Вращающееся магнитное поле. Принцип работы асинхронного двигателя
Одним из главных достоинств трехфазных цепей является возможность получения вращающихся магнитных полей, лежащих в основе работы наиболее распространенных типов асинхронных двигателей. Принцип получения вращающегося магнитного поля можно проиллюстрировать на примере двух взаимно перпендикулярных катушек индуктивностей. На рисунке 2.20 показан в разрезе один виток каждой катушки, питаемой синусоидальными токами i1 и i2. Под действием этих токов создаются магнитные поля с индукцией в точке пересечения катушек (ток течет от конца, помеченного знаком «х» к концу «.»): B1 = Bmsinwt и B2 = Bmcoswt. Результирующий вектор магнитной индукции
, (2.50)
т. е. получено результирующее магнитное поле, вращающееся по часовой стрелке с угловой частотой w. Аналогичным образом может быть образовано вращающееся магнитное поле в трехфазной системе с токами, создающими мгновенные значения индукции:
. (2.51)
Рисунок 2.20 – Магнитное поле двух взаимно перпендикулярных
катушек индуктивности
Введем в рассмотрение фазовый оператор a = ej2p/3. Тогда результирующий вектор индукции 
определится как:
(2.52)
Таким образом, получено результирующее магнитное поле с амплитудой магнитной индукции 1,5Вm, вращающееся с угловой частотой w по часовой стрелке.
На использовании вращающегося магнитного поля основан принцип действия трехфазного асинхронного двигателя. Вращающееся магнитное поле в асинхронном двигателе создается обмотками статора. Это поле наводит в обмотках ротора индукционные токи. Взаимодействие этих токов с вращающимся магнитным полем приводит к возникновению вращающегося момента в направлении поворота поля. В результате ротор начинает вращаться со скоростью u (об/мин), несколько меньшей скорости вращения магнитного поля un (отсюда термин «асинхронный»). Для характеристики степени различия указанных скоростей вращения вводят параметр
, (2.53)
называемый скольжением. Для получения вращающего момента величина скольжения должна быть больше нуля (обычно s0 = 0,02...0,04).
Синхронный генератор
Ротор синхронных машин вращается синхронно с вращающимся магнитным полем. Поскольку частоты вращения ротора и магнитного поля одинаковы, в обмотке ротора не индуцируются токи. Поэтому обмотка ротора получает питание от источника постоянного тока. Устройство статора синхронной машины практически не отличается от устройства статора асинхронной машины.
Питание к обмотке ротора подводится через скользящие контакты, состоящие из медных колец и графитовых щеток. При вращении ротора его магнитное поле пересекает витки обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. Чтобы получить синусоидальную форму ЭДС, зазор между поверхностью ротора и статором увеличивают от середины полюсного наконечника к его краям (рисунок 2.21).
Рисунок 2.21 – Синхронный генератор
Частота индуцированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора:
(2.54)
где р – число пар полюсов ротора генератора.
Синхронный двигатель
Устройство статора синхронного двигателя аналогично устройству статора асинхронного двигателя. Ротор синхронного двигателя представляет собой электромагнит или постоянный магнит (рисунок 2.22). Принцип работы синхронного двигателя поясняется рисунком. Внутри магнита N1S1 помещен магнит NS. Если магнит N1S1 вращать, то он потянет за собой магнит NS. В стационарном режиме частоты вращения обоих магнитов одинаковы.
К валу магнита NS можно приложить механическую нагрузку. Чем больше эта нагрузка, тем больше угол отставания оси магнита NS от оси магнита N1S1.
Рисунок 2.22 – Синхронный двигатель
В реальном двигателе поле магнита заменено вращающимся магнитным полем статора; при этом ротор либо вращается синхронно с магнитным полем статора, отставая на угол a, либо останавливается (выпадает из синхронизма) при перегрузке. Таким образом, независимо от нагрузки ротор всегда вращается с постоянной частотой, равной частоте вращения магнитного поля статора: n2 = n1 = 60f/р.
Постоянство частоты вращения – важное достоинство синхронного двигателя. Строгое постоянство частоты вращения требуется во многих областях техники, например при записи и воспроизведении звука. Недостаток синхронного двигателя – трудность пуска: для пуска нужно раскрутить ротор в сторону вращения поля статора. Для этого чаще всего применяют специальную короткозамкнутую обмотку, вделанную в ротор. В момент пуска двигатель работает как асинхронный. Когда частота вращения ротора приближается к частоте вращения поля статора, ротор входит в синхронизм и двигатель работает как синхронный.
Синхронные двигатели особенно удобны для привода роторов гироскопов. В тех случаях, когда гироскоп используют для особо точных измерений (например, в баллистических ракетах), приводом ротора гироскопа служит синхронный двигатель. При этом частота вращения ротора зависит только от конструкции двигателя и частоты питающего тока, которую можно стабилизировать с очень высокой степенью точности.
Вопросы для самотестирования
1 Как изменяется эквивалентная индуктивность двух последовательно соединённых индуктивно связанных катушек при согласном включении?
2 Из каких двух составляющих состоит эквивалентное сопротивление отдельных индуктивно связанных ветвей при их параллельном включении?
3 Какие законы и методы используют при расчёте индуктивно связанных цепей?
4 Размагничивает или намагничивает вторичная обмотка трансформатора первичную обмотку?
5 Какие виды соединений могут быть в трёхфазных цепях?