Что такое "звезда" и "треугольник" в электродвигателе?
Понятия звезда и треугольник неразрывно связаны с системами трехфазного переменного тока, и начинающие электрики или люди далекие от эликтричества не понимают значения этих слов и практического различия этих параметров. Чтобы избежать путаницы нужно рассмотреть этот вопрос на примере трехфазного ассинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором как самого распространенного из эликтрических машин в быту и на производстве. Как правило у такого двигателя 3 обмотки, также встречаются многоскоростные двигатели и там количество обмоток больше трех, но кратное этому числу.
У каждой обмотки есть начало и конец, а на схеме начало обмотки обычно обозначается точкой. Но питающих провода в трехфазной сети у нас 3 или 4. Отсюда возникает вопрос: "Как правильно соединить шесть концов обмоток с тремя питающими проводами?". Вот здесь как раз и всплывают эти "геометрические фигуры" звезда и треугольник. Итак звезда и треугольник - это названия схем соединения потребителей в трехфазной электросети как обмоток электродвигателей, трансформаторов, так и любой другой нагрузки.
При соединение обмоток звездой к началам обмоток присоединяют питающие провода, а концы обмоток соединяют между собой в одну точку, при этом подключение нулевого проводника в точку соединения концов обмоток необязательно так как это симметричная нагрузка. В свою очередь, точка соединения концов обмоток также называется нейтралью.
Есть два представления этого соединения на электрических схемах, один в виде трехлучевой звезды, второй в более классическом для схем представлении.
По схеме треугольника начало следующей и конец предыдущей обмотки соединяются между собой, то есть конец первой обмотки соединяется с началом второй, конец второй обмотки соединяется с началом третьей, а конец третьей с началом первой обмотки, а питающие провода подключаются к точкам соединения обмоток. Итого у нас получается три точки соединения начал и концов обмоток и, соответственно, возможно подключение только трех питающих фазных проводов без нулевого.
На схеме такое соединение также может быть нарисовано по-разному наглядным и похожим на треугольник, или в горизонтальном или вертикальном исполнении.
Если необходимо подключить другую нагрузку, не относящуюся к трансформатарам и электроприводу, то понятия "начало" и "конец" там нет, поэтому провода подключаются произвольно, но с сохранением логики соединения этих схем.
Всем известно, что в электросети есть два напряжения: фазное - 220В и линейное - 380В. Здесь линейного больше фазного в 1,73 раза (корень квадратный из 3). Дело в том, что вторичная обмотка питающего трансформатора соединяется звездой и между фазой и нейтралью получаются те самые 220В, а между двумя разноименными фазами - 380В. Но это справедливо не только для питающей сети, но и при распределении напряжения между потребителями. Поэтому необходимо рассмотреть подробнее схему соединения обмоток звездой - как в ней распределяются токи и напряжения.
В звезде есть два напряжения - фазное (Uф) и линейное (Uл), и при этом они соотносятся следующим образом: Uл= 1,73*Uф. Токи также бывают фазными и линейными и в схеме звезды они равны Iл=Iф.
В "треугольнике" дела обстоят подобным образом, но здесь наоборот - линейное (Uл) и фазное (Uф) напряжения равны, но при этом линейный ток превышает фазный в 1,73 раза. Uл=Uф; Iл= 1,73*Iф.
При соединении обмоток звездой на каждую обмотку приходится напряжение в 1,73 раза меньше линейного в питающей сети, то есть для 380В - 220, для 220В - 127, для 660 - 380 вольт. Формулы мощности для цепей соединенной по схеме звезды и по схеме треугольника не отличаются:
Полная S = 3 * Sф = 3 * (Uл / V3) * I = V3 * Uл * I;
Активная P = V3 * Uл * I * cos ф;
Реактивная Q = V3 * Uл * I * sin ф;
Трехфазные асинхронные двигатели по способу подключения к электросети условно можно разделить на 2 больших группы: с возможностью изменения схемы соединения обмоток и без нее. В первом случае на клеммник брно на электродвигателе выведено 6 проводов, и вы можете в зависимости от напряжения в электросети, к которой подключаете выбрать нужную схему соединения обмоток. При этом обмотки соединяются в ту или иную схему с помощью медных шинок (или перемычек из провода) клеммы расположены таким образом, что с помощью всего трех перемычек может быть собрана нужная схема.
Производители зачастую оливают либо клеят этикетку с указанием положения перемычек для каждой из схем на крышке брно. Если же в брно выведено всего три 3 провода, то обмотки двигателя уже соединены по какой-то схеме внутри его корпуса, и для переключения звезды и треугольника необходимо вскрывать корпус, искать концы обмоток, разъединять их и соединять так, как вам нужно, что не является производственной необходимостью.
Возможность изменения схемы соединения обмоток нужна для того, чтобы один и тот же двигатель мог эксплуатироваться в электросетях с различным напряжением. На вопрос какую схему лучше выбрать, ответ последует, что лучше соединять обмотки в ту схему, номинальное напряжение которой соответствует напряжению в электросети. Эта информация указана на шильдике электродвигателя. Например если на шильдике двигателя указано "треугольник" - 220В, "звезда" - 380В, это означает, что если линейное напряжение в питающей сети 220В - нужно соединять обмотки треугольником, а если 380В - звездой. Если двигатель подключать к однофазной сети 220В с конденсаторами - обмотки также соединяются треугольником.
Если на шильдике указано только одно напряжение и значок схемы, то возможности изменить схему соединения нет, и в брно, скорее всего, выведено будет всего 3 провода. Встречаются и двигатели, которые в сети 380В работают, соединенными по схеме треугольника, схема звезды в этом случае рассчитана на работу в сети 660В. Но зачастую такие двигатели используются для пуска с переключением со звезды на треугольник, это делают для понижения пусковых токов. 660В это линейное напряжение в схеме звезды, а 380В это фазное напряжение, то есть каждая из обмоток такого двигателя рассчитана на 380В. Это наглядно показано на рисунке "Распределение токов и напряжений между элементами цепи схемах звезды и треугольника" приведенного в первой половине статьи.
В этом случае напряжение 380В подается сначала на обмотки соединенные по схеме звезды, так как номинальное напряжение для этой схемы 660В двигатель в момент пуска питается от пониженного напряжения и к каждой из обмоток прикладывается всего по 220В. Когда обороты двигателя возрастают, происходит переключение на треугольник. И уже к каждой обмотке прикладываются их номинальные 380В.
Формулы мощности трехфазной нагрузки:
Полная S = 3 * Sф = 3 * (Uл / V3) * I = V3 * Uл * I;
Активная P = V3 * Uл * I * cos ф;
Реактивная Q = V3 * Uл * I * sin ф;
Что будет если перепутать звезду и треугольник? Представим, что у нас есть сеть с каким-то определенным напряжением, пусть это булет 220/380 вольт, а также есть три лампы накаливания с номинальным напряжением 220В. И еще раз посмотрим на рисунок с распределением напряжений и токов в звезде и треугольнике. Так как линейное напряжение у нас 380В, а в звезде фазное в 1,73 раза ниже линейного, то делаем вывод, что для работы в номинальном режиме нужно подключить эти лампочки звездой, тогда к каждой из них будет приложено 220В.
Теперь соединим лампочки в треугольник и что получится? Первое что бросается в глаза к каждой лампе приложено напряжение 380В вместо 220В номинальных. Несложно догадаться, что в этом случае наши лампочки просто сгорят, тоже самое произойдет с обмоткой двигателя.
Что при этом происходит с мощностью? Если питающее напряжение и нагрузки неизменны, то при переключении со звезды на треугольник мощность, выделяемая на этой самой нагрузке, возврастет в 3 раза. Это происходит потому что напряжение на каждой лампе увеличилось в 1,73 раза, за ним настолько же вырос и ток. Формулы для вычесления мощности в обоих случаях одинаковые, но цифры в них различаются, давайте проведем расчет для примера. Допустим ток нагрузки в схеме звезды у нас был равен 1А, тогда полная мощность в звезде равна: Полная S = V3 * Uл * I; Полная S = 1,73 * 380В * 1А = 657,4 ВА. При этом мощность одной лампы в этом случае равна 220 ВА.
В треугольнике к каждой лампе приложено напряжение в 1,73 раза выше - 380В, соответственно и ток через лампу (фазный ток) возврастет настолько же. При этом не забывайте, что линейный ток в звезде и так будет в 1,73 раза больше, чем фазный. Найдем полную мощность по трем фазам: Полная S = V3 * Uл * I = 1,73 * 380В * (1,73А * 1,73) = 1,73 * 380В * 3А = 1972 ВА
На одной лампе выделится мощность равная W = 380В * 1,73А = 657 ВА. Но это не значит, что при соединении по схеме треугольника двигатель будет выдавать в 3 раза большую мощность, при питании от номинального для этой схемы напряжения двигатель будет выдавать свою номинальную мощность.