12.3. ТРЕХФАЗНЫЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотренные сейчас машины являлись однофазными машинами переменного тока. На практике значительно большее распространение получили трехфазные 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 закону с одной и той же частотой, но с определенным сдвигом по фазе. Ток во второй фазе отстает на 1/3 периода от тока в первой фазе, а ток в третьей фазе отстает на 1/3 периода от тока во второй фазе.

Рис. 12.7. Расположение обмоток в статоре трехфазной синхронной машины

Рис. 12.8. Расположение обмоток в статоре и роторе трехфазной синхронной машины

Возьмем три катушки и закрепим их неподвижно, расположив так, как показано на рис. 12.7, т. е. так, чтобы между соседними катушками был угол в 120°. Внесем теперь внутрь этих катушек еще одну подвижную катушку, выполненную в виде рамки. Ток в этой рамке подводится через кольца. На рис. 12.7 рамка не показана для того, чтобы не затемнять рисунок. 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. Соединение 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 трехфазным током, а подвижную катушку питать током постоянным.

Рис. 12.9. Схематическое расположение обмоток на стали статора 1 и ротора 2 в синхронной машине

Рис. 12.10. Токи в обмотках трехфазной синхронной машины

Для того чтобы проследить за тем, как будет изменяться ток во всех трех катушках, нужно иметь график изменений токов первой, второй и третьей фаз. Такой график представлен на рис. 12.10. Начнем с того момента времени, когда ток фазы А достиг наибольшей величины, допустим 100 А. В этот момент токи фаз В и С отрицательны и равны каждый 50 А. Через промежуток времени в 1/600 долю секунды ток фазы В стал равен нулю, а в фазе А ток должен уменьшиться приблизительно до 87 А. Ток в фазе С будет такой же величины, т. е. 87 А, но он будет иметь противоположное направление.

Когда пройдет 1/200 доля секунды, считая от начального момента, ток в фазе А спадет до нуля, ток в фазе В будет уже положительным, ток в фазе С останется отрицательным. По величине оба эти тока равны тем же 87 А.

Наконец, через 1/100 долю секунды, считая от начального момента, ток в фазе А будет опять равен 100 А, но только он будет отрицательным, а токи в фазах В и С будут равны каждый 50 А (оба положительные).

Таким же точно способом можно найти значение токов и для любого иного момента времени.

Как же будет взаимодействовать постоянный ток во внутренней рамке с трехфазным током в трех неподвижно закрепленных обмотках? Будут ли в состоянии силы механического взаимодействия 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 с токами, направленными в противоположные стороны, взаимно отталкиваются.

Раскрутим нашу рамку так, чтобы получить 3000 об/ /мин (мы сейчас увидим, что это как раз нужная скорость) и чтобы в тот момент, когда ток в первой катушке А достигнет наибольшей величины, рамка находилась как раз посередине между катушками В и С.

Такое положение рамки показано на рис. 12.11, а. На этом рисунке обозначены против каждой из шести сторон обмоток величины токов. Там, где ток положителен (например, +50 А), это значит, что ток направлен за плоскость рисунка; там, где ток отрицателен (например, — 50 А), это значит, что ток направлен из-за плоскости рисунка. Провода с отрицательным током показаны на фигуре черными, провода с положительным током заштрихованы.

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

Рис. 12.11. Взаимное расположение токов в статорной и роторной обмотках синхронной машины в разные моменты времени

Одинаково направленные токи притягиваются, противоположно направленные — отталкиваются.

На основании этого легко заключить, что взаимодействие трехфазного и постоянного токов в момент времени, для которого сделан рис. 12.11, а, 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 1/600 с, рамка повернется на 1/12 часть окружности. Но этому новому положению рамки соответствуют и новые значения токов. В фазе В ток теперь равен нулю, значения токов двух других фаз указаны на рис. 12.11, б, соответствующем этому моменту времени.

Когда пройдет 1/200 с (считая с момента, соответствующего начальному положению рамки), рамка повернется на 1/4 окружности. Это новое положение рамки и соответствующие этому моменту токи показаны на рис. 12.11, в.

Наконец, на рис. 12.11, г показаны токи и положение рамки, которые имеют место через 1/100 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.