Вращающееся магнитное поле

Одним из основных преимуществ многофазных токов является возможность получения вращающихся магнитных полей, лежащих в основе принципа действия наиболее распространенных типов двигателей переменного тока, в частности, трехфазных асинхронных двигателей.

Рассмотрим получение вращающегося магнитного поля посредством трехфазной системы токов.

При подключении трехфазной обмотки статора к трехфазному источнику ЭДС, в фазах обмотки возникают токи:

Временные графики этих токов изображены на рис. 5.4.

Каждый из токов создает пульсирующее магнитное поле, направленное вдоль оси своей катушки:

Результирующее магнитное поле для любого момента времени определяется векторной суммой трёх индукций:

На рис. 5.5, а, б, в показаны схематические картины магнитного поля для различных моментов времени, следующие друг за другом.

В момент времени t₁, при котором (ωt₁ = 90°), ток в фазе А положителен и равен I_m, в фазах В и С токи отрицательны и составляют по величине 0,5I_m (рис. 5.4). Выберем условно положительные направления токов трёхфазной обмотки статора. Пусть положительный ток i_а в фазе А направлен от её конца X к началу A, тогда в фазах B и C токи i_b , i_c имеют противоположное направление.

На рис. 5.5, а направления токов обозначены крестиками и точками. Направления векторов магнитной индук-

ц ии в каждой из трёх обмоток совпадают с осями обмоток и определяются по правилу правоходового винта. Соответствующие токам векторы индукций B_a = B_m; B_b = B_c = -1/2B_m сдвинуты друг относительно друга на 120⁰ (рис. 5.5, а).

Результирующий вектор магнитной индукции для момента времени t₁ - B_t1 = 3/2 B_m (рис. 5.5, а). На рис. 5.5, а хорошо видно, что магнитное поле имеет два полюса – северный и южный, т.е. одну пару полюсов. Линии магнитной индукции выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S.

Далее, на рис. 5.5, б и в показаны направления токов и схематические картины магнитного поля для моментов времени t₂ (ωt₂ = 210°) и t₃ (ωt₃ = 330°). Из сравнения этих рисунков видно, что магнитное поле вращается по часовой стрелке с постоянной по величине магнитной индукцией 3/2 B_m.

Если продолжить анализ, то мы увидим, что для момента времени t₄ (ωt₄ = 450°) токи и соответственно картина магнитного поля такие же как и для t₁ (ωt₁ = 90°).

Таким образом, интервалу времени от t₁ до t₄ составляет период Т синусоидального тока i_a, а результирующее двухполюсное магнитное поля соверша­ет за это время один полный оборот.

Тогда угловая частота и частота вращения магнитного поля равны , с^-1; n₀ = 60 f, об/мин.

где f = 50 Гц, частота напряжения сети электроснабжения.

Увеличение числа катушек в фазах обмотки статора приводит к увеличению числа пар полюсов магнитного поля. При различном числе пар полюсов частоты вращения:

где p - число пар полюсов магнитного поля двигателя.

Частота вращения магнитного поля многоскоростных асинхронных двигателей при соответствующем числе пар полюсов 60f /р равна: 3000/1; 3000/2; 3000/3; 3000/4 и т.д.

Схемы соединения фаз трехфазных генераторов

Фазы трехфазного генератора могут быть соединены по схеме «звезда» и по схеме «треугольник».

П ри соединении фаз генератора по схеме «звезда» концы всех фаз X, Y, Z соединяют в общий узел 0 (или N), называемый нулевой или нейтральной точкой генератора (рис. 5.6). Потенциал этого узла при расчетах трехфазных цепей принимается равным нулю.

К четырем зажимам генератора присоединяются провода. Провода, присоединенные к началам фаз трехфазного генератора (А, В, С), называются линейными. К нулевой точке генератора присоединяется провод, который называется нулевым или нейтральным.

Потенциалы точек A,B,C фаз генератора равны ЭДС соответствующих фаз:

Напряжения между началом и концом фазы генератора называются фазными напряжениями генератора. Учитывая, что напряжение есть разность потенциалов, а потенциал точки 0 равен нулю, фазные напряжения генератора могут быть записаны:

Из полученных выражений видно, что фазные напряжения генератора равны ЭДС соответствующих фаз.

Напряжения между началами фаз генератора, то есть напряжения между линейными проводами, называются линейными напряжениями и находятся как разность соответствующих потенциалов:

Из полученных выражений видно, что линейные напряжения могут быть определены как разность соответствующих фазных напряжений генератора.

На рис. 5.7 представлена топографическая диаграмма и показаны векторы фазных и линейных напряжений генератора при соединении его фаз «звездой».

И з рис. 5.7 видно, что векторы линейных напряжений образуют замкнутый треугольник. Они сдвинуты друг относительно друга на угол 120° и опережают соответствующие фазные напряжения на 30°.

По величине действующее значение линейного напряжения в раз больше фазного

U_Л= U_Ф.

Тогда можно записать еще одно выражение, связывающее линейные и фазные напряжения генератора: .

П ри соединении фаз генератора по схеме «треугольник» конец одной фазы соединяется с началом другой (рис. 5.8). При таком соединении фаз генератора линейные напряжения, как видно из схемы, равны соответствующим фазным напряжениям генератора .

На практике обмотки фаз генератора соединяют звездой, у трансформатора – как звездой, так и треугольником.