نوشته‌ها

سیم بندی ستاره مثلث

یکی از موضوع های بسیار مهم الکتریکی در مهندسی برق نحوه ی راه اندازی الکتروموتور می باشد. الکتروموتور ها هنگام راه اندازی جریان بسیار بالایی ( چند برابر جریان نامی ) را از مدار می کشند که دلیل آن بالا بودن گشتاور راه اندازی می باشد. حال این جریان زیاد می تواند به مدار صدمه و از طرفی به موجب ضربه به الکترورموتور شده که ممکن است استهلاک الکتروموتور و بار (Load) را بالا ببرد .

انواع روش های کاهش جریان

برای کاهش جریان راه اندازی در صنعت از روش هایی استفاده می شود که عبارت اند از :

۱- روش مستقیم

جریان استارت تا ۸ برابر جریان نامی افزایش می یابد که برای مدار تامین جریان که قرار است در جریان نامی الکتروموتور کار کند بسیار مضر است.

۲- اتصال ستاره مثلث

شوک ستاره به مثلث ۵ تا ۶ برابر جریان نامی می باشد

۳- با سافت استارتر

جریان استارت ۲ تا ۳ برابر جریان نامی که امروزه با وجود اینورتر ها کمتر مورد استفاده قرار میگیرد.

۴- با استفاده از اینورتر

جریان استارت حداکثر به ۱/۱ جریان نامی کاهش می یابد که بهترین روش راه اندازی الکتروموتور بوده و در هنگام کارکرد با ساپورت جریانی و ولتاژی مناسب می تواند موتور را با فرکانس دلخواه راه اندازی کرده و در شرایط نامی و حالت پایدار نگهدارد که موجب صرفه جویی در میزان مصرف برق نیز می شود.

دلیل استفاده از روش ستاره-مثلث

روش ستاره مثلث یکی از راه حل ها و همچنین روش های قدیمی صنعتی بوده که هنوز از آن در بخش های صنعتی به دلیل هزینه ی پایین استفاده می گردد . در این روش به دلیل پایین بودن گشتاور راه اندازی می تواند جریان راه اندازی را حد قابل توجهی کاهش دهد که می توان از صدمات مدار تامین جریان و صدمات گشتاور بالا به الکتروموتور تا حدی جلو گیری کرد .
در این بخش می خواهیم به شرح کامل مدار ها و نحوه ی راه اندازی ستاره مثلث بپردازیم.

نحوه اتصال ستاره مثلث

برای چگونگی جریان ستاره و مثلث به شکل های زیر توجه فرمائید :

نحوه ی سیم بندی اتصال ستاره و مثلث در تخته کلمپ الکتروموتور ها متفاوت میباشد.

همانطور که مشاهده می شود در اتصال ستاره طرف های دوم هر سه گروه سیم پیچ یعنی U2 , V2 , W2 به یکدیگر متصل شده اند ولی در اتصال مثلث U1  به W2 و V1 به U2 و  W1 به V2 متصل شده  است .این کار توسط حداقل ۳ کنتاکتور و یک تایمر به راحتی قابل انجام می باشد.

در حقیقت این نوع مدار ابتدا موتور را در آرایش ستاره راه اندازی کرده سپس بعد از پایدار شدن الکتروموتور آن را به اتصال مثلث انتقال می دهد که ممکن است با یک شوک الکتریکی همراه باشد.

 

چگونه ستاره یا مثلث بودن الکتروموتور را تشخیص دهیم ؟

این موضوع از بررسی کردن تخته کلمپ الکتروموتور به سادگی قابل تشخیص است اگر پایه های U2, V2 , W2 به یک دیگر توسط ۲ تیغه ی مسی جامپر شده باشند، این اتصال ستاره می باشد ولی اگر تیغه های مسی روی تخته کلمپ به صورت موازی جامپر شده باشند این آرایش به صورت مثلث شکل گرفته است.

فرمول های مدار ستاره مثلث

در اتصال ستاره، ولتاژ تغذیه یا ولتاژ خط ۳√ برابر ولتاژ فاز است. اما جریان خط و جریان فاز با هم برابرند. در اتصال مثلث ولتاژ خط با فاز برابر است اما جریان خط ۳√ برابر جریان فاز است. اگر امپدانس هسته را برابر Z در نظر بگیریم خواهیم دید که جریان فاز در اتصال ستاره ۳۳ درصد جریان فاز در اتصال مثلث است. در نتیجه با اتصال ستاره، موتور با جریان کمتری راه اندازی می شود و گشتاور راه اندازی موتور نیز کاهش می یابد.

راه اندازی ستاره-مثلث

اگر بخواهیم به تعریف عبارت ستاره-مثلث بپردازیم باید به تعریف راه اندازی الکتروموتور ها متذکر شویم که این موضوع در اوایل این بخش تماما توضیح داده شد .

ستاره-مثلث یک روش راه اندازی الکتروموتور ها می باشد که موتور از طریق آرایش ستاره ( که گشتاور راه اندازی آن از مثلث کمتر است) راه اندازی شده  و بعد از مدتی که موتور به حالت پایدار رسید(به ۸۰ درصد سرعت نامی رسید ) توسط کلید یا تایمر به حالت مثلث منتقل می شود.

با توجه به شکل زیر برای مدار قدرت سیستم های ستاره-مثلث باید از حداقل سه عدد کنتاکتور استفاده نمود که یکی از کنتاکتور ها ثابت بوده و برای سر های U1, V1 W1  موتور می باشد و کنتاکتور دوم مربوط به آرایش ستاره است که هنگام راه اندازی بسته می شود( در این زمان کنتاکتور مربوط به مثلث باز است ) هنگامی که موتور می خواهد از ستاره به مثلث تبدیل شود ( توسط کلید یا تایمر )  کنتاکتور ستاره باز شده و کنتاکتور مثلث بسته می شود و  U1  به W2 و V1 به U2 و  W1 به V2 متصل شده و آرایش مثلث کامل میشود.

نکته ی قابل توجه این است که کنتاکتور های ستاره  و مثلث هنگام تبدیل دقیقا در یک زمان عمل می کنند یعنی کنتاکتور ستاره باز شده و کنتاکتور مثلث در همان زمام بسته میشود.

راه اندازی به روش ستاره-مثلث به دو روش ممکن است :

  1. مدار فرمان ستاره-مثلث
  2. کلید ستاره-مثلث

بیشتر بخوانید: IGBT چیست؟

موتورهای قدرت پایین (کمتر از ۵٫۵ کیلووات، در شبکه ۴۰۰ ولتی) به دلیل داشتن جریان کشی کمتر را می توان مستقیما به شبکه وصل نمود اما الکتروموتور های با قدرت بالاتر به دلیل داشتن جریان راه اندازی زیاد (حدودا ۶ تا ۸ برابر جریان نامی ) را نمی توان مستقیما به شبکه وصل کرد و برای استارت حفاظت ها و روش های راه اندازی در نظر گرفت که همانطور که در پیش اشاره شد ستاره-مثلث یکی از این روش ها می باشد .

این روش برای الکتروموتور های بیشتر از سه فاز مورد استفاده قرار میگیرد.

هنگام راه اندازی آرایش الکتروموتور ستاره بوده و با توجه به فرمول های ذکر شده در بخش های قبلی می دانیم که در این حالت یک سوم توان مثلث را از شبکه دریافت میکند و راه اندازی صورت می گیرد و بعد از گذشت زمانی کلید ستاره-مثلث تحریک شده یا در مدار های اتوماتیک توسط تیغه ی تایمر آرایش سیم بندی به صورت مثلث شده و موتور با آرایش مثلث شروع به کار میکند که در این حالت به توان و جریان نامی خود دست پیدا میکند.

تجهیزات مدار فرمان و قدرت برای ستاره مثلث

برای طراحی مدار قدرت و فرمان راه انداز ستاره – مثلث از تجهیزاتی چون کنتاکتور، تایمر، شستی و فیوز یا کلید مینیاتوری استفاده می شود.

مدار های فرمان و قدرت سیم بندی ستاره مثلث بسیار روتین بوده و کافی است مدار ساده ای را دنبال کرده و اصول تابلوی سازی و سیم بندی بین اجزا را رعایت کنیم .

  • کنتاکتور ستاره-مثلث : کنتاکتور ها کلید های مغناطیسی بسیار پر کاربرد می باشند که در انواع سه فاز و تک فاز موجود می باشند ولی اکثرا نوع سه فاز آن مورد استفاده قرار میگیرد.

کنتاکتور های ۳ فاز در بیشتر موارد در مدار های قدرت قرار می گیرند و زمانی که بوبین آنها تغذیه شود کلید بسته شده و جریان مورد نیاز موتور یا هر وسیله ی دیگر را از خود عبور میدهد. این کلید از دو هسته به شکل E یا U که یکی ثابت و دیگری متحرک است تشکیل شده است که با یک فنر از هم جدا شده اند. روی هسته ی ثابت یک بوبین قرار دارد که هنگام برق دار شدن می تواند با وجود نیروی مغناطیسی بر نیروی فنر غلبه کند و قسمت هسته ی متحرک را به سمت خود بکشد و کلید بسته می شود.

کنتاکتور دارای تیغه ی کمکی هستند که از آنها در مدار فرمان استفاده می شود .
“در قسمت های قبلی نحوه ی عملکرد کنتاکتور های ستاره-مثلث را به صورت کامل بیان کردیم.”

کلید مینیاتوری:

کلید های مینیاتوری یکی از اجزا بسیار مهم و حفاظتی شبکه هستند که تمامی مدار ما را از خطا های اتصال کوتاه و اضافه بار حفظ میکنند ، و عواملی که موجب این دو خطا می شوند شامل خرابی در یکی از اجزا مدار ، آتش سوزی ، برق گرفتگی و … هستند .

کلید های مینیاتوری در کلاس های مختلف و همچنین جریان های مختلف به صورت سه فاز و تک فاز موجود می باشند .

تایمر :

تایمر ها یکی از وسایل بسیار مهم کنترلی در تابلو و اتوماسیون صنعتی هستند که طبق مدت تعیین شده در آنها کلید زنی اتفاق افتاده و فرمان کنترلی توسط تیغه صادر میشود. برای مثال در موضوع راه اندازی ستاره- مثلث از تایمر استافده می شود یعنی بعد از راه اندازی موتور با آرایش ستاره با گذشت زمان تعیین شده تایمر سوئیچ کرده و کنتاکتور ستاره را باز شده و کنتاکتور مثلث با تغذیه شدن بوبین بسته می شود و الکتروموتور با آرایش مثلث و توان نامی به کار خود ادامه میدهد.

بی متال :

بی متال یکی از رله های خفاظتی به شما می رود که از الکتروموتور در مقابل اضافه بار محافظت می کند و در صورت جریان کشی بیش از حد نرمال الکتروموتور مدار فرمان را قطع کرده و الکتروموتور نیز به طبع آن از مدار خارج می شود .

عمل کرد این رله با تاخیر همراه بوده و همچنین می توان جریان مورد نظر را روی آن تنظیم نمود .

شستی:

شستی ها برای پروسه ی سوئیچی از ساده ترین اجزا اتوماسیون صنعتی می باشد که کابرد بسیار ساده برای استپ و استارت و همچنین سوئیچ کردن مدار فرمان به کار می رود . جنس بدنه و قسمت های مختلف پوش باتن معمولاً از پلاستیک یا فلز یا باکالیت مقاوم و سخت ساخته می شود .

نقشه مدار ستاره مثلث

همانطور که مشاهده شد در قسمت های قبل به اجزای مدار ستاره-مثلث پرداختیم ، حالا می توانیم نقشه ی ستاره-مثلث را بررسی کنیم. در سیم بندی یک موتور سه فاز ابتدای سیم بندی فازهای مختلف را با حروف U, V ,W و انتهای سیم بندی فازها را با حروف X و Y و Z نشان می دهند . همانطور که گفته شد در راه اندازی موتور سه فاز به روش ستاره – مثلث و از طریق مدار فرمان، به سه کنتاکتور نیاز است؛ یک کنتاکتور برای برق نرمال شهر، یکی برای اتصال مثلث و یک کنتاکتور دیگر برای اتصال ستاره.

در حالت ستاره، برای درست کردن نقطه ستاره، باید سه انتهای سیم بندی فازها، یعنی X و Y و Z به کمک یک کنتاکتور به یکدیگر وصل شوند و در ادامه ابتدای سیم بندی فازها یعنی U, V ,W به کمک کنتاکتور دیگری به شبکه (L1 و L2 و L3) اتصال یابند.

برای اتصال سیم بندی موتور به صورت مثلث باید به کمک یک کنتاکتور دیگر، ابتدای سیم بندی هر فاز به انتهای سیم بندی فاز بعدی وصل شود و همانند حالت ستاره و به کمک کنتاکتور دیگری، ابتدای سیم بندی فازها به شبکه متصل می شوند.

همانطور که در قسمت های قبل توضیح داده شد به طور کلی برای اتصال سیم بندی موتور به صورت ستاره و مثلث به سه کنتاکتور نیاز است. که یک کنتاکتور برای وصل سرها به شبکه در هر دو اتصال مشترک است.

استاندارد کابل شبکه

همانطور که در شکل زیر می بینید، در راه انداز ستاره مثلث سه فاز تغذیه به کنتاکتور اصلی می رود و به سه ترمینال ورودی موتور یعنی U1,V1 و W1 در جعبه ترمینال وصل می شود از طرف دیگر کنتاکتور مربوط به مثلث یا ستاره وصل میشود . یک طرف کنتاکتور مثلث به سه فار ورودی وصل شده است و طرف دیگر آن به سر های دوم موتور یعنی  U2 , V2 , W2  متصل شده است ولی در کنتاکتور ستاره نیست یک طرف آن به به سر های دوم موتور یعنی  U2 , V2 , W2  متصل شده و طرف دیگر این سه کنتاکت را به یکدیگر جامپر کرده است . در تابلو های فرمان روش برای پیدا کردن کنتاکتور ستاره فقط کافی است ببنیم کدام کنتاکتور یک طرفش به هم جامپر شده است .

نکته

باید به این نکته توجه داشت که  هر الکتروموتور سه فازی را نمی توان با اتصال مثلث راه اندازی کرد، پس باید توجه داشت که روش ستاره-مثلث برای الکتروموتورهایی به کار می رود که ولتاژ شبکه برای هر سیم پیچ هر فازش حساب شده باشد. در شبکه برق ایران در صورتی یک الکتروموتور می تواند مثلث کار کند که روی پلاکش  Δ / Y   را برای ولتاژ ۴۰۰/۶۶۰ در نظر گرفته شده باشد.

معمولاً بر روی پلاک، دو ولتاژ به صورت  ۲۳۰/۴۰۰ و یا ۴۰۰/۶۶۰ و … درج شده است . معمولا در اکثر موارد عدد کوچک تر بیانگر ولتاژ مربوط به آرایش مثلث و عدد بزرگ تر مربوط به آرایش ستاره می باشد . که در ایران موتور هایی با ولتاژ  ۲۳۰/۴۰۰ با آرایش ستاره و ولتاژ ۴۰۰/۶۶۰ با آرایش مثلث به کار خود در شرایط پایدار نامی ادامه می دهد.

نکاتی که باید در مورد استفاده از روش ستاره-مثلث مورد  توجه قرار گیرد

  • همه ی موتور های آسنکرون را نمی توان از طریق ستاره-مثلث راه اندازی کرد .
  • یکی از مسائل مهمی که باید قبل از راه اندازی به آن توجه کرد ، چک کردن پلاک الکتروموتور می باشد که ولتاژ نامی آرایش مثلث با ولتاژ خط یکی باشد یا همخوانی داشته باشد ، مثلا در ایران فقط موتور هایی با ولتاژ نامی ۴۰۰/۶۶۰ برای آرایش های Δ / Y را می توان به صورت ستاره=مثلث راه اندازی نمود
  • یکی دیگر از مسائل بسیار مهم در این روش راه اندازی این است که موتوری که با روش ستاره-مثلث راه اندازی می شود هیچگاه نباید در آرایش ستاره در بار نامی قرار بگیرد یعنی نباید در شرایط پایدار در حالت ستاره به کار بگیرد بلکه باید راه اندازی به آرایش مثلث تبدیل بشود .

 

انواع مدار های ستاره-مثلث

همانطور که در پیش تر ذکر شد روش راه اندازی ستاره-مثلث دارای مدار قدرت و قرمان ساده ای است که اصول معینی دارد ولی می توان مجموعه ای از راهکار ها با تغیرات کوچک در مدار فرمان و قدرت ایجاد نمود تا کار تکنسین برق ساده تر گردد .

حال می خواهیم در این قسمت به انواع مدار ستاره-مثلث اشاره داشته باشیم تا این راهکارها مشخص گردند.

 

  • مدار ستاره-مثلث دستی: مدار فرمان ستاره مثلث را هم می توان به صورت دستی و هم به صورت اتوماتیک طراحی نمود. در مدار فرمان دستی از یک شستی ساده یا دوبل برای قطع کنتاکتور ستاره و وصل کنتاکتور مثلث استفاده می شود و در مدار فرمان اتوماتیک این وظیفه بر عهده یک تایمر است .

هنگام تحریک شستی استارت در مدار فرمان اتوماتیک ابتدا باید کنتاکتور ستاره ساز K1M وارد مدار شود و سپس تیغه باز آن (K1) که بر سر راه کنتاکتور شبکه K2M قرار دارد، مانند یک شستی استارت عمل کرده، باعث وصل کنتاکتور شبکه (K2M) می شود.

حال با سوئیچ S2 می توان بین حالت ستاره و مثلث سوئیچ ایجاد کرده و ستاره را به آرایش مثلث تبدیل کنیم.

با فشار بر شستی استارت در مدار فرمان اتوماتیک ابتدا باید کنتاکتور ستاره ساز K۱M وارد مدار شود و سپس تیغه باز آن (K1) که بر سر راه کنتاکتور شبکه K۲M قرار دارد، مانند یک شستی استارت عمل کرده، باعث وصل کنتاکتور شبکه (K2M) می شود.

مدار ستاره مثلث اتوماتیک

مدار قدرت ستاره مثلث که در شکل زیر مشاهده میشود به صورت اتوماتیک می باشد یعنی ، همانطور که در شکل مدار فرمام می بینید از شستی S2 استفاده نشده است. بلکه تیغه بسته تایمر KT1 این عمل را انجام می دهد. یعنی با استارت توسط شستی S1 ابتدا علاوه بر کنتاکتور حالت ستاره کنتاکتور اصلی و بوبین تایمر هم برق دار می شوند. پس از زمان تنظیمی بر روی تایمر، تایمر عمل کرده و باعث قطع مسیر عبور جریان عادی برای کنتاکتور K2 می شود که با قطع بوبین K2 تیغه باز K2 نیز باز شده و به حالت عادی بر می گردد. در نتیجه هیچ جریانی به کنتاکتور K2 و تایمر نمی رسد و تنها کنتاکتور K1 و K3 برق دار هستند و موتور به حالت مثلث رفته، از آنجا که تیغه بسته آن در مسیر کنتاکتور K2 بوده و مسیر عبور جریان کنتاکتور K2 باز است با تحریک S1 هیچ موتوری به حالت ستاره نمی رود و این خواسته ماست و قطع کامل مدار توسط S0 صورت می گیرد.

مدار ستاره مثلث چپ گرد راست گرد اتوماتیک و دستی

همانطور که می دانیم برای تعویض جهت دور موتور باید دو فاز از تغذیه ی آن را با یکدیگر جابجا نمود.
بنابراین مدار قدرت در این حالت تفاوت چندانی با مدار ستاره-مثلث معمولی ندارد، با این تفاوت که در ابتدای مدار فرمان از کنتاکتور دیگری نیز برای تعویض جای دو فاز و در نتیجه تعویض جهت چرخش موتور استفاده می شود. شماره های ۳۱ تا ۳۴ که در مدار قدرت مشاهده می شوند، شماره مسیرهای جریان مختلف در مدار قدرت هستند هر سه فاز یک شماره می گیرند).

برای آنکه از اتصال کوتاه دو فاز در بخش راست گرد و چپ گرد صورت نگیرد، کنتاکت بسته ای از کنتاکتور KL1 بر سر راه کنتاکتور KL۲ در مسیر ۳ و کنتاکت بسته ای از کنتاکتور KL۲ بر سر راه کنتاکتور KL۱ در مسیر ۱ قرار می گیرد. همچنین برای جلوگیری از خطای  اتصال کوتاه سه فاز در بخش ستاره مثلث باید کنتاکت بسته ای از کنتاکتور ستاره ساز بر سر راه کنتاکتور مثلث ساز در مسیر ۶ و کنتاکت بسته ای از کنتاکتور مثلث ساز بر سر راه کنتاکتور ستاره ساز در مسیر ۵ قرار گیرد.

در حالت اتوماتیک، تایمر K۱۲ وظیفه دارد تا مانند یک شستی استپ عمل نماید و پس از سپری شدن یک زمان مشخص، کنتاکتور ستاره ساز را از مدار خارج کند تا در همان زمان شرایط برای ورود کنتاکتور مثلث ساز فراهم شود.

اینورتر دلتا

کلید های ستاره-مثلث

یکی از راه هایی که می توان توسط آن مدار های ستاره-مثلث را به صورت اقتصادی تر پیاده کرد استفاده از کلید ستاره-مثلث یا (Star-delta Switch) می باشد. کلید ستاره مثلث ساده معمولا در دو نوع غلتکی و زبانه ای موجود می باشد. این کلید ابتدا به صورت ستاره الکتروموتور را راه اندازی میکند. پس از رسیدن موتور به سرعت نرمال خود ، با تغییر حالت کلید، سیم پیچ های موتور را به حالت مثلث در شبکه قرار می دهد. بنابراین طبق شکل زیر  کلید دارای سه حالت معمولی، ستاره و مثلث است.

کلیدستاره مثلث دو نوع کنترلی و قدرت دارد. خروجی کلید ستاره مثلث کنترلی به سه کنتاکتور وصل می شود و با استفاده از کنتاکتورها کار می کند اما دیگر به تایمر و مدار فرمان احتیاجی نیست. اگر از کلید قدرت استفاده شود نیاز به کنتاکتور نیست و کنترل مدار به طور کامل توسط این کلید انجام می شود.

در کلید های ستاره-مثلث ۹ عدد کنتاکت وجود دارد . کنتاکت ۲،۹،۱۴ برای سه فاز ورودی (L1,L2,L3) ، کنتاکت ۳،۶،۱۵ برای (U1,V1,W1) و کنتاکت های ۷،۱۲،۸ برای (U2,V2,W2) استفاده می شود.

اتصال مستقیم یک موتور سه فاز به شبکه با استفاده از کلید زبانه ای

برای اتصال این کلید به الکتروموتور های سه فاز پس از متصل کردن ورودی های مربوطه ۶ ترمینال تخته کلمپ را به U,V,W,X,Y,Z متصل می نماییم.

کلید های ستاره-مثلث را برای الکتروموتور هایی می توان به کار برد که سیم پیچ های آنها برای ولتاژخط شبکه طراحی شده باشند، به عبارت دیگر ولتاژ مجاز سیم پیچ هر فاز آن ها برابر با ولتاژ خط شبکه باشد. در صورتی که ولتاژ خط شبکه ۴۰۰ ولت باشد، بر روی پلاک موتور معمولاً عبارت Δ۴۰۰ یا ۴۰۰/۶۶۰ نوشته می شود (عدد کمتر همواره حداکثر ولتاژ مجاز سیم پیچ هر فاز را نشان می دهد).