вращающееся магнитное поле применение
ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.
Ценным свойством всех многофазных систем переменного тока является простота получения вращающегося магнитного поля. Это постоянное по величине магнитное поле, вращающееся внутри электрической машины вокруг ее оси. На использовании вращающегося магнитного поля основано устройство самых распространенных электродвигателей — асинхронных двигателей трехфазного тока, а также имеющих большое практическое значение, синхронных двигателей.
Воздействие на положение магнитной стрелки изменением
Направления постоянных токов в двух катушках.
Кроме того, посредством вращающегося магнитного поля приводятся в действие многие измерительные приборы и аппараты регулирования и управления.
Путем последовательного изменения направления постоянного тока в двух катушках, оси которых образуют угол 90°, можно заставить магнитную стрелку поворачиваться в пределах 360°. Но переключаемый постоянный ток легко заменить переменным током, который сам будет изменять направление. При этом необходимо, чтобы изменения направления тока в двух катушках происходили не одновременно. Этому требованию удовлетворят два переменных тока, сдвинутых по фазе друг по отношению к другу на четверть периода.
На рисунке показана система из двух одинаковых катушек, оси которых образуют угол 90°. Для придания большей равномерности магнитному полю каждая из катушек разделена на две части.
Так как токи относительно сдвинуты по фазе на четверть периода, то магнитные индукции в полях, ими возбуждаемых, должны быть также сдвинуты по фазе по отношению друг к другу. Этому условию сдвига по фазе удовлетворяют синусоида и косинусоида. В соответствии с чем индукция поля первой катушки BA == Bm sin wt, а индукция поля второй катушки BB = Bm cos wt.
Схема получения двухфазного вращающегося магнитного поля.
Накладываясь в середине устройства, два переменных магнитных поля образуют результирующее магнитное поле, индукция в котором будет Bрез = 
, так как направления полей катушек взаимно перпендикулярны. Подставив в выражение Врез значения ВА и ВВ как функции времени, получим:
Следовательно, результирующее магнитное поле устройства постоянно по величине, хотя оно и складывается из двух переменных магнитных полей.
Определим теперь положение результирующего поля в пространстве. По отношению к вертикальной оси это поле образует угол a, определяемый условием
на основании чего можно считать, что a = wt, т. е. угол, образуемый осью результирующего поля, по отношению к оси катушки В равномерно изменяется и за время одного периода переменного тока
т. е. поле делает полный оборот.
В секунду поле делает f оборотов, а число оборотов поля в минуту n=f’60. Таким образом, при стандартной промышленной частоте
 |
Описанная система именуется двухфазным вращающимся магнитным полем. Для возбуждения его нужна двухфазная система переменных токов. Такая система требует для передачи энергии не менее трех проводов. Так как равные по величине векторы двух фазных токов системы IА и IВ образуют угол 90°, то, следовательно, вектор тока в общем проводе I0 определяется как гипотенуза равнобедренного прямоугольного треугольника c катетами IА = IВ = Iф. На основании чего этот ток
В общей части поля эти магнитные индукции складываются векторно, образуя магнитную индукцию результирующего поля.
Это поле удобно определить через составляющие по двум взаимно перпендикулярным осям. С этой целью построим в пространстве такие оси Х и Y, проходящие через поле катушек, причем оси Х дадим направление оси катушки А.
Определим теперь составляющую результирующего поля по оси X. Она будет равна алгебраической сумме проекций на эту ось мгновенных значений трех индукции:
Подставив теперь выражения индукций как синусоидальных величин, получим:
Составляющая результирующего магнитного поля по оси Y будет
или после подстановки значений индукций как синусоидальных величин
Результирующая магнитная индукция
т. е. результирующее поле постоянно по величине, а угол a, образуемый им с осью Y, определяется из условия
Магнитное поле вращается в плоскости осей катушек с угловой скоростью w0. Оно последовательно совпадает по направлению с осью той из катушек, ток в которой достигает максимального значения, т. е. оно вращается в направлении последовательности фаз трехфазной системы токов, питающих катушки.
Сопоставим теперь условия двухфазного и трехфазного вращающихся полей. При двухфазной системе необходимы два провода, рассчитанных на силу тока I, и третий провод, рассчитанный на силу тока I0= Ö2 I. Магнитная индукция во вращающемся двухфазном поле Вт. При трехфазной системе необходимы три одинаковых провода, рассчитанных каждый на силу тока I, а индукция во вращающемся поле здесь 1,5 Вт.
Следовательно, для двухфазной системы нужно большее сечение проводов, а вращающееся поле создается в 1,5 раза слабее, чем в трехфазной системе. По этим причинам двухфазный ток, изобретенный раньше трехфазного (инженером Тесла), в настоящее время применяется только в некоторых специальных устройствах.
Подвижное устройство, помещенное во вращающееся магнитное поле,
может вращаться в нем асинхронно или синхронно.
Поместим во вращающееся магнитное поле металлическую рамку на осях так, чтобы ось вращения рамки совместилась с осью вращения поля. Поле будет пересекать рамку и индуктировать в ней э. д. с. тем большую, чем быстрее поле пересекает рамку, так как согласно закону электромагнитной индукции :
Направление э. д. с., индуктируемых в двух сторонах рамки, можно определить по правилу правой руки. Только необходимо учесть, что движение магнитного, поля по отношению к проводнику эквивалентно движению проводника в противоположную сторону. Следовательно, определяя направление э.д.с., нужно поставить ладонь навстречу магнитным линиям, а отставленный большой палец направить против движения магнитного поля, тогда вытянутые четыре пальца укажут направление индуктированной э.д.с. Электродвижущие силы, индуктируемые в двух сторонах рамки, направлены в витке, который образует рамка, согласно, т. е. они складываются.
Однако чем быстрее будет вращаться рамка, тем относительно медленнее будут пересекать ее стороны линии магнитного вращающегося поля, т. е. будет уменьшаться скорость v движения поля по отношению к рамке. Вследствие этого будет уменьшаться сила тока i, индуктируемого в рамке. В свою очередь это вызывает ослабление вращающего момента, воздействующего на рамку. Если рамка догонит вращающееся поле, то э.д.с. и ток в ней исчезнут, так как прекратится пересечение сторон рамки вращающимся магнитным полем, вследствие чего станет равным нулю и вращающий момент, воздействующий на рамку.
По этим причинам рамка вращается с асинхронной скоростью [от греческого слова «асинхронос» неодновременный] медленнее поля, т. е. рамка делает оборот неодновременно с оборотом поля. Скорость вращения рамки п оборотов в минуту устанавливается автоматически такой, чтобы вращающий момент, создаваемый индуктированным током, равнялся тормозящему моменту, обусловленному трением в осях, трением о воздух и т. п. Чем больше механические силы, тормозящие рамку, тем медленнее она будет вращаться и тем больше будет сила тока, индуктируемого в ней.
При асинхронном вращении поле делает п1 оборотов в минуту, а подвижная часть, называемая обычно ротором, только п оборотов в минуту. Относительное отставание ротора от поля характеризуется скольжением:
Металлическая рамка во вращающемся магнитном поле.
Постоянный магнит во вращающемся магнитном поле.
Если же с помощью какого-либо приспособления разогнать магнит до скорости поля, т. е. до синхронной скорости, то, войдя, в синхронизм, магнит будет вращаться со скоростью поля. Он сохранит эту синхронную скорость и когда ему придется преодолевать какую-либо тормозящую силу, но в этом случае магнит будет отставать от вращающегося поля на некоторый постоянный угол. Этот угол будет тем больше, чем больше будет тормозящая сила. Если же эта сила станет слишком большой, то магнит остановится —выпадет из синхронизма. Вращаться медленнее поля он не может.
Синхронное вращение используется в синхронных двигателях, применяемых главным образом в тех случаях, когда нужен двигатель значительной мощности, вращающийся с постоянной скоростью.
Дата добавления: 2016-06-09 ; просмотров: 2918 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Вращающееся магнитное поле применение
Как было показано ранее, одним из важнейших преимуществ многофазных систем является получение вращающегося магнитного поля с помощью неподвижных катушек, на чем основана работа двигателей переменного тока. Рассмотрение этого вопроса начнем с анализа магнитного поля катушки с синусоидальным током.
Магнитное поле катушки с синусоидальным током
При пропускании по обмотке катушки синусоидального тока она создает
магнитное поле, вектор индукции которого изменяется (пульсирует) вдоль этой катушки также по синусоидальному закону Мгновенная ориентация вектора магнитной индукции в пространстве зависит от намотки катушки и мгновенного направления тока в ней и определяется по правилу правого буравчика. Так для случая, показанного на рис. 1, вектор магнитной индукции направлен по оси катушки вверх. Через полпериода, когда при том же модуле ток изменит свой знак на противоположный, вектор магнитной индукции при той же абсолютной величине поменяет свою ориентацию в пространстве на 1800. С учетом вышесказанного магнитное поле катушки с синусоидальным током называют пульсирующим.
Круговое вращающееся магнитное поле
двух- и трехфазной обмоток
Круговым вращающимся магнитным полем называется поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается в пространстве с постоянной угловой частотой.
Для создания кругового вращающегося поля необходимо выполнение двух условий:
Рассмотрим получение кругового вращающегося магнитного поля в случае двухфазной системы Тесла (рис. 2,а).
При пропускании через катушки гармонических токов каждая из них в соответствии с вышесказанным будет создавать пульсирующее магнитное поле. Векторы 
и 
, характеризующие эти поля, направлены вдоль осей соответствующих катушек, а их амплитуды изменяются также по гармоническому закону. Если ток в катушке В отстает от тока в катушке А на 90 0 (см. рис. 2,б), то 
.
Найдем проекции результирующего вектора магнитной индукции 
на оси x и y декартовой системы координат, связанной с осями катушек:
Модуль результирующего вектора магнитной индукции в соответствии с рис. 2,в равен
 , | (1) |
,
 . | (2) |
Полученные соотношения (1) и (2) показывают, что вектор результирующего магнитного поля неизменен по модулю и вращается в пространстве с постоянной угловой частотой 
, описывая окружность, что соответствует круговому вращающемуся полю.
Покажем, что симметричная трехфазная система катушек (см. рис. 3,а) также позволяет получить круговое вращающееся магнитное поле.
Каждая из катушек А, В и С при пропускании по ним гармонических токов создает пульсирующее магнитное поле. Векторная диаграмма в пространстве для этих полей представлена на рис. 3,б. Для проекций результирующего вектора магнитной индукции на
оси декартовой системы координат, ось y у которой совмещена с магнитной осью фазы А, можно записать
 ; | (3) |
 . | (4) |
Приведенные соотношения учитывают пространственное расположение катушек, но они также питаются трехфазной системой токов с временным сдвигом по фазе на 1200. Поэтому для мгновенных значений индукций катушек имеют место соотношения
; 
; 
.
Подставив эти выражения в (3) и (4), получим:
 ; | (5) |
 | (6) |
В соответствии с (5) и (6) и рис. 2,в для модуля вектора магнитной индукции результирующего поля трех катушек с током можно записать:
,
,
.
Таким образом, и в данном случае имеет место неизменный по модулю вектор магнитной индукции, вращающийся в пространстве с постоянной угловой частотой 
, что соответствует круговому полю.
Магнитное поле в электрической машине
С целью усиления и концентрации магнитного поля в электрической машине для него создается магнитная цепь. Электрическая машина состоит из двух основных частей (см. рис. 4): неподвижного статора и вращающегося ротора, выполненных соответственно в виде полого и сплошного цилиндров.
На статоре расположены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты по расточке магнитопровода на 2/3 полюсного деления 
, величина которого определяется выражением
,
На рис. 4 сплошными линиями (А, В и С) отмечены положительные направления пульсирующих магнитных полей вдоль осей обмоток А, В и С.
Приняв магнитную проницаемость стали бесконечно большой, построим кривую распределения магнитной индукции в воздушном зазоре машины, создаваемой обмоткой фазы А, для некоторого момента времени t (рис. 5). При построении учтем, что кривая изменяется скачком в местах расположения катушечных сторон, а на участках, лишенных тока, имеют место горизонтальные участки.
Заменим данную кривую синусоидой (следует указать, что у реальных машин за счет соответствующего исполнения фазных обмоток для результирующего поля такая замена связана с весьма малыми погрешностями). Приняв амплитуду этой синусоиды для выбранного момента времени t равной ВА, запишем
 | (7) |
 ; | (8) |
 . | (9) |
С учетом гармонически изменяющихся фазных токов для мгновенных значений этих величин при сделанном ранее допущении о линейности зависимости индукции от тока можно записать
.
Подставив последние соотношения в (7)…(9), получим
 ; | (10) |
 ; | (11) |
 . | (12) |
Просуммировав соотношения (10)…(12), с учетом того, что сумма последних членов в их правых частях тождественно равна нулю, получим для результирующего поля вдоль воздушного зазора машины выражение
,
представляющее собой уравнение бегущей волны.
Магнитная индукция 
постоянна, если 
. Таким образом, если мысленно выбрать в воздушном зазоре некоторую точку и перемещать ее вдоль расточки магнитопровода со скоростью
,
то магнитная индукция для этой точки будет оставаться неизменной. Это означает, что с течением времени кривая распределения магнитной индукции, не меняя своей формы, перемещается вдоль окружности статора. Следовательно, результирующее магнитное поле вращается с постоянной скоростью. Эту скорость принято определять в оборотах в минуту:
.
Принцип действия асинхронного и синхронного двигателей
Устройство асинхронного двигателя соответствует изображению на рис. 4. Вращающееся магнитное поле, создаваемое расположенными на статоре обмотками с током, взаимодействует с токами ротора, приводя его во вращение. Наибольшее распространение в настоящее время получил асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором ввиду своей простоты и надежности. В пазах ротора такой машины размещены токонесущие медные или алюминиевые стержни. Концы всех стержней с обоих торцов ротора соединены медными или алюминиевыми же кольцами, которые замыкают стержни накоротко. Отсюда и произошло такое название ротора.
называется относительным скольжением. Для двигателей нормального исполнения S=0,02…0,07. Неравенство скоростей магнитного поля и ротора становится очевидным, если учесть, что при 
вращающееся магнитное поле не будет пересекать токопроводящих стержней ротора и, следовательно, в них не будут наводиться токи, участвующие в создании вращающегося момента.
Принципиальное отличие синхронного двигателя от асинхронного заключается в исполнении ротора. Последний у синхронного двигателя представляет собой магнит, выполненный (при относительно небольших мощностях) на базе постоянного магнита или на основе электромагнита. Поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются, то вращающееся магнитное поле статора, которое можно интерпретировать как вращающийся магнит, увлекает за собой магнитный ротор, причем их скорости равны. Это объясняет название двигателя – синхронный.
В заключение отметим, что в отличие от асинхронного двигателя, 
у которого обычно не превышает 0,8…0,85, у синхронного двигателя можно добиться большего значения 
и сделать даже так, что ток будет опережать напряжение по фазе. В этом случае, подобно конденсаторным батареям, синхронная машина используется для повышения коэффициента мощности.