Обмотки генераторов, трансформаторов, электродвигателей и других электрических приемников при их подключении к трехфазной сети соединяются двумя способами: звездой или треугольником. Эти схемы подключения сильно отличаются друг от друга и несут на себе разные токовые нагрузки. Поэтому есть необходимость разобраться в вопросе, как производится подключение звезда и треугольник – в чем разница?
Подключение обмоток звездой – это их соединение в одной точке, которая носит название нулевая точка или нейтральная. Она обозначается буквой «О».
Схема подключения треугольником – это последовательное соединение концов рабочих обмоток, в которых начало одной обмотки соединяется с концом другой.
Разница очевидна. Но какую цель преследуют эти виды соединения, почему звезда треугольник применяются в разных электрических установках, в чем эффективность той и другой. Вопросов по данной теме возникает немало, с ними и надо разобраться.
Начнем с того, что при запуске того же электродвигателя ток, который называется пусковым, обладает высоким значением, который превышает номинальную его величину раз в шесть или восемь. Если это маломощный агрегат, то защита такую силу тока может выдержать, а если это электродвигатель большой мощности, то никакие защитные блоки не выдержат. И это вызовет обязательно «проседание» напряжения и выход из строя предохранителей или автоматических выключателей. Сам же двигатель начнет вращаться с небольшой скоростью, отличающуюся от паспортной. То есть, проблем с пусковым током немало.
Поэтому его надо просто снизить. Есть несколько для этого способов:
Именно второй вариант используется на производстве, как самый простой и эффективный. Просто производится преобразование схемы звезда в треугольник. То есть, во время пуска двигателя его обмотки соединяются по схеме звезда, затем как только мотор наберет обороты, переключается на треугольник. Процесс переключения звезды на треугольник производится автоматически.
Рекомендуется в электродвигателях, где используются одновременно два варианта соединения – звезда-треугольник, к соединению обмоток по схеме звезда, то есть, к их общей точке подключения, подсоединить нейтраль от сети питания. Для чего это необходимо делать? Все дело в том, что во время работы по данному варианту подсоединения появляется высокая вероятность асимметрии амплитуд разных фаз. Именно нейтраль будет компенсировать данную асимметрию, которая обычно появляется за счет того, что обмотки статора могут иметь разное индуктивное сопротивление.
У схемы звезда достаточно серьезные достоинства:
Что касается схемы треугольник, то основное ее преимущество – это достижение электрическим двигателем в процессе его работы максимальной мощности. Но при этом рекомендуется строго придерживаться эксплуатационных режимов, которые расписаны в паспорте мотора. Тестирование электродвигателей, соединенных по схеме треугольник, показало, что его мощность в три раза больше, чем соединенных по схеме звезда.
Если говорить о генераторах, которые выдают ток в питающую сеть, то схемы соединения звезда и треугольник по своим техническим параметрам точно такие же. То есть, выдаваемое напряжение треугольником будет больше, правда, не в три раза, но не менее 1,73 раза. По сути, получается, что напряжение генератора при звезде, равное 220 вольт, преобразуется в 380 вольт, если провести переключение с одного варианта на другой. Но необходимо отметить, что мощность самого агрегата при этом остается неизменной, потому что все подчиняется закону Ома, в котором напряжение и сила тока находятся в обратной пропорциональности. То есть, увеличение напряжения в 1,73 раза, снижает ток точно на такую же величину.
Отсюда вывод: если в клеммной коробке генератора располагаются все шесть концов обмоток, то можно будет получить напряжение двух номиналов, отличающихся друг от друга коэффициентом 1,73.
Почему соединения треугольником и звездой сегодня присутствуют во всех современных мощных электродвигателях? Из всего вышесказанного становится понятным, что основное требование ситуации – это снизить токовую нагрузку, которая возникает в процессе пуска самого агрегата.
Если расписать формулы такого подключения, то они будут выглядеть вот так:
Uф=Uл/1,73=380/1,73=220, где Uф – напряжение на фазах, Uл – на питающей линии. Это соединение звездой.
После того, как электрический агрегат разгонится, то есть, скорость его вращения станет соответствовать паспортным данным, произойдет переход на треугольник со звезды. Отсюда фазное напряжение станет равным линейному.
В промышленности и быту широко распространены асинхронные двигатели, которые питаются напрямую от с переменным напряжением. В статоре подобного мотора расположены три обмотки, смещенные друг относительно друга на 120 градусов – это сделано для того, чтобы создавать одинаковое в любой точке окружности вокруг статора. Для подключения таких электродвигателей применяется две основные схемы: подключение звездой и треугольником. Давайте подробнее рассмотрим каждый из этих видов подключения. Для наглядности, обозначим начало каждой из трех обмоток U1 , V1 , W1, а их концы – U2 , V2 , W2 соответственно.
Чтобы реализовать подключение мотора по схеме «звезда», необходимо соединить все концы обмоток U2 , V2 , W2 в одной точке, а на входы каждой из обмоток подавать по одной фазе из трехфазной сети.
Для того чтобы подключить двигатель по схеме «треугольник», необходимо к началу первой обмотки U1 присоединить конец второй V2, к началу второй обмотки V1 – конец третьей обмотки W2, а начало третьей обмотки W1 к концу первой U2. К местам, где соединяются обмотки, подключаются фазы питающей сети.
Посмотрите видео о способах подключения электродвигателей:
Важно правильно выбрать схему подключения для конкретного двигателя, иначе можно не получить от него необходимой мощности, а в отдельных случаях — даже вывести мотор из строя.
Каждая из этих схем подключения к сети имеет как свои плюсы, так и недостатки. К примеру, мотор, подключенный звездой, запускается очень плавно, и может работать с небольшой перегрузкой без вреда для самого двигателя.
Однако максимальная паспортная мощность электропривода в таком случае недостижима – двигатель будет выдавать до 70% от своей номинальной мощности.
Подключение треугольником позволяет достигать паспортной мощности, однако при такой схеме подключения пусковые токи достигают значительных величин. К тому же замечено, что при подключении треугольником электродвигатель греется при работе, что уменьшает срок его службы.
Чтобы минимизировать минусы и полностью реализовать плюсы каждой из схем, была придумана система автоматической смены схемы подключения. То есть, асинхронный электродвигатель запускается по схеме «звезда», а при выходе на свою номинальную частоту вращения, переключается на схему «треугольник», и выходит на свою паспортную мощность. Реализуется такая смена схем подключения при помощи или пусковых реле времени. Также это можно сделать при помощи пакетного переключателя, но в этом случае нужно внимательно следить за работой мотора, чтобы переключить его в нужный момент.
Ещё одно интересное видео, о способе подключения электродвигателя:
Типичные случаи соединений в звезду и треугольник генераторов, трансформаторов и электроприемников рассмотрены в статьях "Схема соединения "Звезда " и "Схема соединения "Треугольник ". Остановимся теперь на важнейшем вопросе о мощности при соединениях в звезду и треугольник, так как для работы каждого механизма, приводимого в действие электродвигателем или получающего питание от генератора или трансформатора, в конечном итоге важна именно мощность .
В сетях переменного тока различают:
полную (кажущуюся) мощность S
= E
× I
или S
= U
× I
;
активную мощность P
= E
× I
× cos φ
или P
= U
× I
× cos φ
;
реактивную мощность Q
= E
× I
× sin φ
или Q
= U
× I
× sin φ
,
где Е
– электродвижущая сила (э. д. с.); U
– напряжение на зажимах электроприемника; I
– ток; φ – угол сдвига фаз между током и напряжением 1 .
При определении мощности генераторов в формулы входят э. д. с, при определении мощности электроприемииков – напряжения на их зажимах. При определении мощности электродвигателей учитывают также коэффициент полезного действия, так как на табличке электродвигателя указывается мощность на его валу.
Если мощности фаз S
a (P
a , Q
a); S
b (P
b , Q
b); S
c (P
c , Q
c) одинаковы и соответственно равны S
ф, P
ф и Q
ф, то мощность трехфазной системы, выраженная через фазные величины, равна сумме мощностей трех фаз и составляет:
полная S
= 3 × S
ф;
активная P
= 3 × P
ф;
реактивная Q
= 3 × Q
ф.
При соединении в звезду линейные токи I
и фазные токи I
ф равны, а между фазными
и линейными напряжениями существует соотношение U
= √3 × U
ф, откуда U
ф = U
/ √3.
Сопоставляя эти формулы, видим, что выраженные через линейные величины при соединении в звезду мощности равны:
полная S
= 3 × S
ф = 3 × (U
/ √3) × I
= √3 × U
× I
;
активная P
= √3 × U
× I
× cos φ
;
реактивная Q
= √3 × U
× I
× sin φ
.
При соединении в треугольник линейные U и фазные U ф напряжения равны, а между фазными и линейными токами существует соотношение I = √3 × I ф, откуда I ф = I / √3.
Поэтому выраженные через линейные величины при соединении в треугольник мощности равны:
полная S
= 3 × S
ф = 3 × U
× (I
/ √3) = √3 × U
× I
;
активная P
= √3 × U
× I
× cos φ
;
реактивная Q
= √3 × U
× I
× sin φ
.
Важное замечание. Одинаковый вид формул мощности для соединений в звезду и треугольник иногда служит причиной недоразумений, так как наталкивает недостаточно опытных людей на неправильный вывод, будто вид соединений всегда безразличен. Покажем на одном примере, насколько ошибочен такой взгляд.
Электродвигатель был соединен в треугольник и работал от сети 380 В при токе 10 А с полной мощностью
S = 1,73 × 380 × 10 = 6574 В×А.
Затем электродвигатель пересоединили в звезду. При этом на каждую фазную обмотку пришлось в 1,73 раза более низкое напряжение, хотя напряжение в сети осталось тем же. Более низкое напряжение привело к тому, что ток в обмотках уменьшился в 1,73 раза. Но и этого мало. При соединении в треугольник линейный ток был в 1,73 раза больше фазного, а теперь фазный и линейный токи равны.
Таким образом, линейный ток при пересоединении в звезду уменьшился в 1,73 × 1,73 = 3 раза.
Иными словами, хотя новую мощность нужно вычислять по той же формуле , но подставлять в нее следует иные величины , а именно:
S 1 = 1,73 × 380 × (10 / 3) = 2191 В×А.
Из этого примера следует, что при пересоединении электродвигателя с треугольника в звезду и питании его от той же электросети мощность, развиваемая электродвигателем, снижается в 3 раза .
Оговариваем, что речь идет не о внутренних пересоединениях (которые выполняют в заводских условиях или в специализированных мастерских), а о пересоединениях на щитках аппаратов, если на них выведены начала и концы обмоток.
1. При переключении со звезды в треугольник обмоток генераторов или вторичных обмоток трансформаторов
напряжение в сети понижается в 1,73 раза, например с 380 до 220 В. Мощность генератора и трансформатора остается такой же. Почему? Потому что напряжение каждой фазной обмотки остается таким же и ток в каждой фазной обмотке такой же, хотя ток в линейных проводах возрастает в 1,73 раза.
При переключении обмоток генераторов или вторичных обмоток трансформаторов с треугольника в звезду происходят обратные явления, то есть линейное напряжение в сети повышается в 1,73 раза, например с 220 до 380 В, токи в фазных обмотках остаются теми же, токи в линейных проводах уменьшаются в 1,73 раза.
Значит, и генераторы и вторичные обмотки трансформаторов, если у них выведены все шесть концов, пригодны для сетей на два напряжения, отличающихся в 1,73 раза.
2. При переключении ламп со звезды в треугольник (при условии их присоединения к той же сети, в которой лампы, включенные звездой, горят нормальным накалом) лампы перегорят.
При переключении ламп с треугольника в звезду (при условии, что лампы при соединении в треугольник горят нормальным накалом) лампы будут давать тусклый свет. Значит, лампы, например, на 127 В в сеть напряжением 127 В должны включаться треугольником. Если же их приходится питать от сети 220 В, необходимо соединение в звезду с нулевым проводом (подробнее смотрите статью "Схема соединения "Звезда "). Соединять в звезду без нулевого провода можно только лампы одинаковой мощности, равномерно распределенные между фазами, как, например, в театральных люстрах.
3. Все сказанное о лампах относится и к сопротивлениям , электрическим печам и тому подобным электроприемникам.
4. Конденсаторы , из которых собирают батареи для повышения cos φ , имеют номинальное напряжение, которое указывает напряжение сети, к которой конденсатор должен присоединяться. Если напряжение сети, например, 380 В, а номинальное напряжение конденсаторов 220 В, их следует соединять в звезду. Если напряжение сети и номинальное напряжение конденсаторов одинаковы, конденсаторы соединяют в треугольник.
5. Как объяснено выше, при переключении электродвигателя с треугольника в звезду мощность его снижается примерно втрое. И наоборот, если электродвигатель переключить со звезды в треугольник , мощность резко возрастает, но при этом электродвигатель, если он не предназначен для работы при данном напряжении и соединении в треугольник, сгорит .
применяют для снижения пускового тока, который в 5 – 7 раз превышает рабочий ток двигателя. У двигателей сравнительно большой мощности пусковой ток настолько велик, что может вызвать перегорание предохранителей, отключение автомата и привести к значительному снижению напряжения. Уменьшение напряжения снижает накал ламп, уменьшает вращающий момент электродвигателей 2 , может вызвать отключение контакторов и магнитных пускателей. Поэтому стремятся уменьшить пусковой ток, что достигается несколькими способами. Все они в итоге сводятся к понижению напряжения в цепи статора на период пуска. Для этого в цепь статора на период пуска вводят реостат, дроссель, автотрансформатор либо переключают обмотку со звезды в треугольник. Действительно, перед пуском и в первый период пуска обмотки соединены в звезду. Поэтому к каждой из них подводится напряжение, в 1,73 раза меньшее номинального, и, следовательно, ток будет значительно меньше, чем при включении обмоток на полное напряжение сети. В процессе пуска электродвигатель увеличивает частоту вращения и ток снижается. Тогда обмотки переключают в треугольник.
Предупреждения:
1. Переключение со звезды в треугольник допустимо лишь для двигателей с легким режимом пуска, так как при соединении в звезду пусковой момент примерно вдвое меньше момента, который был бы при прямом пуске. Значит, этот способ снижения пускового тока не всегда пригоден, и если нужно снизить пусковой ток и одновременно добиться большого пускового момента, то берут электродвигатель с фазным ротором, а в цепь ротора вводят пусковой реостат.
2. Переключать со звезды в треугольник можно только те электродвигатели, которые предназначены для работы при соединении в треугольник, то есть имеющие, обмотки, рассчитанные на линейное напряжение сети.
Известно, что недогруженные электродвигатели работают с очень низким коэффициентом мощности cos φ . Поэтому рекомендуется недогруженные электродвигатели заменять менее мощными. Если, однако, выполнить замену нельзя, а запас мощности велик, то не исключено повышение cos φ переключением с треугольника в звезду. Нужно при этом измерить ток в цепи статора и убедиться в том, что он при соединении в звезду не превышает при нагрузке номинального тока; в противном случае электродвигатель перегреется.
1 Активная мощность измеряется в ваттах (Вт), реактивная – в вольт-амперах реактивных (вар), полная – в вольт-амперах (В×А). Величины в 1000 раз большие соответственно называют киловатт (кВт), киловар (квар), киловольт-ампер (кВ×А).
2 Вращающий момент электродвигателя пропорционален квадрату напряжения. Следовательно, при снижении напряжения на 20% вращающий момент снижается не на 20, а на 36% (1² - 0,82² = 0,36).
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).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Здесь, изменение схемы — имеется ввиду переключение на щитах и в клеммных коробках электрических устройств, при условии, что имеются выводы обмоток.
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.
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.
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.
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.
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.
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. 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 .
Основные преимущества соединения обмоток в звезду заключаются в следующем:
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:
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:
