Vlastnosti spojení hvězda a trojúhelník v elektromotoru: informační článek od společnosti Polymernagrev

Elektromotory se používají v široké řadě elektrických, elektronických, elektromechanických zařízení, což umožňuje usnadnit různé procesy, od výroby až po každodenní život. V zařízení plní elektromotory úkol otáčet nebo pohybovat něčím.

Kde se používají elektromotory?

Elektromotory se používají v automatizovaných výrobních linkách, CNC strojích, robotech a robotických instalacích a elektrických vozidlech.

druhy

Podle druhu použité energie se elektromotory dělí do 2 kategorií: stejnosměrný proud a střídavý proud.

AC motory se zase dělí na jednofázové a třífázové.

První jmenované jsou široce používány tam, kde není vyžadován vysoký výkon – jedná se zejména o vybavení domácností a pomocná zařízení v průmyslu. Posledně jmenované jsou vhodné pro použití tam, kde je vyžadován větší výkon pro otáčení výkonných pohonů obráběcích strojů, průmyslových ventilátorů, dopravníkových linek atd.

DC motory široce používané v průmyslových pohonech, kde je vyžadována přesná regulace rychlosti (automobilový průmysl, jeřábová zařízení a veřejná doprava, v různých průmyslových odvětvích, při konstrukci trakčních motorů a kancelářské techniky, ruční elektrické nářadí).

V rámci každé kategorie jsou motory konstrukčně rozděleny na další 2 typy: kartáčové a bezkomutátorové, nebo se jim také říká kartáčované a bezkomutátorové motory, což znamená totéž.

U kartáčovaných motorů je k jeho provozu přiváděn elektrický proud do rotoru přes speciální kartáče.

Bezkomutátorový motor funguje díky elektromagnetickému poli, které se mění podle určitého algoritmu, který je řízen speciálním regulátorem. Nejsou v něm žádné štětce.

Později v článku se blíže podíváme na jejich konstrukci, vlastnosti, výhody a nevýhody, založené na stejnosměrných motorech.

Princip činnosti a konstrukce motoru kartáče

Konstrukce kartáčovaných motorů je poměrně jednoduchá, skládají se z:

Rotor nebo armatury jsou rotující části, které přeměňují elektrickou energii na mechanickou energii;

stator, pevně upevněný v pouzdře a představující buď permanentní magnet nebo budicí vinutí. Je zdrojem konstantního magnetického pole, které způsobuje rotaci rotoru. Konstrukce statoru se může lišit v závislosti na typu stejnosměrného motoru. Stejnosměrný motor s budícím vinutím na statoru je tvořen jádrem z ocelových plátů. Pokud je motor vyroben s permanentními magnety, pak je na statoru umístěn permanentní magnet, který vytváří magnetické pole motoru.

Sběratel (vypínač) – několik kovových desek umístěných radiálně podél povrchu hřídele vzájemně rovnoběžně, aniž by se dotýkaly. Když se motor otáčí, proud vstupuje do obvodu odpovídajícího desce vinutí. Umožňuje v případě potřeby změnit směr otáčení.

Štětce se používají k přenosu napětí do vinutí. Přicházejí do kontaktu s kolektorovými deskami. Obvykle jsou dva nebo čtyři. Kartáče se vyrábí z různých materiálů, které mají své výhody i nevýhody: měď-grafit, uhlík-grafit, grafit, kov.

Rotor s vinutím a kolektorem jsou uloženy na hřídeli neseném pro ložiska, které jsou instalovány v bočních přírubách pouzdra. Ložiska mohou být dvou typů: válečková a kluzná.

Корпус – jedná se o nosnou konstrukci pro všechny prvky elektromotoru. Navíc plní roli vnějšího pláště, který chrání motor před nečistotami, vlhkostí, prachem a různými mechanickými vlivy.

Konstrukce bezkomutátorových motorů závisí na:

• Typ vinutí: klasický – verze s vinutím na ocelové jádro, rozšířené – duté vinutí bez ocelového jádra; tištěné vinutí plochého nebo válcového provedení. Ve vinutí mohou být také použity dráty různých tlouštěk a vzor vinutí může být také odlišný. Kvůli tomu se vyrábí motory, které pracují při různých jmenovitých napětích a proudech. Vinutí mají také různou teplotní odolnost v závislosti na potřebách aplikace.
• Materiál magnetu: V elektromotorech byla v průběhu dlouhé historie používána široká škála materiálů, ale v současnosti jsou nejběžněji používanými materiály ve vysoce výkonných malých motorech s permanentními magnety NdFeB kvůli svému vysokému výkonu a SmCo kvůli jeho vysoké provozní teplotě.
• Typy kartáčků: nejčastěji používané jsou grafitové (používají se pro vysoké proudy a časté starty, jsou však zdrojem silného elektromagnetického šumu) nebo kovové (používají se pro nízké proudy a malé změny rychlosti otáčení, přičemž vydávají malé množství hluku) .

Princip činnosti kartáčovaného motoru je poměrně jednoduchý. Když je proud přiváděn do vinutí rotoru přes kolektor, změní se na magnet. Jeho póly začnou odpuzovat póly permanentního magnetu statoru a rotor se začne otáčet. Rychlost a točivý moment hřídele motoru budou záviset na síle elektromagnetického pole kolem cívky rotoru.

Výhody kartáčovaného motoru

• Díky jednoduchému designu zařízení vydrží déle. Opotřebení kartáčů lze ignorovat, protože jsou levné a snadno se mění.
• Snadné ovládání. K nastartování motoru stačí přivést napětí na vinutí.
• V motoru nejsou žádné elektronické prvky, což umožňuje jejich použití v náročných klimatických podmínkách i při silném záření.
• Nízké náklady. Vzhledem k jednoduchosti designu jsou mnohem levnější než jejich bezkartáčové protějšky.

Nevýhody kartáčovaných motorů

• Nízká účinnost, asi 60%. Proto je výkon nižší než u bezkomutátorových motorů.
• Kartáče se při maximálních otáčkách motoru rychle opotřebovávají.
• Omezení rychlosti otáčení. To je způsobeno skutečností, že kartáče v kontaktu s deskami komutátoru začnou jiskřit při rychlém otáčení hřídele. Přípustná rychlost otáčení kartáčů závisí na materiálu, ze kterého jsou vyrobeny.

Konstrukce a princip činnosti bezkomutátorového motoru

Bezkomutátorový motor má také rotor a stator, ale nemá komutátor ani kartáče. Tyto prvky nahrazují Hallův snímač, který měří úhlovou polohu rotoru a regulátoru, který vytváří požadovaný točivý moment a otáčky.

Princip činnosti bezkomutátorového motoru je založen na fyzikálních vlastnostech elektromagnetické indukce. Elektrická energie se v důsledku změn polarity magnetického pole přeměňuje na energii mechanickou. Na statoru je tedy často třífázové vinutí. Rotor je vybaven permanentním magnetem se dvěma nebo více páry pólů. Systém třífázového napětí přivedený na vinutí statoru vytváří rotující magnetické pole, které při interakci s permanentním magnetem na rotoru jej uvádí do pohybu.

Rotor se postupně otáčí a spolu s ním se otáčí vektor jeho magnetického pole směrem k magnetickému poli statoru. Tento směr je sledován řídicí elektronikou (snímač polohy rotoru) a mění napětí vinutí statoru tak, aby se jeho magnetické pole otáčelo před magnetickým polem rotoru.

Stojí za to věnovat pozornost skutečnosti, že bezkomutátorové motory jsou synchronní a asynchronní. U synchronního elektromotoru se rychlost otáčení elektromagnetického pole shoduje s rychlostí otáčení rotoru. Jedna otáčka se rovná jednomu průchodu proudu dráty cívky. U asynchronních motorů je frekvence toku proudu vyšší, z tohoto důvodu se hřídel s rotorem otáčí pomaleji.

Výhody bezkomutátorových motorů

• Bezkomutátorový motor nejiskří, nedře a nešpiní se v důsledku zničení kartáčů. A v důsledku toho větší spolehlivost a méně problémů, vč. s obsluhou.
• Dokáže pracovat ve výrazně vyšších rychlostech a akcelerovat mnohem rychleji. Rychlost může dosáhnout několika set tisíc otáček za minutu.
• Účinnost dosahuje až 90 %, což znamená úsporu energie a času.
• Mají schopnost nastavit rychlost a točivý moment v poměrně širokém rozsahu.
• Relativně nízký vybíjecí proud prodlužuje životnost baterie.
• Kompaktní velikost, nižší hmotnost.

Nevýhody bezkomutátorových motorů

• Řídicí obvod motoru je poměrně složitý, protože roli kolektoru vykonává externí regulátor.
• Přítomnost složité elektroniky, jako je Hallův senzor, činí motor zranitelnějším vůči vlivu drsných okolních faktorů: ionizující záření, velmi nízké nebo vysoké teploty,
• Dražší. Ve srovnání s druhým typem jsou dražší při uvažování stejné značky a podobných vlastností.
• Přestože je konstrukce spolehlivá, stále může dojít k poruchám. Bezkomutátorové motory se opravují mnohem obtížněji, i když záleží na tom, co přesně se pokazilo.

Porovnání kartáčovaných a střídavých motorů

Hlavní rozdíl mezi kartáčovými a bezkomutátorovými motory je uveden v tabulce:

Parametry pro srovnání	Motor kartáče	bezkartáčový motor
prvky	Dostupnost kartáčů a komutátoru	Nejsou potřeba žádné kartáče ani komutátor
Účinnost	Nízká účinnost	Vysoký výkon
Kroutící moment pro jeden napájecí zdroj	nízký	vysoký
Zvuky	Vysoká úroveň elektrického a mechanického hluku	Nízká úroveň elektrického a mechanického hluku
Stát	Relativně nízko	Relativně vysoká
Ovladač	Pro přepínání směru otáčení a ovládání rychlosti není potřeba žádný další ovladač	Pro přepínání směru otáčení a ovládání rychlosti je zapotřebí přídavný ovladač
Životnost	Méně bezproblémový provoz díky přítomnosti kartáčů	Delší bezproblémový provoz díky absenci kartáčů

Závěr

Každý typ motoru nachází své uplatnění v různých oblastech hospodářství, při výrobě domácí a speciální techniky a nářadí. Existuje zařízení, které není rozhodující pro vysoké rychlosti a vysokou hladinu hluku. V tomto případě lze k výrobě takových zařízení použít kartáčované motory.

Při výrobě lékařské techniky, vysoce přesných přístrojů nebo přístrojů vyžadujících vysoké otáčky hřídele je jistě nutné použít bezkomutátorové motory, a to i přes jejich vysokou cenu.

V moderním světě elektromotory hrají neuvěřitelně důležitou roli v různých průmyslových odvětvích. Jsou srdcem výrobních procesů, poskytují pohyb, výkon a efektivitu v různých systémech – od malých strojů po velké výrobní linky. Struktura elektromotorů může být složitá, ale jedním z nejběžnějších typů je třífázový elektromotor. Význam třífázových elektromotorů v moderním světě nelze podceňovat. Poskytují vysokou úroveň účinnosti a spolehlivosti s minimálními náklady na údržbu. Při práci s těmito zařízeními je však třeba zvážit jeden z klíčových bodů správné připojení.

Existují dva hlavní typy schémat zapojení pro třífázové elektromotory: „Trojúhelník“ a „Hvězda“. V tomto článku se podíváme na rozdíly mezi připojením Delta a Star a vysvětlíme, jak vybrat správnou možnost na základě vašich konkrétních výrobních potřeb. Začněme základy.

Co jsou „trojúhelník“ a „hvězda“?

Třífázové motory mají tři nezávislá vinutí. Stator motoru drží všechna tři vinutí ve statorových drážkách. Tato vinutí jsou vzájemně elektricky posunuta o 120 stupňů. Nejjednodušší model třífázového asynchronního elektromotoru s rotorem nakrátko má pouze 3 vinutí. A přestože existují vysokorychlostní modely s větším počtem vinutí, jejich počet je vždy násobkem tří. Abychom vysvětlili rozdíly v použití různých schémat připojení, použijeme tento konkrétní typ motoru, protože je nejoblíbenější. Máme tedy tři vinutí, z nichž každé bude mít začátek a konec. A máme 3 nebo 4 napájecí vodiče pro třífázovou síť A ne každý chápe, jak správně připojit těchto 6 konců vinutí k napájecím vodičům. Pojďme na to přijít.

Hvězda a trojúhelník jsou dvě základní třífázové zapojení. Zapojení do hvězdy je 4vodičový systém a zapojení do trojúhelníku je 3vodičový systém. Obvody hvězda a trojúhelník se používají nejen pro elektromotory, ale i pro jakékoli jiné zátěže v třífázové síti, ať už se jedná o transformátory nebo topná tělesa. O vlastnostech připojení topných těles k dvoufázové a třífázové síti, stejně jako o obecném srovnání hvězdicových a trojúhelníkových zapojení, jsme již hovořili v našich předchozích článcích.

Schéma zapojení hvězdy

U tohoto typu zapojení jsou silové vodiče připojeny k začátkům vinutí (U1, V1, W1) a konce jsou spojeny dohromady v jednom bodě, který se také nazývá nulový vodič. K tomuto bodu lze připojit neutrální vodič, ale není to podmínkou, protože v tomto případě je zatížení symetrické.

V diagramu nebudete mít vždy přesný tvar hvězdy, nejčastěji se bude jednat o klasičtější znázornění, to by vás nemělo zmást.

Schéma zapojení trojúhelníku

V tomto obvodu jsou začátek jednoho a konec dalšího vinutí zapojeny do série, takže jsou uzavřeny v kruhu a získá se trojúhelník. Napájení je přiváděno do připojovacích bodů. V tomto případě není kam připojit neutrální vodič.

Podobně jako u zapojení ve tvaru hvězdy má také trojúhelník na schématu několik možností označení.
Pokud připojíme topná tělesa, tak není rozdíl, kde je začátek a konec, jednoduše se dodržuje logika obvodů a samotná topná tělesa lze připojit libovolnými kontakty.

Základní veličiny

Každý to ví v elektrických sítích existují dva typy napětí: fáze – 220 voltů a lineární – 380 voltů. K tomuto rozdílu napětí dochází v důsledku způsobu zapojení vinutí v napájecím transformátoru, který využívá zapojení do hvězdy. V tomto obvodu je mezi fází a neutrálem získáno napětí 220 voltů a mezi dvěma protilehlými fázemi 380 voltů. Je důležité pochopit, že toto pravidlo platí nejen pro napájecí síť, ale také pro distribuci napětí mezi různými spotřebiteli. Podívejme se blíže na to, jak jsou proudy a napětí distribuovány v zapojení vinutí do hvězdy. Jak již bylo uvedeno, v obvodu „hvězda“ existují dva typy napětí – fázové (označené jako Uph) a lineární (označené jako Ul) a souvisí následovně: Ul = 1,73 * Uph Podobně jsou proudy fázové a lineární a v hvězdicovém obvodu jsou stejné: Il = Iф V obvodu „trojúhelník“ je situace podobná, ale naopak – lineární napětí (Ul) a fázové napětí (Uph) jsou stejné, ale zároveň lineární proud překračuje fázový proud 1,73krát: Uл = Uф Iл = 1,73 * Iф

• Plná síla S = 3 * Sф = √3 * Ul * I;
• Aktivní výkon P = √3 * Ul * I * cos φ;
• Jalový výkon Q = √3 * Ul * I * sin φ.

Tyto vzorce pomáhají určit výkon v elektrických obvodech bez ohledu na zvolené schéma zapojení vinutí.

Praktická aplikace

Praktická aplikace schémat zapojení pro vinutí třífázových asynchronních motorů hraje důležitou roli pro elektrikáře pracující s elektrickými sítěmi s napětím 220/380 voltů. Podívejme se, jak vybrat správné schéma zapojení vinutí při připojení elektromotoru k takové síti.

Samotné třífázové asynchronní motory lze rozdělit do dvou velkých skupin: s možností změny schématu zapojení vinutí a bez ní.

V prvním případě je na svorkovnicích uvnitř elektromotoru 6 vodičů a v závislosti na napětí v elektrické síti, ke které je připojen, můžete zvolit požadované schéma zapojení vinutí. Vinutí elektromotorů lze zapojit do různých obvodů pomocí měděných tyčí nebo drátových propojek. Svorky na motoru jsou umístěny tak, že pomocí pouhých tří propojek můžete nakonfigurovat požadované schéma zapojení.

Je důležité zajistit, aby začátky a konce vinutí odpovídaly svorkám a také správná poloha propojek mezi svorkami, aby bylo možné vybrat požadované schéma zapojení – hvězda nebo trojúhelník.

Přestože by tyto informace měl znát každý elektrikář, výrobci si často tento úkol usnadňují tím, že na kryt umístí štítek s vyznačením pozic propojek pro každý okruh.

Propojka na svorkovnici pro schéma zapojení do hvězdy

Propojka na svorkovnici pro schéma zapojení trojúhelníku

Jaké schéma zvolit a které je lepší?

Výběr schématu zapojení pro vinutí třífázového motoru – hvězda nebo trojúhelník – závisí na napětí v elektrické síti. Je důležité pochopit, že schopnost změnit schéma zapojení vinutí je určena k přizpůsobení motoru různým elektrickým sítím s různým napětím.

Jaké schéma zvolit?

Otázka nemá jasnou odpověď, protože je nutné vybrat obvod s ohledem na jmenovité napětí v napájecí síti. Tyto informace jsou obvykle uvedeny na typovém štítku motoru.

Pokud je na typovém štítku uvedeno například „Δ/Y 220/380“, znamená to, že při lineárním napětí v napájecí síti 220 voltů by měla být vinutí zapojena do trojúhelníku a při 380 voltech do hvězdy. Pokud připojíte motor k jednofázové síti 220 V pomocí kondenzátorů, jsou vinutí také zapojena do trojúhelníku.

Pokud je na typovém štítku uvedeno pouze jedno napětí a symbol obvodu (například „Δ“ nebo „Y“), znamená to, že schéma zapojení vinutí není možné měnit a je nastaveno pevně.

Co když to smícháte?

Pokud si zaměníte schéma zapojení vinutí s hvězdou a trojúhelníkem, může to mít vážné důsledky. Podívejme se na to na příkladu.

Řekněme, že máme elektrickou síť s napětím 220/380 voltů a máme 3 žárovky se jmenovitým napětím 220 voltů. Pokud je správně zapojíme hvězdičkou, pak bude každá lampa napájena 220 Volty, což odpovídá jejich jmenovitému napětí. Nyní si představte, že jsme tyto lampy omylem spojili do trojúhelníku. V tomto případě bude na každou lampu přivedeno 380 voltů místo 220 voltů, což je zřetelně vyšší než jejich jmenovité napětí. V důsledku tohoto spojení mohou lampy vyhořet.

Stejně tak, pokud zaměníme schéma zapojení vinutí třífázového motoru a zapojíme jej nesprávně, například jej připojíme na 380 voltů místo 220 voltů, může to vést k poškození vinutí a motoru jako celku . Proto je správné připojení vinutí v souladu s napětím v elektrické síti rozhodující pro spolehlivý a bezpečný provoz elektrických zařízení.

Co se stane s mocí?

Pokud je obvod připojení vinutí přepnut z hvězdy do trojúhelníku, výkon spotřebovaný zátěží se zvýší 3krát, za předpokladu, že napájecí napětí a zátěž zůstanou nezměněny. Je to proto, že napětí na každé zátěži se zvyšuje faktorem 1.73, a proto se stejným faktorem zvyšuje i proud.

Udělejme přibližný výpočet pro lepší pochopení:

Řekněme, že jsme měli zatěžovací proud 1 Ampér v hvězdicovém obvodu. Potom bude celkový výkon ve hvězdě roven:

S = √3 * Ul * Il; S = 1.73 * 380 voltů * 1 ampér = 657.4 VA (volt-ampér).

V tomto případě je výkon jedné lampy 220 VA.

Nyní, pokud přepneme na trojúhelníkový obvod, bude každá lampa napájena napětím zvýšeným o 1.73 krát, tedy 380 voltů. V souladu s tím se proud procházející lampou (fázový proud) také zvýší o tento faktor. Stojí za zmínku, že lineární proud v hvězdicovém obvodu je již 1.73krát větší než fázový proud.

Nyní najdeme celkový výkon pro tři fáze v obvodu trojúhelníku:

S = √3 * Ul * Il = 1.73 * 380 voltů * (1.73 ampér * 1.73) = 1972 VA.

Na jednu lampu v trojúhelníkovém obvodu se tedy uvolní výkon rovný 657 voltampérům.

Je však důležité tomu rozumět to neznamená, že motor bude produkovat 3x větší výkon. Když je normálně napájen napětím odpovídajícím zvolenému obvodu (hvězda nebo trojúhelník), motor bude vyrábět svůj jmenovitý výkon, jak je uvedeno v technických specifikacích. Změna schématu zapojení vinutí ovlivňuje napětí a proud, ale nemění jmenovitý výkon motoru.

Svorkovnice motoru

Naše společnost „Polymernagrev“ nabízí spolehlivé a snadno použitelné tepelně odolné keramické svorkovnice pro elektromotory. Tyto bloky jsou navrženy tak, aby poskytovaly bezpečné a spolehlivé připojení motorů k elektrické síti.

Jednou z pohodlných možností, které nabízíme, je kompletní sada podložek s hardwarem a měděnými deskami. Tyto desky mají speciální použití: používají se ke konfiguraci schématu zapojení vašeho elektromotoru. V závislosti na požadavcích a napětí vaší elektrické sítě si můžete vybrat zapojení do hvězdy nebo trojúhelníku.

Tyto měděné desky se snadno instalují do bloků a zajišťují správné připojení vinutí motoru v souladu se zvoleným obvodem. To vám umožní vyladit váš elektromotor tak, aby běžel optimálně a bez problémů.

Snažíme se našim zákazníkům poskytovat jednoduchá a efektivní řešení a naše svorkovnice z měděných pásků jsou jedním z příkladů, jak vám práci s našimi zařízeními usnadňujeme a pružíme.