Электродвигатель асинхронный: схемы звезда треугольник

Схемы подключения

Кто немного не в курсе, как подключаются к трехфазной сети асинхронные электродвигатели – настоятельно рекомендую ознакомиться с моей статьёй Подключение двигателя через магнитный контактор. Я предполагаю, что читатель знает, как включается электродвигатель, зачем и какая нужна защита двигателя, поэтому в этой статье я эти вопросы опускаю.

В теории всё просто, а на практике приходится поломать голову.

Очевидно, что включение обмоток двигателя Даландера можно реализовать двумя путями – через переключатель и через контакторы.

Переключение скоростей с помощью переключателя

Рассмотрим сначала схему попроще – через переключатель типа ПКП-25-2. Тем более, что только такие принципиальные схемы мне и встречались.

Переключатель должен иметь три положения, одно из которых (среднее) соответствует выключенному двигателю. Про устройство переключателя – чуть позже.

Подключение двухскоростного двигателя. Схема на переключателе ПКП.

Крестиками на пунктирах положения переключателя SA1 отмечены замкнутые состояния контактов. То есть, в положении 1 питание от L1, L2, L3 подается на треугольник (выводы U1, V1, W1). Выводы U2, V2, W2 остаются не подключенными. Двигатель вращается на первой, пониженной скорости.

При переключении SA1 в положение 2 выводы U1, V1, W1 замыкаются друг с другом, а питание подается на U2, V2, W2.

Переключение скоростей с помощью контакторов

Схема включения двигателя на разных скоростях на контакторах

Здесь на первую скорость двигатель включает контактор КМ1, на вторую – КМ2. Очевидно, что физически КМ2 должен состоять из двух контакторов, поскольку необходимо замыкание сразу пяти силовых контактов.

Схемы соединений обмоток треугольник и звезда для чайников

Наиболее распространенный вопрос у начинающих изучения устройства трансформаторов или иных электротехнических устройств это «Что такое звезда и треугольник?». Чем же они отличаются и как устроены, попробуем разъяснить в нашей статье. 

Рассмотрим схемы соединений обмоток на примере трехфазного трансформатора. В своем строении он имеет магнитопровод, состоящий из трёх стержней. На каждом стержне есть две обмотки – первичная и вторичная.

На первичную подается высокое напряжения, а со вторичной снимается низкое напряжение и идет к потребителю.

Обратите внимание

В условном обозначении схема соединений обозначается дробью (например, Y⁄∆ или Y/D или У/Д), значение числителя – соединение обмотки высшего напряжения (ВН), а значение знаменателя – низшего напряжения (НН).

Каждый стержень имеет как первичную обмотку так и вторичную (три первичных и три вторичных обмотки). У каждой обмотки есть начало и конец. Обмотки можно соединить между собой способом звезда или треугольник. Для наглядности обозначим вышеперечисленное схематически (рис. 1)

При соединении звездой, концы обмоток соединяются вместе, а из начал идут три фазы к потребителю. Из вывода соединений концов обмоток, выводят нейтральный провод N (он же нулевой). В итоге получается четырёх – проводная, трёхфазная система, которая часто встречается вдоль линий воздушных электропередач.(рис. 2)

Преимущества такой схемы соединения в том, что мы можем получить 2 вида напряжения: фазное (фаза+нейтраль) и линейное. В таком соединении линейное напряжение больше фазного в √3 раз. Зная, что фазное напряжение дает нам 220В, то умножив его на √3 = 1,73, получим примерно 380В – напряжение линейное.

Так же стоит отметить что только в соединении звезда имеется нейтральный провод, который является «уравнителем» нагрузки, чтобы напряжение не менялось и не скакало.

Рассмотрим теперь соединение обмоток треугольником. Если мы конец фазы А, соединим с началом фазы В, конец фазы В соединим с началом фазы С, а конец фазы С соединим с началом фазы А, то получим схему соединения обмотки треугольником. Т.е. в этой схеме обмотки соединены последовательно. (рис. 3)

Важно

В основном такая схема соединения применяется для симметричной нагрузки, где по фазам нагрузка не изменяется. В таком соединении фазное напряжение равно линейному, а вот электрический ток, наоборот, в такой схеме разный. Ток линейный больше фазного тока в √3 раз. Соединение обмотки треугольником обеспечивает баланс ампер-виток для тока нулевой 

последовательности. Простыми словами, схема соединения треугольником обеспечивает сбалансированное напряжение.

Подведем итоги.

Для базового определения схем соединения обмоток силовых трансформаторов, необходимо понимать, что разница между этими соединениями состоит в том, что в звезде все три обмотки соединены вместе одним концом каждой из обмоток в одной (нейтральной) точке, а в треугольнике обмотки соединены последовательно. Соединение звезда позволяет нам создавать два вида напряжения: линейное (380В) и фазное (220В), а в треугольнике только 380В.

Выбор схемы соединения обмоток зависит от ряда причин:

• Схемы питания трансформатора
• Мощности трансформатора
• Уровня напряжения
• Асимметрии нагрузки
• Экономических соображений

Так например, для сетей с напряжением 35 кВ и более выгодно соединить обмотку трансформатора схемой звезда, заземлив нулевую точку. В данном случае получится, что напряжение выводов трансформатора и проводов линии передачи относительно земли будет всегда в √3 раз меньше линейного, что приведёт к снижению стоимости изоляции.

На практике чаще всего встречаются следующие группы соединений: Y/Y, D/Y, Y/D.

Группа соединений обмоток Y/Y (звезда/звезда) чаще всего применяется в трансформаторах небольшой мощности, питающих симметричные трёхфазные электроприборы/электроприемники. Так же иногда применяется в схемах большой мощности, когда требуется заземление нейтральной точки.

Группа соединения обмоток D/Y (треугольник/звезда) применяется, в основном в понижающих трансформаторах больших мощностей. Чаще всего трансформаторы с таким соединением работают в составе систем питания токораспределительных сетей низкого напряжения. Как правило, нейтральная точка звезды заземляется, для использования как линейного, так и фазного напряжений.

Группа соединений обмоток Y/D (звезда/треугольник) используется, в основном, в главных трансформаторах больших силовых станций и подстанций, не служащих для распределения.

Соединение «треугольником» и его преимущества

Принцип соединения «треугольник» заключается в последовательном соединении конца обмотки фазы А с началом обмотки фазы В. И дальше по аналогии – конец одной обмотки с началом другой. В итоге конец обмотки фазы С замыкает электрическую цепь, создавая неразрывный контур. Данную схему можно назвать было кругом, если бы не структура монтирования. Форму треугольника предает эргономичное размещение соединения обмоток.

При соединении «треугольником» на каждой из обмоток, присутствует линейное напряжение равное 220В или 380В.

Основные преимущества применения схемы «треугольник»:

• Увеличение до максимального значения мощности электрооборудования;
• Использование пускового реостата;
• Повышенный вращающийся момент;
• Большие тяговые усилия.

Недостатки:

• Повышенный ток пуска;
• При длительной работе двигатель сильно греется.

Метод соединения обмоток двигателя «треугольником» широко используется при работе с мощными механизмами и наличия высоких пусковых нагрузок. Большой вращающий момент создается за счет увеличения показателей ЭДС самоиндукции, вызванных протекающими большими токами.

Подключение трехфазного двигателя к однофазной сети по схеме треугольник

Обозначение линейных напряжений

На рисунке 2, е линейные напряжения обозначены не только как разность соответствующих фазных напряжений, но также и одной буквой с двумя индексами, в нашем примере U_ab (U_bc и U_ca). Порядок индексов непроизволен: он показывает, в каком направлении производилось вычитание.

Итак, мы из одного фазного напряжения вычли равное ему по величине, но получили не нуль, а величину, в 1,73 раза большую. Этот результат не является неожиданным, так как производилось не алгебраическое, а геометрическое вычитание.

Воспользуемся случаем, чтобы подчеркнуть еще одно важное обстоятельство, с которым в дальнейшем мы неоднократно столкнемся. Оно состоит в том, что при геометрическом вычитании одной величины из другой, равной ей по модулю1 в отличие от алгебраического вычитания можно получить не только нуль, но и любую величину в пределах от нуля до удвоенного значения

Сказанное здесь иллюстрируется на рисунке 3 несколькими примерами. Слева произведено вычитание векторов, совпадающих по фазе (сдвиг 0°), и, естественно, получен нуль. Правее вычитаются векторы, сдвинутые на 45°: разность равна 0,707 длины любого из них и так далее. И, наконец, на рисунке 3 справа – разность оказалась вдвое больше уменьшаемого.

Рисунок 3. Разность векторов зависит от величины угла между ними.

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.

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;

Подключение треугольником

Это более сложный тип подключения, поэтому стоит внимательно изучить то, что будет написано ниже. Но перед этим скажем, что в том случае если линейное напряжение в сети составляет 220 вольт, то именно в этом случае оптимальный вариант – провести соединение обмоток электродвигателя треугольником.

• Соединяются между собой U2 и V Понятно, что таким образом соединяются две обмотки двух разных фаз последовательно.
• Далее, соединяются V2 и W Опять соединяются последовательно две разные фазы.
• То же самое, но только с U1 и W

Обратите внимание, что все точки соединения, о которых было сказано выше, являются точками подключения к трехфазной сети. Покажем еще одну фотографию, где электродвигатель подключен треугольников с использованием металлических перемычек

Овчина

Овчина – шкура овцы любой породы, за исключением каракуля и смушки, снятая целиком и не лишенная меха. К сырью, служащему для изготовления мужских дубленок из овчины например, или моделей для девушек, можно отнести несколько видов материала. Это такие типы как: мерино, энтерфино, тоскано (каждый тип овчин подробно описывается ниже).

Мерино

имеет очень густую шерсть и самый маленький диаметр волоса, благодаря чему даже самые тонкие дубленки из этого вида сырья — теплые. Однако, в связи с небольшой толщиной шерсти, она больше подвержена выпадению и сломам, что делает ее не столь долговечной. Овчины «мерино» изготавливаются из шкур овец тонкорунных и полутонкорунных пород. Наименование сырья произошло от названия некоторых пород тонкорунных овец — «меринос».

Тонкорунные овцы — «меринос»

Энтерфино

имеет более толстый волос, однако он не такой густой, как у мерино. Изделия из этого типа овчин менее теплые, но более долговечные. Волос значительно меньше подвержен вытиранию, сломам и выпадению. Овчины «энтерфино» изготавливаются из шкур овец полугрубошерстных и грубошерстных пород.

Следует добавить, что в разных странах овчины выделывают по-разному. Одни более теплые, но, соответственно, и более тяжелые, другие — легкие, имеющие тонкую мездру, но, соответственно, и менее теплые, не выдерживающие низких температур. В одних странах овчины берут ценой, в других — технологиями обработки, а в третьих — непревзойденным качеством сырья. Основными производителями овчин для любых видов дубленок являются такие страны: Россия, Франция, Германия, Австралия, Великобритания, Чехия, Турция, США, Болгария, Греция. Наиболее теплые овчины производятся в Турции и России, самые качественные — в странах Европы, США славится лучшими технологиями обработки, а Испания — наиболее тонкими шкурами, пригодными для создания модельных вещей. Более подробно о видах и свойствах овчин можно прочитать на нашем сайте.

Практическая реализация схемы подключения двухскоростного электродвигателя

На практике мне попадались только схемы на переключателях ПКП-25-2. Это универсальное чудо советской коммутации, у которого может быть миллион возможных сочетаний контактов. Внутри есть кулачок (их тоже несколько вариантов по форме), который можно переставлять.

Это реальная головоломка и ребус, требующий высокой концентрации сознания. Хорошо, что каждый контакт просматривается в небольшую щёлку, и можно посмотреть, когда он замкнут или разомкнут. Кроме того, через эти прорези в корпусе можно чистить контакты.

Количество положений может быть несколько, их количество ограничивается упорами, показанными на фото:

Переключатель пакетный ПКП-25-2

Переключатель ПКП 25. Головоломка на любителя.

Переключатель пакетный ПКП-25-2 – контакты

Подключение звезда и треугольник — в чем разница

Для работы электрического прибора, двигателя, трансформатора в трехфазной сети необходимо соединить обмотки по определенной схеме. Наиболее распространенными схемами соединения являются треугольник и звезда, хотя могут применяться и другие способы соединения.

Что представляет собой соединение обмоток звездой?

Трехфазный двигатель или трансформатор имеет 3 рабочих, независимых друг от друга обмоток. Каждая обмотка имеет два вывода — начало и конец. Соединение «звезда» подразумевает собой, что все концы трех обмоток соединяются в один узел, часто называемый нулевой точкой.

Отсюда выходит и понятие — нулевая точка.

Начало каждой обмотки соединяются непосредственна с фазами питающей сети. Соответственно начало каждой обмотки соединяется с одной из фаз А, В, С.

Между любыми двумя началами обмоток прилаживается фазное напряжение питающей сети, зачастую 380 или 660 В.

Что представляет собой соединение обмоток в треугольник?

Соединение обмоток в треугольник заключается в соединении конца каждой обмотки с началом следующей. Конец первой обмотки, соединяется с началом второй. Конец второй — с начало третей.

Конец третей обмотки создает электрический контур, поскольку замыкает электрическую цепь.

При таком соединении к каждой обмотки прилаживается линейное напряжение, обычно равное 220 или 380 В.

Такое соединение физически реализуется с помощью металлических перемычек, которые должны быть предусмотрены заводской комплектацией электрического оборудования.

Разница между соединением обмотки в треугольник и звезду

Основная разница заключается в том, что, используя одну питающую сеть, можно достигать разных параметров электрического напряжения и тока в приборе или аппарате. Конечно, данные способы соединения отличаются реализацией, но важна именно физическая составляющая отличия.

Наиболее часто применяется соединение обмоток в звезду, что объясняется щадящим режимом для электрического привода или трансформатора. При соединении обмоток в звезду, ток протекающий по обмоткам имеет меньшие значение нежели при соединении в треугольник. В тот момент, как напряжение больше на величину корня из 1,4.

Применение способа соединения треугольник, зачастую используется в случаях мощных механизмов и больших пусковых нагрузок.

Имея большие показатели тока, протекающего по обмотки, двигатель получает большие показатели ЕДС самоиндукции, что в свою очередь гарантирует больший вращающий момент.

Важно

Имея большие пусковые нагрузки и одновременно используя схему соединения звезда, можно нанести урон двигателю. Это связано с тем, что двигатель имеет меньшие значение тока, что приводит к меньшим показателям величины вращающегося момента.

Момент пуска такого двигателя и выход его на номинальные параметры может быть продолжительным, что может привести к тепловому воздействию тока, которые во время коммутации может превышать номиналы тока в 7-10 раз.

Преимущества соединения обмоток в звезду

Основные преимущества соединения обмоток в звезду заключаются в следующем:

• Понижения мощности оборудования с целью повышения надежности.
• Устойчивый режим работы.
• Для электрического привода такое соединение дает возможность плавного пуска.

Некоторое электрическое оборудование, которое не предназначены для работы на других способах соединения, имеет внутренне соединение концов обмоток. На клеммник выводится лишь три вывода, которые представляют собой начало обмоток. Такое оборудование легче в подключении и может монтироваться в отсутствии грамотных специалистов.

Основными преимуществами соединения обмоток в треугольник являются:

1. Повышения мощности оборудования.
2. Меньшие пусковые токи.
3. Большой вращающийся момент.
4. Увеличенные тяговые свойства.

Оборудование с возможностью переключения типа соединения со звезды на треугольник

Зачастую электрическое оборудование имеет возможность работать как на звезде, так и на треугольнике. Каждый пользователь должен самостоятельно определить необходимость соединения обмоток в звезду или треугольник.

В особо мощных и сложных механизмах, может применяться электрическая схема с комбинированием треугольника и звезды. В таком случае, в момент пуска, обмотки электрического двигателя соединяются в треугольник.

После выхода двигателя на номинальные показатели, с помощью релейно-контакторной схемы треугольник переключается на звезду.

Таким способом достигается максимальная надежность и продуктивность электрической машины, без риска нанести ей урон или вывести её из строя.

Посмотрите так-же интересное видео на эту тему:

Смещение нейтрали нагрузки

Рассмотренный выше рисунок 12 иллюстрирует аварийные случаи смещения нейтрали (заземление, короткое замыкание, обрыв фазы). Но нейтраль может смещаться и в нормальных режимах из–за неравномерности нагрузки фаз.

Рассмотрим несколько примеров.

Рисунок 13. Смещение нейтрали при различных видах нагрузки.

При однородной 4, но неравномерной нагрузке нейтраль из точки (рисунок 13, а) смещается в точку ’ причем направление смещения и его величина зависят от соотношения нагрузок фаз. Но так или иначе отрезок – ’ в определенном масштабе изображает напряжение между нейтралью трансформатора и нейтралью нагрузки. Именно это напряжение и создает ток в нулевом проводе, если соединены нейтрали:

а) нагрузки Н и вторичной обмотки трансформатора Т3 (смотрите рисунок 9, а); б) первичной обмотки повышающего трансформатора Т1 и генератора Г (смотрите рисунок 9, а).

Особенно значительно нейтраль нагрузки смещается при разнородной нагрузке, даже если по модулю (по абсолютной величине) нагрузки всех фаз равны. На рисунке 13, б, например, к фазам C и B присоединены лампы (активная нагрузка), а к фазе A – конденсатор С. Нейтраль при этом настолько сместится, что одна из ламп будет гореть тускло (50 В), а другая – ярко (190 В). Аналогична картина при замене конденсатора катушкой индуктивности L, но теперь ярко будет гореть другая лампа (рисунок 13, в). Объясняется это тем, что ток в конденсаторе опережает, а ток в индуктивности отстает от напряжения своей фазы.

Еще более разительное смещение нейтрали изображено на рисунке 13, г, где присоединены: к фазе A – конденсатор, к фазе B – индуктивность, к фазе C – активная нагрузка. Нейтральная точка нагрузки 0’ вышла за пределы треугольника, а напряжения на нагрузке 423 и 220 В во много раз превысили фазное напряжение 127 В.

Важное замечание. В рассмотренных на рисунке 13, б – г примерах речь шла о смещении нейтрали нагрузки, а вовсе не генератора или вторичной обмотки трансформатора

На конденсаторе, индуктивности и активном сопротивлении, соединенных в звезду (рисунки 13, б – г), напряжения действительно сильно изменились по сравнению с фазными. Но влияет ли это на работу других потребителей, присоединенных к этой же сети? Чтобы ответить на этот вопрос, обратимся к рисунку 13, д, предположив, что соединение, изображенное штриховой линией, отсутствует. Нетрудно видеть, что каждая группа потребителей (R – C – L, лампы Л, электродвигатель Д) имеет свою нейтраль. Три одинаковые лампы являются равномерной однородной нагрузкой, поэтому их нейтраль не смещена; следовательно, напряжения на лампах одинаковы и равны в нашем примере 127 В. То же можно сказать о напряжениях на обмотках двигателя.

Иное дело, если нейтрали потребителей соединены (штриховая линия). Тогда взаимное влияние нагрузок безусловно, но его степень определяется соотношением нагрузок. И ясно, что чем крупнее сеть и чем мощнее генераторы и трансформаторы, тем меньше на смещение нейтрали влияет каждый потребитель.

Разнородность нагрузки оказывает влияние на работу других потребителей лишь в том случае, если она относительно настолько велика, что может существенно нарушить магнитное равновесие трансформатора.

Видео 1. Перекос фаз

1 Вектор определяется как длиной, так и направлением. Длина вектора называется его модулем2 Строго говоря, напряжение разделится несколько иначе. Дело в том, что чем горячее нить лампы, тем больше ее сопротивление, и так как одна лампа горит с перекалом, а три с недокалом, то разница в их сопротивлениях будет еще значительнее.3 Напряжение между изолированной нейтралью трансформатора и землей равно нулю лишь в тех случаях, когда сеть не нагружена или если нагрузка всех фаз совершенно одинакова. При неравномерной нагрузке фаз происходит смещение нейтрали.4 Нагрузка всех фаз либо активная (лампы, печи), либо индуктивная, либо емкостная.5 Топографическая диаграмма представляет собой такую векторную диаграмму, в которой каждая точка диаграммы соответствует определенной точке цепи. Поэтому вектор, проведенный из начала координат в любую точку топографической диаграммы, выражает по величине и фазе потенциал соответствующей точки цепи, а отрезок, соединяющий две любые точки диаграммы – напряжение между соответствующими точками цепи.