МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

12- 1. ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Простейший генератор переменного тока мы уже рас’ сматривали в гл. 6 (рис. 6-1 и 6-5).

Для получения переменного тока нам нужно было, 358

Чтобы виток был сцеплен с переменным магнитным пото­ком. Для этого мы вращали виток в постоянном магнит­ном поле.

Если виток оставить неподвижным, а вращать постоян­ный магнит, результат будет таким же. На рис. 10-1 был показан такой генератор. Обычно так и устраивают в ге­нераторах переменного тока. При этом обмотка перемен­ного тока, содержащая больщое число витков, укреплена неподвижно и может быть более надежно изолирована. Это особенно важно для машин, рассчитанных на высокое напряжение.

кеподви^кная маши hbfcmamofj.,од мод!к а лере менного тока,рис. 12-1. многополюсный генератор переменного тока.

Обмотка бозбу>кдения Подвод постоянного тока для ∂03βyΠ<∂EHutt ‘ магнитного поля

■вращающаяся тсть MOUiUHbi

’ Чтобы получить достаточно большой магнитный поток (не увеличивая чрезмерно размера машины), витки рас­полагают на неподвижном, собранном из тонких листов стальном сердечнике (статор), через который магнитный поток может легко проходить.

Воздушный зазор между вращающимся электромагни­том (ротор) и статором делают очень малыш.

Одному полному обороту ротора соответствует один период переменного тока. Для того чтобы получать пере­менный ток, имеющий 50 ац, надо вращать ротор со скоростью 50 O6Ceκ. В минуту (60 Сек) такой ротор будет делать 3 000 Об. C Такой скоростью и вращается большин­ство турбогенераторов, т. е. генераторов переменного тока, приводимых во вращение паровыми турбинами.

C Меньшей скоростью должны вращаться многополюс­ные генераторы! переменного тока. Такой генератор пока­зан на рис. 12-1.

На рис. 12-2 и 12-3 показана в большем масштабе ⅛4acτb того же генератора.

Из этих рисунков видно, что при вращении ротора изменяется магнитный поток, проходящий через обмотку статора, и, значит, в ней должна наводиться э. д. с.

рис. 12-2. в этом положении ротора против витков 1 расположен северный магнитный полюс, а против витков 2 —
южный.
Сравните между собой рис. 12-2 и 12-3, на них магнит­ный поток проходит через обмотки статора в прямо про­тивоположных направлениях.

Рис. 12-3. Здесь в отличие от рис. 12-2 против витков 1 рас­положен южный полюс, а про­тив витков 2—северный.

Если ротор будет вращаться дальше и повернется еще на столько же, мы придем к положению, которое совер­шенно подобно C указанным на рис. 12-2: против витков I Вновь будет северный магнитный полюс, а против вит­ков 2 — южный.

Такое перемещение, после которого мы как бы верну­лись к исходному положению, соответствует целому пе­риоду. Значит, теперь период соответствует повороту на Vs часть окружности (так как мы имеем восемь пар полю­сов). Для получения 50 периодов в секунду наш генератор должен делать;

5060 =375 O6{Muh.

Генератор с Р пар полюсов должен делать;
f∙60

OOjMUH‘,

Здесь F—Частота подучаемого переменного тока.

360

12- 2. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотренные выше машины переменного тока могут работать и в качестве двигателей.

рис. 12-4. pashoh.wehhbie полюсы притягиваются, ротор стремится повернуться налево.,сила

Пусть, например, ротор расположен относительно ста­тора так, как это показано на рис. 12-4, и пусть перемен­ный ток, текущий по обмотке статора, в этот момент течет в направлении, показанном на рис. 12-4. Этот ток теперь будет намагничивать сталь статора, создавая на нем чере­дующиеся северные и южные полюсы (через северные по­люсы магнитный поток выходит, через южные входит).

Рис. 12-5. Ротор стре-
мится повернуться

Направо.

Мы знаем, что разноименные полюсы притягиваются, а одноименные отталкиваются, поэтому, взглянув на рис. 12-4, можно убедиться в том, что магнитные силы будут стремиться повернуть ротор против часовой стрелки.

Но через половину периода ток в статоре уже будет иметь противоположное направление. Если ротор остался на прежнем месте (как это показано на рис. 12-5), то теперь силы взаимодействия между полюсами будут стре­миться повернуть ротор в обратную сторону, т. е. по часо­вой стрелке. Поэтому, если ротор был неподвижен при включении переменного тока в обмотку статора, он и не сдвинется C места; на ротор будут действовать быстро чередующиеся силы противоположных направлений. Сов- сем иное дело будет, если ротор предварительно раскру­тить и вращать с такой скоростью, что за время полу — периода он переместится из положения, указанного на рис. 12-4, в положение рис. 12-6.

В самом деле, теперь полюсы ротора повернулись так, что при новом направлении тока в обмотках статора взаимодействие магнитных полюсов статора и ротора стре­мится вращать ротор все в том же направлении.

Теперь уже не нужно прибегать к посторонней силе для кручения ротора, он будет продолжать вращаться C той же скоростью благодаря взаимодействию токов (их магнитного поля).

Эта скорость вращения, в точности соответствующая скорости изменения магнитного поля статора, называется синхронной скоростью.

C Другой скоростью при 50-периодном токе ротор вра­щаться не может, поэтому такие машины называют синхронными. В самом деле если бы1 ротор вращался со ско­ростью, отличной от синхронной, то очень скоро изменения поло­жения полюсов ротора и измене­ния полюсов статора перестали бы соответствовать одно друго­му; они как бы перестанут попа­дать в такт. При этом, как гово­рят, вращение ротора выпадает из синхронизма.

Чем больше пар полюсов имеет синхронная машина, тем медленнее она будет вращаться.

На практике синхронные машины строят как с одной парой полюсов (быстроходные генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами), так и с десятками пар полюсов (например, тихоходные генераторы, приводимые во вращение водяными турбинами).

Из рассмотренного примера ясно, почему ротор дол жен быть раскручен к моменту присоединения переменно го тока, но важно обратить внимание еще на следующее: переменный ток, протекающий через обмотку статора должен быть таким, чтобы его взаимодействие с магнит ным полем постоянного тока создавало вращающую сил\ требуемого направления. Если бы положению ротора, изо браженному на рис. 12-6, соответствовал переменный τoι противоположного направления, то машина не пошла бы Вместо того чтобы поддерживать вращение, электромаг нитное взаимодействие ему препятствовало бы.

Поэтому для присоединения синхронной машины к ceτι

);еобходимо не только дать машине нормальную скорость фащения, но и убедиться в том, что ход изменения напря — кений на машине и в сети одинаков.

S‘ 12-3. ТРЕХФАЗНЫЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО TORA

F

! Рассмотренные сейчас машины являлись однофаз­ны’ми машинами переменного тока. На практике |1начительно большее распространение получили трех — JiasHbie машины, изобретенные нашим соотечествен — зиком М. О. Доливо-Добровольским.

рис. 12-7. расположение обмоток в статоре трехфазиойсинхронной машины.Чтобы понять, как они устроены, нужно еще раз вспом­нить, что трехфазная цепь переменного тока представляет собой как бы простую комбинацию трех однофазных це­пей, в которых токи (или напряжения) изменяются по тому же периодическому за­

Кону C одной и той же часто­той, но C определенным сдвигом по фазе. Ток во второй фазе отстает на ’/з периода от тока в первой фазе, а ток в третьей фазе отстает на ‘Д периода от тока во второй фазе.

Возьмем три катушки и закрепим их неподвижно, расположив их так, как по­казано на рис. 12-7, т. е. так, чтобы между соседни­ми катушками был угол в 120°. Внесем теперь внутрь ©тих катушек еще одну подвижную катушку, • выпол­ненную в виде рамки. Ток к этой рамке подводится через кольца. На рис. 12-7 рамка не показана для того, чтобы не затемнять рисунка. Расположение подвижной рамки показано на рис. 12-8, на котором для большей от­четливости первая и третья катушки показаны непол­ностью. В действительных машинах неподвижные катуш­ки располагаются на внутренней поверхности стального Статора, а подвижная рамка — на стальном цилиндре (ро­торе), вдвинутом внутрь статора. Ротор может свободно вращаться внутри статора. Подобное расположение обмо­ток показано на рис. 12-9.

Около всех соответственных сторон обмотки на рис. 12-8 и 12-9 поставлены одни и те же буквы. Соедине — 12* 363

Ние между концами обмоток, заложенных в железе, на рис. 12-9 не показано.

Посмотрим теперь, какие силы будут возникать в ре­зультате электромагнитного взаимодействия между по­движной рамкой и тремя неподвижными катушками, если эти три катушки питать трехфазньим током, а подвижную катушку питать током постоянным.

Для того чтобы проследить за тем, как будет изменять­ся ток во всех трех катушках, нужно иметь график изме­нений TOKO’S первой, второй и третьей фаз. Такой график представлен на рис. 12-10. Начнем с того момента време­ни, когда ток первой фазьи достиг наибольшей величины, допустим 100 А. В этот момент токи второй и третьей фаз отрицательны и равны каждый 50 А. Через промежуток времени в ’/боо долю секунды ток во второй фазе стал равен нулю, а в первой фазе ток должен уменьшиться при­близительно до 87 А. Ток в третьей фазе будет такой же величины, т. е. 87 А, но он будет иметь противоположное направление.

рис. 12-8. расположение обмоток в статоре и роторе трехфазной синхронной машины. рис. 12-9. схематическое изображение расположения обмоток на стали статора и ротора в синхронной
машине.

Когда пройдет ‘/гоо доля секунды, считая от начального момента, ток в первой фазе спадет до нуля, ток во второй фазе будет уже положительным, ток в третьей фазе остается отрицательным. По величине оба эти тока равны тем же 87 А.

Наконец, через ’/юо долю секунды, считая от началь­ного момента, ток в первой фазе будет опять равен 100 А, Но только он будет отрицательным, а токи в фазах второй и третьей будут равны каждый 50 А (оба положительны). 364

Таким же точно способом можно найти значение токов И Для любого иного момента времени.

Как же будет взаимодействовать постоянный ток, про­текающий во внутренней рамке, с трехфазным током, про­текающим в трех неподвижно закрепленных обмотках? Будут ли в состоянии силы механического взаимодействия

Рис. 12-10. Токи в обмотках трехфазной синхронной машины.

Привести во вращение нашу рамку? — Да, если только рамка предварительно была" раскручена.

Параллельные провода с токами, направленными оди­наково, взаимно притягиваются, но если направление одного из токов изменится на противоположное, эти про­вода будут не притягиваться, а отталкиваться. Параллель­ные провода C токами, направленными в противоположные стороны, взаимно отталкиваются (стр, ИЗ).

Раскрутим нашу рамку так, чтобы получить 3 000 Об/мин (мьг сейчас увидим, что это как раз нужная скорость) и чтобы в тот момент, когда ток В Первой ка — 365

Тушке достигает наибольшей величины, рамиа находилась как раз посредине между второй и третьей катушками.

∙f1dba
«та
♦50а-waТакое положение рамки показано на рис. 12-11,Л. На этом рисунке обозначены против каждой из шести сторон обмоток величины токов, притекаю­щих к обмоткам. Там, где ток поло­жителен (например, -1-50 а), это значит, что ток течет за плоскость рисунка там, где ток отрицателен (например —50 а), это значит, что ток течет из-за плоскости рисунка. Провода C отрицательным током показаны на фигуре черными, про­вода C положительным током за­штрихованы.

Кроме того, направление посто­янного тока во вращающейся рамке указано согласно принятому услов­ному обозначению: крестик — ток течет за плоскость рисунка (от нас), точка — ток течет из-за пло­скости фигуры (к нам).

Одинаково направ­ленные токи притягива­ются, противоположно направленные — оттал­киваются.

спз
о t !oba
рис. 12-11. взаимное рас-положение токов в статорной и роторной обмотках синхронной машины в разные моменты времени.На основании этого легко за­ключить, что взаимодействие трех­фазного и постоянного токов в мо­мент времени, для которого сделан рис. 12-11,Л, таково, что рамка бу­дет стремиться повернуться по ча­совой стрелке. Направление дей­ствующих на рамку сил показано на рисунке стрелками.

Посмотрим, что будет происхо­дить при дальнейшем вращении рамки.

Когда пройдет ‘Доо Сек, рамка повернется на ‘∕i2 часть окружно­сти. Но этому новому положению рамки соответствуют и новые зна-

Збб

Чения токов. Во второй фазе ток теперь равен нулю, зна­чения токов двух других фаз указаньп на рис. 12-11,5, со­ответствующем этому моменту времени.

Когда пройдет ‘/200 Сек (считая с момента, соответ­ствующего начальному положению рамки), рамка повер­нется на ‘Л окружности. Это новое положение рамки и COOTBC.’ствующие этому моменту токи показаны на рис. 12-11,5.

Наконец, на рис. 12-11,/’ показаны токи и положение рамки, которые имеют место через Vioo Сек.

Помня, что одинаково направленные токи притяги­ваются (а противоположно направленные отталкиваются), легко увидеть, что во всех рассмотренных поло­жениях на рамку будут действовать силы, стремящие­ся поворачивать ее в одну и ту же сторону. Вращение рамки будет поддерживаться взаимодействием трехфазного и постоянного тока.

Так работают трехфазные синхронные двигатели. Вра­щая ротор такой трехфазной машины каким-либо посторон­ним двигателем (турбиной, дизелем), можно заставить его работать как генератор трехфазного тока.

12-4. РАБОТА СИНХРОННЫХ МАШИН

Синхронные машины должны вращаться со строго определенной скоростью. Уменьшение скорости вращения хотя бы на 1 % приводит к тому, что изменения тока в об­мотке переменного тока перестают соответствовать изме­нениям в положении обмотки постоянного тока, они как бы1 выпадают из такта, машина вьипадает из синхронизма; обмотка постоянного тока подвергается усилиям, направ­ленным то в одну, то в другую сторону, и машина оста­навливается.

Для того чтобы понять, что происходит в син­хронных машинах, прежде всего нужно обратить внимание на то, что синхронные двигатели и синхронные генераторы устроены совершенно одинаково. Во всяком синхронном двигателе, приведенном во вращение, начинает наводиться э. д. C., если только в его обмотке возбуждения протекает ток. Как происходит наведение переменного напряжения (явление электромагнитной индукции) в однофазном гене­раторе, мы уже рассматривали достаточно подробно. Но точно так же наводится напряжение и в обмотках трех­фазных машин. Только напряжения во всех трех обмотка. х будут сдвинуты друг относительно друга по фазе. Дей — 367
ствительно, мы знаем, что наведенное напряжение равно нулю, когда ось катушки переменного тока совпадает C осью обмотки постоянного тока; в этот момент почти весь магнитным поток, создаваемый обмоткой постоянного тока, проходит через рассматриваемую катушку (рис. 6-2).

Магнитный поток уже перестал увеличиваться и еще не начал уменьшаться; скорость его изменения равна нулю. Значит, именно в этот момент напряжение также имеет нулевое значение.

Если мы имеем три катушки, сдвинутые в пространстве одна относительно другой на ‘/з окружности, то промежу­ток времени, отделяющий прохождение через нуль напря­жения в двух смежных катушках, будет равен ‘/з периода, т. е. тому времени, которое требуется для того, чтобы обмотка постоянного тока повернулась на ‘/з Об, так как одному периоду соответствует один полный оборот.

Таким образом, индуктируется трехфазное напряжение.

Возьмем теперь две совершенно одинаковые синхрон­ные машины, пропустим через их роторные обмотки оди­наковый постоянный ток и приведем их во вращение C совершенно одинаковой скоростью. Естественно, что при этом э. д. C., наводимые в двух наших генераторах, будут одинаковыми по величине; машины одинаковые, постоян­ный ток, создающий магнитное поле, также одинаков, скорость вращения тоже одна и та же.

Частота получаемого переменного напряжения также должна быть одинаковой — ведь машины вращаются C одинаковой скоростью.

Но напряжения наших двух машин могут не со­впадать по фазе. Действительно, пусть, например, в какой-то момент времени в первой машине ось обмотки возбуждения совпала с осью катушки первой фазы, а во второй машине в тот же самый момент ось обмотки воз­буждения еще не дошла, скажем, на Ve долю окружности до совпадения с осью своей катушки первой фазы.

Ясно, что в этом случае будет существовать сдвиг по фазе между напряжениями первых катушек первой и вто­рой машин.

Такой же сдвиг по фазе будет существовать и между напряжениями вторых и третьих катушек первой и второй машин.

В данном случае этот сдвиг между всеми фазовыми напряжениями будет равен Ve периода, на эту величину будут отставать напряжения второго генератора.

668

Этот сдвиг по фазе, очевидно, определяется относитель­ным положением роторов первой и второй машин перемен­ного тока: если оба ротора все время одинаково расположе­ны относительно обмоток переменного тока своих машин, то не будет никакого сдвига фаз; если ротор второй машины опережает ротор первой машины, то соответственно и напряжения, наводимые во второй машине, будут опережать напряжения первой машины.

Пусть обе машины отрегулированы так, что между их напряжениями нет сдвига (кроме того, по-прежнему пред­полагаем, что напряжения одинаковы по величине и имеют одинаковую частоту). Это значит, что в каждый момент напряжение первой машины равно напряжению второй машины. Если теперь взять и соединить соответственные концы обмоток наших машин, то в получившейся замкну­той цепи ток протекать не будет.

Но попробуем теперь немного сместить относительное положение ротора второй машиныи Скажем, заставим его немного отставать (обратите внимание, что для этого нуж­но не только перестать прилагать силу для ее вращения, но и приложить усилие против направления вращения ма­шины). Теперь в цепи потечет ток. Действительно, теперь напряжения двух машин сдвинутся по фазе и разность этих двух напряжений уже не будет равна нулю, а будет Bbi∣3bSBaτb протекание тока в цепи. Этот ток сдвинут по фазе относительно напряжений как первой, так и второй машины. При этом сдвиг по фазе между током и напряже­ниями первой и второй машин будет различным. Действи­тельно, в тот момент, когда для первой машины ток по одному из проводов течет от машины в сеть, для другой машины этот же ток (по тому же проводу) течет из сети в машину (рис. 12-12).

Одна машина при этом будет работать генератором, другая двигателем. Очевидно, что двигателем будет рабо­тать та машина, у которой ротор относительно отстает, а генератором будет работать та машина, у которой ротор относительно опережает.

Это понятно из чисто механических соображений: та машина, которая вращается, преодолевая тормозящее уси­лие, поддерживающее относительное отставание ротора, работает двигателем; та машина, к которой нужно прила­гать усилие, направленное в сторону ее вращения, чтобы поддерживать относительное опережение ротора, работает 369
генератором, так как к ней будет подводиться механиче­ская энергия.

Θ^ - > ΘЧем больше угол сдвига между роторами обеих машин, тем больше будет разность их электродвижущих сил, тем больший ток будет протекать в обмотках переменного то­ка, тем больше будет и сила взаимодействия между пере­менным и постоянным токами, протекающими в машинах.

Θ^' 11 θрис. 12-12. на чертеже а схе-матически показаны два гене-ратора пере.менного тока. ток, протекающий в верхнем проводе цепи, для одного из генераторов течет от генератора в сеть, а для другого—из сети в генератор. на чертеже б эти же генераторы питают потребителя, изображенного в виде лампы накаливания. в этом случае ток, протекающий в верхнем проводе, может для обоих генераторов одио- вре.менио иметь направление от генератора в сеть.Больший сдвиг ротора со­ответствует большей механи­ческой нагрузке. Сам ротор, после того как он немного сдвинулся назад, продол­жает вращаться с преж­ней скоростью.

Мы предположили, что в наших двух синхронных маши­нах наводится напряжение, одинаковое по величине. По как регулировать напряжение? Иначе говоря, как уменьшить или увеличить напряжение синхронного генератора? Очень просто, нужно только изме­нить величину постоянного то­ка. Действительно, изменяя величину постоянного тока, тем самым мы будем изме­нять величину магнитного потока, и чем больше будет изменяющийся магнитный по­ток, тем больше будет и напряжение, наводимое в машине (разумеется, при постоянстве других условий, т. е. если речь идет о той же самой машине, если ротор вращается C прежней скоростью).

Постоянный ток, создающий магнитное поле в синхрон­ной машине, называют током возбуждения. Чем больше ток возбуждения, тем больше напряжение, наво­димое в машине,

12-5. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Крупные электрические сети питаются не одним, а не­сколькими генераторами. Когда мощность, забираемая по­требителями, уменьшается (например, в ночное время), 370
часть генераторов отключается от сети. В часы максиму — ‘Ма нагрузки эти генераторы снова присоединяются.

Для того чтобы два генератора могли работать на одну и ту же сеть, т. е. параллельно, необходимо соблюде­ние ряда условий. Во-первых, в их обмотках должна индуктироваться одинаковая по величине э. д. с. Если это условие не выполнено, то по обмоткам обеих машин будет протекать уравнительный ток. Электродвижущая сила ма­шины отличается от напряжения на зажимах на величину падения напряжения в обмотке. При параллельной работе напряжения машин одинаковы!. Если, например, присоеди­нить к сети невозбужденную машину, то в ее статорной обмотке появится ток короткого замыкания, равный по ве­личине напряжению сети, деленному на сопротивление обмотки, которое обычно невелико. Очевидно, что такой же ток будет протекать и по обмотке работающей ма­шины.

Во-вторых, э. д. с. обмотки машины, присоединяемой к сети, должна совпадать по фазе с напряжением сети. Чтобы оценить важность этого требования, предположим, что к сети присоединяется машина, э. д. с. которой сдвину­та относительно сетевого напряжения на полпериода. Это еще хуже, чем присоединение невозбужденной машины; там падение напряжения в обмотке равнялось напряже­нию сети, здесь оно будет вдвое больше, так как знак э. д. с. противоположен знаку напряжения сети.

В-третьих, э. д. с. присоединяемой машины должна иметь ту же самую частоту, что и сеть. Предположим, что это условие не выполнено и что частота сети равна 50 Гц, А э. д. с. присоединяемой машины имеет частоту 46 Гц. Пусть включение на параллельную работу произошло в момент, когда и напряжение сети и э. д. с. машины име­ли нулевое значение, и найдем их значения через Ve Сек. Это время соответствует V8∏∕50=θV4 периодов сети, и, следовательно, напряжение сети будет равно максимуму. Это же время соответствует Vs∏∕4s = 5V4 периодам присо­единенной машины, и, следовательно, ее э. д. с. будет на­правлена навстречу напряжению сети. Получается карти­на, совпадающая с только что рассмотренной.

Для того чтобы убедиться в вьтолнении перечисленных условий, пользуются схемой, показанной на рис. 12-13. Прежде чем замкнуть рубильник, его ножи соединяются C зажимами через лампы. При наличии уравнительного то­ка лампы будут гореть, и машину включать нельзя. Надо 371

Добиться такого положения вещей, чтобы лампы не горе­ли. Но отсутствие накала в лампах еще не доказывает отсутствия в них тока, и поэтому к ним добавляется еще вольтметр, учитывающий наличие даже небольшой разни­цы в напряжениях между сетью и приключаемой ма­шиной.

Рассмотрим, как сложатся условия после того, как ма­шина приключена к сети. Так как ее э. д. с. была в точно­сти равна напряжению сети, то ток в якорной обмотке равен нулю, и, следовательно, машина никакой нагрузки не несет. Чтобы нагрузить ее, необ­ходимо, чтобы по обмотке протекал ток. Спрашивается, как это сделать.

На первый взгляд кажется, что задача может быть решена измене­нием возбуждения машины, т. е. изменением ее э. д. с. Действитель­но, если мы, например, уменьшим ток возбуждения, то уменьшится и величина (но не фаза) индуктиро­ванной э. д. с. Якорная обмотка представляет собой почти чистое индуктивное сопротивление, и, сле­довательно, между током и напря­жением будет существовать сдвиг по фазе ‘Д периода (стр. 254).

Средняя мощность за полпериода будет равна нулю, и та­кая машина будет вести себя, как индуктивный потре­битель.

Если увеличить ток возбуждения настолько, что наве­денная в машине э. д. с. станет больше напряжения сети (в этом случае машину называют перевозбужденной), то сдвиг между напряжением и током также будет равен ‘А периода, но ток будет опережать напряжение. Машина будет вести себя, как емкостный потребитель, и этим ее свойством часто пользуются для компенсации сдвига фаз, для улучшения коэффициента мощности.

Итак, изменением возбуждения не удается нагрузить машину. Остается изменить фазу э. д. с. машины по отно­шению к напряжению сети. И в этом случае в обмотке должен появиться ток, и если этот ток будет в фазе с на­пряжением (или даже отличаться от него, но на величину, меньшую, чем ’Д периода), то мы заставим вновь вклю­ченную машину взять на себя часть мощности, посылае — 372

Мой в сеть. Возникает вопрос, следует ли добиваться того, чтобы э. д. с. опережала напряжение сети или же, наобо­рот, отставала от него.

Вспомним, что машина приводится во вращение меха­ническим двигателем — паровой или гидравлической тур­биной. Нагрузить машину — это значит нагрузить механи­ческий двигатель, заставить его работать с большей нагрузкой. Поэтому естественно увеличить скорость вра­щения двигателя. Может показаться, что тем самым мы выведем машину из синхронизма. Да, но на очень корот­кий срок.

Как только ротор увеличит свою скорость, в статорной обмотке появится ток, и возникнут механические силы взаимодействия между токами статора и ротора. Эти силы будут тормозящими, и величина тормозящего усилия будет тем больше, чем больше величина протекающих по обмот­ке токов. Ротор начнет вращаться с синхронной скоростью, но его положение относительно магнитного поля машины изменится на некоторый угол, величина которого опреде­ляет развиваемую им мощность.

Если бы мы начали каким-нибудь образом тормозить ротор, например путем уменьшения скорости вращения механического двигателя, то и в этом случае в обмотке машины появился бы ток. Но силы взаимодействия между токами теперь стремились бы ускорить вращение ротора, и машина работала бы двигателем, забирая мощность из сети.

12-6. ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Токи, протекающие по обмоткам трехфазного генерато­ра, создают вокруг себя магнитное поле. Направление это­го магнитного поля может быть определено по правилу штопора: глядя на направление тока, мы будем видеть положительное направление магнитного поля совпадаю­щим C направлением хода часовой стрелки.

Пользуясь этим правилом, определим, как будет на­правлено трехфазное магнитное поле в различные момен — TbP времени. При этом нас интересует направление тех линий поля, которые проходят по телу ротора машины.

Из рис. 12-14,√4 видно, что обе группы токов — и поло­жительные и отрицательные — дают магнитное поле, на­правленное справа налево. В следующий момент времени (рис. 12-14,S) в связи с изменением токов в обмотках маг­нитное поле несколько повернется в направлении хода 373

Часовой стрелки. За время, соответствующее одному пе­риоду переменного тока, магнитное поле сделает один полный оборот.

Такое вращающееся магнитное поле от трехфазного тока используется еще в од«ом типе машин переменного тока, конструкция которых очень проста. Это так назы­ваемые асинхронные двигатели. Простота обра­щения C ними, так же как простота их конструкции, легко объясняет, почему трехфазные асинхронные двигатели получили исключительно широкое распространение.

12-7. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Расположим на статоре три обмот­ки, оси которых сдвинуты на угол в 120° одна относительно другой, и при­ключим их к источнику трехфазного тока. Эти обмотки создадут вра­щающееся магнитное поле. Но вместо того чтобы обмотку ротора питать постоянным током (как это де­лается в синхронных машинах), замк­нем ее накоротко или через какое-ни­будь небольшое сопротивление, под­ключаемое к щеткам, скользящим по кольцам.

рис. 12-и. оэмотка jj обмотки ротора и создает силы, статора создает вра- ’
вдающееся магнитное приводящие ротор асинхронного дви- поле. гателя во вращение.

В такой замкнутой обмотке ток бу­дет возникать, как во вторичной об­мотке трансформатора. Действитель­но, если обмотка ротора неподвижна или вращается со скоростью меньшей скорости вращения магнитного поля, то магнитный поток, пронизывающий эту обмотку, будет все время меняться. Благодаря изменению магнитного потока в ней будет наводиться напряжение, и, если только цепь замкнута, в этой обмотке будет протекать ток. Взаимодействие токов неподвижной трехфазной обмот-

Таким образом, выходит, что ротор двигателей такого типа должен вращаться медленнее вращения поля, несин­хронно C ним. Отсюда и название двигателей — асин­хронные (т. е. несинхронные).

Действительно, если бы ротор вращался с такой же ско­ростью как и магнитное поле, не было бы никакого изме­нения магнитного потока, сцепленного с его обмоткой.

Напротив, чем медленнее вращается ротор, тем больше он отстает от вращающегося мшиитпого поля, тем больше будет скорость изменения магнитного потока, сцепленного C его обмоткой, а значит, гем больше будет и наводимое в роторной обмотке напряжение. C Увеличением напряже­ния в свою очередь увеличивается ток

рис. 12-15. беличье колесо.В обмотке ротора.

Но мы уже видели, когда рассмат­ривали устройство трансформаторов, что чем больший ток течет во вторич­ной обмотке, тем больший ток проте­кает и в первичной. Это остается спра­ведливым и для асинхронных двига­телей.

Скорость вращения асинхронных двигателей зависит от механической нагрузки двигателя: чем больше он нагружен, тем больше вращение

магнитногоЕго ротора будет отставать от вращения поля.

Это понятно: ведь большая нагрузка (начинающая сильнее препятствовать вращению ротора) требует больше­го вращающего усилия, это большее вращающее усилие может быть получено за счет увеличения взаимодействую­щих токов. Но большему отставанию ротора как раз и со­ответствуют большие токи.

Однако более подробное исследование работы асин­хронных двигателей показывает, чго при чрезмерном уменьшении скорости вращения ротора начинает умень­шаться и вращающее усилие. Как правило, асинхронные двигатели работают с очень незначительным изменением скорости их вращения.

Обмотка ротора в асинхронном двигателе может вы­полняться по-разному. Широкое распространение по­лучила обмотка, состоящая, как и обмотка статора, из трех обмоток, концы которых выведены к трем (а не к двум) контактным кольцам. Наибольшее распространение получи — 375
ла также обмотка, выполненная в форЛе беличьего колеса. Эта обмотка представляет собой ряд стержней, уложенных в пазах по поверхности железного ротора. C каждой сто­роны концы этих стержней непосредственно соединены между собой кольцом. Такая обмотка (беличье колесо) показана на рис. 12-15.

12-8. ПУСК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

При неподвижном роторе ток в асинхронном двигателе может достигать слишком больших значений.

Поэтому для ограничения пускового тока асинхронных двигателей в цепь ротора при пуске иногда вводят допол­нительное сопротивление. Ясно, что если обмотка ротора выполнена в форме беличьего колеса, ни о каком введении дополнительного сопротивления не может быть и речи.

В этом случае также иногда приходится ограничивать величину тока в статорной обмотке. Пусть обмотки статора соединены между собой треугольником. Если те же самые обмотки соединить звездой, то сопротивление цепи увели­чится, и ток в обмотке уменьшится.

В самом деле, если обмотки соединены треугольником, то каждая из них находится под линейным напряжением, а при соединении звездой — под фазовым, т. е. в ∣Z3 раз меньшим. Ток в статорной обмотке уменьшается также в Уз раз, а ток в сети в 3 раза.

Схема такого переключателя показана на рис. 12-16. Двигатель присоединяется к сети при разомкнутом пере­ключателе. После этого переключатель переводится в пра­вое положение, чем достигается соединение обмоток в звезду. После того как двигатель раскрутится, переклю­чатель переводится в левое положение, и в этом положе­нии он остается в течение всей работы.

12-9. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЧЕТЧИКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Своеобразным типом асинхронного двигателя является индукционный счетчик переменного тока. Так как счетчик должен учитывать энергию, забираемую потребителем из сети, то число оборотов счетчика за какой-нибудь промежу­ток времени должно быть пропорциональным этой энергии, Т. Е. показания, которые мы читаем на счетчике, являются

Рис. 12-17. Счетчик переменного тока. / — алюминиевый диск; 2 — постоянный магнит.

По существу числом сделанных счетчиком оборотов или величиной, пропорциональной этому числу.

Итак, вращающий момент двигателя должен быть про­порционален мощности потребителя. Поэтому вращающее­ся поле счетчика создается двумя магнитными потоками, из которых один пропорционален напряжению потребите­ля, а другой — его току (рис. 12-17). Для этого одна из обмоток присоединяется непосредственно к сети, а по дру­гой пропускается ток потребителя.

Роль ротора выполняет алюминиевый диск 1. Перемен­ный магнитный поток индуктирует в нем вихревые токи. Эти токи, взаимодействуя с магнитным полем, заставляют диск вращаться.

Существенной деталью счетчика является постоянный магнит 2, в поле которого вращается диск. Так как диск вращается относительно поля постоянного магнита, то в нем будет индуктироваться ток, величина которого будет тем больще, чем больще скорость вращения диска. Этот ток всегда направлен таким образом, что стремится затор­мозить диск, и он может быть уподоблен механической на­грузке асинхронного двигателя.

Но эта «нагрузка» не может остановить диска, так как при уменьщении скорости вращения будет уменьшаться тормозящее усилие. В итоге устанавливается равновесие между вращающим моментом (он пропорционален мощ­ности потребителя) И Тормозящим моментом (он пропор­ционален скорости вращения диска). Следовательно, получается прямая пропорциональность между мощ­ностью, забираемой потребителем, и скоростью вращения диска.

Энергия равна произведению мощности на время, точно так же число оборотов, сделанное диском, равно произве­дению скорости вращения на время. Значит, число оборо­тов, сделанное счетчиком, прямо пропорционально энергии, полученной потребителем.

Поэтому в счетчиках энергии вращающийся диск связан со счетным механизмом, вроде тех, которые ставятся на ве­лосипедах для учета пройденного пути.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *