Landsberg-1985-T2

· При наличии трехфазного тока, т. е. системы трех токов,

сдвинутых по фазе друг относительно друга на 2зt/3 (треть

периода), очень легко получить вращающееся магнитное поле без механического врщения магнита и без всяких

ДОПQ,Лнител.ьных устройств. Рис. 351, а показывает, как это

осуществляется. мы имеем здесь три надетые ·на железные

сердечники катушки, расположенные друг относительно

друга под углом 120О• Через каждую из этих катушек про­

ходит один из· тoitOB системы, составляющей трехфазный ток. В катушках создаются магнитные поля, напр~вления

которых отм.ечены стрелками 81' 8а, 8з. Магнитная индук­

ция же каждого из этих по.леЙ изменяется с течением вре­

мени по тому же синусоидальному закону, что и соответ­

ствующий ток (рис. 351,6). Таким образом, магнитное

поле в пространстве между катушками предстамяет собой результат наложения трех переменных магнитных по.леЙ,

которые, с одной стороны, направлены под углом 1200 друг

относительно друга, а с другой стороны, смещены по фазе

на 2n/3. Мгновенное значение результирующей магнитной

индукции 8 представляет собой векторную сумму трех

составляющих полей в данный момент времени:

8=81 +8а+8в•

Если мы теперь станем искать, как изменяется со временем

результирующая магнитная индукция 8,. то расчет показы­

вает, что по модулю магнитная индукция результирующего

поля не изменяется (В сохраняет постоянное значение). но направление вектора 8 равномерно поворачивается, описы­

вая полный оборот за время одного периода тока.

Не входя в подробности расчета, поясним, каким обра­

зом сложение трех полей 8i, 82' 8з дает постоянное по

модулю вращающееся по.ле. На рис. 351, 6 стрелками отме­

чены значения 'магнитной индукции трех полей в момент

[=О, когда В.=О, в момент {=Т/3, когда В2=0, и в момент

[=2Т/3. когда В8=0. а на рис. 351, 8 выполнено сложение

по правилу паралЛелограмма магнитных индукций 81' Bi

и 8з в эти три момента, причем направления стрелок 8а и

8з, 8{ и 8з, 81 И 8. соответствуют рис. 351, а. мы

видим, что результирующая магнитная иидукция 8 имеет

во все три указанных момевта один и тот же модуль. но направление ее поворачивается за каждую треть периода на

одну треть окружиости.

Если в такое вращающееся поле поместить· металличе­ ское КOJIьцо (или, еще лучше, катушку}, то в нем будут ии­

дуцироваться токи так же, как если бы кольцо (катушка).

ot

вращалось в неподвижном поле. Взаимодействие магнит­

ного поля с этими токами и создает сиJlЫ, приводящие во

вращение кольцо (катушку). В этом' заключается основная

идея трехфазного двигателя с вращающимся полем, впер­

подвижная часть - статор - представляет собой собран­

ный из листовой стали цилиндр. на внутренней поверхности которого имеются пазы, параллельные оси цилиндра. В Эти пазы укладываются провода, соединяющиеся между собой

по торцовым. сторонам статора так, что они образуют три

повернутые друг относительно друга на 1200 катушки, о кото­

теля - его ротор. Это - такротор трехфазного 'двигателя

же набранный из отдельных

листов стали цилиндр, укрепленный на валу, вместе с ко­

торым он может вращаться в подшипниках, находящихся в

боковых щитках ~крыках)) двигателя. На краях этого

цилиндра имеются вентиляционные лопасти, которые при

вращении ротора создают в дв~гателе сильную струю возду-

435

ха, охлаждающую его. На цилиндрической поверхности

ротора, в пазах, параллельных его оси, расположен ряд

проводав, соединенных кольцами на торцах цилиндра.

Такой ротор, изображенный отделыю на рис. 354, носит

название «KopOTKO;;laMKHYToro» (иногда его называют «бели-

Сеть

rn

о)

Рис. 355. Включение обмоток статора звездой: а) схема включении

двигатели; б) соединение зажимов на щитке. Зажимы 1', 2', 3' соеди. нены «накоротко» металлИческими шинами; к зажимам 1, 2, 3 присое.

динены провода трехфазной сети

чьим колесом»). Он приходит во вращение, когда в про­

странстве внутри статора возникает вращающееся магнит­

ное поле.

Вращающееся поле создается трехфазной системой токов,

подводимых к обмоткам статора, которые могут быть соеди­

нены между собой либо звездой (рис. 355), либо треуголь­ ником (рис. 356). В первом случае (§ 170) напряжение на

каждой обмотке в Vз раз меньше линейного напряжения

сети, а во втором - равно ему. Если, например, напряжение между каждой парой проводов трехфазной сети (линейное напряжение)'равно 220 В, то при соединении обмоток тре­

угольником каждая из них находится под напряжением

220 В,- а если они соединены звездой, ·1'0 каждая обмотка

находится под напряжением 127 В.

Таким образом, если обмотки двигателя рассчитаны на

напряжение 127 В, то двигатель может работать с нормаль­ ной мощностью как от сет.и 220 В при соединении его обме­

ток звездой, так и от сети 127 В при соединении его обмоток треугольником.. На т~бличке, прикрепленной к станине

каждого двигателя, указываются поэтому два напряжения

436

сети. при которых данный двигатель может р.аботать. на­

пример 127/220 В или 220/380 В. При включении в сеть с

меньшИм линейным напряжением обмотки двигателя сое­ диняют треугольником, а при питании от сети с более

. высоким .напряжением их соединяют звездой.

Вращающий момент двигателя создается силами взаи­

модействия магнитного поля и токов. ИНДУЦИРУемых им В

Сеть

•

ПреlJахраНlJmелЦ

d).

Рис. 356. ВКJJючение обмоток статора треугOJlЬНИКОМ: а) схема вклю· чения двигателя; б) соединение зажимов на щитке. Металлическими

шинами соединены зажимы 1 и 3",2 и 1', 3 и 2'; кэажимам 1, 2, 3 при.

соединены провода трехфазной сети

роторе, а сила ЭтИХ токов (или соответствующая э. д. с.) определяется относительной частотой вращения поля по отношению к ротору, который сам вращается в ту же сто­ рону, что И поле. Поэтому, если бы ротор вращался с той

же частотой, что и поле, то никакого относительного дви­ жения их не бwIO бы. Тогда ротор находился бы в покое

относительно поля и в нем не возникала бы никакая инду­ цированная э. д. с., т. е. в роторе не было бы тока и не

могли бы возникнуть. силы, приводящие его во вращение.

Отсюда ясно, что двигатель' описываемого типа может

работать только при частоте вращения ротора, несколько

отличающейся от частоты вращения поля, т. е. от частоты

тока. Поэтому такие двигатели в технике принято называть

«асинхронными» (от греческого слова «синхронос~ - совпа­ дающий или согласованный. во времени, частица «8» 0зна,.

чает· отрицаНlt:е).

Таким обраЗ0М, если поле вращается с частотой N, з. ротор - с частотой n. то вращение поля ОТQОСИТМЬНО

01

ротора происходит с частотой N-n, и именно этой частотой

определяются индуцируемыe в роторе э. Д. с. и ток.

Величина S=(N-n)/N называется в' технике «СКOJIьжением». Она

иrрает очень важную РOJlь во всех расчетах. Обычно СКOJIьжение выра­

жается в пр<?центах.

Когда мы включаем в сеть ненагруженный двигатель, то в первые моменты n равно или близко к нулю, частота вращения поля относительно ротора N-n велика и инду­

цированная в роторе э. д. с. соответственно также велика -

она раз в 20 превосходит ту э. д. с., которая возникает в роторе при работе двигателя с нормальной мощностью. Ток

в роторе при этом тоже значительно превосходит JlОРМаль­

ный. Двигатель развивает в момент пуска довольно значи­

тельный вращающий момент, и так как инерция его срав­

нительно невелика, то частота вращения ротора быстро

нарастает и почти сравнивается с частотой вращения поля,

так что относительная частота их становится почти равной

нулю и ток в роторе быстро спадает. Для двигателей малой

и средней мощности кратковременная перегрузка их при

пуске не представляет опасности, при запуске же очень

мощных двигателей (десятки и сотни киловатт) применяются

специальные пусковые реостаты, ослабляющие ток в обмот­ ке; по мере достижения нормальной частоты вращения ро­

тора эти реостаты постепенно выключают.

По мере того как возрастает нагрузка двигателя, ча­

стота вращения ротора несколько уменьшается, частота вра·

щения поля относительно ротора возрастает, и вместе с тем

растут ток в роторе и развиваемый двигателем вращающий

момент. Однако для изменения мощности двигателя от

нуля до нормального .значения требуется очень небольшое

изменение частоты вращения ротора, примерно до 6 %от мак­

симального значения. Таким образом, асинхронный трех­ фазный двигатель сохраняет почти постоянную частоту

вращения ротора при очень широких колебаниях нагрузки.

Регулировать эту частоту в принципе воЗможно, но соот­ ветствующие устройства сложны и неэкономичны и потому на практике применяются очень редко. Если машины, приводимые в действие двигателем, требуют иной частоты

вращения, чем этот двигатель дает, то предпочитают при­

менять зубчатые или ременные передачи с различными пере­

даточными числами.

Само собой разумеется, что при возрастании нагрузки ДБцгателя, т. е. отдаваемой им механической мощности,

ДOJlжен возрастать не ТOJIько ток в роторе, но и ,ток в ста:-

438

торе для того, чтобы двигатель мог поглощать И3 сети соот­

ветствующую электрическую мощность. это осуществляется

автоматически вследствие того, что ток в роторе также

создает в окружающем пространстве свое магнитное поле,

воздействующее на обмотки статора и индуцирующее в них

некоторую э. д: с. Связь между магнитным потоком ротора

и статора, или, как говорят, «реакция якоря», обусловли­

вает измен€ния тока в статоре и обеспечивает соглаtование

электрической мощности, отбираемой из сети, с механи­

ческОЙ мощностью, отдаваемой двигателем. Детали этого

процесса довольно сложны, и мы в них входить не будем. Очень важно, однако, помнить, что хотя недогруженный

двигатель и отбирает от сети такое количество энергии, ко­ торое соответствует совершаемой им работе, но при недо­

грузке его, когда ток в статоре падает, это обусловлено

возрастанием индуктивного сопротивления статора, т. е.

уменьшением коэффициента мощности (§ 163), что портит

условия эксплуатации сети в целом. Если, например, для работы станка достаточно мощности 3 кВт, а мы установим на нем мотор 10 кВт, то данное предприятие почти не поне­

сет ущерба - мотор все равно возьмет только ту мощность,

которая требуется для его работы, плюс потери в самом дви­

гателе *). Но такой недогруженный мотор имеет большое

индуктивное сопротивление и уменьшает коэффициент

мощности сети. Он убыточен с точки зрения народного хозяйства в целом. Чтобы стимулировать борьбу за повы­

шение коэффициента мощности, организации, отпускающие потребителям электроэнергию, применяют систему штрафов за слишком НИЗКИЙ по сравнению с установленной нормой коэффициент мощности и поощрений за его повышение.

Поэтому при работе с двигателями необходимо твердо

соблюдать следующие правила:

1. Необходимо всегда подбирать двигатель такой 'мощ­

ности, какую фактически требует nриводи'мая и,м в дей­

ствие машина.

2. Если нагрузка двигателя не достигает 40 % НОР'маль­

ной, а обмотки статора включены треугольником, то целе­ сообразно nереключить их на звезду. При этом напряжение

на обмотках уменьшается в Vз раз, а намагничивающий

*) Мощный мотор, работающий с недогрузкой, т. е. при малом ко­ эффициенте мощности, берет больший ток, чем мотор, рассчитанный на

данную мощность. А так как потери на джоулево тепло (нагревание про­

ВОДНИКОВ током) растут как квадрат тока, то и бесполезные потери мощ­

ности в недогруженном моторе больше, чем в моторе, работающем при нормальной мощности.

439

ток - почти в три раза. В тех случаях, когда такое пере­

ключение приходится производить часто, двигатель вклю­

чают в сеть при помощи перекидного рубильника по схеме,

изображенной на рис. 357. В одном положении рубильника обмотки включены треугольником, в' другом - звездой.

j f f

11, II)

Для того чтобы изменить направление вращения вала

двигателя на обратное, необходимо поменять местами два линейных провода. присоединенных к двигателю. Это

легко осуществить при помощи двухполюсного переключа­

теля, как показано на рис. 358. Переводя переключатель из положения 1-1 в положение Н-II, мы меняем направ­

ление вращения маГНИТIIОГО поля и вместе с тем направ­

ление вращения вала двигателя.

мы видели, что при наличшi в статоре двигателя трех

катушек, смещенных друг относителыlo друга на 120°,

магнитное поле вращается с частотой тока, т. е. совершает

один обор~т за 1150 часть секунды, или 3000 оборотов в ми­

нуту. Почти с такоа же частотой будет вращаться и вал

двигателя. Во многих случвях такая частота вращения является чрезмерно большой. Чтобы уменьшить ее, в ста­

торе двигателя размещают не три катушки, а шесть или

двенадцать и соединяют их так, чтобы северные и южные

полюсы по окружности статора чередовались. При этом

поле повор.ачиnается за каждый период тока только на поло-

440

.вину или четверть оборота, т. е. вал машины вращается с

частотой около 1500 или 750 оборотов в минуту.

. Наконец, еще одно практически важное замечание. При

повреждении (пробое) изоляции станиньi и I<ОЖУХИ элект­

рических машин и трансформаторов оказываются под H~­

пряжением отнЬсительно Земли. Прикосновение к этим частям машин может при таких условия~ быть 'опасным для людей. Для предупреждения этой опасности следует при напряжениях свыше 150 В относительно Земли заземлять

станины и кожухи электрических машин и трансформато­

ров, т. е. надежно соединять их металлическими провода­

ми или стержнями с Землей. Это выполняется по специаль­ ным правилам, которые необходимо строго соблюдать во

избежание несчастных случаев.

§ 172. Электродвигатели постоянного тока. Вращая гене­ ратор постоянного тока какой-нибудь внешней силой, мы затрачиваем опре,n;еленную механическую мощность Рмех'

ав сети получаем соответствующую электрическую мощ­

ность РЭJl' Проделаем теперь с генератором постоянного

Рис. 359. Возникновенне вращающего момента, деЙ· ствующ~о на обмотку с

током, находящуюся в магнитном поле

тока обратный опыт. Подключим к зажимам Генератора ка;­

кой-нибудь внешний источник тока, Rапример аккумуля­ торную батарею, и пропустим ток от этого источника через

индуктор и якорь генератора, соединенные последователь­

НО или параллельно, как на рис. 339 и 340. Мы увидим, что

тотчас же якорь генератора придет во вращение. Соединив

вал якоря со станком, мы можем привести в движение и

станок. Генератор будет теперь работать как электрический

двигатель. Теперь превращение энергии происходит в обрат­

ном направлении: мы затрачиваем опре~еленную эаектри-

441

ческую МОЩНОСТЬ Р9.1' которую мы заимствуем ОТ внешнего

источника тока, и превращаем ее в соответствующую меха­

ническую мощность РмеХ'

Происхождение сил, создающих действующий на якорь

электродвитателя вращающий момент, понять нетрудно.

Когда мы пропускаем ток через витки якоря, находящиеся в

магнитном поле индуктора, то па них действуют силы,

перпендикулярные к направлению тока и направлению

индукции магнитного поля; направление этих сил может

быть определено по правилу левой руки (§ 133).

На рис. 359 показаны силы, действующие на отдельные проводники обмотки (секции) якоря в момент, когда пло­

скость этой обмотки расположена под некоторым углом к направлению магнитного поля. Легко видеть, что силы, , действующие на проводники Ьс, ag и de, лежащие в пло­ скости, перпендикулярной к ОСИ вращения, всегда направ­

лены параллельно этой оси. Поэтому они не создают вращаю­

щего момента якоря, а стремятся лишь деформировать

(сжать или растянуть) его обмотку. Силы же, действующие

на проводники аЬ и cd, параллельные оси вращения, пер­

пендикулярны к этой оси и создают вращающий момент, который и приводит во вращение вал якоря и связанные с

ним валы станков, оси трамваев и т. п.

Действующий на якорь механический вращающий мо­ мент имеет наибольшее Значение тогда, когда соответствую­ щая обмотка лежит в плоскости, паралле.пьноЙ направлению

магнитного поля. По мере поворота обмотки этот вращаю­

щий момент уменьшается и обращается в нуль, когда обмотка

становится перпендикулярно к направлению поля. В этом положении силы, действующие на проводпики аЬ и cd,

лежат в одной плоскости (плоскости обмотки), так что они

не создают вращающего момента, а стремятся только дефор­

мировать обмотку. При дальнейшем повороте обмотки

знак вращающего момента меняется, т. е. он начинает

действовать в противоположную сторону. Поэтому, если бы не было коллектора, то направление вращающего момен­ та менялось бы после каждого полуоборота якоря, и дли­

тельное вращение было бы невозможно. Но, как мы видели, коллектор коммутирует (изменяет) направление тока в

обмотках как раз в те моменты, когда обмотка стоит пер­

пендикулярно к линиям поля. Благодаря этому вращаю­

щий момент сохраняет свое направление и якорь вращается

постоянно в одну сторону.

Таким образом, когда машuна работаЕт к,а" генератор nocmoянного mo/CG, то роль колле"moра За/Слючаеmcя в вы-

442

nрЯМJlении neре,Менного тока, индуцируе'мого в ее об'мотках, а когда ,Машина работает как двигатель, то коллектор та­

KUМ же образо'м «вьmря,Мляет» вращающий ,Мо,Мент, т. е.

заставляет ,Машину длительно вращаться в одну сторону.

Направление вращения коллекторного двигателя за­

висит от соотношения между напра~лением магнитного

поля индуктора и направлением тока в якоре. Различные

возможные эдесь случаи изображены на рис. 360, из кото­

рого видно, что, для того чтобы изменить направление

F

Рис. 360. Направление вращення двигателя. постоянного тока в за­

висимости от направления магнитного поля и направления тока: круж­

ки с крестиком - ток направлен от нас, кружки с точкой - ток на-

правлен к нам

вращения двигателя, нужно изменить направление тока

либо в якоре машины, либо в ее иHдyкinope. Если же мы

одновременно изменим направление обоих токов, например присоединим тот зажим машины, который раньше был сое­

динен с положительным зажимом сети, к отрицателы;Jмуy и

наоборот, то машина будет продолжать вращаться в преж­

нюю сторону.

Из этого ясно, что снабженный коллектором электродви­

гатель постоянного тока может работать и от сети перемен­

ного тока, потому что при каждом изменении направления

тока будет одновременно изменяться и направление тока и

в индукторе и в якоре. Однако такие коллекторные двига­

тели переменного тока применяются сравнительно редко,

преимущественно в виде двигателей малой мощности. В тех­

нике чаще всего применяются описанные в § 171 трехфаз­

ные электродвигатели с вращающимся полем.

172.1. Проверьте правильность рис. 360 при помощи правила

?левой руки.

Силы, действующие в магнитном поле на проводники

якоря, ПО которым идет ток. существуют и тогда, когда

443