§ 28. Асинхронний двигун трифазного струму

Найпростішим способом обертове магнітне поле можна дістати, обертаючи підковоподібний магніт (мал. 65). Ра­зом з магнітом обертатиметься й створюване ним магнітне поле. Якщо в таке поле помістити магнітну стрілку, то вона, намагаючись установитися вздовж ліній індукції магнітного поля, почне обертатися у той самий бік, в який обертається поле. Так само вестиме себе і замкнутий виток проводу (мал. 66). Внаслідок зміни магнітного потоку через виток під час обертання магнітного поля у витку збуджується ЕРС індукції й індукційний струм. На цей струм з боку магнітного поля діятиме сила Ампера. За

правилом Ленца індукційний струм у витку напрямлений так, що при взаємодії цього струму з магнітним полем зменшується зміна магнітного потоку внаслідок обертання магнітного поля. Тому рамка обертатиметься слідом за магнітним полем. У цьому можна переконатися й іншим способом, якщо за допомогою правила правої руки визна­чити напрям індукційного струму в рамці, а потім за допо­могою правила лівої руки визначити напрям сил Ампера, які діють на окремі сторони рамки.

Замість рамки можна взяти масивний металевий ци­ліндр або ротор у вигляді «білячого колеса» (мал. 67), еквівалентного великій кількості з'єднаних між собою провідних рамок. Під час обертання магнітного поля у тов­щі металу циліндра також виникають замкнуті індукційні струми (вихрові струми, або струми Фуко). Згідно з пра­вилом Ленца взаємодія цих струмів з магнітним полем приводитиме в рух циліндр.

Однак поведінка в обертовому магнітному полі магніт­ної стрілки і короткозамкнутої металевої рамки дещо різна. Під час рівномірного обертання магнітної стрілки сумарний момент діючих на неї сил повинен дорівнювати нулю. Якщо на стрілку не діють зовнішні сили, то має дорівнювати нулю момент сил, які діють на стрілку з боку обертового магнітного поля. Тому в будь-який момент стрілка напрямлена вздовж поля і обертається синхронно з ним. Якщо на стрілку діє гальмівний зовнішній момент, то стрілка, обертаючись синхронно з полем, дещо відставатиме від нього за фазою, так щоб гальмівний момент зрівноважувався моментом сил з боку магнітного поля. Зрозу­міло, що замість магнітної стрілки можна

взяти укріплений на осі постійний магніт або електро­магніт, який живиться постійним струмом. Вони теж обер­татимуться синхронно із зовнішнім обертовим магнітним полем.

Дещо інакше відбувається обертання короткозамкнутої рамки або суцільного циліндра. Сила індукційного струму залежить від відносної швидкості обертання магнітного поля і ротора. При синхронному обертанні індукційний струм відсутній і, отже, дорівнює нулю момент сил, які діють на ротор з боку магнітного поля. Тому ротор може обертатися синхронно з полем тільки тоді, коли ніякі галь­мівні моменти на нього не діють. При наявності гальмів­ного моменту під час рівномірного обертання він повинен зрівноважуватися моментом сил, які діють на індукційні струми в роторі з боку магнітного поля. Для виникнення цих індукційних струмів ротор повинен обертатися повіль­ніше, ніж магнітне поле. Таким чином, кутова швидкість ротора менша від кутової швидкості обертання магнітного поля і залежить від гальмівного моменту: чим він біль­ший, тим повільніше обертається ротор.

Магнітна стрілка або електромагніт постійного стру­му — це модель синхронного двигуна змінного струму, який застосовується у тих випадках, коли необхідно мати строго постійну, незалежну від навантаження кількість обертів. Короткозамкнутий ротор в обертовому магнітному полі — це модель асинхронного двигуна змінного струму, кутова швидкість обертання ротора якого залежить від механічного навантаження. Завдяки винятковій простоті конструкції і високій надійності асинхронні двигуни ма­ють широке застосування в техніці.

Обертове магнітне поле можна створити за допомогою змінного трифазного струму, а не за рахунок обертання магнітів. Виявляється, що коли увімкнути трифазний струм до трьох обмоток, розміщених під кутом 120° одна до одної (мал. 68), то магнітна поле поблизу точки перетину осей симетрії обмоток О постійне за величиною і буде рів­номірно обертатися з кутовою швидкістю «. Індукція маг­нітного поля, створюваного кожною обмоткою, залежатиме від часу згідно з формулами (26.1):

(28.1)

Індукція результуючого поля

(28.2)

має постійну величину, що дорівнюєі рівномірно

обертається в площині осей котушок з кутовою швид­кістю о). Щоб переконатися в цьому, спроектуємо вектор індукції результуючого поля В на осі х і у (мал. 69):

Скориставшись формулою різниці синусів двох кутів, дістанемо:

(28.3) Аналогічно,

Після перетворень дістанемо:

(28.4)

Отже,, тобто

вектор магнітної індукції сумарного поля має довжину

і рівномірно обертається з кутовою швидкістю о). Ми

одержали обертове магнітне поле без будь-якого механіч­ного руху в споживачі електроенергії.

Помістимо в це поле короткозамкнутий ротор (мал. 70). У перший момент буде індукуватися велика ЕРС і, оскіль­ки ротор короткозамкнутий, виникнуть великі струми і значний обертальний момент. Ротор почне обертатися слідом за полем.

Припустимо, він «догнав» поле і обертається з його швидкістю, тоді немає руху відносно поля, а тому немає електромагнітної індукції і сил Ампера. Внаслідок дії моменту сил тертя ротор починає відставати від магнітного поля. Виникає індукційний струм, який за правилом Ленца прагне зменшити відносну швидкість руху ротора в магнітному полі. При постійному навантаженні ротор обертається практично рівномірно, трохи повільніше, ніж магнітне поле. Момент сил Ампера, що при цьому виникає, достатній для подолання всіх опорів. При збільшенні навантаження ротор ще більше відстає від магнітного поля, зростають індукційний струм і момент сил Ампера. Саме тому, що ротор відстає від магнітного поля, двигун називається асинхронним.

Трифазний асинхронний двигун є симетричним наван­таженням, тому для його живлення достатньо трипровід-ної лінії. Схема вмикання трифазного асинхронного елек­тродвигуна показана на малюнку 71. Напрям обертання магнітного поля, а отже, і ротора електродвигуна, можна змінити на протилежний, якщо поміняти місцями кінці будь-якої пари проводів, увімкнутих до котушок статора, який створює магнітне поле.