Zapojení vinutí generátoru do hvězdy a trojúhelníku

Předpokládejme, že máme generátor střídavého proudu se třemi samostatnými vinutími umístěnými vůči sobě pod úhlem $120^0$. V těchto vinutích vzniká třífázový proud. Napětí na vinutí se rovná:

Pokud je tento generátor použit bez vzájemného propojení, pak se generátor třífázového proudu stává jednoduše souborem jednotlivých generátorů jednofázového proudu. Pokud jsou vinutí zapojena určitým způsobem, pak třífázový proud vyvíjí speciální vlastnosti, které se používají v technologii. Používají se dva typy připojení vinutí generátoru: „hvězda“ и „trojúhelník“.

Hvězdné spojení

Zvážit schéma zapojení vinutí generátoru „hvězda“. V něm jsou konce tří vinutí spojeny do jednoho uzlu a začátky se používají pro připojení zátěží.

Schéma zapojení do hvězdy je znázorněno na obr. 1(a). Toto spojení vinutí generátoru umožňuje použít k přenosu elektřiny pouze čtyři vodiče místo šesti. Bod $O$ na diagramu je bod společného potenciálu (vodič, který je připojen k bodu $O$ je nulový vodič). Toto zapojení je obdobné jako zapojení tří proudových zdrojů, které je znázorněno na obr. 1 (b).

Při tomto způsobu připojení se napětí mezi fázovým a nulovým vodičem nazývá fázové napětí. Volá se napětí mezi fázemi $AB$, $BC$, $CA$ lineární. Aby bylo možné určit, jak souvisí fázová a síťová napětí, je nutné vzít geometrický (vektorový) rozdíl.

Předpokládejme, že generátor je otevřený, tedy $R_1= R_2=R_3=infty, $najdeme vztah mezi fázovým napětím (existujícím v každém z vinutí $O_1, O_2, O_3$) a napětími ve vedení (mezi dráty $0,1,2,3$). Síťové napětí mezi vodičem $O$ a jakýmkoli jiným vodičem se rovná fázovému napětí a jeho amplituda je $U_m. Síťové napětí mezi libovolným párem vodičů $1,2$ a $3$ se bude lišit. Najděte napětí mezi dráty $1$ a $3$, které se rovná potenciálnímu rozdílu mezi volnými konci vinutí $O_1, O_2$:

„Spojení vinutí generátoru do „hvězdy“ a „trojúhelníku“
Pomoc od odborníka na téma práce
Řešení problému s AI za 2 minuty
Najděte řešení svého problému mezi 1 000 000 odpověďmi

Ze vzorce (2) je zřejmé, že síťové napětí má stejnou frekvenci jako fázové napětí. Amplituda síťového napětí v $sqrt$ je však větší než amplituda fázového napětí.

Předpokládejme, že generátor má symetrické zatížení ($R_1= R_2=R_3$). V tomto případě je amplituda proudů ve vodičích $1,2,3$ stejná ($I_m$). Aktuální síla se bude měnit podle:

V neutrálním vodiči se síla proudu ($I$) rovná součtu proudů ve vedení:

Získali jsme, že při symetrické zátěži je proud v nulovém vodiči vždy roven nule. V tomto případě (při symetrické zátěži!) může být nulový vodič zcela odstraněn a vedení bude fungovat (musí se však pamatovat, že v tomto případě bude každá dvojice zátěží vystavena síťovému napětí $sqrt$ krát větším než fázové napětí).

Trojúhelníkové spojení

Vinutí třífázového generátoru a třífázové zátěže lze připojit jiným způsobem. V tomto případě je konec prvního vinutí spojen se začátkem druhého, konec druhého se začátkem třetího a konec třetího se začátkem prvního. V tomto případě slouží spojovací uzly jako větve. Tento způsob připojení se nazývá trojúhelník.

Schéma zapojení trojúhelníku je znázorněno na obr. 2(a). Pro základní harmonickou, když jsou vinutí generátoru zapojena do trojúhelníkového vzoru, je zkratový proud ve vinutí nulový. Vinutí výkonných generátorů se obvykle takto nezapojuje. Tento obvod odpovídá zapojení zdrojů napětí znázorněných na Obr. 2(b).

Pokud by byl proud stejnosměrný, pak by se při takovém zapojení všechna vinutí zkratovala. Ale pokud máme co do činění se střídavými napětími, která mají fázový rozdíl, pak se situace radikálně změní. Výsledné napětí v trojúhelníku (viz výpočtový diagram (4)) je:

Dostaneme, že pokud generátor nemá zátěž, pak ve vinutích není žádný proud. Z Obr. 2 je zřejmé, že síťová napětí se rovnají fázovým napětím. Když je generátor otevřený, amplituda síťových napětí se rovná amplitudě napětí v jednom vinutí $U_m.$

V zapojení do trojúhelníku není nulový vodič a nerovnoměrné zatížení má větší vliv na provoz generátoru než v případě zapojení do hvězdy. Kvůli této vlastnosti se zapojení do trojúhelníku nejčastěji používá v elektrárnách, například u třífázových motorů, kde je možné získat fázové zatížení podobné velikosti.

Předpokládalo se, že generátor a zátěže jsou zapojeny stejným způsobem (hvězda nebo trojúhelník), samozřejmě jsou možné kombinace obvodů. Například spotřebitel je zapojen do hvězdy, generátor do trojúhelníku.

Zadání: Vysvětlete, co se stane v obvodu znázorněném na obr. 1 (a), pokud dojde k přerušení vodiče $1$? Co se stane, když nulový vodič shoří?

řešení:

Předpokládejme, že ve schématu zapojení do hvězdy (obr. 1(a)) je přerušený vodič $1$. Poté se zátěž $R_1$ vypne. Zátěže $R_2 a R_3$ budou fungovat normálně, protože na nich budou přítomna fázová napětí.

Řekněme, že nulový vodič vyhořel. V tomto případě bude každá dvojice odporů, například $R_1 a R_2$, zapojena do série a bude vystavena napětí $sqrt$ krát větším než fázové napětí. Toto napětí bude distribuováno podle pravidel sériového zapojení, úměrně k odporům (v tomto případě $R_1 a R_2$). Pokud tedy $R_1=R, R_2=fracR$, pak na větvi $R_2$ dostaneme $0,1U$ a na větvi $R_1$ bude $0,9 U$, kde $U$ je celkové napětí. Předpokládejme, že napětí v síti (fáze) je $220V$, pak:

[U=sqrtcdot 220=380 left(Bright)left(1.1right).]

Z $380V$ bude $1V$ aplikováno na rezistenci $R_342$, zatímco $2V$ bude aplikováno na $R_38$. Pokud je tedy $R_1$ např. domácí žárovka, dojde k jejímu spálení a k přerušení proudu v obou větvích.

Zadání: Vysvětlete, proč se v osvětlovací technice používá hvězdicové spojení?

řešení:

Potřeba použití hvězdicového zapojení, které má neutrální vodič, existuje v osvětlovací technice, protože při provozu osvětlovacích zařízení není možné dosáhnout symetrie zatížení. V takových sítích jsou všechny tři fáze a nulový (nulový) vodič napájeny např. do obytných budov uvnitř budovy, snaží se zatěžovat každou fázi přibližně stejně, aby celkové zatížení bylo co nejsymetrické. V tomto případě je každý byt dodáván s nulovým vodičem a jednou z fází. Na rozvodné desce, kterou procházejí dvě nebo tři fáze, není v nulovém vodiči instalována pojistka, protože její vyhoření vede k asymetrii napětí.

Dnes jsou asynchronní elektromotory oblíbené díky své spolehlivosti, vynikajícímu výkonu a relativně nízké ceně. Motory tohoto typu jsou navrženy tak, aby vydržely silné mechanické zatížení. Aby se jednotka úspěšně spustila, musí být správně připojena. K tomuto účelu se používají zapojení do hvězdy a trojúhelníku a také jejich kombinace.

Typy připojení

Konstrukce elektromotoru je poměrně jednoduchá a skládá se ze dvou hlavních prvků – stacionární stator a vnitřní rotující rotor. Každá z těchto částí má své vlastní vinutí, které vede proud. Statorový je uložen ve speciálních drážkách s povinným odstupem 120 stupňů.

Princip činnosti motoru je jednoduchý – po zapnutí startéru a přivedení napětí na stator se objeví magnetické pole způsobující otáčení rotoru. Oba konce vinutí jsou vyvedeny do rozvodné skříně a jsou uspořádány ve dvou řadách. Jejich závěry jsou označeny písmenem „C“ a dostávají číselné označení v rozsahu od 1 do 6.

Chcete-li je připojit, můžete použít jednu ze tří metod:

• „Hvězda“;
• „Trojúhelník“;
• „Hvězda-trojúhelník“.

Pokud jsou všechny konce statorového vinutí spojeny v jednom bodě, pak se tento typ spojení nazývá „hvězda“. Pokud jsou všechny konce vinutí zapojeny do série, jedná se o „trojúhelník“. V tomto případě jsou kontakty uspořádány tak, že jejich řady jsou vůči sobě posunuty. Výsledkem je, že protilehlá svorka C6 je svorka C1 atd. To je jedna z odpovědí na otázku, jaký je rozdíl mezi zapojením do hvězdy a trojúhelníku.

V prvním případě je navíc zajištěn plynulejší chod motoru, ale maximálního výkonu není dosaženo. Pokud je použit trojúhelníkový obvod, pak ve vinutí vznikají velké zapínací proudy, které negativně ovlivňují životnost jednotky. Chcete-li je snížit, musíte použít speciální reostaty, díky kterým bude start co nejhladší.

Pokud je 3-fázový motor připojen k síti 220 V, pak točivý moment nestačí ke spuštění. Pro zvýšení tohoto ukazatele se používají další prvky. V domácích podmínkách by byl optimálním řešením kondenzátor s fázovým posunem. Je třeba poznamenat, že výkon třífázových sítí je vyšší ve srovnání s jednofázovými. To naznačuje, že připojení 3fázového motoru k jednofázové elektrické síti jistě povede ke ztrátě výkonu. Není možné přesně říci, která z těchto metod je lepší, protože každá má nejen výhody, ale i nevýhody.

Výhody a nevýhody „hvězdy“

Společný bod, ve kterém jsou všechny konce vinutí spojeny, se nazývá neutrální. Pokud je v elektrickém obvodu nulový vodič, pak se bude nazývat čtyřvodičový. Začátek kontaktů je připojen k odpovídajícím fázím napájecí sítě. Schéma zapojení vinutí elektromotoru „hvězda“ má řadu výhod:

• Zajišťuje dlouhodobý nonstop provoz elektromotoru.
• Snížením výkonu se zvyšuje životnost jednotky.
• Je dosaženo hladkého startu.
• Během provozu nedochází k výraznému přehřívání motoru.

Existuje zařízení, které má vnitřní spojení konců vinutí a do krabice jsou přivedeny pouze tři kontakty. V takové situaci není použití jiného schématu připojení než „hvězda“ možné.

Výhody a nevýhody „trojúhelníku“

Použití tohoto typu připojení umožňuje vytvořit nepřerušený obvod v elektrickém obvodu. Okruh získal toto jméno kvůli svému ergonomickému tvaru, i když jej lze nazvat také kruhem. Mezi výhody „trojúhelníku“ stojí za zmínku:

• Maximálního výkonu jednotky je dosaženo za provozu.
• Ke spuštění motoru se používá reostat.
• Výrazně zvyšuje točivý moment.
• Vzniká silná tažná síla.

Mezi nevýhody lze zaznamenat pouze vysoké hodnoty startovacích proudů a aktivní vytváření tepla během provozu. Tento typ připojení je široce používán ve výkonných mechanismech, které obsahují velké zátěžové proudy. Díky tomu se zvyšuje EMF, což ovlivňuje výkon točivého momentu. Je třeba také říci, že existuje další schéma zapojení nazvané „otevřená delta“. Používá se v usměrňovacích instalacích určených k výrobě trojfrekvenčních proudů.

Kombinace obvodů

U vysoce složitých mechanismů se často používá kombinované hvězdicové a trojúhelníkové zapojení třífázového motoru. To vám umožní nejen zvýšit výkon jednotky, ale také prodloužit její životnost, pokud není navržena pro práci pomocí metody „trojúhelníku“. Vzhledem k tomu, že startovací proudy u motorů s vysokým výkonem jsou vysoké, při spuštění zařízení často selžou pojistky nebo se vypnou jističe.

Pro snížení lineárního napětí ve vinutí statoru se aktivně používají různá přídavná zařízení, například autotransformátory, reostaty atd. V důsledku toho se dosáhne snížení napětí více než 1,7krát. Po úspěšném nastartování motoru se frekvence začne postupně zvyšovat a proud klesá. Použití reléového kontaktního obvodu v takové situaci umožňuje přepínat zapojení hvězda-trojúhelník elektromotoru. V této situaci je zajištěn co nejhladší start pohonné jednotky.

Kombinovaný obvod však nelze použít, pokud je nutné snížit rozběhový proud, ale zároveň je potřeba velký kroutící moment. V tomto případě byste měli použít elektromotor s vinutým rotorem vybaveným reostatem.

Pokud mluvíme o výhodách kombinace dvou způsobů připojení, můžeme si všimnout dvou:

• Díky plynulému rozběhu se zvyšuje životnost.
• Můžete vytvořit dvě úrovně výkonu jednotky.

Dnes jsou nejrozšířenější elektromotory určené pro provoz v sítích 220 a 380 voltů. Na tom závisí výběr schématu zapojení. Proto se doporučuje používat „trojúhelník“ při napětí 220 V a „hvězda“ při 380 V.