Вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле

Пульсирующее поле. При питании однофазной обмотки переменным током возникает магнитное поле, пульсирующее во времени с частотой изменения тока. В этом случае при синусоидальном распределении МДС (рис. 3.12) в каждой точке воздушного зазора, расположенной на расстоянии х от оси обмотки, действует МДС

F x = F 0 cos (πx/τ) = F m sin ωt cos (πx/τ),

Выражение (3.14) можно преобразовать к виду

F x = 0,5F m sin (ωt — πx/τ) + 0,5F m sin (ωt + πx/τ).

Каждый из членов правой части (3.13) представляет собой уравнение бегущей (или вращающейся) волны МДС. Следовательно, пульсирующее магнитное поле, синусоидально распределенное в пространстве, можно представить в виде суммы двух магнитных полей, вращающихся в противоположных направлениях (рис. 3.13). При этом бегущие волны МДС, создающие эти магнитные поля,

F’ x = 0,5F m sin (ωt — πx/τ); F» x = 0,5F m sin (ωt + πx/τ).

Рис. 3.12. Диаграмма распределения МДС в воздушном зазоре (а) и годографы пространственного вектора МДС (б, в)

Рис. 3.13. Вращающиеся магнитные поля однофазной обмотки

В каждом из этих полей максимальные значения МДС в различные моменты времени остаются неизменными. Следовательно, если каждое из этих полей представить в виде пространственного вектора МДС F (рис. 3.12,6), то конец его будет описывать окружность. Такое поле называют круговым.

В качестве положительного направления условно примем направление вращения бегущей волны МДС по часовой стрелке. Координату точки х, в которой МДС F’x максимальна и равна 0,5F m , можно получить, положив sin (ωt — πx/τ) = 1. При этом ωt — πx/τ = π/2, откуда

Следовательно, при увеличении угла ωt координата точки х перемещается в положительном направлении, т. е. МДС F’ x вращается по часовой стрелке, a F» x — против часовой стрелки. Линейная скорость перемещения бегущей волны МДС

u = dx/dt = ωτ/π = 2fτ

Следовательно, изменяя число полюсов электрической ма-шины 2р, можно получать различные частоты вращения магнитного поля.

Из (3.17) следует, что в многополюсной машине за один период изменения переменного тока магнитное поле поворачивается на пространственный угол 360°/р, соответствующий одной паре полюсов. Поэтому при рассмотрении электромагнитных процессов в электрических машинах вводят понятие «электрические градусы», с которыми оперируют при построении векторных диаграмм, проектировании обмоток и пр. При этом 360 временным градусам соответствует 360р электрических градуса, а электрические градусы имеют связь с геометрическими градусами в виде соотношения α° эл = рα° геом .

Круговое вращающееся поле при трехфазной обмотке. Если на статоре электрической машины расположить симметричную трехфазную обмотку (рис. 3.14), у которой оси фаз АХ, BY и CZ сдвинуты в пространстве на угол 120°, то при питании ее симметричным трехфазным током получим круговое вращающееся магнитное поле. На рис. 3.14 для простоты фазы обмотки показаны сосредоточенными, но распределение МДС, образуемое каждой фазой, следует считать синусоидальным.

Результирующую МДС в точке х можно получить путем сложения отдельных ее составляющих F xA , F xB , F xC . При этом обратновращающиеся волны МДС исчезают, а результирующая МДС

F xpeз = 1,5F m sin (ωt — πx/τ).

Круговое вращающееся поле при двухфазной обмотке. В симметричной двухфазной обмотке фазы АХ и BY (рис. 3.15, а) сдвинуты в пространстве на половину полюсного деления τ. Если такую обмотку питать симметричным двухфазным током, при котором токи отдельных фаз Í А и Í В (рис. 3.15,6) сдвинуты во времени на угол 90° (Í В = ± jÍ А ) то возникает круговое вращающееся поле.

При этом уравнение бегущей волны принимает вид

F xpeз = F xA + F xB = F m sin (ωt — πx/τ).

Частота вращения поля, образованного двухфазной обмоткой, определяется так же, как и поля, образованного трехфазной обмоткой, по формуле (3.17). Для изменения направления вращения поля следует изменить порядок чередования тока в фазах обмотки, т. е. переключить провода, присоединяющие фазы обмотки к сети. Общий случай кругового вращающегося поля. В общем случае, когда по симметричной m-фазной обмотке (фазы которой сдвинуты в пространстве на угол α = 2π/т) проходят переменные токи, сдвинутые во времени на угол 2π/т, уравнение бегущей волны МДС имеет вид

F xpeз = 0,5mF m sin (ωt — πx/τ).

Несимметричная m-фазная обмотка также может создать круговое вращающееся поле, если на ее фазы подать определенным образом подобранную m-фазную несимметричную систему токов. Однако на практике фазы многофазных обмоток обычно располагают симметрично, чтобы получить круговое поле при минимальных токах в фазах и электрических потерях в них.

Круговое вращающееся магнитное поле обладает следующими характерными свойствами:

а) максимумы результирующих волн МДС и индукции всегда совпадают с осью той фазы, в которой ток имеет максимум. Это положение легко проверить, задаваясь величиной ωt, соответствующей максимуму тока в фазе, и определяя по (3.15) координату точки х, в которой МДС F‘ x максимальна;

б) магнитное поле перемещается в сторону оси той фазы, в которой ожидается ближайший максимум. Это свойство непосредственно следует из предыдущего;

в) для изменения направления вращения поля необходимо изменить порядок чередования тока в фазах. В трехфазных машинах для этого следует поменять местами провода, подводящие ток из трехфазной сети к двум любым фазам обмотки. В двухфазных машинах нужно переключить провода, присоединяющие фазы обмотки к двухфазной сети.

Эллиптическое поле. Круговое вращающееся магнитное поле возникает при симметрии токов, проходящих по фазам (симметрии МДС катушек отдельных фаз), симметричном расположении этих фаз в пространстве, сдвиге во времени между фазными токами, равном пространственному сдвигу между фазами и синусоидальном распределении индукции в воздушном зазоре машины вдоль окружности статора (ротора). При несоблюдении хотя бы одного из указанных условий возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся поле, у которого максимальное значение результирующей МДС и индукции для различных моментов времени не остается постоянным, как при круговом поле. В таком поле пространственный вектор МДС описывает эллипс (см. рис. 3.12, в).

Эллиптическое поле можно представить в виде двух эквивалентных круговых полей, вращающихся в противоположных направлениях. Поле, вращающееся по направлению вращения результирующего эллиптического поля, называют прямым; поле, вращающееся в противоположном направлении,— обратным. Разложение эллиптического поля на прямое и обратное круговые поля производят методом симметричных составляющих, с помощью которого определяют МДС прямой иобратной последовательностей.

Рис. 3.16. Расположение обмоток фаз на статоре несимметричной двухфазной машины (а) и вращающиеся магнитные поля при несимметричном их питании (б)

Рассмотрим, например, двухфазную машину, у которой на статоре расположены две фазные обмотки (фазы) АХ и BY, оси которых смещены в пространстве на некоторый угол α (рис. 3.16, а). Токи, проходящие по этим фазам, и соответствующие векторы МДС F xA и F xB сдвинуты во времени на некоторый угол β. Фазы АХ и BY создают пульсирующие магнитные поля, синусоидально распределенные в пространстве. МДС этих фаз, действующие в любой точке х воздушного зазора,

F xA = F mA sin ωt cos(πx/τ); F xB = F mB sin(ωt + β)cos(πx/τ + α).

МДС фаз АХ и BY аналогично (3.15) можно представить в виде суммы двух бегущих волн МДС противоположных направлений:

В выражениях (3.21) складываются или вычитаются временные и пространственные углы, т. е. они становятся эквивалентными. Это объясняется тем, что пространственное положение вектора МДС вращающегося поля определяется временем и частотой тока, питающего фазы, — за один период поле перемещается на пару полюсов. Результирующее магнитное поле, создаваемое совместным действием двух обмоток, можно получить путем сложения составляющих векторов МДС прямой последовательности, вращающихся по часовой стрелке (образующих прямое поле):

F’ xA = 0,5F mA sin(ωt — πx/τ) и F’ xB = 0,5F mB sin(ωt + β — πx/τ ± α),

Суммарные МДС полей, вращающихся в противоположные стороны, т. е. F’ x = F’ xA + F’ xB и F» x = F» xA + F» xB , не равны по величине (рис. 3.16,6), а поэтому результирующее поле машины не пульсирующее, а вращающееся. В этом поле максимальное значение результирующей МДС в различные моменты времени не остается постоянным, как при круговом поле, т. е. поле эллиптическое. В двухфазной машине можно также получить и круговое вращающееся поле; при этом одна из составляющих МДС F’ x или F» x должна отсутствовать. Условия получения кругового поля в такой машине сводятся к взаимной компенсации одной из пар МДС F’ xA и F’ xB или F» xA и F» xB . Последнее может быть, если указанные МДС равны по амплитуде, но противоположны по фазе, т. е. если α ± β = π.

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

• Справочник электрика
  • Бытовые электроприборы
  • Библиотека электрика
  • Инструмент электрика
  • Квалификационные характеристики
  • Книги электрика
  • Полезные советы электрику
  • Электричество для чайников
• Справочник электромонтажника
  • КИП и А
  • Полезная информация
  • Полезные советы
  • Пусконаладочные работы
• Основы электротехники
  • Провода и кабели
  • Программа профессионального обучения
  • Ремонт в доме
  • Экономия электроэнергии
  • Учёт электроэнергии
  • Электрика на производстве
• Ремонт электрооборудования
  • Трансформаторы и электрические машины
  • Уроки электротехники
  • Электрические аппараты
  • Эксплуатация электрооборудования
• Электромонтажные работы
  • Электрические схемы
  • Электрические измерения
  • Электрическое освещение
  • Электробезопасность
  • Электроснабжение
  • Электротехнические материалы
  • Электротехнические устройства
  • Электротехнологические установки

Вращающееся магнитное поле

Одним из важных преимуществ трехфазной системы яв­ляется простота получения вращающегося магнитного поля, т. е. по величине неизменного магнитного поля, которое крутится снутри электронной машины вокруг ее оси. На использовании вращающегося магнитного поля основано устройство самых рас­пространенных электродвигателей, асинхронных движков трехфазного тока, также нередко используемых синхронных движков. Не считая того, средством вращающегося магнитного поля приводятся в действие многие измерительные приборы и аппараты регулирования и управления.

Методом поочередного конфигурации направления постоянно­го тока в 2-ух катушках, оси которых образуют угол 90°, можно вынудить магнитную стрелку равномерно поворачиваться в пре­делах 360°. Но переключаемый неизменный ток просто поменять переменным, который сам будет изменять направление. При всем этом нужно, чтоб конфигурации направления тока в 2-ух катушках происходили не сразу. Этому требованию удовлетворя­ют два переменных тока, сдвинутые по фазе один относительно другого на четверть периода. На рис. 1 показана система из 2-ух схожих катушек, оси которых образуют угол 90°. Для придания большей равномерности магнитному полю любая из катушек разбита на две части.

Рис. 1 Возбуждение магнитного поля 2-мя переменными токами схожей частоты

Потому что токи относительно смещены по фазе на четверть пе­риода, то магнитные индукции в полях, ими возбуждаемых, дол­жны быть также смещены по фазе одна по отношению к другой. Этому условию сдвига по фазе удовлетворяют синусоида и коси­нусоида.

Если секундное значение индукции в поле первой катушки

то секундное зна­чение индукции в поле 2-ой катуш­ки должно быть:

тут В_m — амплиту­да магнитной индук­ции, однообразная в обеих катушках.

Закладываясь посреди устройства, два переменных маг­нитных поля образу­ют результирующее магнитное поле, ин­дукция в каком будет:

потому что направления полей катушек вза­имно перпендику­лярны (см. рис. 1). Подставив в выражение В_ре3 значения В₁ и В₂ как функций времени, получим:

Врез = В_т Vsin 2 ?t + cos 2 ?t = В_т

Как следует, результирующее магнитное поле устройства Врез повсевременно по величине, хотя оно и складывается из 2-ух пе­ременных магнитных полей.

Определим сейчас положение результирующего поля в про­странстве. По отношению к оси первой катушки это поле обра­зует угол, определяемый условием:

на основании чего a = ?t, т. е. угол, образуемый осью резуль­тирующего поля по отношению к оси катушки, умеренно изме­няется и за время 1-го периода переменного тока:

т. е. поле делает полный оборот.

За секунду поле делает f оборотов, а число оборотов поля за минуту n = f • 60

Таким макаром, при стандартной промышленной частоте чис­ло оборотов поля за минуту составит:

п = 50-60 = 3000 об/мин.

Описанная система называется двухфазным вращающимся

магнитным полем. Для возбуждения его нужна двухфазная система переменных токов. Такая система просит для передачи энергии более 3-х проводов (см. рис. 1). Векторы 2-ух линейных токов /_л рассматриваемой системы образуют угол 90°, потому вектор тока в общем проводе /о определяется как гипо­тенуза равнобедренного прямоугольного треугольника. На осно­вании чего ток

Существенно прибыльнее получать крутящееся магнитное по­ле средством трехфазной системы токов, как это было предло­жено М. О. Доливо-Добровольским. Для получения трехфазного вращающегося поля необходимы три однообразные катушки (рис. 2), оси которых образуют углы по 120°.

Рис. 2 Возбуждение магнитного поля трехфазной системой токов

Можно подсчитать, что в данном случае результирующее поле В_рез= 1,5 в_m, т. е. оно тоже повсевременно по величине.

Это поле крутится в плоскости осей катушек с угловой ско­ростью ?, как и выше рассмотренное двухфазное поле. Сравним сейчас условия двухфазного и трехфазного вра­щающихся полей. При двухфазной системе нужны два про­вода, рассчитанные на линейный ток /_л, и 3-ий провод, рассчи­танный на силу тока v2 /_л. Магнитная индукция во вращающем­ся двухфазном поле равна В_т. При трехфазной системе необхо­димые три схожих провода рассчитаны каждый на силу тока /_л, а индукция во вращающемся поле имеет величину 1,5 В_т.

Как следует, для двухфазной системы необходимо большее се­чение проводов, а крутящееся поле создается в 1,5 раза слабее, чем в трехфазной системе. По этим причинам двухфазный ток, придуманный ранее трехфазного (чешским инженером Тесла), в текущее время применяется исключительно в неких особых устройствах.

Вращающееся магнитное поле

§ 81. Вращающееся магнитное поле

Замечательной особенностью многофазных токов является их способность создавать вращающееся магнитное поле.

Рассмотрим процесс получения вращающегося магнитного поля при помощи трехфазного тока. Для этой цели поместим в пазы стального кольца (статора) три однофазные обмотки (катушки), сдвинутые в пространстве друг относительно друга на 120° (рис. 185). Начала катушек обозначим буквами А, В, С, концы катушек — X, Y, Z. Соединим катушки по схеме «звезда» или «треугольник» (на чертеже соединение не показано) и включим катушки в сеть трехфазного тока. Так как обмотки статора представляют собой симметричную нагрузку (величина и характер нагрузки одинаковы), то токи в катушках будут равны по величине и сдвинуты по фазе на 120°.

Рис. 185. Получение вращающегося магнитного поля при помощи трех катушек

Кривые токов в отдельных катушках даны на рис. 186. Условно будем считать токи положительными, если в данный момент времени они будут направлены от начала катушки к ее концу и, наоборот, токи считать отрицательными, если направление их будет от конца катушки к ее началу.

Рис. 186. Кривые токов в отдельных катушках

Рассмотрим момент времени а на рис. 186. В этот момент ток i_A равен нулю. Ток i_C имеет положительное значение, а ток i_B — отрицательное значение.

На рис. 185, а показаны направления токов в проводниках катушек, соответствующие такому же моменту времени а на рис. 186. Магнитное поле статора показано на рис. 185, а пунктирными линиями.

Как видно из чертежа, поле статора имеет два полюса — северный N и южный S или одну пару полюсов, т. е. p = 1, где p — число пар полюсов поля статора.

Рассмотрим на рис. 186 момент времени б. В этот момент ток i_A будет иметь максимальное положительное значение, а токи i_B и i_С равные половине максимального значения, будут отрицательны.

Обозначаем направление тока в проводниках катушек рис. 185, б, намечаем путь магнитных линий и убеждаемся в том; что за время от момента а до момента б, соответствующее углу 90° (т. е. 1 /₄ периода), магнитное поле статора повернулось также на 90°. Проделав то же самое для момента в, замечаем, что за время от момента а до момента в, соответствующее углу 180° ( 1 /₂ периода), магнитное поле статора повернулось также на 180° (рис. 185, в).

Таким образом, трехфазный ток, проходящий по трем катушкам, сдвинутым в пространстве на 120°, образовал вращающееся магнитное поле. Мы разобрали только три случая, но если продолжить построения дальше, то легко убедиться, что за время одного периода (360°) магнитное поле статора также повернется на 360°.

Если число периодов в 1 сек, или частота переменного тока, равно f, то скорость вращения поля статора n₀ будет также равна f об/сек, или f ⋅ 60 об/мин:

Необходимо обратить внимание на то, что последняя формула для определения скорости вращения поля справедлива только в том случае, если на статоре расположены три катушки, которые совместно создают поле с двумя полюсами, т. е. если р = 1.

Расположим на статоре шесть катушек (рис. 187). В этом случае каждая фаза будет состоять из двух катушек. Начала катушек первой фазы обозначим A₁ и A₂, концы катушек той же фазы — X₁ и Х₂. Для второй фазы соответственно: В₁ — Y₁ и В₂ — Y₂. Для третьей фазы: С₁ — Z₁ и С₂ — Z₂.

Рис. 187. Получение вращающегося магнитного поля при помощи шести катушек

Сдвиг в пространстве между фазными катушками составит уже не 120°, а 60°. Выбирая те же моменты времени а, б и в на рис. 186 и производя те же построения, как было указано выше, мы получим картину магнитного поля статора, изображенную на рис. 187, а, б, в.

Здесь видно, что шесть катушек статора образовали поле с четырьмя полюсами, т. е. p = 2, и за то же время угол поворота поля получается в два раза меньше, чем при р = 1.

Таким образом, скорость вращения поля статора n₀ может быть определена по формуле

Из последнего выражения видно, что, применяя повышенную частоту тока, мы при тех же значениях p получим увеличение скорости поля. Наоборот, размещая на статоре большее число катушек, мы получим большее число пар полюсов поля статора и при тех же значениях частоты тока f скорость вращения поля будет меньше.

Направление вращения поля статора можно изменить на обратное, если поменять местами два любых провода из трех идущих от сети к обмоткам статора.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое трехфазным током, получило на практике широкое применение в устройстве двигателей переменного тока.

В устройствах автоматики, телеуправления, вычислительной техники, во всевозможных физических приборах, звукозаписи и других устройствах применяется большое число маломощных двигателей переменного тока. Мощность таких двигателей бывает от нескольких долей ватта до нескольких сот ватт. Питание маломощных двигателей от сети трехфазного тока неэкономично, поэтому микродвигатели переменного тока строятся двухфазными, а питание их производится от сети однофазного тока.

Расположим на статоре две обмотки (катушки), сдвинутые в пространстве на 90°. Начала катушек обозначим A_н и В_н, а концы — А_к и В_к (рис. 188).

Рис. 188. Получение вращающегося магнитного поля при помощи двухфазного тока

Пропустим по обмоткам токи, сдвинутые между собой по фазе на 90°. Графики токов даны на том же рис. 188. По-прежнему условно будем считать за положительное направление токов, если они в данный момент времени будут протекать от начала обмоток к их концам, а токи, протекающие от концов обмоток к их началам, будем считать отрицательными. В момент времени а (см. рис. 188) ток i_A = 0, а ток i_B имеет максимальное отрицательное значение. Ставим направление токов в проводниках катушек, намечаем путь магнитных линий, как показано на рис. 188, а. Магнитное поле статора имеет два полюса (p = 1). Проделав то же самое для моментов б, в и г, замечаем, что магнитное поле вращается в пространстве со скоростью

Вращающееся магнитное поле, получаемое при помощи двух катушек, сдвинутых в пространстве, используется также в некоторых системах электроизмерительных приборов.

Вращающееся магнитное поле — новое физическое явление

Начало современного этапа в развитии электротехники относится к 90-м годам прошлого столетия, когда решение комплексной энергетической проблемы вызвало к жизни электропередачу электропривод. Электрификация началась тогда, когда оказалось возможным строить крупные электрические станции в местах, богатых первичными энергоресурсами, объединять их работу на общую сеть и снабжать электроэнергией любые центры и объект электропотребления.

Техническая сторона электрификации заключалась в разработ­ке многофазных систем, из которых практика сделала выбор в пользу системы трехфазной. Наиболее важным» и во всяком случае новыми элементами трехфазной системы были электродвига­тели, действие которых основано на использовании явления вращающегося магнитного поля.

Ранее упоминался опыт Араго, в котором диск и вращающийся магнит отражали принцип асинхронного электродвигателя с вра­щающимся магнитным полем. Од­нако это поле создавалось не неподвижным устройством, каким в современных машинах является статор, а вращающимся магнитом (рис. 4.2).

Долгое время явление, откры­тое Араго, не находило практиче­ского применения. Только в 1879 г. У. Бели (Англия) сконструиро­вал прибор (рис. 6.1), в котором пространственное перемещение магнитного поля осуществлялось с помощью неподвижного уст­ройства — путем поочередного намагничивания четырех расположснныхпо периферии круга электромагнитов. Намагничива­ние производилось импульсами постоянного тока, посылаемыми в обмотки электромагнитов специально приспособленным для этого коммутатором. Полярность верхних концов стержней из­менялась в определенной последовательности так, что через каждые восемь переключений коммутатора магнитный поток изменял свое направление п пространстве на 360. Над полюсами электромагнитов, как и в опытах Араго, был подвешен медный диск 2. Бели указывал, что при бесконечно большом числе элект­ромагнитов можно было бы обеспечить равномерное вращение магнитного поля. Прибор Бели не нашел никакого применения. Тем не менее, он был некоторым связующим звеном между опы­том Араго и более поздними исследованиями. С позиций сегод­няшнего дня представляется крайне простым осуществление вращающегося поля в установке Бели или в подобном прибо­ре иной конструкции путем питания электромагнитов синусои­дальными токами с различными начальными фазами. Однако в 80-х годах прошлого столетия на это ушло несколько лет ра­боты и поисков многих ученых, среди которых были француз­ский физик Марсель Депре, разработавший в 1883 г. систему синхронной связи двух движений, авторы одной из конструк­ций индукционных электросчетчиков Борель и Шалленбергер, изобретатель репульсионного двигателя И. Томсон, американский электротехник Ч. Бредли, немецкий инженер Ф. Хазельвандер и др. В связи с этим интересно привести фразу Илайю Томсона: «Трудно составить такую комбинацию из маг­нитов, переменного тока и кусков меди, которая не имела бы тенденции к вращению».

История открытия вращающегося магнитного поля и многофаз­ных систем до крайности запутана. В 90-е годы прошли многие су­дебные процессы, на которых разные фирмы, скупившие патенты изобретателей, пытались утвердить свои права на многофазные системы. Только американская фирма Вестингауз провела более 25 судебных процессов.

Однако исчерпывающие и получившие наибольшую извест­ность экспериментальные и теоретические исследования вращаю­щегося магнитного поля выполнили независимо друг от другавыдающиеся ученые итальянец Галилео Феррарис (1847—1897 гг.) и серб Цикола Тесла (1856—1943 гг.).

Г. Феррарис утверждал, что суть явления вращающегося магнитного поля он осознал еще в 1885 г., но доклад «Электродинами­ческое вращение, произведенное с помощью переменных токов» он сделал в Туринской академии (членом которой он состоял с 1880 г.) 18 марта 1888 г.

Н. Тесла в своей автобиографии рассказывал, что идея двух­фазного асинхронного двигателя родилась у него еще в 1882 г., когда он работал в Будапештской телеграфной компании. Гуляя в парке с другом, он, осененный идеей, «тростью сделал на песке на­бросок принципа, который изложил шесть лет спустя на конфе­ренции в Американском институте электроинженеров». Доклад в этом институте состоялся 16 мая 1888 г., т.е. на два месяца позд­нее доклада Феррариса. Но первую заявку на получение патента на многофазные системы Тесла подал еще 12 октября 1887 г., т.е. ранее выступления Феррариса.

Остановимся сначала на работе Г. Феррариса исходя не из при­оритетных соображений, а из того, что в его работе дан более об­стоятельный теоретический анализ и еще потому, что именно перевод доклада Феррариса в английском журнале попал в свое время в руки М. О. Доливо-Добровольскому и вызвал первый им­пульс в серии последующих замечательных изобретений. Галилео Феррарис был известным в Европе ученым, представ­лявшим Италию на разных международных выставках и конгрес­сах.

Профессор разрабатывал теорию переменных токов и умел в очень ясной форме объяснять трудные физические процессы. Вот как в переложении им было объяснено явление враща­ющегося магнитного поля.

Рассмотрим показанную на рис. 6.2. пространствен­ную диаграмму, на которой ось x: представляет собой положительное направление вектора магнитной индукций создаваемой одной из катушек, а ось у положительноенаправление поля другой катушки. Для момента времени, ког­да индукция одного поля в точке О изображается отрезком OA, а другого — ОВ, суммарная результирующая индукция изобразит­ся отрезком OR. При изменениях OA и ОБ точка R перемещается но кривой, форма которой определяется законами изменений во времени двух полей. Если два поля имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе на четверть периода, то геометрическим мес­том точки R станет окружность. Налицо вращение магнитного поля. Если фазу одного из полей или возбуждающего его тока изменить на 180 , то изменится и направление вращения резуль­тирующего поля. Если поместить в это поле снабженный валом и подшипниками медный цилиндр, то он будет вращаться. Позднее асинхронные двигатели с полым ротором в виде медного стакана получили название двигателей Фер­рариса.

Но как получить два переменных тока, сдвинутых относительно друг друга по фазе Феррарис предложил метод «расщепления фаз», при кото­ром искусственным путем создавался сдвиг по фазе при включении в цепи двух взаимоперпендикулярно распо­ложенных катушек фазосмещающих устройств. На рис. 6.3. показан внеш­ний вид модели двухфазного асинх­ронного двигателя, хранящейся в музее г. Турина, директором которого конца жизни был Галилео Феррарис.

В своем теоретическом анализе Феррарис, находясь в плену методов «слаботочной техники», предположил, что асинхронный Читатель должен работать в режиме, согласованном с источником «чтения, то есть в режиме передачи от источника к двигателю Максимальной мощности. Отсюда вытекало условие работы двига­ла при 50-процентном скольжении, и, как следствие, кпд такого двигателя мог быть только ниже 50 %. «Эти вычисления, — пола­гал Феррарис, — и экспериментальные результаты подтвержда­ет очевидное a priori заключение, что аппарат, основанный на этом принципе, не может иметь какого-либо практического значения. ». Эта досадная и поучительная ошибка выдающегося уче­ною снижала ценность открытия и ограничивала область его при­менения только измерительными устройствами. Но именно эта злополучная для Феррариса фраза оказалась счастливой нахшкоЙ дл я Дат 11 по-Доб ронол и-кот.

Никола Тесла, одни из самых известных и плодовитых ученых в области электротехники, начинавший и 80-х подах прошлого ве­ка свою научную карьеру, получил только н области многофазных систем 41 патент. Некоторое время Тесла работал и Эднсоновской компании в Париже (1882—1884 гг.>, а затем переехал в США. В 1888 г. псе своп патенты по многофазным системам Тесла продал главе известной фирмы Джорджу Всстннгаузу, который в своих планах развития техники переменною тока (в противовес компа­нии Эдисона) сделал станку иа работы Тесла. Впоследствии Тесла мною внимания уделял технике высоких частот («трансформатор Тесла») и идее передачи электроэнергии без проводов. Интересная деталь: прн решении вопроса о стандартизации промышленной частоты, а диапазон предложении был от 25 до 133 Гц, Тесла реши­тельно высказался за принятую им для своих опытных установок частоту 60 Гц. Тогда отказ инженерен Вестннгауза от предложе­ния Тесла послужили начальным импульсом для ученого, решив­шего расстаться с Вестингаулом. Но вскоре именно эта частота бы.1.1 принята н США в качестве стандартной.

В патентах Тесла были описаны различные варианты много­фазных систем, В отличие от Феррариса Тесла полагал, что мно­гофазные токи следует получать от многофазных источников, а не пользоваться фазосмещающими устройствами. Утверждая, что двухфазная система, являясь минимальным вариантом системы многофазной, окажется и наиболее экономичной, Тесла, а вслед за ним и фирма Вестннгауза, основное внимание сосредоточили именно на этой системе.

Схематически система Тесла в ее наиболее характерной фор­ме представлена на рис, 6.4, слепа изображен синхронный гене­ратор, справа — асинхронный двигатель. В генераторе между полюсами вращались две взаимно перпендикулярные катушку в которых генерировались дна тока, сдвинутые по фазе на 90. Концы каждой катушки были выведены на кольца, расположен­ные на валу генератора (на чертеже для ясности эти кольцаимеют различные диаметры).

Ротор двигателя тоже имел обмотку в виде двух расположенных под прямым углом друг к другу замкнутых на себя катушек. Основным недостатком двигателя Тесла, который впоследствии сделал его неконкурентоспособным, было наличие выступающих полюсов с сосредоточенной обмоткой. Эти двигатели имели боль­шое магнитное сопротивление и крайне неблагоприятное распре­деление намагничивающей силы вдоль воздушного зазора, что приводило к ухудшению характеристик машины. Таковы были следствия механического переноса в технику переменного тока конструктивных схем машины постоянного тока.

Конструкция обмотки ротора, как выяснилось позднее, тоже оказалась неудачной. Действительно, выполнение обмоток сосре­доточенными (а не распределенными по всей окружности ротора) при выступающих полюсах на статоре приводило к ухудшению пусковых условий двигателя (зависимость пускового момента от начального положения ротора), а то обстоятельство, что обмотки ротора имели сравнительно большое сопротивление, ухудшало ра­бочие характеристики.

Неудачным оказался и выбор двухфазной системы токов из всех возможных многофазных систем. Известно, что значитель­ную долю стоимости установки для передачи электроэнергии со­ставляют затраты на линейные сооружения и в частности на линейные провода. В связи с этим казалось очевидным, что чемменьше принятое число фаз, тем меньшим будет число прово­дов и тем, следовательно, экономичнее устройство электропе­редачи. Двухфазная система требовала применения четырех проводов, а удвоение числа проводов по сравнению с установ­ками постоянного или однофазного переменного токов пред­ставлялось нежелательным. Поэтому Тесла предлагал в некоторых случаях применять в двухфазной системе трехпроводную линию, то есть делать один провод общим. В этом слу­чае число проводов уменьшалось до трех. Однако расход металла на провода при этом снижался меньше, чем можно было ожидать, так как сечение общего провода должно быть примерно в 1,5 раза (точнее, в 2 раз) больше сечения каж­дого из двух других проводов.

Встретившиеся экономические и технические трудности за­держивали внедрение двухфазной системы в практику. Фирма Вестингауз построила несколько станций по этой системе, из которых наибольшей по масштабам была Ниагарская гидроэлект­ростанция.

Вращающееся магнитное поле

В основе работы электрических машин переменного тока, в том числе и асинхронных машин, лежит использование вращающегося магнитного поля, создаваемого обмоткой статора.

Вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки

Рассмотрим создание вращающегося магнитного поля на упрощенной модели статорной обмотки трехфазного асинхронного двигателя (рис. 3.3.1, а). В пазах статора уложены три катушки, каждая из которых является фазой трехфазной обмотки и представлена одним витком. Катушки соединены между собой по схеме звезды (или треугольника) и подключены к трехфазной сети (рис. 3.3.1, б). Катушки совершенно идентичны и расположены симметрично, поэтому векторная диаграмма токов будет также симметрична (рис. 3.3.1, в).

Рис. 33.1. Упрощенная модель статорной обмотки (а), схема соединения катушек (б) и векторная диаграмма токов (в)

11а рис. 3.3.2, а показаны графики мгновенных значений токов обмотки статора, б—г — поперечные сечения асинхронной машины для упрощенной модели трехфазной обмотки рис. 3.3.1, а.

Эффект вращения магнитного поля трехфазной обмотки можно наглядно показать на примере картин результирующего магнитного поля этой обмотки для нескольких моментов времени, например, при максимуме фазных

Рис. 3.3.2. Вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки:

а — мгновенные значения тока обмотки статора; б—г — положение оси симметрии магнитного поля для моментов времени f_p t_v t_z

токов i_A, i_B и i_c. Условимся за положительное направление тока принимать ток, направленный от начала обмотки к ее концу, таким образом, в момент времени ?, ток в катушке А— X достигает положительного максимума (см. рис. 3.3.2, а) и направлен от зажима А к зажиму X (см. рис. 3.3.2, б). В тот же момент времени токи в двух других катушках отрицательны, т.е. направлены от концов катушки (Yи Z) к их началам (В и С). Направления токов в проводниках обмотки показаны на рис. 3.3.2, б—г знаками креста и точки. Силовые линии магнитного ноля охватывают проводники с одинаковым направлением тока. В момент времени t_< две магнитные линии этого поля изображены на рис. 3.2.2, б, а ось симметрии результирующего магнитного ноля совпадает с осью симметрии катушки А—Х. Рассмотрим направления токов в катушках в два последующих момента времени и t_v соответствующих максимумам токов в катушках B—Y и C—Z (см. рис. 3.3.2, в, г). Выяснив направление токов, легко провести ось симметрии результирующего магнитного поля катушек. Сопоставление магнитных нолей на рис. 3.3.2, б—г указывает на вращение оси симметрии и всей картины магнитного ноля. За один период Т изменения токов магнитное иоле делает полный оборот.

Реверсирование магнитного ноля (изменение направления вращения) осуществляется переключением на зажимах источника питания двух выводов трехфазной обмотки (например, В и С). При этом фазы В и С обмотки «меняются местами», т.е. изменяется направление вращения магнитного поля.

На рис. 3.3.2 ось симметрии магнитного ноля вращается но часовой стрелке, при переключении фаз В и С вращение будет против часовой стрелки.

При проектировании обмотки асинхронных машин добиваются того, чтобы закон распределения магнитной индукции В вдоль воздушного зазора между статором и ротором был близок к синусоидальному, поэтому вращающееся магнитное иоле, созданное статором, принято упрощенно изображать в виде эпюры, показанной на рис. 3.3.3, а. В реальной электрической машине распределение магнитной индукции вдоль воздушного зазора отличается от идеального синусоидального. Кроме первой (основной) пространственной гармоники магнитного поля появляются высшие гармонические составляющие. Высшие гармоники магнитного ноля приводят к дополнительным потерям энергии в стальных листах статора, к появлению высших гармоник ЭДС и тока в обмотках ротора и статора, что, помимо дополнительных потерь энергии в проводниках обмотки, приводит к не-

Рис. 333. Магнитное ноле однофазной обмотки:

а — картина магнитного поля двухполюсной обмотки; б — эпюра распределения магнитного поля в воздушном зазоре на линейной развертке равномерности вращающего момента. Специальными конструктивными приемами — многосекционной обмоткой с укороченным шагом, скосом пазов и т.д. добиваются существенного уменьшения высших гармоник магнитного поля.

На рис. 3.3.3, а представлено магнитное поле с одной парой полюсов (р = 1), а на рис. 3.3.3, 6 показана соответствующая линейная развертка эпюры распределения магнитной индукции, полученная мысленным рассечением торцовой поверхности по линии 1— V с последующим распрямлением поверхностей статора и ротора.

Вращающееся магнитное поле машины количественно характеризуют потоком Ф вектора магнитной индукции В через поверхность полюсного деления с площадью т/ (т — полюсное деление, / — активная длина проводника). Этот магнитный поток называют магнитным потоком полюса Ф_п.

Для определения магнитного потока полюса пользуются средним значением В_ср магнитной индукции по площади полюсного деления:

При синусоидальном распределении магнитной индукции с амплитудным значением В_т, когда ее среднее значение В_ср = 2В_т/к, магнитный поток полюса определяют соотношением

Отметим, что в трехфазной асинхронной машине, включенной в сеть с симметричной трехфазной системой напряжений, магнитный поток полюса вращающегося магнитного поля сохраняется неизменным при любом положении оси магнитного поля.

Нетрудно определить частоту вращения магнитного поля: полный оборот совершается за время, равное периоду изменения токов статорной обмотки Г; за одну секунду число оборотов равно 1 /Т, с учетом того, что Т = 1//, (/, — частота токов статора), частота вращения магнитного поля n_v об/мин, определяется формулой

Видоизменив обмотку статора, можно получить вращающееся магнитное ноле с несколькими парами полюсов. Схематически устройство обмоток для случая р = 2 (четырехполюсная — 2 пары) показано на рис. 3.3.4, а. Фаза трехфазной обмотки статора состоит из двух катушек (АХ, А’Х’ и т.д.), каждая из которых упрощенно, как и на рис. 3.3.1, а, представлена одним витком. Катушки фазы соединены последовательно, и полученная симметричная трехфазная обмотка подключена к трехфазной сети (рис. 3.3.4, б).

Картина магнитного поля на рис. 3.3.4, а соответствует моменту времени, когда ток фазы А положителен и имеет максимальное значение.

Внимательно изучив распределение проводников с одинаковым направлением тока (см. рис. 3.3.4, а), можно увидеть, что магнитное поле имеет четыре полюса (р = 2). Если проследить за изменением токов катушек во времени и соответствующим им положениям осей симметрии результирующего магнитного поля, то нетрудно убедиться, что за время Т магнитное поле «повернется» на половину оборота, т.е. в случае р = 2 частота вращения маг-

Рис. 33.4. Эпюра вращающегося магнитного поля:

а — распределение тока по проводникам обмотки статора; 6 — схема соединения катушек обмотки статора; в — эпюра магнитного поля двухполюсной машины

нитного поля в два раза меньше, чем для р = 1. Эпюра магнитного поля двухполюсной машины показана на рис. 3.3.4, в.

Число пар полюсов можно сделать любым, при этом формула для частоты вращения магнитного поля будет иметь вид

Формула (3.3.3) не противоречит формуле (3.3.2), записанной для случая р = 1.

Условимся, что в обозначениях величин индекс «1» относится к статору, а «2» — к ротору. Допустимо не ставить индекс для величины, отношение к статору или ротору которой очевидно (например, частота сети /, частота вращения ротора п или угловая скорость ротора Q).

В табл. 3.3.1 приведены значения частот вращения магнитного поля статора асинхронного двигателя, включенного в сеть с частотой /= 50 Гц.

Таблица 33.1

Частоты вращения магнитного поля статора АД

Вращающееся магнитное поле

Особенностью многофазных систем является возможность создать в механически неподвижном устройстве вращающееся магнитное поле.
Катушка, подключенная к источнику переменного тока, образует пульсирующее магнитное поле, т.е. магнитное поле, изменяющееся по величине и направлению.

Возьмем цилиндр с внутренним диаметром D. На поверхности цилиндра разместим три катушки, пространственно смещенные относительно друг друга на 120 o . Катушки подключим к источнику трехфазного напряжения (рис. 12.1). На рис. 12.2 показан график изменения мгновенных токов, образующих трехфазную систему.

Каждая из катушек создает пульсирующее магнитное поле. Магнитные поля катушек, взаимодействуя друг с другом, образуют результирующее вращающееся магнитное поле, характеризующееся вектором результирующей магнитной индукции
На рис. 12.3 изображены векторы магнитной индукции каждой фазы и результирующий вектор построенные для трех моментов времени t1, t2, t3. Положительные направления осей катушек обозначены +1, +2, +3.

В момент t = t₁ ток и магнитная индукция в катушке А-Х положительны и максимальны, в катушках В-Y и C-Z — одинаковы и отрицательны. Вектор результирующей магнитной индукции равен геометрической сумме векторов магнитных индукций катушек и совпадает с осью катушки А-Х. В момент t = t₂ токи в катушках А-Х и С-Z одинаковы по величине и противоположны по направлению. Ток в фазе В равен нулю. Результирующий вектор магнитной индукции повернулся по часовой стрелке на 30 o . В момент t = t₃ токи в катушках А-Х и В-Y одинаковы по величине и положительны, ток в фазе C-Z максимален и отрицателен, вектор результирующего магнитного поля размещается в отрицательном направлении оси катушки С-Z. За период переменного тока вектор результирующего магнитного поля повернется на 360 o .

Частота вращения магнитного поля или синхронная частота вращения

(12.1)

где P- число пар полюсов.

Катушки, изображенные на рис. 12.1, создают двухполюсное магнитное поле, с числом полюсов 2Р = 2. Частота вращения поля равна 3000 об/мин.
Чтобы получить четырехполюсное магнитное поле, необходимо внутри цилиндра поместить шесть катушек, по две на каждую фазу. Тогда, согласно формуле (12.1), магнитное поле будет вращаться в два раза медленней, с n₁ = 1500 об/мин.
Чтобы получить вращающееся магнитное поле, необходимо выполнить два условия.

1. Иметь хотя бы две пространственно смещенные катушки.

2. Подключить к катушкам несовпадающие по фазе токи.

12.2. Асинхронные двигатели.
Конструкция, принцип действия

Асинхронный двигатель имеет неподвижную часть, именуемую статором, и вращающуюся часть, называемую ротором. В статоре размещена обмотка, создающая вращающееся магнитное поле.
Различают асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ротором.
В пазах ротора с короткозамкнутой обмоткой размещены алюминиевые или медные стержни. По торцам стержни замкнуты алюминиевыми или медными кольцами. Статор и ротор набирают из листов электротехнической стали, чтобы уменьшить потери на вихревые токи.
Фазный ротор имеет трехфазную обмотку (для трехфазного двигателя). Концы фаз соединены в общий узел, а начала выведены к трем контактным кольцам, размещенным на валу. На кольца накладывают неподвижные контактные щетки. К щеткам подключают пусковой реостат. После пуска двигателя сопротивление пускового реостата плавно уменьшают до нуля.
Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на модели, представленной на рисунке 12.4.

Вращающееся магнитное поле статора представим в виде постоянного магнита, вращающегося с синхронной частотой вращения n₁.
В проводниках замкнутой обмотки ротора индуктируются токи. Полюса магнита перемещаются по часовой стрелке.
Наблюдателю, разместившемуся на вращающемся магните, кажется, что магнит неподвижен, а проводники роторной обмотки перемещаются против часовой стрелки.
Направления роторных токов, определенные по правилу правой руки, указаны на рис. 12.4.

Рис. 12.4

Пользуясь правилом левой руки, найдем направление электромагнитных сил, действующих на ротор и заставляющих его вращаться. Ротор двигателя будет вращаться с частотой вращения n₂ в направлении вращения поля статора.
Ротор вращается асинхронно т.е частота вращения его n₂ меньше частоты вращения поля статора n₁.
Относительная разность скоростей поля статора и ротора называется скольжением.

. (12.2)

Скольжение не может быть равным нулю, так как при одинаковых скоростях поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы электромагнитный вращающий момент.
Вращающий электромагнитный момент уравновешивается противодействующим тормозным моментом М_эм = М₂.
С увеличением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится больше вращающего, и скольжение увеличивается. Вследствие этого, возрастают индуктированные в роторной обмотке ЭДС и токи. Вращающий момент увеличивается и становится равным тормозному моменту. Вращающий момент может возрастать с увеличением скольжения до определенного максимального значения, после чего при дальнейшем увеличении тормозного момента вращающий момент резко уменьшается, и двигатель останавливается.
Скольжение заторможенного двигателя равно единице. Говорят, что двигатель работает в режиме короткого замыкания.
Частота вращения ненагруженного асинхронного двигателя n₂ приблизительно равна синхронной частоте n₁. Скольжение ненагруженного двигателя S &asimp; 0. Говорят, что двигатель работает в режиме холостого хода.
Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, изменяется от нуля до единицы.
Асинхронная машина может работать в режиме генератора. Для этого ее ротор необходимо вращать сторонним двигателем в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n₂ > n₁. Скольжение асинхронного генератора.
Асинхронная машина может работать в режиме электромашинного тормоза. Для этого необходимо ее ротор вращать в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля статора.
В этом режиме S > 1. Как правило, асинхронные машины используются в режиме двигателя. Асинхронный двигатель является наиболее распространенным в промышленности типом двигателя. Частота вращения поля в асинхронном двигателе жестко связана с частотой сети f₁ и числом пар полюсов статора. При частоте f₁ = 50 Гц существует следующий ряд частот вращения.

Асинхронная машина с заторможенным ротором работает как трансформатор. Основной магнитный поток индуктирует в статорной и в неподвижной роторной обмотках ЭДС Е₁ и Е_2к.

; ,

где Ф_m — максимальное значение основного магнитного потока, сцепленного со
статорной и роторной обмотками;
W₁ и W₂ — числа витков статорной и роторной обмоток;
f₁ — частота напряжения в сети;
K₀₁ и K₀₂ — обмоточные коэффициенты статорной и роторной обмоток.

Чтобы получить более благоприятное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре между статором и ротором, статорные и роторные обмотки не сосредоточивают в пределах одного полюса, а распределяют по окружностям статора и ротора. ЭДС распределенной обмотки меньше ЭДС сосредоточенной обмотки

Вращающееся магнитное поле — Rotating magnetic field

Вращающееся магнитное поле представляет собой магнитное поле , которое двигается полярности , в которой ее противоположные полюса вращаются вокруг центральной точки или оси. В идеале вращение меняет направление с постоянной угловой скоростью . Это ключевой принцип работы двигателя переменного тока .

Вращающиеся магнитные поля часто используются в электромеханических приложениях, таких как асинхронные двигатели и электрические генераторы . Однако они также используются в чисто электрических приложениях, таких как индукционные регуляторы .

Содержание

• 1 Описание
• 2 История
• 3 См. Также
• 4 ссылки
• 5 Дальнейшее чтение
• 6 Внешние ссылки
  • 6.1 Патенты

Описание

Симметрично вращающееся магнитное поле , может быть изготовлено с всего лишь две полярными катушек , намотанными приводятся в движении 90-градусной фазировке. Однако почти всегда используются три набора катушек, поскольку они совместимы с симметричной трехфазной системой синусоидального переменного тока . Каждая из трех катушек приводится в действие по фазе на 120 градусов относительно других. В данном примере магнитное поле линейно зависит от тока катушки.

В результате добавления трех 120-градусных фазированных синусоидальных волн на оси двигателя получается один вращающийся вектор, который всегда остается постоянным по величине. Ротор имеет постоянное магнитное поле. Северный полюс ротора переместится к южному полюсу магнитного поля статора, и наоборот. Это магнитомеханическое притяжение создает силу, которая заставляет ротор синхронно следовать за вращающимся магнитным полем .

Постоянный магнит в таком поле будет вращаться, чтобы поддерживать его выравнивание с внешним полем. Этот эффект использовался в первых электродвигателях переменного тока . Вращающееся магнитное поле может быть создано с использованием двух ортогональных катушек с разностью фаз переменного тока на 90 градусов. Однако на практике такая система будет питаться по трехпроводной схеме с неравными токами. Это неравенство может вызвать серьезные проблемы при стандартизации сечения проводника. Чтобы преодолеть это, используются трехфазные системы, в которых три тока равны по величине и имеют разность фаз 120 градусов. В этом случае вращающееся магнитное поле будут создавать три одинаковые катушки, имеющие взаимные геометрические углы 120 градусов. Способность трехфазной системы создавать вращающееся поле, используемое в электродвигателях, является одной из основных причин доминирования трехфазных систем в мировых системах электроснабжения.

Вращающиеся магнитные поля также используются в асинхронных двигателях . Поскольку магниты со временем ухудшаются, в асинхронных двигателях используются короткозамкнутые роторы (вместо магнита), которые следуют за вращающимся магнитным полем многослойного статора . В этих двигателях короткозамкнутые витки ротора создают вихревые токи во вращающемся поле статора, которые, в свою очередь, перемещают ротор под действием силы Лоренца . Эти типы двигателей обычно не являются синхронными, но вместо этого обязательно имеют некоторую степень «скольжения», чтобы ток мог возникнуть из-за относительного движения поля и ротора.

История

В 1824 году французский физик Франсуа Араго сформулировал существование вращающихся магнитных полей с помощью вращающегося медного диска и иглы, получив название « вращения Араго» . Английские экспериментаторы Чарльз Бэббидж и Джон Гершель обнаружили, что они могут вызвать вращение медного диска Араго, вращая под ним подковообразный магнит , а английский ученый Майкл Фарадей позже объяснил этот эффект электромагнитной индукцией . В 1879 году английский физик Уолтер Бейли заменил подковообразные магниты четырьмя электромагнитами и, вручную включая и выключая переключатели, продемонстрировал примитивный асинхронный двигатель.

Практическое применение вращающегося магнитного поля в двигателе переменного тока обычно приписывают двум изобретателям, итальянскому физику и инженеру-электрику Галилео Феррарису и сербско-американскому изобретателю и инженеру-электрику Николе Тесла . В своей автобиографии Тесла утверждал, что эта идея пришла ему в голову в 1882 году, когда он гулял в парке и рисовал ее на песке, чтобы проиллюстрировать, как это работает, другу. Феррарис писал об исследовании концепции и построил работающую модель в 1885 году, хотя независимой проверки ни для одного из утверждений нет. В 1888 году Тесла получил патент США (патент США 0,381,968 ) на свою конструкцию, а Феррарис опубликовал свое исследование в документе для Королевской академии наук в Турине .

Вращающееся магнитное поле

Принцип получения вращающегося магнитного поля.

В основе работы асинхронных двигателей лежит вращающееся магнитное поле, создаваемое МДС обмоток статора.

Принцип получения вращающегося магнитного поля с помощью неподвижной системы проводников заключается в том, что если по системе неподвижных проводников, распределенных в пространстве по окружности, протекают токи, сдвинутые по фазе, то в пространстве создается вращающееся поле. Если система проводников симметрична, а угол сдвига фаз между токами соседних проводников одинаков, то амплитуда индукции вращающегося магнитного поля и скорость постоянны. Если окружность с проводниками развернуть на плоскость, то с помощью подобной системы можно получить «бегущее» поле.

Вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи.

Рассмотрим получение вращающегося поля на примере трехфазного асинхронного двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° (рис.3.5) и соединенными звездой. Пусть обмотки статора питаются симметричным трехфазным напряжением со сдвигом фаз напряжений и токов на 120°.

Если для обмотки АХ принять начальную фазу тока равной нулю, тогда мгновенные значения токов имеют вид

Графики токов представлены на рис. 3.6. Примем, что в каждой обмотке всего два провода, занимающие два диаметрально расположенные паза.

Как видно из рис. 3.6, в момент времени to ток в фазе А положительный, а в фазах В и С – отрицательный.

Если ток положительный, то направление тока примем от начала к концу обмотки, что соответствует обозначению знаком «х» в начале обмотки и знаком «·» (точка) в конце обмотки. Пользуясь правилом правоходового винта, легко найти картину распределения магнитного поля для момента времени to (рис. 3.7, а). Ось результирующего магнитного поля с индукцией Втрез расположена горизонтально.

На рис. 3.7, б показана картина магнитного поля в момент времени ti, соответствующий изменению фазы тока на угол = 60°. В этот момент времени токи в фазах А и В положительные, т. е. ток идет в них от начала к концу, а ток в фазе С – отрицательный, т. е. идет от конца к началу. Магнитное поле оказывается повернутым по часовой стрелке на угол = 60°. Если угловая частота тока , то . (Здесь , где – частота тока в сети). В моменты времени t₂ и t₃ ось магнитного поля соответственно повернется на углы и (рис. 3.6, в и г). Через время, равное периоду Т, ось поля займет первоначальное положение. Следовательно, за период Т поле делает один оборот (рис. 3.7, д) ( ()). В рассмотренном случае число полюсов 2р = 2 и магнитное поле вращается с частотой n₁=60f₁=60∙50=3000 об / мин (f₁=50 Гц – промышленная частота). Можно доказать, что результирующая магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой

где Вт – максимальная индукция одной фазы; Вmрез – максимальная индукция трех фаз; – угол между горизонтальной осью и прямой, соединяющей центр с произвольной точкой между статором и ротором.

Направление вращения поля.

В рассмотренном случае направление вращения поля совпадает с направлением движения часовой стрелки. Если поменять местами выводы любых двух фаз питающего напряжения, например B и С, что соответствует обратной последовательности фаз, то направление вращения поля будет противоположным (против движения часовой стрелки), т. е. магнитное поле реверсируется (ср. рис. 3.8).

Формула частоты вращения поля.

Если число катушек в каждой фазе увеличить, а сдвиг фаз между токами сохранить в 120°, то частота вращения поля изменится. Например, при двух катушках в каждой фазе, расположенных, как показано на рис. 3.9, поле за один период повернется в пространстве на 180°.

Рис. 3.8 Рис. 3.9 Рис. 3.10

Для получения картины поля возьмем момент времени to, когда ток в фазе А положительный, а токи в фазах В и С отрицательные. Пользуясь правилом знаков для токов находим, что в данном случае число полюсов 2р = 4 или р = 2 и тогда n₁ = 60f₁ / p = 3000/2 =1500 об/мин. Рассуждая аналогично, для трех катушек в каждой фазе находим картину поля, показанную на рис.3.10. Здесь р = 3 и, следовательно, n₁ = 1000 об/мин.

Общая формула для определения частоты вращения, об/мин, будет

Во всех рассмотренных случаях катушки каждой фазы были соединены между собой последовательно. Именно при таком соединении частота вращения поля статора для р = 1, 2 и 3 при f₁= 50 Гц составила соответственно 3000, 1500 и 1000 об/мин.

Параллельное соединение катушек.

Покажем, что при переключении катушек из одной фазы в другую и при их параллельном соединении число полюсов поля и, следовательно, частота вращения поля будут отличными от рассмотренных. В качестве примера возьмем по две катушки в каждой фазе и соединим их между собой параллельно так, как показано на рис.3.11,а и в развернутом виде на рис. 3.11,6. Из картины поля видно, что р = 1, а частота вращения n₁ = 3000 об/мин. Выше было показано, что при последовательном соединении тех же катушек частота вращения была 1500 об/мин. При частоте тока в в сети 50 Гц частота вращения поля статора определяется из выражения

п₁ = 60 f₁ / p = 60 ∙50 / p .

Задаваясь различным числом пар полюсов р = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, находим частоту вращения поля. Результаты расчета сведены в табл. 3.1.

Вращающееся магнитное поле

• Вращающееся магнитное поле. Обычно под вращающимся магнитным полем понимается магнитное поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается с постоянной угловой скоростью. Впрочем, вращающимися называют и магнитные поля магнитов, вращающихся относительно оси, не совпадающей с их осью симметрии (например, магнитные поля звезд или планет).

Вращающееся магнитное поле создают, накладывая два или более разнонаправленных переменных, зависящих от времени по синусоидальному закону, магнитных поля одинаковой частоты, но сдвинутых друг относительно друга по фазе.

Это было на практике осуществлено независимо в 1888 году итальянским физиком Г. Феррарисом и сербским инженером Н. Тесла. Применяется в синхронных и асинхронных машинах.

Разность фаз для двухфазных систем (два перпендикулярных электромагнита) должна составлять 90°, а для 3-фазных (три электромагнита, направленных в одной плоскости под углом 120° друг к другу) 120°.

Связанные понятия

Упоминания в литературе

Связанные понятия (продолжение)

Силовая линия, или интегральная кривая, — это кривая, касательная к которой в любой точке совпадает по направлению с вектором, являющимся элементом векторного поля в этой же точке. Применяется для визуализации векторных полей, которые сложно наглядно изобразить каким-либо другим образом. Иногда (не всегда) на этих кривых ставятся стрелочки, показывающие направление вектора вдоль кривой. Для обозначения векторов физического поля, образующих силовые линии, обычно используется термин «напряжённость.

Магнитосопротивление (магниторезистивный эффект) — изменение электрического сопротивления материала в магнитном поле. Впервые эффект был обнаружен в 1856 Уильямом Томсоном. В общем случае можно говорить о любом изменении тока через образец при том же приложенном напряжении и изменении магнитного поля. Все вещества в той или иной мере обладают магнетосопротивлением. Для сверхпроводников, способных без сопротивления проводить электрический ток, существует критическое магнитное поле, которое разрушает.

Пинч (англ. pinch — сужение, сжатие) — эффект сжатия токового канала под действием магнитного поля, индуцированного самим током. Сильный ток, протекающий в плазме, твёрдом или жидком металле создаёт магнитное поле. Оно действует на заряженные частицы (электроны и/или ионы), что может сильно изменить распределение тока. При больших токах сила Ампера приводит к деформации проводящего канала, вплоть до разрушения. В природе наблюдается в молниях .