Содержание  
< назад вперед >

§ 81. ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Замечательной особенностью многофазных токов является их способность создавать вращающееся магнитное поле.

Рассмотрим процесс получения вращающегося магнитного поля при помощи трехфазного тока. Для этой цели поместим в пазы сталь­ного кольца (статора) три однофазные обмотки (катушки), сдвину­тые в пространстве друг относительно друга на 120° (рис. 185). Начала катушек обозначим буквами А, В, С, концы катушек — X, Y, Z. Соединим катушки по схеме «звезда» или «треугольник» (на чертеже соединение не показано) и включим катушки в сеть трехфазного тока. Так как обмотки статора представляют собой симметричную нагрузку (величина и характер нагрузки оди­наковы), то токи в катушках будут равны по величине и сдвинуты по фазе на 120°.

Кривые токов в отдельных катушках даны на рис. 186. Условно будем считать токи положительными, если в данный момент вре­мени они будут направлены от начала катушки к ее концу и, на­оборот, токи считать отрицательными, если направление их будет от конца катушки к ее началу.

Рассмотрим момент времени а на рис. 185. В этот момент ток i_А равен нулю. Ток ic имеет положительное значение, а ток i_В — от­рицательное значение.

На рис. 185, а показаны направления токов в проводниках ка­тушек, соответствующие такому же моменту времени а на рис. 186. Магнитное поле статора показано на рис. 185, а пунктирными ли­ниями.

Как видно из чертежа, поле статора имеет два полюса — север­ный N и южный S или одну пару полюсов, т. е. р =1, где р — чи­сло пар полюсов поля статора.

Рассмотрим на рис. 186 момент времени б. В этот момент ток i_А будет иметь максимальное положительное значение, а токи i_В и i_С, равные половине максимального  значения, будут  отрицательны.

Обозначаем направление тока в проводниках катушек рис. 185, б, намечаем путь магнитных линий и убеждаемся в том, что за время от момента а до момента б, соответствующее углу 90° (т. е. 1/4 периода), магнитное поле статора повернулось также на 90°. Проделав то же самое для момента в, замечаем, что за время от момента а до момента в, соответствующее углу 180° (1/2 периода), магнитное поле статора повернулось также на 180° (рис.  185, в).

Таким образом, трехфазный ток, проходящий по трем катуш­кам, сдвинутым в пространстве на 120°, образовал вращающееся магнитное поле. Мы разобрали только три случая, но если продол­жить построения дальше, то легко убедиться, что за время одного периода (360°) магнитное поле статора также повернется на 360°.

Если число периодов в 1 сек, или частота переменного тока, равно f, то скорость вращения поля статора п0 будет также равна / об/сек, или f -60 об/мин:

Необходимо обратить внимание на то, что последняя формула для определения скорости вращения поля справедлива только в том случае, если на статоре расположены три катушки, которые совместно создают поле с двумя полюсами, т. е. если р = 1.

Расположим на статоре шесть катушек (рис. 187). В этом слу­чае каждая фаза будет состоять из двух катушек. Начала катушек первой фазы обозначим А1 и A2, концы катушек той же фазы — Х1 и Х2. Для второй фазы соответственно: В1 — Y1 и В2 — Y2. Для третьей фазы: С1 — Z1  и С2 — Z2.

Сдвиг в пространстве между фазными катушками составит уже не 120°, а 60°. Выбирая те же моменты времени а, он в на рис. 186 и производя те же построения, как было указано выше, мы получим картину магнитного поля статора, изображенную на рис. 187, а, б, в.

Здесь видно, что шесть катушек статора образовали поле с че­тырьмя полюсами, т. е. р = 2, и за то же время угол поворота поля получается в два раза меньше, чем при р = 1,

Таким образом, скорость вращения поля статора n₀„ может быть определена по формуле

Из последнего выражения видно, что, применяя повышенную частоту тока, мы при тех же значениях р получим увеличение ско­рости поля. Наоборот, размещая на статоре большее число кату­шек, мы получим большее число пар полюсов поля статора и при тех же значениях частоты тока f скорость вращения поля будет меньше.

Направление вращения поля статора можно изменить на об­ратное, если поменять местами два любых провода из трех идущих от сети к обмоткам статора.

Вращающееся магнитное поле, создаваемое трехфазным током, получило на практике широкое применение в устройстве двигате­лей переменного тока.

В устройствах автоматики, телеуправления, вычислительной техники, во всевозможных физических приборах, звукозаписи и других устройствах применяется большое число маломощных двигателей переменного тока. Мощность таких двигателей бывает от нескольких долей ватта до нескольких сот ватт. Питание мало­мощных двигателей от сети трехфазного тока неэкономично, поэ­тому микродвигатели переменного тока строятся двухфазными, а питание    их производится от сети однофазного тока.

Расположим на статоре две обмотки (катушки), сдвинутые в про­странстве на 90°. Начала катушек обозначим Ан и Вн, а концы — Ак и Вк (рис. 188).

Пропустим по обмоткам токи, сдвинутые между собой по фазе на 90°. Графики токов даны на том же рис. 188. По-прежнему ус­ловно будем считать за положительное направление токов, если они в данный момент времени будут протекать от начала обмоток к их концам, а токи, протекающие от концов обмоток к их началам, будем считать отрицательными. В момент времени а (см. рис. 188) ток i_A = 0, а ток i_B имеет максимальное отрицательное значение. Ставим  направление токов в проводниках катушек, намечаем путь магнитных линий, как показано на рис. 188, а. Магнитное поле ста­тора имеет два полюса (р = 1). Проделав то же самое для моментов б, в и г, замечаем, что магнитное поле вращается в пространстве со скоростью

Вращающееся магнитное поле,  получаемое при помощи двух  катушек, сдвинутых в пространстве, используется также в некоторых системах электроизмерительных приборов.

Задачи для самостоятельного решения

1.     Напряжение между линейными проводами четырехпроводной системы трех­фазного тока равно 220 в. В сеть включены 90 ламп накаливания по 150 вт каждая, поровну в каждую фазу. Определить, на какое напряжение должны быть рассчи­таны лампы и какие токи протекают по линейным проводам.

2.  Тридцать ламп накаливания, распределенные на три равные группы, включены между линейными проводами трехфазной сети. Ток одной лампы 0,5 а. Определить токи, протекающие в линейных проводах.

3.  Мощность трехфазного трансформатора 50 ква. Определить активную мощ­ность, которую может давать трансформатор при коэффициенте мощности на­грузки:  1; 0,8; 0,6; 0,2.

4.  Какой ток потребляет из сети трехфазный двигатель мощностью 5,4 кет, если напряжение сети 220 е, а коэффициент мощности двигателя 0,8?

5.Три индуктивные катушки включены звездой. Активное сопротивление каждой катушки равно 6 ом, а индуктивное 5 ом. Определить активную и полную мощности, потребляемые тремя катушками, если напряжение сети равно 220 в.

6.  Катушка со стальным сердечником имеет активное сопротивление 4 ом, индуктивное 6 ом. Что покажет трехфазный ваттметр, если три такие одинаковые катушки включить звездой, а потом треугольником в линию 220 в?

7.  Напряжение генератора трехфазного тока равно 220 е. Ваттметр на щите показывает 13,2 кет. В линию включены треугольником лампы накаливания. Каждая из ламп потребляет ток 0,25 а. Определить число ламп, подключенных к генератору.

8.  Электродвигатель трехфазного тока мощностью 3 л. с. включен в сеть на­пряжением 220 в. Коэффициент мощности двигателя равен 0,8. Определить ток, потребляемый двигателем из сети.

9.     Трехфазный электродвигатель включен в сеть 220 в и потребляет ток 10 а. Cosφ двигателя 0,85, к. п. д. 80%. Определить мощность на валу двигателя.

10.   Первая катушка имеет активное сопротивление 3 ом и индуктивное 20 ом. Вторая катушка имеет активное сопротивление 2 ом и индуктивное 15 ом. Третья катушка имеет активное сопротивление 6 ом и индуктивное 30 ом. Катушки сое­динены треугольником и включены в сеть 120 е. Определить активную мощность, потребляемую тремя катушками.

11.   На паспорте генератора трехфазного тока написано: напряжение 127 в, ток 40 а. Какое максимальное количество ламп накаливания можно подключить к машине, если лампы соединены треугольником и каждая из них потребляет ток 0,25 ж?

Контрольные вопросы

1.       Что такое трехфазный переменный ток?

2.   Как получается трехфазный ток?

3.       Что называется четырех- и трехпроводной системой трехфазного тока?

4.       Какое напряжение называется фазным и какое линейным?

5.   Каковы соотношения между фазными и линейными напряжениями и то­ками при соединении звездой и треугольником?

6.   Каким образом трехфазный ток может создавать вращающееся магнитное поле?