Dlaczego układ trójfazowy nazywamy siłą? – cz.2

W części pierwszej skupiłem się na omówieniu podstawowych różnic pomiędzy poszczególnymi fazami w układzie trójfazowym oraz wyjaśnieniu skąd w gniazdach trójfazowych bierze się napięcie 400V.
Pora pójść o krok dalej i zastanowić się co z tego układu możemy tak naprawdę wycisnąć:

• Podstawowa zasada działania silnika trójfazowego
• Połączenie silnika w „gwiazdę”
• Suma wszystkich… napięć i prądów
• Połączenie silnika w „trójkąt”

Zasada działania silnika trójfazowego

Żeby zrozumieć ideę trójfazowego zasilania w praktycznym zastosowaniu, trzeba mieć jako takie pojęcie o działaniu silnika trójfazowego. Liźniemy zatem o co w tym chodzi na podstawie najpopularniejszego w zastosowaniach przemysłowych i (prawdopodobnie) warsztatowych czyli silnika trójfazowego asynchronicznego klatkowego. 🙂
Potraktuj ten rozdział jako ciekawostkę i wstęp do tytułowego tematu artykułu.

Źródło: silnikielektryczne.prv.pl

Okej z naszego punktu widzenia warto wiedzieć o trzech podstawowych elementach silnika:

• Stojana – część nieruchoma silnika. W stojanie znajdują się tzw. uzwojenia czyli spory kawał izolowanego drutu ułożonego w specjalnie przygotowanego do tego szczelinach silnika zwanych żłobkami.
• Wirnika – część ruchoma silnika. Wirnik obraca się na skutek pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie w stojanie. Nie wchodzę w szczegóły, to nie jest artykuł o działaniu silników.
• Zaciski połączeniowe – w końcu jakoś trzeba zasilanie silnika podłączyć.

Źródło: silnikielektryczne.prv.pl

W silniku trójfazowym mamy trzy uzwojenia, współcześnie oznaczone literami U, V, W (kiedyś R, S, T). Nie są one w żaden sposób połączone między sobą, ani z wirnikiem (na rysunku widzisz jedynie połączenia tego samego uzwojenia po dwóch stronach wirnika).
Dobra, no to teraz pora na zasilenie tych uzwojeń. Jak wiemy, żeby popłynął prąd, trzeba do każdego uzwojenia podać po obu stronach potencjał elektryczny o różnych wartościach, dzięki czemu powstanie napięcie, które spowoduje przepływ prądu.

Źródło: silnikielektryczne.prv.pl

Z każdego końca uzwojenia wyprowadzamy zatem drut który kończymy zaciskiem. W sumie 6 zacisków do których jakoś musimy się podpiąć, zamknąć obwód i uzyskać „siłę” 🙂 .

Źródło: silnikielektryczne.prv.pl

Jeszcze mała dygresja, w rzeczywistości zaciski uzwojeń wyprowadzone są w nieco przesuniętej kolejności. Ma to związek z podłączeniem silnika w tzw. trójkąt. Opiszę to w ostatnim rozdziale, póki co tym faktem się nie przejmujemy.

Żeby zobrazować o czym mówimy, poniżej animacja obrotu silnika zgodnie z wielkością napięcia chwilowego podawanego na poszczególne uzwojenia.

Źródło: silnikielektryczne.prv.pl

Połączenie silnika w gwiazdę

Jak już wiemy skąd się wzięło 6 zacisków w silniku i co się pod nimi kryje, to przyszedł czas na ich podłączenie.
A więc mamy do dyspozycji 5 przewodów:

• 3x fazowe – L1, L2, L3
• 1x neutralny – N
• 1x ochronny – PE

Ochronny przewód podpinasz do obudowy silnika. Zostały 4 przewody i 6 zacisków 🙂 . I tu pojawia się pierwszy sposób podłączenia: „w gwiazdę”.

Tak, to wygląda jak gwiazda (choć mi się bardziej kojarzy z T-4A). Mamy tutaj trzy uzwojenia i 6 zacisków, z czego trzy zaciski łączymy ze sobą. W zasadzie lepiej będzie jak spojrzymy na ten rysunek po podłączeniu przewodów zasilających.

Zatem do każdego uzwojenia doprowadzamy inną fazę. Do obudowy silnika podłączamy przewód ochronny, żeby nie popieściło w razie czego. Natomiast od drugiej strony wszystkie uzwojenia łączą się w jednym punkcie, do którego doprowadzamy przewód neutralny, prawda?
To ostatnie zdanie nie jest do końca prawdziwe, ponieważ przewodu neutralnego często w ogóle się nie podpina do silnika.
Nasuwają się od razu pytania. Czy w punkcie połączenia się wszystkich napięć nie ma jakiegoś super zwarcia? I w ogóle to dokąd ten prąd płynie?
Na ostatnie pytanie odpowiedź brzmi: nigdzie… ale po kolei 🙂 .

Suma wszystkich…

…napięć

Dość ciekawą specyfiką przebiegu trójfazowego jest to, że suma potencjałów elektrycznych wszystkich trzech faz w każdej chwili jest równa 0V (oczywiście w warunkach idealnych, w rzeczywistości kilka, kilkanaście Voltów zawsze może się uzbierać).
Ale jak to – spytasz: 230V + 230V + 230V = 0V ?
No nie, nie mówimy teraz o wartości skutecznej, która jest sztucznym tworem, a o rzeczywistych przebiegach napięcia w każdym przewodzie fazowym L1, L2 i L3.

Zaznaczyłem na wykresie losowe punkty w czasie, za pomocą 3 pionowych linii:

• linia A (0,0014s):
  • ${U_{L1} = 138,38V}$
  • ${U_{L2} = -323,86V}$
  • ${U_{L3} = 185,48V}$

  ${U_{L1} + U_{L2} + U_{L3} = 138,38V – 323,86V + 185,48V = 0V}$

• linia B (0,006s):
  • ${U_{L1} = 309,09V}$
  • ${U_{L2} = -67,57V}$
  • ${U_{L3} = -241,52V}$

  ${U_{L1} + U_{L2} + U_{L3} = 309,09V – 67,57V – 241,52V = 0V}$

• linia C (0,011s):
  • ${U_{L1} = -100,43V}$
  • ${U_{L2} = 317,90V}$
  • ${U_{L3} = -217,47V}$

  ${U_{L1} + U_{L2} + U_{L3} = -100,43V + 317,90V -217,47V = 0V}$

Czyli ustalone. W punkcie neutralnym, gdzie spotykają się wszystkie 3 fazy, napięcie wynosi 0V czyli teoretycznie tyle samo ile ma przewód neutralny.

…prądów

No ale co z prądem? W końcu jednym uzwojeniem płynie prąd, drugim płynie prąd i trzecim płynie prąd. Spotykają się w jednym punkcie i co? I nic.
Uzwojenia w silniku są identyczne, także podczas normalnej pracy prąd w każdym z nich powinien mieć tą samą wartość skuteczną. A skoro tak to przebieg prądu w każdej fazie będzie identyczny, tylko nieco przesunięty…

Wartość prądu w danej chwili zależy od poziomu napięcia. Im większe napięcie tym większy prąd przepłynie i odwrotnie: im mniejsze napięcie tym mniejszy prąd. Zatem przebieg prądów jest bliźniaczo podobny do przebiegu napięć (jeśli uważnie czytasz bloga, możesz również wspomnieć o tzw. przesunięciu fazowym, o którym przeczytasz tutaj, ale dla wytłumaczenia sumowania prądów nie jest to istotne).

A skoro tak, to podobnie jak w przypadku napięcia, suma prądów w punkcie neutralnym wynosi 0A. Przykładowo tym razem wykonamy obliczenia dla jednego punktu w czasie 0.002s (pionowa przerywana linia na wykresie):

• ${I_{L1} = 5,88A}$
• ${I_{L2} = -9,95A}$
• ${I_{L3} = 4,07A}$

${I_{L1} + I_{L2} + I_{L3} = 5,88A – 9,95A + 4,07A = 0,00A}$

Powróćmy do naszej gwiazdy

Skoro potencjał jest 0V i prąd w tym punkcie nie płynie to nie potrzebujemy przewodu neutralnego. A więc pozostały nam 3 przewody fazowe i 6 zacisków czyli (składamy T-4A)…

Od strony pierwotnej (U1, V1, W1) podpinamy przewody fazowe zasilające, a zaciski od strony wtórnej (U2, V2, W2) łączymy ze sobą. Zaciski zakończeń uzwojeń z cyfrą 2 łączymy ze sobą za pomocą specjalnych blaszek. I gotowe.

Ostatecznie w ten sposób mamy silnik zasilony napięciem 3 x 230V (nie mylić z 690V). Nieźle, nie? Ale można lepiej…

Połączenie silnika w trójkąt

Skoro gwiazdę mamy załatwioną, pora na trójkąt. Ten sposób podłączenia wyciska pełną moc z układu trójfazowego. A wygląda właśnie tak:

Pierwsze co się rzuca w oczy to tylko 3 punkty przyłączeniowe i brak punktu neutralnego. Jak to być może? Podłączmy najpierw zasilanie do naszego trójkąta.

Czyli:

• Przewód fazowy L1 podłączamy jednocześnie do zacisku U1 i W2
• Przewód fazowy L2 podłączamy jednocześnie do zacisku V1 i U2
• Przewód fazowy L3 podłączamy jednocześnie do zacisku W1 i V2

Zerknijmy na to z innej strony:

Przy takim podłączeniu na każde uzwojenie podajemy napięcie na poziomie 400V.
W sumie 3 x 400V. Prawdziwa siła! 
Na tym tle urządzenia zasilane ze zwykłego gniazdka 1 x 230V wyglądają blado, prawda?

Żeby uczciwie zakończyć temat, weźmy na warsztat nasze kochane zaciski na silniku:

Jak widać na załączonym obrazku, za pomocą trzech blaszek łączymy ze sobą odpowiednie zaciski. Czy już widzisz dlaczego zaciski poszczególnych końców uzwojeń są nie są w jednej linii? Podsumowując, uzwojenie:

• U jest zasilone napięciem występującym pomiędzy L1, a L2
• V jest zasilone napięciem występującym pomiędzy L2, a L3
• W jest zasilone napięciem występującym pomiędzy L3, a L1

Trabelszuting czyli kilka luźnych faktów

1. Po co stosować połączenie w gwiazdę skoro, połączenie w trójkąt jest „lepsze”?
   Wszystko ma swoje zalety i wady. Po pierwsze silnik musi być zaprojektowany do pracy pod napięciem 400V w układzie trójkąta. Po drugie, połączenie w trójkąt pobiera przy rozruchu silnika 3x więcej prądu niż połączenie w gwiazdę przy tym samym napięciu, co może wykończyć niejeden bezpiecznik, a w rozdzielnicy z tego powodu mogą pojawić się spadki napięć.
2. Po co się stosuje przełącznik gwiazda – trójkąt?
   W zasadzie odpowiedziałem powyżej. W celu łagodniejszego rozruchu silnika i mniejszego obciążenia rozdzielnicy. Załączamy silnik w układzie gwiazdy, nabiera pewnej prędkości i po chwili przełączamy w trójkąt do uzyskania pełnej mocy. Jest to jeden ze sposobów uruchamiania silników, wada jest tego taka, że w układzie gwiazdy razem z prądem spada moment obrotowy silnika. Z tego powodu, tego typu rozruch przy mocno obciążonym silniku może zakończyć się fiaskiem.
3. Skąd mam wiedzieć, że mogę wybrać zasilanie w układzie gwiazdy lub trójkąta?
   Przeczytasz z tabliczki znamionowej silnika oczywiście (znajdziesz na niej oznaczenia Δ czyli trójkąt i/lub Y czyli gwiazda) . 🙂
   Ale uwaga! Samo to, że masz taką opcję do dyspozycji to nie wszystko, ważne jest też napięcie zasilania. Producenci na tabliczkach silników trójfazowych zawsze podają napięcie przewodowe czyli napięcie pomiędzy jednym a drugim przewodem fazowym. W warunkach domowych oznacza to, że musi być podane min. 400V bez względu na układ gwiazda czy trójkąt. Czyli przykładowo zapis:
   Δ230V / Y400V – oznacza, że bezpośrednio z domowej sieci zasilającej możesz jedynie podłączyć silnik w gwiazdę. Natomiast w układzie trójkąta nie da rady, ponieważ podajesz mu napięcie przewodowe 400V czyli dużo za dużo niż 230V co będzie katastrofalne w skutkach.
4. Czy mogę podłączyć przewody fazowe w niewłaściwej kolejności?
   Tak! Spowoduje to pracę silnika w złym kierunku, co może nie być korzystne dla urządzenia sprzężonego z tym silnikiem. W praktyce rozwiązuje się to poprzez podłączenie przewodów w dowolnej kolejności, załącza się silnik dosłownie na sekundę i obserwuje czy obroty są właściwe (w prawo) czy też nie (w lewo). Jeśli silnik kręci się w lewo, należy zamienić miejscami dwa dowolne przewody fazowe i będzie ok.

Podsumowanie

Tak po prawdzie, wydaje się, że tytułowa „siła” to nic innego jak potoczne określenie trójfazowego gniazda (ew. podłączenia trójfazowego silnika). Myślę jednak, że powyższe uzasadnienie ma również wiele z tym wspólnego.

Fakt pozostaje, że pomimo dwóch artykułów, przez niektóre tematy (działanie silnika, sposoby rozruchu silników i problemy z tym związane) prześliznąłem się jak węgorz z uchwytu rybaka. O działaniu silników poczytasz więcej choćby na stronie z której zaczerpnąłem kilka rysunków powyżej. Pozostałe tematy na pewno są rozwoje z punktu widzenia bloga 🙂 .

W obu artykułach otrzymałeś jednak kąsek solidnej,  podstawowej wiedzy, pomagającej zrozumieć co takiego w tych trójfazowych drutach się dzieje.
Pytanie jednak do Ciebie, czy jesteś usatysfakcjonowany z odpowiedzi na tytułowe pytanie? Może jest coś co nie daje Ci spokoju? Nie krępuj się i pytaj pod spodem 🙂 .