показатель пускового тока, но одновременно требуется большой крутящий момент. В таком случае следует применять электромотор с фазным ротором, оснащенный реостатом.

Если говорить о преимуществах сочетания двух методов подключения, то можно отметить два:

Благодаря плавному пуску увеличивается срок эксплуатации.
Можно создать два уровня мощности агрегата.

Сегодня наиболее широко применяются электромоторы, рассчитанные на работу в сетях на 220 и 380 вольт. Именно от этого и зависит выбор схемы подключения. Таким образом, «треугольник» рекомендуется использовать при напряжении в 220 В, а «звезду» - при 380 В.

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.

Основными способами подключения трехфазных электродвигателей являются звезда или треугольник. Это частные случаи, когда трехфазные нагрузки подключаются через автоматический выключатель. В большинстве случаев выполняется универсальное подключение двигателя - «звезда-треугольник». При этом, трехфазный электродвигатель может быть подключен и к обычной, электрической проводке.

Способы подключения: звезда и треугольник

Подключение двигателя поочередно двумя способами, то есть звездой и треугольником, выполняется простым переключением перемычек, установленных на колодке клемм между выводами обмоток.

Контакты обмоток двигателя связаны с контактами клеммной коробки. Эта электрическая связка, в свою очередь, с обмотками двигателя и фазами питания. В клеммной коробке установлены специальные перемычки, позволяющие производить переключение из положения «треугольник» в положение «звезда». Подача питания осуществляется на концы треугольника, которые образованы обмотками электродвигателя. При подключении «звездой», перемычка установлена в такое положение, что все три обмотки соединены в одной точке.

В «треугольнике», наоборот, каждая обмотка соединена с другой, соответствующей обмоткой. Поскольку нагрузка во всех обмотках является равнозначной, отпадает надобность в нейтральном проводе. В современных условиях в схеме подключения очень часто используются для того, чтобы переключать из режима «звезды» на треугольник. При этом, значительно смягчается пусковой режим электродвигателя. Однако, само подключение контактора совершенно не меняет общей схемы, просто между электродвигателем и автоматом появляется дополнительное силовое устройство, в которое входит сразу несколько контакторов.

Переключение из различных положений

Когда электродвигатель переключается из положения «треугольник» в положение «звезда», происходит снижение его мощности почти в три раза. Если переключение выполняется в обратном направлении, то мощность двигателя, наоборот, очень резко возрастает. При этом, следует помнить, что если электродвигатель не предназначен для работы в данных условиях, то он может просто сгореть.

Подключение двигателя - «звезда-треугольник» применяется для того, чтобы уменьшить пусковой ток, значение которого в несколько раз выше рабочего тока двигателя. У электродвигателей большой мощности значение пускового тока настолько велико, что его действие может вызвать серьезные последствия и привести к падению напряжения. Во время пускового процесса частота вращения электродвигателя возрастает и происходит уменьшение тока. После этого, обмотки переключаются в режим треугольника.

Переменный ток , рассмотренный ранее, называется однофазным. Трехфазным называется ток, представляющий собой совокупность трех однофазных токов, сдвинутых друг относительно друга по фазе.

Простейший генератор трехфазного тока отличается от генератора однофазного тока тем, что имеет три обмотки. При вращении либо этих обмоток в поле постоянного магнита (рис.164), либо самого магнита (рис.165) в обмотках возникают переменные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые друг относительно друга по фазе так, что сумма трех фазных углов составляет .

Если амплитуды ЭДС равны, а сдвиг фаз между двумя любыми смежными ЭДС равен , то трехфазная система называется симметричной. В этом случае на обмотках возникают

одинаковые по величине, но сдвинутые по фазе напряжения: , , .

Использование несвязанных между собой обмоток эквивалентно трем отдельным генераторам и требует для передачи электроэнергии потребителю три пары проводов.

Соединение обмоток между собой позволяет уменьшить количество проводов при передаче энергии и поэтому широко используется в технике.

При соединении обмоток звездой (рис.166) они имеют одну общую точку. Напряжение на каждой обмотке называется фазным. Проводник, соединенный с точкой общего потенциала, называется нулевым проводом. Проводники, соединенные со свободными концами обмоток, называются фазными проводами.

Фазные напряжения, в этом случае, это напряжения между фазными проводами и нулевым проводом. Напряжение между фазными проводами называется линейным. Ток, текущий через обмотки, называется фазным током, а ток текущий в линии, - током линии.

Из векторной диаграммы, при соединении звездой, следует, что . Кроме того при этом фазные токи равны токам в линии.

РИС.166 РИС.167 РИС.168 РИС.169 РИС.170

Если каждую обмотку замкнуть на одинаковую нагрузку R, то суммарная сила тока по нулевому проводу , так как из векторной диаграммы .

Соединение обмоток генератора звездой позволяет использовать при передаче энергии четыре провода вместо шести.

При соединении обмоток треугольником (рис.168) они образуют замкнутый контур с весьма малым сопротивлением. Линейный провод отходит от общих точек начала одной фазы и конца другой и, поэтому фазные напряжения равны линейным (рис.169).

Из векторной диаграммы токов (рис.170) следует, что

, На практике используется не только соединение обмоток генератора, но и соединение между собой нагрузок звездой или треугольником. Таких комбинаций возможного соединения генератора и нагрузок - четыре.

РИС.171 РИС.172 РИС.173 РИС.174

При соединении звезда - звезда (рис.171) на всех нагрузках разное напряжение, но если сопротивление нагрузок приблизительно равно, то ток по нулевому проводу практически равен нулю.

Тем не менее, нулевой провод нельзя убирать или ставить в него предохранители потому, что без него на каждую из пар нагрузок действует линейное напряжение, причем оно распределяется в соответствии с сопротивлением нагрузок. Получается, что напряжение, подаваемое на нагрузку, зависит от ее сопротивления, что неэффективно и опасно.

Если генератор и нагрузки соединены звезда - треугольник (рис.172), то на каждой нагрузке, независимо от ее сопротивления, одинаковое напряжение, равное линейному.

При соединении треугольник - треугольник (рис.173) на всех нагрузках фазное напряжение, независимо от их сопротивления.

Если генератор и нагрузки соединены треугольник - звезда (рис.174), то на каждой нагрузке напряжение равно .

Трехфазный ток используется для получения вращающегося магнитного поля. В этом случае трехфазный ток подводится к трем обмоткам, расположенным на неподвижной станине - статоре. Внутри статора помещен стальной барабан - ротор, вдоль образующих которого в пазах уложены провода, соединенные между собой на обоих торцах кольцами.

Обмотки статора создают магнитный поток одинаковой величины, но сдвинутый по фазе, т.е. он как бы вращается относительно ротора. В обмотках ротора возникают индукционные потоки, которые, в свою очередь, взаимодействуют с вращающимся магнитным потоком, что приводит ротор во вращение, т.е. получается электродвигатель достаточно простого устройства.

При увеличении скорости ротора уменьшается относительная скорость движения его проводников относительно магнитного поля . Если бы он достиг той же скорости вращения, что и магнитный поток статора, то индукционный ток равнялся бы нулю и, соответственно, вращающий момент стал бы равным нулю.

Следовательно, при наличии тормозного момента магнитный поток и ротор не могут вращаться с той же скоростью, что и поток статора (синхронно), - скорость вращения ротора всегда несколько меньше. Поэтому двигатели такого типа называются асихронными (несинхронными).

Трехфазная система, изобретенная русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в XIX, применяется во всем мире для передачи и распределения энергии. Доливо-Добровольский первым получил вращающееся магнитное поле с помощью трехфазного тока и построил первый асинхронный двигатель. Трехфазная система обеспечивает наиболее экономичную передачу энергии и позволяет создать надежные в работе и простые по устройству электродвигатели, генераторы и трансформаторы.

На практике, например, электрические лампы изготавливаются на номинальные напряжения 127 и 220В. Способ их включения в цепь трехфазного тока зависит от величины линейного напряжения трехфазной сети.

Лампы с номинальным напряжением 127 В включаются звездой с нейтральным проводом при линейном напряжении сети 220 В или треугольником при линейном напряжении сети 127 В.

Лампы с номинальным напряжением 220 В соответственно включаются звездой в сеть с линейным напряжением 380 В и треугольником в сеть с напряжением 220 В.

Обмотки трехфазных двигателей изготавливаются на номинальные фазные напряжения 127, 220 и 380 В. Каждый трехфазный двигатель может быть включен или звездой в трехфазную сеть с линейным напряжением, превышающим его фазное в раз, или треугольником, если линейное напряжение сети равно фазному напряжению его обмотки. Обычно на паспорте двигателя указано, например: треугольник -220В, звезда - 380В.

Линейные цепи. Правила Кирхгофа. Методы анализа линейных цепей. Переходные процессы в цепи с конденсатором.

Элемент электрической цепи называется линейным, если его параметры не зависят от напряжения и силы тока, т.е. вольт-амперная характеристика прямая.

Электрическая цепь называется линейной если она состоит из линейных элементов.

Применение закона Ома для расчета сложных разветвленных цепей, содержащих несколько источников довольно сложно. Для расчетов таких цепей используют два правила немецкого физика Г. Кирхгофа , первое из которых вытекает из закона сохранения заряда, а второе является обобщением закона Ома на произвольное число источников сторонних ЭДС в изолированном замкнутом контуре.

Для того чтобы использовать правила Кирхгофа необходимо ввести несколько понятий.

Электрическая схема - графическое изображение электрической цепи.

Ветвь электрической цепи - один или несколько последовательно соединенных элементов цепи, по которым течет один и тот же ток.

Узел - соединение трех или большего количества ветвей. Ток, входящий в узел, считается положительным, а ток, выходящий из узла, - отрицательным.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:

Например, для узла на рис.64 I 1 -I 2 +I 3 -I 4 -I 5 =0

Контур - любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям. Положительное направление обхода контура выбирается произвольно, но одно и то же для всех контуров электрической цепи. Токи совпадающие по направлению с направлением обхода контура, считаются положительными, не совпадающие с направлением обхода - отрицательными. ЭДС считаются положительными, если они создают ток, направленный в сторону обхода контура.

Рассмотрим цепь, содержащую три источника (рис.65). Пусть R 1 , R 2 , R 3 общие сопротивления ветвей АВ, ВС, СА соответственно. Положительное направление обхода примем по часовой стрелке. Применим к каждой ветви закон Ома для неоднородного участка цепи.

Сложив почленно эти уравнения, получим

Второе правило Кирхгофа : в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме ЭДС, встречающихся в этом контуре:

При расчете сложных цепей постоянного тока с применением правил Кирхгофа необходимо:

1. Выбрать произвольное направление токов на всех участках цепи; действительное направление токов выяснится при решении: если искомый ток получится положительным, то его направление было выбрано правильно, а если отрицательным, то его истинное направление противоположно выбранному;

2. Выбрать направление обхода контуров и строго его придерживаться; записывая со соответствующими знаками токи и ЭДС;

3. Составить количество уравнений равное количеству искомых величин (в систему уравнений должны входить все сопротивления и ЭДС рассматриваемой цепи).