Створення обертового магнітного поля в електричних машинах змінного струму

 

В наш час найчастіше застосовується конструкція синхронної машини з якірною обмоткою, розташованою на статорі, й індукторною – на роторі. Тому в синхронному генераторі магнітне поле обертове, оскільки обертаються магнітні полюси індуктора, а швидкість обертання задається первинним приводним двигуном. Умови виникнення симетричного колового обертового поля наведені [1,2,3,5] та в інших літературних джерелах.

Асинхронні двигуни живляться від мережі змінного струму. З’ясуємо, як створюється колове обертове магнітне поле в трифазній обмотці індуктора асинхронного двигуна. Для цього будемо вважати, що додержані всі умови для створення колового обертового магнітного поля: підведені напруги й струми мережі симетричні (кут зсуву між фазними напругами або струмами дорівнює 120° електричних; амплітуди відповідно фазних напруг або струмів дорівнюють одна одній), просторовий зсув між осями фазних обмоток дорівнює 120°. Крім того, умовимося вважати, що при обертанні трифазної симетричної векторної діаграми струмів напрями фазних струмів такі. Якщо вектор струму фази проектується на позитивну напіввісь декартової координатної системи, то струм підходить до початку фази. А якщо – на негативну напіввісь, то – до кінця фази. Будемо позначати для зручності пояснень на допоміжних рисунках початки фаз А, В, С, а кінці - А', В', С', хоча за держстандартами початки фаз позначаються відповідно С1, С2, С3, а кінці – С4, С5, С6. Провідники ротора позначимо через Р1, Р2.

З урахуванням всіх цих умов розглянемо спочатку положення векторної діаграми рис. 9.1, а. На рис. 9.1,б наведено напрями струмів у одновиткових фазних обмотках з дотриманням вищенаведених умов для двополюсної асинхронної машин. Застосовуючи мнемонічне правило буравчика, визначаємо напрями магнітних потоків, які створюються кожним провідником зі струмом..

Рис. 9.1. Обертове магнітне поле, створюване трифазною статорною обмоткою

 

У просторі між провідниками створені магнітні потоки спрямовані зустрічно, тобто на цих ділянках статора сумарний магнітний потік проктично дорівнює нулеві. Магнітні потоки вздовж зовнішньої частини та внутрішньої розточки статора підсумовуються й створюють сумарний магнітний потік Ф.

Аналогічні міркування застосовані до векторної діаграми рис. 9.1, в, яка повернута на 60° відносно векторної діаграми рис. 9.1, а. Одержане нове положення магнітного потоку Ф (рис. 9.1, г), який повернувся у порівнянні з положенням його на рис. 9.1, б на кут α.. Якщо розглянути положення потоку Ф у просторі через кожні 60° повороту векторної діаграми, то виявиться, що 360° повороту векторної діаграми відповідає один оберт магнітного потоку Ф, тобто поворот на 360°. Таким чином, при живленні трифазної обмотки індуктора асинхронної машини змінного струму створюється обертовий магнітний потік, який обертається зі швидкістю n₁ у напрямі, показаному на рис. 9.1, г. Застосовуючи мнемонічне правило правої руки, визначаємо напрями струмів, які індукуються в провідниках ротора Р₁, Р₂.

Мнемонічні правила правої (для визначення напрямку індукованих ЕРС та струму) та лівої (для визначення напрямку дії електромагнітної сили та руху провідника зі струмом у магнітному полі) руки застосовуються для нерухомого магнітного потоку та рухомого провідника. В нашому випадку рухається магнітний потік відносно провідника. Тому це еквівалентне нерухомому потокові та рухові провідника в зворотному напрямі. Напрями індукованих ЕРС та струмів у провідниках Р₁, Р₂ визначені саме з цих міркувань.

Рис. 9.2. Двофазне обертове магнітне поле статорної обмотки

 

Потім, застосовуючи мнемонічне правило лівої руки, визначаємо напрям руху ротора n₂ та, відповідно, електромагнітних сил, які діють на провідники зі струмом, і моменту М. Для того, щоб у провідниках ротора Р₁, Р₂ індукувався струм, тобто щоб виникав момент М, який є результатом взаємодії магнітного потоку Ф та струму у провідниках ротора, необхідно, щоб ротор обертався зі швидкістю n₂ < n₁, оскільки при n₂ = n₁ струми в провідниках Р₁, Р₂ стануть дорівнюючими нулеві, як і момент М. Це призведе до відставання ротора від магнітного потоку Ф внаслідок, наприклад, тертя в підшипниках і інших втрат енергії. Тому виникнуть струм ротора і обертаючий момент. Тому в асинхронному двигуні завжди n₂ < n₁.

Розмірковуючи аналогічно, можливо показати, що в двофазному статорі також створюється обертове магнітне поле. Будемо вважати, що просторовий та часовий зсуви між осями фаз та струмами дорівнюють 90° (рис.9.2).

Розглянемо два положення векторної діаграми. На рис. 9.2, а, б наведено початкове положення векторної діаграми струмів та, відповідно, потоку Ф. На рис.9.2., в, г векторна діаграма повернута на кут 45°. Відповідно й магнітний потік повернувся на кут α.

Якщо виконати відповідні дослідження для інших кутів повороту векторної діаграми, то при повороті її на 360° магнітний потік зробить один оберт, тобто він обертається зі швидкістю n₁. Всі інші міркування можуть бути такими ж, як і для трифазного варіанту індуктора асинхронного двигуна.