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.

Питание асинхронного электродвигателя происходит от трехфазной сети с переменным напряжением. Такой двигатель, при простой схеме подключения, оснащен тремя обмотками, расположенными на статоре. Каждая обмотка имеет сдвиг друг относительно друга на угол 120 градусов. Сдвиг на такой угол предназначен для создания вращения магнитного поля.

Концы фазных обмоток электродвигателя выведены на специальную «колодку». Выполнено это с целью удобства соединения. В электротехнике используют основных 2 метода подключения асинхронных электродвигателей: методом соединения “треугольника” и метод “звезды”. При соединении концов применяют специально предназначенные для этого перемычки.

Различия между «звездой» и «треугольником»

Исходя из теории и практических знаний основ электротехники, способ подключения «звезда», позволяет электродвигателю работать плавнее и мягче. Но при этом данный способ не позволяет выйти двигателю на всю мощность, представленную в технических характеристиках.

Соединив фазные обмотки по схеме «треугольник», двигатель способен быстро выйти на максимальную рабочую мощность. Это позволяет использовать по полной КПД электродвигателя, согласно техпаспорта. Но у такой схемы соединения есть свой недостаток: большие пусковые токи. Для уменьшения значения токов применяют пусковой реостат, позволяя осуществить более плавный пуск двигателя.

Соединение «звездой» и его преимущества

Каждая из трех рабочих обмоток электродвигателя имеет два вывода – соответственно начало и конец. Концы всех трех обмоток соединяют в одну общую точку, так называемую нейтраль.

При наличии нейтрального провода в цепи схему называют 4-х проводной, в противном случае, она будет считаться 3-х проводной.

Начало выводов присоединяют к соответствующим фазам питающей сети. Приложенное напряжение на таких фазах составляет 380 В, реже 660 В.

Основные преимущества применения схемы «звезда»:

• Устойчивый и длительный режим безостановочной работы двигателя;
• Повышенная надежность и долговечность, за счет снижения мощности оборудования;
• Максимальная плавность пуска электрического привода;
• Возможность воздействия кратковременной перегрузки;
• В процессе эксплуатации корпус оборудования не перегревается.

Существует оборудование с внутренним соединением концов обмоток. На колодку такого оборудования будет выведено всего лишь три вывода, что не позволяет применить другие методы соединения. Выполненное в таком виде электрооборудование, для своего подключения не требует грамотных специалистов.

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.

Тип соединения «звезда-треугольник»

В сложных механизмах, зачастую используется комбинированная схема «звезда-треугольник». При таком переключении резко вырастает мощность, и если двигатель по техническим характеристикам не предназначен для работы по методу «треугольника», то он перегреется и сгорит.

Двигатели с повышенной мощностью обладают большими пусковыми токами, и как следствие при пуске часто вызывают перегорание предохранителей, отключению автоматов. Для снижения линейного напряжения в обмотках статора применяют автотрансформаторы, универсальные дросселя, пусковые реостаты или соединение типа «звезда».

В этом случае напряжение на соединении каждой обмотки будет в 1,73 раза меньше, следовательно, будет меньше и протекающий в этот период ток. Дальше происходит увеличение частоты и продолжение снижения показания тока. Тогда применяя релейно-контактную схему, произойдет переключение со «звезды» на «треугольник».

В итоге, используя данную комбинацию, получим максимальную надежность и эффективную продуктивность используемого электрического оборудования, не боясь вывести ее из строя.

Переключение «звезда-треугольник» допустимо для электродвигателей с облегченным режимом пуска. Этот метод неприменим, если необходимо понизить ток пуска и одновременно не снижать большой пусковой момент. В этом случае применяют двигатель с фазным ротором с пусковым реостатом.

Основные преимущества комбинации:

• Увеличение срока службы. Плавный пуск позволяет избежать неравномерности нагрузки на механическую часть установки;
• Возможность создания двух уровней мощности.

1. В момент пуска электродвигателя , его ток пуска в 7 раз больше рабочего тока.
2. Мощность в 1,5 раза больше при соединении обмоток методом «треугольника».
3. Для создания плавного пуска и защиты от перегрузок двигателя , часто используются частотные провода.
4. При использовании метода соединения «звездой» , особое внимание уделяют отсутствию «перекоса фаза», иначе оборудование может выйти из строя.
5. Линейные и фазные напряжения при соединении «треугольник» – равны между собой, как и линейные и фазные токи в соединении «звездой».
6. Для подключения двигателя к бытовой сети зачастую применяют фазосдвигающий конденсатор.

Ротор турбинного компрессора

Как известно, трехфазные асинхронные электрические (эл.) двигатели, имеющие короткозамкнутый ротор, подключаются по схеме звезда или треугольник в зависимости от линейного напряжения, на которое рассчитана каждая обмотка.

При пуске особенно мощных эл. двигателей, подключённых по схеме треугольника, наблюдаются повышенные пусковые токи, которые в перегруженных сетях создают временное падение напряжения ниже допустимого предела.

Данное явление обусловлено конструктивными особенностями асинхронных эл. двигателей, у которых массивный ротор имеет достаточно большую инерционность, и при его раскрутке мотор работает в режиме перегрузки. Пуск электродвигателя усложняется, если на валу находится нагрузка с большой массой – роторы турбинных компрессоров, центробежных насосов или механизмы различных станков.

Способ уменьшения пусковых токов электродвигателя

Чтобы уменьшить токовые перегрузки и падение напряжения в сети, применяют особый способ подключения трехфазного эл. двигателя, при котором происходит переключение со звезды на треугольник по мере набора оборотов.

Подключение обмоток двигателя: звездой (слева) и треугольником (справа)

При подключении соединенных звездой обмоток двигателя, рассчитанного на подключение треугольником в трехфазную сеть, напряжение, приведённое к каждой обмотке на 70% меньше от номинала. Соответственно, ток при пуске эл. двигателя будет меньшим, но следует помнить, что стартовый момент вращения также будет меньшим.

Поэтому переключение режимов звезда-треугольник нельзя применять для электродвигателей, изначально имеющих на валу неинерционную нагрузку, такую как вес груза лебедки или сопротивление поршневого компрессора.

Недопустимо переключение режимов у электродвигателя, стоящего на поршневом компрессоре

Для работы в составе таких агрегатов, имеющих большую нагрузку в момент пуска, применяют особые трехфазные эл. двигатели с фазным ротором, в которых пусковые токи регулируются с помощью реостатов.

Переключение звезда треугольник можно применять только для электродвигателей, имеющих на валу свободно вращающуюся нагрузку – вентиляторы, центробежные насосы, валы станков, центрифуг и другого подобного оборудования.

Центробежный насос с асинхронным электродвигателем

Реализация смены режимов подключения обмоток двигателя

Очевидно, что для осуществления пуска трехфазного электромотора в режиме звезды с последующим переключением на соединение обмоток треугольником, необходимо применение нескольких трехфазных контакторов в пускателе.

Набор контакторов в пускателе для переключения звезда-треугольник

При этом нужно обеспечивать блокировку одномоментного срабатывания данных контакторов, а также должна быть обеспечена кратковременная задержка переключения, чтобы соединение звездой гарантированно отключилось прежде, чем включится треугольник, иначе произойдет трехфазное короткое замыкание.

Поэтому реле времени (РВ), которое используется в схеме для установки интервала переключения, также должно обеспечивать задержку 50-100 мс, чтобы не происходило короткого замыкания.

Способы осуществления задержки переключения

Диаграмма времени переключения режимов

Существует несколько принципов осуществления задержки при помощи:

Ручной переключатель режимов

Классическая схема

Данная система достаточно проста, неприхотлива и надежна, но имеет существенный недостаток, который будет описан ниже и требует применения громоздкого и морально устаревшего реле времени.

Данное РВ обеспечивает задержку отключения из-за намагниченного сердечника, на размагничивание которого требуется некоторое время.

Электромагнитное реле времени задержки

Необходимо мысленно пройтись по цепях прохождения тока, чтобы понять работу данной схемы.

Классическая схема переключения режимов с реле тока и времени

После включения трехфазного автоматического выключателя АВ пускатель готов к работе. Через нормально замкнутые контакты кнопки «Стоп», и замыкаемый оператором контакт кнопки «Пуск» ток протекает через катушку контактора КМ. Силовые контакты КМ удерживаются во включенном состоянии «самоподхватом», благодаря контакту БКМ.

На фрагменте приведенной выше схемы красной стрелкой указан шунтирующий контакт

Реле КМ необходимо для обеспечения возможности отключения двигателя кнопкой «Стоп». Импульс от кнопки «Пуск» также проходит через нормально замкнутые БКМ1 и РВ, запуская контактор КМ2, основные контакты которого обеспечивают подачу напряжения на соединение обмоток по типу звезда – осуществляется раскрутка ротора.

Поскольку в момент пуска КМ2 контакт БКМ2 размыкается, то КМ1, обеспечивающий включения соединения обмоток треугольником, никак не может сработать.

Контакторы, обеспечивающие подключение звездой (КМ2) и треугольником (КМ1)

Пусковые токовые перегрузки эл. двигателя заставляют практически мгновенно сработать РТ, включенное в цепи трансформаторов тока ТТ1, ТТ2. При этом цепь управления катушкой КМ2 шунтируется контактом РТ, блокируя работу РВ.

Одновременно с запуском КМ2 при помощи его дополнительного нормально разомкнутого контакта БКМ2 запускается реле времени, контакты которого переключаются, но срабатывания КМ1 не происходит, так как БКМ2 в цепи катушки КМ1 разомкнут.

Включение реле времени — зеленая стрелка, переключающие контакты — красные стрелки

По мере набора оборотов пусковые токи уменьшаются и контакт РТ в цепи управления КМ2 размыкается. Одновременно с отключением силовых контактов, обеспечивающих питанием соединение обмоток звездой, происходит замыкание БКМ2 в цепи управления КМ1 и размыкание БКМ2 в цепи питания РВ.

Но, поскольку РВ отключается с запаздыванием, этого времени достаточно, чтобы его нормально разомкнутый контакт в цепи КМ1 оставался замкнутым, благодаря чему происходит самоподхват КМ1,подключающий соединение обмоток треугольником.

Нормально разомкнутый контакт самоподхвата КМ1

Недостаток классической схемы

Если по причине неправильного расчета нагрузки на валу он не сможет набрать обороты, то и реле тока в этом случае не позволит схеме переключиться в режим треугольника. Длительная эксплуатация эл. асинхронного двигателя в таком режиме стартовой перегрузки крайне нежелательна, обмотки будут перегреваться.

Перегретые обмотки двигателя

Поэтому, для предотвращения последствий непредвиденного увеличения нагрузки при пуске трехфазного эл. двигателя (изношенный подшипник или попадание посторонних предметов в вентилятор, загрязнение крыльчатки насоса), следует также подключить тепловое реле в цепь питания эл. двигателя после контактора КМ (на схеме не указано) и установить датчик температуры на кожух.

Внешний вид и основные узлы теплового реле

Если используется таймер (современное РВ) для переключения режимов, которое происходит в установленном интервале времени, то при включении обмоток двигателя треугольником, происходит набор номинальных оборотов, при условии, что нагрузка на валу соответствует техническим условиям работы электромотора.

Переключение режимов при помощи современного реле времени CRM-2T

Работа самого таймера достаточно проста – вначале осуществляется включение контактора звезды, а по истечении регулируемого времени, происходит отключение данного контактора, и с некоторой также регулируемой задержкой осуществляется включения контактора треугольника.

Правильные технические условия для использования переключения соединений обмоток.

При пуске любого трехфазного эл. двигателя должно соблюдаться важнейшее условие – момент сопротивления нагрузки всегда должен быть меньше чем стартовый момент вращения, иначе электромотор попросту не запустится, а его обмотки перегреются и перегорят, даже если используется стартовый режим звезды, при котором напряжение ниже номинального.

Даже если на валу свободно вращающаяся нагрузка, стартового момента при подключении звездой может не хватить и эл. двигатель не наберет обороты, при которых должно осуществляться переключение в режим треугольника, так как сопротивление среды, в котором вращаются механизмы агрегатов, (лопасти вентилятора или крыльчатка наноса) будет увеличиваться по мере набора скорости вращения.

В таком случае, если из схемы исключено токовое реле, и переключение режимов осуществляется по уставке таймера, то в момент перехода на треугольник будут наблюдаться всё те же броски тока почти такой же продолжительности, как и при пуске с неподвижного состояния ротора.

Сравнительные характеристики прямого и переходного запусков двигателя с нагрузкой на валу

Очевидно, что такое подключение звезда-треугольник не даст никаких положительных результатов при неправильно рассчитанном стартовом моменте. Но в момент отключения контактора, обеспечивающего подключение звездой, при недостаточных оборотах двигателя, вследствие самоиндукции будет наблюдаться бросок повышенного напряжения в сеть, которое может повредить другое оборудование.

Поэтому, используя переключение звезда-треугольник, необходимо убедиться в целесообразности такого подключения трехфазного асинхронного эл. двигателя и перепроверить расчеты по нагрузке.

Различают несколько типов электродвигателей – трехфазные и однофазные. Главное отличие трехфазных электродвигателей от однофазных заключается в том, что они более производительные. Если у вас дома есть розетка на 380 В, то лучше всего купить оборудование с трехфазным электродвигателем.

Использование такого типа двигателя позволит вам сэкономить на электроэнергии и получить прирост мощности. Также вам не придется использовать различные устройства для запуска двигателя, так как благодаря напряжению в 380 В вращающее магнитное поле появляется сразу после подключения в электросеть.

Схемы подключения электродвигателя на 380 вольт

Если у вас нет сети на 380 В, то вы все равно сможете подключить трехфазный электродвигатель в стандартную электросеть на 220 В. Для этого вам понадобиться конденсаторы, которые нужно подключить по данной схеме. Но при подключении в обычную электросеть вы будете наблюдать потерю мощности. Об этом бы можете почитать .

Электродвигатели на 380 В устроены таким образом, что в статоре у них есть три обмотки, которые соединяются по типу треугольника или звезды и уже к их вершинам осуществляется подключение трех различных фаз.

Нужно помнить, что, используя подключение по типу звезды, ваш электродвигатель не будет работать на полную мощность, но зато его запуск будет плавным. При использовании схемы треугольник вы получите прирост мощности по сравнению со звездой в полтора раза, но при таком подключении возрастает шанс повредить обмотку при запуске.

Перед использованием электродвигателя нужно в первую очередь ознакомиться с его характеристиками. Все необходимые сведения можно найти в техпаспорте и на шильдике двигателя. Особое внимание следует обратить на трех фазные двигатели западноевропейского образца, так как они предназначены для работы от напряжения в 400 или 690 вольт. Для того, чтобы подключить такой электродвигатель к отечественным сетям, необходимо использовать только подключение по типу треугольник.

Если вы хотите сделать схему треугольник, то вам необходимо соединить обмотки последовательно. Нужно соединить конец одной обмотки с началом следующей и затем к трем местам соединений нужно подключить три фазы электросети.
Подключение схемы звезда-треугольник.

Благодаря этой схеме мы можем получить максимальную мощность, но у нас не будет возможности изменить направление вращения. Для того, чтобы схема заработала будут нужны три пускателя. На первый (К1) с одной стороны подключается питание, а с другой подключаются концы обмоток. К К2 и к К3 подключаются их начала. С пускателя К2 начала обмоток присоединяются на другие фазы по типу соединения треугольник. Когда К3 включается, то все три фазы закорачиваются и, в итоге, электродвигатель работает по схеме звезда.

Важно, чтобы К2 и К3 не запускались одновременно, так ка это может привести к аварийному отключению. Данная схема работает следующим образом. При запуске К1 реле временно включает К3 и запуск двигателя происходит по типу звезда. После запуска двигателя отключается К3 и запускается К2. И электромотор начинает работать по схеме треугольник. Прекращение работы происходит путем отключения К1.

Как подключить двигатель по схеме “Звезда-Треугольник”

По схеме подключения двигателей “звезда-треугольник” написано предостаточно. Но в каждой статье есть неточности и ошибки. Авторы просто переписывают друг у друга. Подозреваю, что большинство из них ни разу в жизни не подключали двигатель, а название схемы для них – лишь геометрические фигуры. Поэтому решил последовать народной мудрости “хочешь сделать хорошо – сделай это сам”, и написать эту статью.

Рассказываю, полагаясь на свой опыт и понимание вопроса. Как всегда, буду давать теорию и показывать, как это выглядит на практике.

Для начала, если кто совсем не в теме, из какой области знаний вообще это всё? Речь идёт об одном из распространенных способов подключения трехфазного асинхронного электродвигателя, при котором обмотки двигателя сначала подключаются к питающей сети по схеме “звезда”, а потом – по схеме “треугольник”. В молодых пытливых умах сразу возникнет вопрос – “Зачем это нужно?” ОК.

Зачем нужна схема “Звезда – Треугольник”?

Корень проблемы кроется в пусковых токах и чрезмерных нагрузках, которые испытывает двигатель, когда на него подают питание напрямую. Да что там двигатель – весь привод при пуске скрежещет и содрогается!

ВАЖНО! Если дочитали досюда, . Там очень подробно о том, откуда они берутся, как их узнать, посчитать и измерить.

Особенно это критично там, где нет понижающей передачи – редуктора или ремня на шкивах.

Особенно это важно там, где на валу двигателя насажено что-то массивное – крыльчатка или центрифуга.

Подписывайтесь! Будет интересно.

Особенно это значимо там, где мощность двигателя – более 5 кВт, а скорость вращения большая (3000 об/мин).

Вот такие кабанчики не любят, когда их включают в сеть напрямую

Привод отличается от двигателя, как колесо от покрышки и как .

Так вот, для того, чтобы уменьшить мощность на валу двигателя во время пуска, его включают сначала на пониженное напряжение, он не спеша разгоняется, а потом врубают по полной, на номинальную мощность. Реализуется это не изменением напряжения реостатами и трансформаторами, а более хитро. Но по порядку.

Схемы “Звезда” и “Треугольник”

У любого классического трехфазного двигателя есть три обмотки статора. Они могут иметь разную конфигурацию в пространстве, дополнительные выводы, но их три.

Схема обмоток статора с выводами для трехфазного асинхронного двигателя

Как подключить все эти 6 выводов, если у нашего источника питания всего 3 фазы?

Короче, вот простейшая схема:

Схема управления “Звезда-Треугольник” с реле времени. Простейшая теоретическая

В контактах с временной задержкой все постоянно путаются. У меня – правильно)

Что такое КМ1, КМ2, КМ3, вы уже знаете, а вот КА1 – это реле времени с задержкой при включении. Реле может быть любым, хоть электронным, хоть пневматическим типа ПВЛ. Главное, чтобы контакты переключались из исходного состояния через время задержки после подачи питания на КА1.

Подавать питание на схему (запускать двигатель) можно любыми способами – хоть тумблером, хоть .

Минус такой схемы – есть опасность конфликта между КМ2 и КМ3. Поэтому я не очень люблю такую схему, т.к. она работает “на грани”, и её безаварийность очень зависит от механики и конструкции контакторов. Из-за этого могут подгорать контакты, а может и выбивать вводной автомат. Поэтому обязательно необходима блокировка (электрическая и желательно механическая):

Практическая схема “Звезда-треугольник” с блокировкой

Блокировка реализована на НЗ контактах, подробно об этом и не только . Между катушками показана механическая блокировка, не путать со схемой “Треугольник”!

Это реальная схема, можно её применять. Если что не понятно – спрашивайте.

Кстати, вместо КА1.1 можно поставить НО контакт с задержкой Отключения. То есть, включается сразу после подачи питания, выключается – через время. Но для этого нужно два отдельных реле времени с разными принципами работы, которые должны быть синхронизированы для гарантированной паузы. Именно так и реализуется в специализированных реле времени “Звезда-Треугольник”.

Да, ещё замечание. Иногда включение питания общего контактора КМ1 реализуют не напрямую, а через НО контакт “Звезды” КМ2, затем КМ1 становится на самоподхват через свой НО контакт. Это необходимо для дополнительной проверки работоспособности реле времени КА1.

Временные диаграммы работы схемы “Звезда-Треугольник”

С привязкой к моей схеме управления, диаграммы включения контакторов:

Временные диаграммы схемы управления звезда-треугольник

Тут вроде всё понятно, но есть одно важное замечание. Ещё раз. Между зеленой и красной областями обязательно нужен небольшой зазор (пауза). Его может не быть (пауза = 0), но эти области могут налазить друг на друга, если используются контакторы с катушкой постоянного тока (=24 VDC). В особенности при использовании обратновключенного диода (а он обязателен!), время выключения может быть больше времени включения в 7-10 раз!

Это я к тому, что однажды мучался с такой схемой, в ней выбивал периодически вводной автомат. Поставили спец.реле с паузой, проблема была решена!

Реальный пример схемы

Вот реальный пример такой схемы на электронном реле времени:

Фото схемы звезда-треугольник с управлением на таймере и гальванической развязкой на трансформаторе.

Слева направо в нижнем ряду: КМ1, КМ2, КМ3, КА1.

А вот пример схемы с управлением от контроллера:

Звезда-треугольник, компрессор, управление от программы контроллера

Видео, как щёлкают контакторы в этой схеме:

Вот как красиво оформили схему немцы в своём компрессоре:

Схема компрессора Звезда – Треугольник

На входе схемы – три провода, на выходе – шесть. Всё сходится)

Как переключить схему двигателя в “Звезду” и в “Треугольник” вручную

Если не нужна никакая автоматика, а двигатель работает постоянно в “Звезде” или в “Треугольнике”, то используя рожковый ключ, можно переключить схему соединения обмоток вручную.

Шильдик двигателя 220 / 380 В 0,37 кВт

На оборотной стороне крышки борно, как обычно, приведена схема:

Схема подключения 220 – 380 на крышке двигателя

Двигатель питался напрямую от трехфазной сети 380 В через контактор и был собран в “Звезду:

Клеммы двигателя в подключены в схеме “Звезда”

Откручиваем гайки М4, снимаем перемычки и провода питания:

Разбираем схему, откидываем провода

Собираем схему в треугольник, на пониженное напряжение 220 В:

Собираем треугольную схему на 220 В

Переделка понадобилась в связи с тем, что нужно изменить скорость вращения двигателя, а для этого применить частотник. А частотники на такую мощность, как правило, однофазные. В результате – поехали!

Кстати, по частотникам планирую цикл статей, подписывайтесь !

Особенность работы в “Звезде”

В соответствии с ГОСТ 28173 (МЭК 60034-1) двигатели могут эксплуатироваться при отклонении напряжения ± 5 % или
отклонении частоты ± 2 %. При этом параметры двигателей могут отличаться от номинальных, а превышения температуры обмоток могут быть более предельного по ГОСТ 28173 (МЭК 60034-1) на 10 °С.

К чему это я? Дело в том, что при пуске, когда двигатель работает в “Звезде”, он работает не в режиме (напряжение отличается на 70%!), что может привести к его перегреву, если это будет длиться долго. Будьте внимательны, защищайте двигатель от перегрева и перегрузки! Но это уже совсем другая история)

Видео