Магнитное поле двухфазной и трехфазной обмотки

Рассмотрим вращающееся магнитное поле трехфазной обмотки машины переменного тока.

На статоре расположены три катушки, оси которых сдвинуты взаимно на углы 120°. Каждая катушка для наглядности изображена состоящей из одного витка, находящегося в двух пазах (впадинах) статора.

В действительности катушки имеют большое число витков. Буквами А, В, С обозначены начала катушек, X Y, Z - концы их. Катушки соединены звездой, т. е. концы X, Y, Z соединяются между собой, образуя общую нейтраль, а начала А, В, С подключаются к трехфазной сети переменного тока. Катушки могут соединяться и треугольником.

По катушкам протекают синусоидальные токи с одинаковым амплитудами Im и частотой щ = 2рf, фазы которых смещены на 1/3 периода.

Токи, протекающие в катушках, возбуждают переменные магнитные поля, магнитные линии которых будут пронизывать катушки в направлении, перпендикулярном их плоскостям. Следовательно, средняя магнитная линия или ось магнитного поля, создаваемого катушкой А - X, будет направлена под углом 90° к плоскости этой катушки.

Направления магнитных полей всех трех катушек показаны векторами ВА, ВВ и ВС, сдвинутыми один относительное другого также на 120°.

Условимся считать положительными направления токов в катушках от начала к концу обмотки каждой фазы.

При этом в проводниках статора, подключенных к начальным точкам А, В, С, токи, принятые положительными, будут направлены на зрителя, а в проводниках, подключенных к конечными точкам X, Y и Z,- от зрителя.

Положительным направлениям токов будут соответствовать положительные направления магнитных полей, показанные на том же рисунке и определяемые по правилу буравчика.

Не касаясь количественной стороны явления, определим сначала направления магнитного поля, созданного трехфазной обмоткой для различных моментов времени.

В момент t= 0 ток в катушке А - X равен нулю, в катушке В - Y отрицателен, в катушке С -Z положителен. Следовательно, в этот момент тока в проводниках А и X нет, в проводниках С и Z он имеет положительное направление, а в проводниках B и Y - отрицательное направление.

Назначение машин переменного тока.

Синхронные машины – это бесколлекторные машины переменного тока, имеющие синхронную частоту вращения ротора, т. е. у них частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора. В промышленности и на железнодорожном транспорте синхронные машины используют в основном как генераторы; их устанавливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электростанциях, а также на тепловозах, автомобилях, самолётах. В первом случае мощностью до 1200 МВт, во втором – до 4400 кВт. В зависимости от типа привода различают турбогенераторы, гидрогенераторы и дизель-генераторы. Синхронные машины также используются и в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и выше для приводов насосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов.

Работа синхронной машины основана на явлении электромагнитной индукции и заключается в преобразовании механической энергии в электрическую энергию переменного тока (генераторы) или электрической энергии переменного тока в механическую (двигатели), т. е. синхронная машина обладает обратимостью.

Синхронная машина состоит из неподвижной части – статора, в пазах которого расположена многофазная (как правило, трёхфазная) обмотка и вращающейся части – ротора с обмоткой возбуждения, питаемой от источника постоянного тока (возбудителя) через контактные кольца и щётки. Синхронная машина может работать автономно в качестве генератора, питающего подключенную к ней нагрузку, или параллельно с сетью, к которой присоединены другие генераторы. При работе параллельно с сетью она может отдавать или потреблять электрическую энергию, т. е. работать генератором или двигателем. При подключении обмотки статора к сети с напряжением U1 и частотой f1 проходящий по обмотке ток создаёт вращающееся магнитное поле, частота вращения которого

n1 = 60×f1/p.

В результате взаимодействия этого поля с током возбуждения Iв, проходящим по обмотке ротора, создаётся электромагнитный момент М, который при работе машины в двигательном режиме является вращающим, а при работе в генераторном режиме – тормозным. В установившемся режиме ротор неподвижен относительно магнитного поля и вращается с частотой вращения n1 = n2, где n2 - частота вращения ротора. Таким образом, в установившемся режиме ротор машины постоянного тока вращается с постоянной частотой, равной частоте вращающегося магнитного поля.

Сердечник статора, собранный из листовой электротехнической стали, 2 — трехфазная обмотка статора, включаемая в сеть переменного тока, 3 — сердечник ротора, 4 — фазная обмотка ротора, 5 — контактные кольца для соединения с пусковым или регулировочным реостатом, 6 — короткозамкнутая обмотка ротора.

МДС обмоток синхронных машин переменного тока.

Магнитодвижущая сила (МДС) всех обмоток переменного тока, расположенных на статоре или роторе электрической машины, должна создавать в ее воздушном зазоре вращающееся магнитное поле. Для этого каждая из обмоток, питающаяся от синусоидально изменяющегося напряжения, должна иметь МДС, синусоидально распределенную в пространстве, т. е. по расточке статора или по окружности ротора. Несоблюдение этих условий, т. е. питание от несинусоидального напряжения или несинусоидальное распределение МДС приводит к появлению высших гармонических в кривой распределения магнитного потока, что ведет к ухудшению энергетических показателей машины.

Будем считать, что обмотки получают питание от источника напряжения чисто синусоидальной формы. Выясним, как должна быть выполнена обмотка переменного тока, чтобы распределение ее МДС было синусоидальным.

МДС сосредоточенной обмотки. Для установления величины и характера распределения МДС обмотки сначала рассмотрим двухполюсную машину с простейшей сосредоточенной обмоткой у которой все витки, включенные в фазу АХ, находятся в пазах, расположенных в диаметральной плоскости. При прохождении тока от начала фазы А к ее концу X возникает двухполюсный магнитный поток, силовые линии которого направлены, как показано на рисунке. Каждая силовая линия этого потока сцеплена со всеми витками w катушки данной фазы, поэтому создаваемая катушкой МДС Fк =∑i = iw. При максимальном значении тока в катушке эта МДС также имеет максимальное значение: Fкm=Imw= = √2Iw.