3-1. ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК

Все электрические станции вырабатывают трехфазный переменный ток. Генераторы трехфазного тока имеют ряд преимуществ как перед генераторами постоянного тока, так и однофазными генераторами переменного тока.

На вал ротора надет двухполюсный магнит с полюсными наконечниками N и S. В генераторах переменного тока применяются электромагниты с катушками, питаемыми постоянным током. Для упрощения на рис. 3-1 электромагнит заменен постоянным магнитом. При работе генератора ротор вращается с помощью механического двигателя в направлении часовой стрелки.

Проследим, как возникает трехфазный ток в проводниках генератора при вращении ротора. В положении, изображенном на рис. 3-1, полюсы магнита находятся против проводников фазы А.

По правилу правой руки ток в проводнике А направлен к нам, а в проводнике X — от нас. В момент, когда под проводником проходит середина полюса, в проводнике наводится наибольшая э. д. с. В следующие моменты времени полюсные наконечники будут уходить из-под проводников фазы А и э. д. с. в них будут уменьшаться. Когда магнит повернется на 90°, магнитное поле не будет пересекать проводников фазы А и э. д. с. в них будет равна нулю.

Когда ротор повернется на 180°, северный полюс магнита будет против проводника X, а южный — против проводника А. По правилу правой руки э.д.с. в них изменит направление.

После поворота ротора на 270° полюсные наконечники той же полярности, что и показанные на рис. 3-1, будут снова приближаться к проводникам фазы, и э. д. с. в них будут увеличиваться и достигнут наибольшего значения. На этом заканчивается период изменения э. д. с. и токов в фазе А. Графически эти изменения изображаются синусоидой. За один оборот двухполюсного ротора совершается один период изменения э. д. с. и токов. Следовательно, для получения переменного тока стандартной частоты 50 Гц ротор должен вращаться с частотой 50 об/с или 3000 об/мин. Генераторы, у которых ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой частотой (синхронно), называются синхронными.

Но при вращении ротора наконечники магнита проходили и под проводниками двух других фаз, поэтому в них происходили такие же изменения э. д. с. и токов. Синусоиды других фаз сдвинуты относительно друг друга на 120°, или на Уз периода.

Основными потребителями энергии трехфазного тока являются трехфазные асинхронные электродвигатели, которые имеют широкое применение во всех отраслях производства. Для пояснения принципа действия трехфазного асинхронного электродвигателя служит его изображение на рис. 3-2. Он имеет такой же статор, как и синхронный генератор рис. 3-1. Обмотка статора питается переменным током от трехфазной сети.

Очевидно, что изменения тока в фазах будут происходить так же, как в фазах генератора. Каждая фаза обмотки создает магнитное поле. Для простоты будем рассматривать магнитные поля только тех фаз, в которых ток в данный момент имеет наибольшее значение. На рис. 3-2 наибольшего значения ток достигнет в фазе А. Обмотка этой фазы создаст магнитное поле, ось которого 1 перпендикулярна плоскости витка и по правилу буравчика направлены вправе. Через 1/3 периода наибольшее значение тока будет в фазе В. Ось магнитного потока переместится в положение 2. Еще через 1/3 периода наибольшее значение тока переместится в положение 3. Отсюда можно сделать вывод, что трехфазная обмотка, питаемая трехфазным током, создает вращающееся магнитное поле, которое вращается с такой же частотой, как и ротор синхронного генератора.

На рис. 3-2 ротор представляет собой цилиндр с пазами, в которые вставлены медные или алюминиевые стержни, соединенные между собой кольцами на торцевых поверхностях ротора; в замкнутых проводниках проходит ток. Взаимодействие тока ротора с магнитным полем создаст вращающий момент, и ротор начнет вращаться в ту же сторону, в какую вращается магнитное поле. Для изменения направления вращения достаточно поменять местами любые два проводника, подводящие ток к обмотке статора электродвигателя. При этом изменится направление вращения магнитного поля, а следовательно, и направление вращения ротора.

Однако ротор асинхронного электродвигателя не может вращаться с такой же частотой, как магнитное поле. Если бы это произошло, то проводники роторной обмотки перестали бы пересекать магнитное поле и вращающий момент исчез бы. Поэтому электродвигатель и получил название асинхронного (т. е. несинхронного). Разность частот вращения магнитного поля и ротора, отнесенная к частоте вращения поля, называется скольжением. Например, если частота вращения магнитного поля n_с=3 000 об/мин, а частота вращения ротора п = 2 800 об/мин, то скольжение.

Синхронная частота вращения п_с генераторов и электродвигателей переменного тока зависит от частоты тока и числа пар полюсов и выражается формулой

Например, синхронная частота вращения четырехполюсного электродвигателя при f=50 Гц

Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором являются самыми простыми по устройству и по обслуживанию. У них нет ни коллектора, ни щеток.

Механическая характеристика трехфазного асинхронного электродвигателя похожа на механическую характеристику электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением (рис. 2-4). Частота вращения ротора мало уменьшается при увеличении нагрузки.

Для бытовых электроприборов трехфазные асинхронные электродвигатели применять нельзя, так как в квартиры не подведен трехфазный ток. Ниже будет рассказано об однофазных электродвигателях переменного тока, принципах их действия, устройстве, свойствах и применении.

3-2. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Как уже говорилось, э. д. с. в обмотке ротора наводится переменным магнитным полем, создаваемым током статорной обмотки. Поэтому нет необходимости подводить ток к обмотке ротора от источника энергии, а cледовательно, асинхронным электродвигателям не нужны скользящие контакты в виде щеток и контактных колец. Так как обмотка ротора не соединена с источником тока, можно ее не изолировать от сердечника ротора. Если забить в пазы ротора медные стержни, то ток пойдет по ним, а не по стальным листам, так как стержни имеют значительно меньшее электрическое сопротивление.

Ротор асинхронного электродвигателя (рис. 3-3), как и якорь машин постоянного тока, состоит из тонких листов 1 с отверстием в центре для вала 4 и круглыми пазами по окружности. В пазы забиты медные стержни 2. На торцах ротора концы стержней должны быть соединены между собой, для чего их припаивают к медным кольцам 3. Устройство ротора очень простое. Он набирается из листов, которые штампуют из кружков, оставшихся при штамповке листов статора. Пазы ротора должны быть скошены так, чтобы один конец стержня был против паза статора 1, а другой против паза 2.

Теперь рассмотрим, как работает однофазный асинхронный электродвигатель. Возьмем статор от коллекторного электродвигателя (рис. 2-7) и вставим в него ротор асинхронного электродвигателя (рис. 3-3). Обмотку статора будем питать переменным током.

Но здесь нас ждет разочарование. При соединении обмотки статора с источником питания электродвигатель будет только гудеть, но ротор не стронется с места. Гудение означает, что в сердечнике электродвигателя есть магнитное поле. Следовательно, в стержнях ротора наводятся э. д. с. и по ним проходит ток. Почему же ротор не вращается? Ведь работают же трехфазные асинхронные электродвигатели. Это объясняется тем, что в статоре трехфазного электродвигателя создается вращающееся магнитное поле, которое ведет за собой ротор, а в однофазном электродвигателе такого поля нет.

В однофазном электродвигателе создается не вращающееся, а так называемое пульсирующее поле, меняющееся так же, как переменный ток или переменное напряжение. Сначала поле усиливается и достигает максимального значения, затем ослабевает и доходит до нуля. В следующий момент магнитное поле будет изменяться так же, но в обратном направлении. Таким образом, магнитное поле повторяет все изменения тока в катушке статора.

Для объяснения работы однофазного асинхронного электродвигателя пользуются следующим приемом. Раскладывают однофазное магнитное поле на две составляющие M₁ и М₂, вращающиеся в противоположные стороны, и производят их геометрическое сложение (рис. 3-4).

В положении, изображенном на рис. 3-4, а, обе составляющие магнитного поля М₁ и М₂ совпадают и результирующее поле М равно их арифметической сумме. Если повернуть составляющие и М₃ в разные стороны на один и тот же угол (рис. 3-4, б) и сложить их по правилу параллелограмма подобно двум силам в механике, то результирующее магнитное поле М уменьшится. При дальнейшем вращении составляющих магнитного поля М₁ и М₂ они будут расположены по горизонтальному диаметру (рис. 3-4, в). Очевидно, что сумма их будет равна нулю, т. е. магнитное поле М исчезнет.

При продолжении вращения составляющих (рис. 3-4, г) магнитное поле меняет направление вращения — оно направлено вниз. В положении рис. 3-4, д магнитное поле достигло наибольшего отрицательного значения. Изменения поля, показанные На рис. 3-4, соответствуют половине периода. Очевидно, что при дальнейшем повороте составляющих М₁ и М₂ изменения магнитного поля будут протекать периодически по закону синусоиды.

Разложение магнитного полй на составляющие показывает, что пульсирующее магнитное поле, создаваемое однофазным током, можно приравнять к действию двух магнитных полей, вращающихся с синхронной частотой в противоположные стороны. Каждое поле тянет ротор в свою сторону. Пока действия обоих полей равны, ротор не может стронуться с места.

Намотаем на конец вала электродвигателя прочную нитку. Включим обмотку статора под напряжение и будем тянуть за нитку, заставляя ротор вращаться. Ротор начнет вращаться, быстро увеличит частоту, которая будет близка к синхронной. Если скольжение электродвигателя 5%, а синхронная частота двухполюсного электродвигателя 3 000 об/мин, то частота вращения ротора будет 3 000—0,05• 3 000=2 850 об/мин.

Если зажать пальцами конец вала, то можно почувствовать, что электродвигатель развивает вращающий момент. Он остановится только тогда, когда тормозящий момент будет больше вращающего момента электродвигателя.

Таким образом, однофазный асинхронный электродвигатель можно завести так же, как заводят двигатели моторных лодок. Но бензиновый двигатель может вращаться только в одну сторону. Намотаем на конец вала электродвигателя нитку в обратном направлении и повторим опыт пуска. Теперь ротор стал вращаться в другую сторону.

Как же можно объяснить, что однофазный асинхронный электродвигатель может работать лишь после того, как его ротор привели во вращение при помощи посторонней силы? Пока ротор был неподвижен, составляющие магнитного поля M₁ и М₂ действовали на него с одинаковыми силами в противоположные стороны. Но, когда ротор начал вращаться, действия составляющих магнитных полей изменились. Составляющую, которая вращается в ту же сторону, что и ротор, назовем прямым полем, а другую — обратным полем. Стержни ротора пересекают прямое поле с частотой скольжения, которая составляет всего несколько процентов синхронной частоты вращения. Скорость пересечения стержнями ротора обратного поля гораздо больше. Ротор вращается с частотой, близкой к синхронной, а обратное поле вращается с синхронной частотой ему навстречу. Поэтому суммарная частота вращения получается почти равной двойной синхронной частоте вращения и в стержнях ротора наводятся токи двойной частоты, т. е. около 100 Гц. При такой частоте сильно возрастает индуктивное сопротивление обмотки ротора, токи будут почти чисто реактивными, не создающими вращающего момента, а только ослабляющими обратное поле. Чем быстрее вращается ротор, тем больше ослабляется обратное поле и растет вращающий момент электродвигателя.

Однако запускать электродвигатель при помощи нитки неудобно и не всегда возможно. Поэтому разработаны различные типы самозапускающихся «асинхронных электродвигателей однофазного тока, которые описаны ниже.

Н.В. Виноградов, Ю.Н. Виноградов
Как самому рассчитать и сделать электродвигатель
Москва 1974
Содержание