Асинхронний двигун трифазного струму

Найпростішим способом обертове магнітне поле можна дістати, обертаючи підковоподібний магніт (мал. 65). Ра­зом з магнітом обертатиметься й створюване ним магнітне поле. Якщо в таке поле помістити магнітну стрілку, то вона, намагаючись установитися вздовж ліній індукції магнітного поля, почне обертатися у той самий бік, в який обертається поле. Так само вестиме себе і замкнутий виток проводу (мал. 66). Внаслідок зміни магнітного потоку через виток під час обертання магнітного поля у витку збуджується ЕРС індукції й індукційний струм. На цей струм з боку магнітного поля діятиме сила Ампера. За

правилом Ленца індукційний струм у витку напрямлений так, що при взаємодії цього струму з магнітним полем зменшується зміна магнітного потоку внаслідок обертання магнітного поля. Тому рамка обертатиметься слідом за магнітним полем. У цьому можна переконатися й іншим способом, якщо за допомогою правила правої руки визна­чити напрям індукційного струму в рамці, а потім за допо­могою правила лівої руки визначити напрям сил Ампера, які діють на окремі сторони рамки.

Замість рамки можна взяти масивний металевий ци­ліндр або ротор у вигляді «білячого колеса» (мал. 67), еквівалентного великій кількості з'єднаних між собою провідних рамок. Під час обертання магнітного поля у тов­щі металу циліндра також виникають замкнуті індукційні струми (вихрові струми, або струми Фуко). Згідно з пра­вилом Ленца взаємодія цих струмів з магнітним полем приводитиме в рух циліндр.

Однак поведінка в обертовому магнітному полі магніт­ної стрілки і короткозамкнутої металевої рамки дещо різна. Під час рівномірного обертання магнітної стрілки сумарний момент діючих на неї сил повинен дорівнювати нулю. Якщо на стрілку не діють зовнішні сили, то має дорівнювати нулю момент сил, які діють на стрілку з боку обертового магнітного поля. Тому в будь-який момент стрілка напрямлена вздовж поля і обертається синхронно з ним. Якщо на стрілку діє гальмівний зовнішній момент, то стрілка, обертаючись синхронно з полем, дещо відставатиме від нього за фазою, так щоб гальмівний момент зрівноважувався моментом сил з боку магнітного поля. Зрозу­міло, що замість магнітної стрілки можна

взяти укріплений на осі постійний магніт або електро­магніт, який живиться постійним струмом. Вони теж обер­татимуться синхронно із зовнішнім обертовим магнітним полем.

Дещо інакше відбувається обертання короткозамкнутої рамки або суцільного циліндра. Сила індукційного струму залежить від відносної швидкості обертання магнітного поля і ротора. При синхронному обертанні індукційний струм відсутній і, отже, дорівнює нулю момент сил, які діють на ротор з боку магнітного поля. Тому ротор може обертатися синхронно з полем тільки тоді, коли ніякі галь­мівні моменти на нього не діють. При наявності гальмів­ного моменту під час рівномірного обертання він повинен зрівноважуватися моментом сил, які діють на індукційні струми в роторі з боку магнітного поля. Для виникнення цих індукційних струмів ротор повинен обертатися повіль­ніше, ніж магнітне поле. Таким чином, кутова швидкість ротора менша від кутової швидкості обертання магнітного поля і залежить від гальмівного моменту: чим він біль­ший, тим повільніше обертається ротор.

Магнітна стрілка або електромагніт постійного стру­му — це модель синхронного двигуна змінного струму, який застосовується у тих випадках, коли необхідно мати строго постійну, незалежну від навантаження кількість обертів. Короткозамкнутий ротор в обертовому магнітному полі — це модель асинхронного двигуна змінного струму, кутова швидкість обертання ротора якого залежить від механічного навантаження. Завдяки винятковій простоті конструкції і високій надійності асинхронні двигуни ма­ють широке застосування в техніці.

Обертове магнітне поле можна створити за допомогою змінного трифазного струму, а не за рахунок обертання магнітів. Виявляється, що коли увімкнути трифазний струм до трьох обмоток, розміщених під кутом 120° одна до одної (мал. 68), то магнітна поле поблизу точки перетину осей симетрії обмоток О постійне за величиною і буде рів­номірно обертатися з кутовою швидкістю «. Індукція маг­нітного поля, створюваного кожною обмоткою, залежатиме від часу згідно з формулами (26.1):

(28.1)

Індукція результуючого поля

(28.2)

має постійну величину, що дорівнює і рівномірно

обертається в площині осей котушок з кутовою швид­кістю о). Щоб переконатися в цьому, спроектуємо вектор індукції результуючого поля В на осі х і у (мал. 69):

Скориставшись формулою різниці синусів двох кутів, дістанемо:

(28.3) Аналогічно,

Після перетворень дістанемо:

(28.4)

Отже, , тобто

вектор магнітної індукції сумарного поля має довжину

і рівномірно обертається з кутовою швидкістю о). Ми

одержали обертове магнітне поле без будь-якого механіч­ного руху в споживачі електроенергії.

Помістимо в це поле короткозамкнутий ротор (мал. 70). У перший момент буде індукуватися велика ЕРС і, оскіль­ки ротор короткозамкнутий, виникнуть великі струми і значний обертальний момент. Ротор почне обертатися слідом за полем.

Припустимо, він «догнав» поле і обертається з його швидкістю, тоді немає руху відносно поля, а тому немає електромагнітної індукції і сил Ампера. Внаслідок дії моменту сил тертя ротор починає відставати від магнітного поля. Виникає індукційний струм, який за правилом Ленца прагне зменшити відносну швидкість руху ротора в магнітному полі. При постійному навантаженні ротор обертається практично рівномірно, трохи повільніше, ніж магнітне поле. Момент сил Ампера, що при цьому виникає, достатній для подолання всіх опорів. При збільшенні навантаження ротор ще більше відстає від магнітного поля, зростають індукційний струм і момент сил Ампера. Саме тому, що ротор відстає від магнітного поля, двигун називається асинхронним.

Трифазний асинхронний двигун є симетричним наван­таженням, тому для його живлення достатньо трипровід-ної лінії. Схема вмикання трифазного асинхронного елек­тродвигуна показана на малюнку 71. Напрям обертання магнітного поля, а отже, і ротора електродвигуна, можна змінити на протилежний, якщо поміняти місцями кінці будь-якої пари проводів, увімкнутих до котушок статора, який створює магнітне поле.

Трансформатор

Однією з важливих переваг електричної енергії є до­сить зручна і проста передача її від генератора до спожи­вача. Передача електроенергії економічніша при незнач­них втратах її в проводах лінії електропередач і якомога менших матеріальних затратах на створення ліній пере­дачі електроенергії. Втрати енергії в проводах головним чином зв'язані з їх нагріванням під час проходження ними струму. Потужність струму, яка йде на нагрівання прово­дів лінії передачі, дорівнює — сила струму в лінії, R — опір проводів лінії.

Ця формула вказує на два можливі шляхи зменшення теплових втрат у проводах лінії передач: 1) зменшення опору проводів; 2) використання меншої сили струму. Істотно зменшити опір проводів лінії можна лише за раху­нок збільшення їх поперечного перерізу. Однак це веде до збільшення вартості ліній, тому такий спосіб зменшення втрат не прийнятний. На практиці ефективне зменшення втрат енергії на нагрівання проводів досягається змен­шенням сили струму.

Нехай, наприклад, необхідно передати електроенергію потужністю лінією, опір якої (такий

опір має двопровідна лінія передачі довжиною приблизно 150 км з мідного дроту діаметром 1 см), із втратами на нагрівання проводів лінії 1 % .У цьому

випадку потужність треба передавати струмом силою

Отже, напруга в лінії має бути

Цей приклад показує, що для передачі великої потуж­ності за допомогою порівняно слабких струмів напруга має бути дуже високою. Однак конструювати генератори (а також різні споживачі електричної енергії), розраховані на високі напруги, дуже складно, оскільки необхідно забезпечити добру ізоляцію обмоток, не кажучи вже про те, що широке споживання електричної енергії при такій високій напрузі взагалі неприпустиме через небезпеку враження людини струмом. Електричні генератори бу­дують на напругу 6—25 тис. вольт, а потім цю напругу підвищують за допомогою трансформаторів. У місцях споживання електроенергії струм високої напруги пере­творюють у струм низької напруги (110, 220, 380 В і т. д.).

Розглянемо будову і принцип дії трансформатора. Най­простіший трансформатор складається з двох котушок (обмоток), надітих на замкнуте залізне осердя (мал. 72). Одна із обмоток — первинна — вмикається до джерела змінної напруги. При проходженні цією обмоткою змін­ного струму в осерді виникає змінний магнітний потік Ф, який збуджує в кожному витку первинної обмотки ЕРС

індукції . Оскільки магнітний потік існує практич-

но лише всередині осердя і однаковий у всіх перерізах, то в кожному витку вторинної обмотки виникає ЕРС індукції

також і.

Отже, якщо первинна обмотка має ті\ витків, а вто­ринна , то ЕРС індукції в обмотках прямо пропорційні кількості витків у них:

(29.1)

Відношення к називають коефіцієнтом трансформації. Коефіцієнт трансформації визначається під час холостого ходу трансформатора, тобто при розімкнутому колі вто­ринної обмотки.

Під час холостого ходу в первинній обмотці йде струм холостого ходу. Сила струму холостого ходу мала (ста­новить приблизно 5 % номінальної), внаслідок чого малий спад напруги в первинній обмотці, і ЕРС самоіндукції в первинній обмотці дорівнює напрузі на затискачах кола . Коло вторинної обмотки розімкнуте, внаслідок чого в ньому немає струму, і напруга на затискачах вто­ринної обмотки дорівнює індукованій в ній ЕРС Тому

(29.2)

У підвищувальному трансформаторі коефіцієнт транс­формації (відповідно), в знижувальному . Один і той самий трансформатор може працювати і як підвищувальний, і як знижувальний, залежно від того, яка обмотка використовується як первинна.

Увімкнемо до вторинної обмотки споживач електро­енергії, або, як кажуть, навантажимо трансформатор. У вторинній обмотці виникне змінний струм (такої са­мої частоти). Цей струм створює в осерді магнітний потік, напрямлений за правилом Ленца назустріч потоку первин­ної обмотки. Ослаблення магнітного потоку в осерді веде до зменшення ЕРС самоіндукції в первинній обмотці, що (при постійній U\) викликає зростання сили струму в первинному колі. Це збільшення сили струму веде до збільшення магнітного потоку, ЕРС індукції і сили струму у вторинній обмотці. Однак збільшення сили струму у вто­ринній обмотці супроводжується збільшенням сили стру­му самоіндукції і, отже, зменшенням магнітного потоку (який щойно зростав). Зменшення магнітного потоку в пер­винній обмотці веде до зменшення ЕРС самоіндукції, нового збільшення сили струму в первинній обмотці і магнітного потоку і т. д.

В результаті при постійному навантаженні встанов­люється певний магнітний потік Ф, ЕРС індукції у вто­ринній обмотці і сила струму в первинній обмотці.

Під час навантаження трансформатора відбувається передача енергії із первинної обмотки у вторинну. За зако­ном збереження і перетворення енергії потужність струму у вторинному колі менша від потужності у первинному на величину втрат потужності в трансформаторі:

. Оскільки ККД трансформатора дуже близький до 1, то для наближених розрахунків можна нехтувати втратами потужності в трансформаторі і вважати або . Звідси знайдемо

(29.3)

Відношення сили струму у вторинній обмотці до сили струму в первинній обернено пропорційне напругам на обмотках і дорівнює величині, оберненій коефіцієнтові трансформації.

При збільшенні навантаження понад розраховану ге­нератор не забезпечує постійності напруги на первинній обмотці, знижується напруга на вторинній обмотці.

У різних галузях електротехніки і на виробництві ши­роко використовуються трансформатори від мініатюрних до величезних розмірів великої потужності.

Для кіл невеликої потужності іноді вторинною обмот­кою трансформатора роблять частину первинної або, навпа­ки, частину вторинної обмотки — як первинну. В цьому випадку трансформатор називають автотрансформатором. Один з контактів автотрансформатора часто роблять рухомим, що дає можливість плавно змінювати вихідну напругу.

? 1. Чому для передачі великих потужностей використовують змінний струм високої напруги? 2. На якому принципі грунтується робота транс­форматора? Чи можна трансформувати постійний струм? 3. Що таке коефіцієнт трансформації? 4. Поясніть принцип роботи навантаженого трансформатора. 5. Як здійснюється передача електроенергії на великі відстані?

Вправа 4

1. Трансформатор з коефіцієнтом трансформації знижує
напругу з 10 000 В до 800 В. При цьому у вторинній обмотці йде струм
силою 1г— 2 А. Визначити опір вторинної обмотки. Втратами енергії
в первинній обмотці нехтувати.

2. Для трансляції радіопередач застосовують трансформатор, який
знижує напругу з 480 до ЗО В. Визначити споживану трансформатором
потужність, якщо його ККД і до нього увімкнуті 380 репродук­
торів, через кожний з яких проходить струм силою

3. Знижувальний трансформатор з коефіцієнтом трансформації
k— 24 увімкнено в коло з напругою 120 В. Вторинну котушку трансфор­
матора приєднано до приладу, яким йде струм силою . Визна­
чити опір приладу, якщо опір вторинної котушки трансформатора

4. Первинна обмотка силового трансформатора для живлення кіл
радіоприймача має Лі= 1200 витків. Яку кількість витків повинна мати
вторинна обмотка трансформатора для живлення нитки розжарення
кенотрона (необхідна напруга і сила струму 7з= 1 А), вважаю­
чи, що опір цієї обмотки , а напруга в колі £/=» 120 В?