Соединение звездой и треугольником
Теория
Как уже было сказано, схемы соединения звезда и треугольник характерны не только для электродвигателя, но и для обмоток трансформатора, нагревательных элементов (например, тэнов электрокотла) и другой нагрузки.
Чтобы понять почему эти схемы соединения элементов трёхфазной цепи так называются, нужно их несколько видоизменить.
В «звезде», нагрузка каждой из фаз соединена между собой одним из выводов, это называется нейтральная точка. В «треугольнике» каждый из выводов нагрузки подключается к разноимённым фазам.
Рассмотрим этот вопрос на примере соединения обмоток трёхфазного трансформатора или трёхфазного двигателя (в этом контексте это не имеет значения).
На этом рисунке отличия более заметны, в «звезде» начала обмоток подключаются к фазным проводникам, а концы соединяются вместе, в большинстве случаев к этой же точке нагрузки подключается нулевой провод от питающего генератора или трансформатора.
Точкой обозначены начала обмоток.
То есть в «треугольнике» конец предыдущей обмотки и начало следующей соединяются, и к этой точке подключается питающая фаза. Если перепутать конец и начало — подключаемая машина не будет работать.
В чем разница
Если говорить о подключении однофазных потребителей, кратко разберем на примере трёх электротенов, то в «звезде», если сгорит один из них продолжат работать два оставшихся. Если сгорит два из трёх – вообще ни один не будет работать, поскольку они попарно подключаются на линейное напряжение.
В схеме треугольника даже при перегорании 2 тэнов – третий продолжит работать. В ней нет нулевого провода, его просто некуда подключать. А в «звезде» его подключают к нейтральной точке, и нужен он для уравнивания токов фаз и их симметрии в случае разной нагрузки по фазам (например, в одной из веток подключен 1 ТЭН, а в остальных по 2 параллельно).
Но если при таком соединении (с разной нагрузкой по фазам) отгорит ноль, то напряжения будут неодинаковы (там, где больше нагрузка просядет, а где меньше – возрастёт). Подробнее об этом мы писали в статье о перекосе фаз.
Но, при подключении трёхфазного двигателя, ноль к средней точке звезды часто не подключают, так как это симметричная нагрузка.
Формулы мощности, тока и напряжения
Начнем с того что в схеме звезды есть два разных напряжения – линейное (между линейными или фазными проводами) и фазное (между фазой и нулём). Uлинейное в 1,73 (корень из 3) раз больше Uфазного. При этом линейный и фазный токи равны.
Uл=1,73*Uф
Iл=Iф
То есть линейное и фазное напряжение соотносятся так, что при линейном в 380В, фазное равно 220В.
В «треугольнике» Uлинейное и Uфазное равны, а токи отличаются в 1,73 раза.
Uл=Uф
Iл=1,73*Iф
Мощность в обоих случаях считают по одинаковым формулам:
§ полная S = 3*Sф = 3*(Uл/√3)*I = √3*Uл*I;
§ активная P = √3*Uл*I*cos φ;
§ реактивная Q = √3*Uл*I*sin φ.
При подключении одной и той же нагрузки на те же Uфазное и Uлинейное, мощность подключённых приборов будет отличаться в 3 раза.
Допустим, есть двигатель, который работает от трёхфазной сети 380/220В, а его обмотки рассчитаны на подключение по «звезде» к электросети с Uлинейным в 660В. Тогда при подключении в «треугольник» питающее Uлинейное должно быть в 1,73 раза меньше, то есть 380В, что подходит для подключения к нашей сети.
Приведем расчеты, чтобы показать, какие отличия для двигателя будут при переключении обмоток с одной схемы на другую.
Допустим, что ток статора при подключении в треугольник в сеть 380В был 5А, тогда полная его мощность равняется:
S=1,73*380*5=3287 ВА
Переключим электродвигатель на «звезду» и мощность снизится в 3 раза, так как напряжение на каждой обмотке снизилось в 1,73 раза (было 380 на обмотку, а стало 220), и ток тоже в 1,73 раза: 1,73*1,73=3. Значит с учетом пониженных величин проведем расчет полной мощности.
S=1,73*380*(5/3)=1,73*380*1,67=1070 ВА
Как видите – мощность упала в 3 раза!
Но что будет, если есть другой электродвигатель и он работал в «звезде» в сети 380В и током статора в те же 5А, соответственно и обмотки рассчитаны для подключения в «треугольник» на 220В (3 фазы), но по какой-то причине их соединили именно в «треугольник» и подключили к 380В?
В этом случае мощность вырастет 3 раза, так как напряжение на обмотку теперь наоборот увеличилось в 1,73 раза и ток во столько же.
S=1,73*380*5*(3)=9861 ВА
Поэтому нужно подключать электродвигатель по той схеме соединения обмоток, которая соответствует их номинальному напряжению.