Пучков Л.В. Прикладная электротехника - файл n8.htm

Пучков Л.В. Прикладная электротехника
скачать (118.7 kb.)
Доступные файлы (22):
n1.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n2.htm21kb.02.07.2007 11:02скачать
n3.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n4.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n5.htm22kb.02.07.2007 11:02скачать
n6.htm50kb.02.07.2007 11:02скачать
n7.htm7kb.02.07.2007 11:02скачать
n8.htm11kb.02.07.2007 11:02скачать
n9.htm6kb.02.07.2007 11:02скачать
n10.htm18kb.02.07.2007 11:02скачать
n11.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n12.htm41kb.02.07.2007 11:02скачать
n13.htm5kb.02.07.2007 11:02скачать
n14.htm9kb.02.07.2007 11:02скачать
n15.htm24kb.02.07.2007 11:02скачать
n16.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n17.htm4kb.02.07.2007 11:02скачать
n18.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n19.htm10kb.02.07.2007 11:02скачать
n20.htm29kb.02.07.2007 11:02скачать
n21.htm8kb.02.07.2007 11:02скачать
n22.htm19kb.02.07.2007 11:02скачать

n8.htm

 Раздел 15. Вращающееся магнитное поле.



Первой причиной повсеместного распространения переменного тока явилось создание силового трансформатора, позволившего применять различное напряжение на разных этапах технологической электроэнергетической цепочки "генерирование - передача - распределение - потребление" электроэнергии, наиболее технически и экономически выгодного для данного этапа.

Второй причиной распространения переменного тока явилось открытие вращающегося магнитного поля, позволившее создать очень простой и надежный источник вращающего момента для рабочих машин - асинхронный электрический двигатель. О его распространенности говорит такой факт - на территории энергосистем Северо-Запада России более половины промышленной электрической нагрузки приходится на асинхронные электродвигатели.

Вращающееся магнитное поле можно получить тремя способами - механическим, электромеханическим и электрическим.

Простейший механический способ состоит в следующем. Надо насадить на одну ось два магнита - один (левый) жестко, другой (правый) - свободно (левая часть рисунка). Предоставленные сами себе, магниты установятся так, что их разноименные полюса установятся друг против друга (разноименные полюса притягиваются, одноименные - отталкиваются...). Если теперь начать вращать магнит, жестко закрепленный на оси, то магнит, свободно посаженный на ось, последует за ним и, в конце концов, станет вращаться с той же скоростью, т.е. синхронно. Таким образом, механически созданное вращающееся магнитное поле первого магнита увлекло за собой второй магнит с синхронной скоростью благодаря "жесткому сцеплению" магнитных полей обоих магнитов.

Если заменить свободно посаженный на ось постоянный магнит (правый) легким диском из проводящего электрический ток материала (правая часть рисунка) и повторить опыт, то результаты будут те же, но с одним принципиальным отличием - диск никогда не достигнет скорости магнита, он будет как бы "проскальзывать", "скользить" относительно магнита в сторону отставания. В конце концов, это "скольжение" достигнет некоторого установившегося значения, и диск будет следовать за магнитом с асинхронной (несинхронной) по отношению к нему скоростью. Таким образом, механически созданное вращающееся поле магнита увлекло за собой диск из проводящего электрический ток материала с асинхронной скоростью, благодаря чему? Что и с чем здесь "сцепляется"?

Вращающееся магнитное поле, механически созданное вращающимся постоянным стержневым магнитом, пересекает проводящий материал диска и наводит в нем ЭДС электромагнитной индукции. Причиной этой ЭДС является изменение магнитного потока во времени. Магнитный поток может изменяться во времени двояким образом: либо он изменяется по величине, занимая неизменное положение в пространстве, либо, оставаясь неизменным по величине, он перемещается в пространстве. Очевидно, в нашем опыте с диском имеет место второй случай.

Наведенная в диске ЭДС электромагнитной индукции вызывает в нем токи, направление которых определяется по правилу правой руки. Токи создают магнитные потоки, направление которых определяется по правилу винта или буравчика.

Таким образом, диск обзаводится собственным магнитным полем, т.е. становится электромагнитом. Поле этого электромагнита и "сцепляется" с вращающимся магнитным полем постоянного магнита, обеспечивая вращение диска в том же направлении. Если бы диск мог "догнать" вращающееся магнитное поле и далее вращаться с ним синхронно, то он не стал бы пересекать магнитные силовые линии постоянного магнита, изменение магнитного потока во времени прекратилось бы, исчезла бы ЭДС электромагнитной индукции, вызванные ей токи и созданные этими токами магнитные потоки. Диск перестал бы быть электромагнитом, и у него нечем было бы "сцепиться" с вращающимся магнитным полем. Он стал бы притормаживаться. Но при этом все восстановилось бы. Следовательно, диску необходимо отставать от вращающегося магнитного поля, "проскальзывать" относительно него, "скользить" в противоположном направлении, чтобы быть электромагнитом и иметь возможность вращаться, хотя и с меньшей скоростью.

Механический способ получения вращающегося магнитного поля хорошо поясняет принцип работы двух основных типов вращающихся электрических машин переменного тока - синхронных (левая часть рисунка) и асинхронных (правая часть рисунка), причем как двигателей, так и генераторов.

Электромеханический способ получения вращающегося магнитного поля отличается от механического только тем, что вместо постоянных стержневых магнитов используются электромагниты постоянного тока, а вместо диска из проводящего ток материала - короткозамкнутая катушка.

Общим недостатком механического и электромеханического способов получения вращающегося магнитного поля является необходимость вращения магнитов и катушек, то есть необходимость в каком-то внешнем двигателе. У электрического способа этого недостатка нет.

Электрический способ получения вращающегося магнитного поля независимо друг от друга открыли в 1885 году итальянский профессор электротехники Галилео Феррарис (1847 - 1897) и в 1888 г. работавший в США сербский инженер Никола Тесла (1856 - 1943). Правило получения поля они сформулировали одинаково - для получения вращающегося магнитного поля электрическим способом необходимо и достаточно взять две катушки, разнесенные в пространстве, с несовпадающими по фазе токами в них. Из-за этого несовпадения такие катушки вместе с относящимися к ним соединительными проводами стали называть фазами.

В правиле Феррариса - Теслы указано минимальное количество катушек. А какое их количество будет оптимальным, то есть наилучшим? Работавший в Германии русский инженер Михаил Осипович Доливо-Добровольский (1862-1919) доказал в 1889 году, что это количество равно трем. В этом же году он создал трехфазный асинхронный двигатель, а в 1891 году построил трехфазную ЛЭП. Благодаря работам Доливо-Добровольского трехфазные системы переменного тока быстро вытеснили все остальные и получили повсеместное распространение. В прошлом веке трехфазный ток так и назывался - "русский ток". К гордости нашей следует отметить, что в области энергетики в любые времена, при любых катаклизмах Россия всегда находилась в числе ведущих держав.

На рисунке слева приведена простейшая конструкция, позволяющая получить вращающееся магнитное поле электромагнитов и трехфазной сети.

Правило получения вращающегося поля по методу Доливо-Добровольского может быть конкретизировано следующим образом: для получения вращающегося магнитного поля электрическим способом достаточно взять три катушки, сдвинутые друг относительно друга по окружности на 1200, с протекающими в них переменными токами, сдвинутыми по фазе на 1200 друг относительно друга. Суммарный вектор магнитной индукции является суперпозицией магнитных полей трех электромагнитов. Он по величине в полтора раза (точнее - в корень квадратный из трех) больше максимального значения вектора магнитной индукции любого электромагнита, постоянен по величине и вращается с постоянной угловой скоростью, соответствующей частоте питающей сети.

На использовании вращающегося магнитного поля основано действие вращающихся электрических машин переменного трехфазного тока - генераторов и двигателей.

Теперь, когда Вы разобрали три способа получения вращающегося магнитного поля - механический, электромеханический и электрический, рассмотрим работу электрических машин, основанных на этих способах. Некоторая условность при рассмотрении принципов работы машин заключается в том, что обмотки статора и ротора реальных электрических машин выполняются гораздо сложней, чем будет представлено на рисунках. Но для понимания работы машин это не имеет значения. При анализе работы машин будем придерживаться следующей логики, основанной на законе сохранения энергии:

Генераторы и двигатели - машины энергетические. Через них проходит поток энергии, которая преобразуется из одного вида в другой - в генераторах механическая энергия преобразуется в электромагнитную (электрическую, как обычно говорят), в двигателях электромагнитная энергия преобразуется в механическую. В генераторах энергия движется от ротора к статору, в двигателях - от статора к ротору. Желаемый эффект достигается в конце преобразования энергии, то есть электромагнитная энергия получается на выходе статора генератора, а механическая энергия получается на выходе ротора двигателя. Та часть машины, где достигается желаемый эффект, называется якорем. Следовательно, якорь генератора - это статор, якорь двигателя - ротор. Напоминаем, что речь идет о машинах переменного тока.

Поскольку мы упомянули выходы статора и ротора, то естественно предположить, что у них есть и входы. Очень удобно рассматривать процессы в статоре, роторе и машине в целом по схеме "вход - внутреннее состояние - выход", то есть анализировать, что подводится, что при этом происходит "внутри" и что получается на выходе. Далее мы попробуем применить эту схему рассуждений к основным типам трехфазных машин переменного тока.



© 1999 Л.В. Пучков, Редакция 2000 А.Н.Бугаев.

Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации