§2.1. Вращающееся магнитное поле машины переменного тока

Обмотка, создающая вращающееся поле, представляет собой m-фазную систему, т.е. состоит из m обмоток, которые сдвинуты друг относительно друга в пространстве и по которым протекают токи, сдвинутые во времени. Каждая из обмоток фаз создает пульсирующий поток (неподвижный в пространстве и изменяющийся во времени), сдвинутый относительно других в пространстве и во времени. Если все обмотки фаз имеют одинаковое число витков и сдвинуты в пространстве на электрический угол γ₂ = 2π /m (электрический угол – это пространственный угол, умноженный на число пар полюсов р_м ), токи имеют одинаковую амплитуду I_m и частоту f и сдвинуты во времени на угол β= 2π /m, то результирующее магнитное поле будет круговым. Это означает, что поток представляет собой вектор постоянной длины, вращающийся в пространстве с постоянной угловой скоростью. Конец этого вектора описывает окружность, его значение Ф= (m /2)Ф_м, где Ф_м - амплитудное значение потока обмотки фазы. Условия

γ₂=2π /m ; β = 2π /m ; I_m1 = I_m2 =... = I_mm    (2.1)

называют условиями кругового поля в m - фазной машине. В электрических машинах переменного тока для создания вращающегося поля используются в основном трехфазные (рис. 2.1.,а) и двухфазные (рис.2.1.,б) обмотки.

Рис. 2.1

При этом в качестве двухфазной обмотки используется половина четырехфазной, поэтому условия кругового поля в двухфазной обмотке совпадают с четырехфазной, но значение вектора результирующего поля вдвое меньше. Процесс образования кругового вращающегося поля в трехфазной машине, для которой условия (2.1) принимают вид

γ_э = 120° ; β = 120°; I_m1 = I_m2 = I_m3   (2.2)

можно пояснить графически на примере машины с одной парой полюсов (рис.2.2).

Рис.2.2

Мгновенные значения потока Ф обмоток фаз изменяются по закону изменения токов (рис. 2.2,а). Каждый из потоков можно представить вектором, направление которого совпадает с осью обмотки фазы. Берем мгновенные значения потоков в различные моменты времени, откладываем по соответствующим пространственным осям (рис.2.2,б) и в каждый момент времени строим результирующий поток Ф. Нетрудно убедиться, что в любой момент времени поток Ф = (³/₂ ) Ф_м и за один период изменения тока он поворачивается на один оборот. В многополюсной машине (р_м> 1 ), частота ЭДС, наводимой в обмотке вращающимся магнитным полем, пропорциональна не только угловой скорости поля, но и числу пар полюсов. Одному обороту соответствует рм период изменения ЭДС. Чтобы привести в соответствие пространственный и временной углы, вводят понятие электрического угла, равного пространственному, умноженному на число пар полюсов: γ_э = γр_м. Таким образом, вся окружность машины соответствует электрическому углу 360°р_м.

Следовательно, в многополюсной машине за один период тока поле повернется на угол, соответствующий одной паре полюсов, а полный геометрический оборот поле завершит за р_м периодов тока. Угловая скорость магнитного поля, называемая синхронной скоростью машины переменного тока, будет равна (рад/с)

ω₁= 2πf /р_м   (2.3)

т.е. угловая скорость магнитного поля прямо пропорциональна частоте тока и обратно пропорциональна числу пар полюсов обмотки. Синхронная частота вращения (об/мин)

n₁ = 60f /р_м

Если изменить порядок чередования любых двух обмоток фаз, то вектор магнитного поля будет вращаться в противоположную сторону. Следует отметить, что когда говорят о круговом вращающемся магнитном поле машины, то имеют в виду пространственную волну индукции, создаваемую в воздушном зазоре и вращающуюся в угловой скоростью ω1. Для двухфазной машины условия кругового поля (2.1) принимают вид:

γ _э =90° ; β = 90° ; I_м1 = I_м2   (2.4)

и вращающийся вектор поля Ф = Ф_м.

Электрическую машину и режим ее работы, подчиняющиеся условиям (2.1), называют симметричными. При отклонении углов γ_э и β или соотношения амплитуд токов от условий (2.1) магнитное поле становится эллиптическим и режимы называют несимметричными.