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, У, 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. 186. В этот момент ток i_A равен нулю. Ток i_C имеет положительное значение, а ток i_B - 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.

Рис. 185. Получение вращающегося магнитного поля при помощи трех катушек

Рис. 186. Кривые токов в отдельных катушках

Рис. 187. Получение вращающегося магнитного поля при помощи шести катушек

Рассмотрим на рис. 186 момент времени б. В этот момент ток i_A будет иметь максимальное положительное значение, а токи i_B и i_C 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 n₀ будет также равна f об/сек, или f·60 об/мин:

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, б и 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.