§ 81. 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, Y, 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°.

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

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.

Рис. 186. Кривые токов в отдельных катушках

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. p = 1, где p - число пар полюсов поля статора.

Рассмотрим на рис. 186 момент времени б. В этот момент ток i_A будет иметь максимальное положительное значение, а токи i_B и i_С 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:

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 A₁ и A₂, концы катушек той же фазы - X₁ и Х₂. Для второй фазы соответственно: В₁ - Y₁ и В₂ - Y₂. Для третьей фазы: С₁ - Z₁ и С₂ - Z₂.

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

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. p = 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 p 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.

В устройствах автоматики, телеуправления, вычислительной техники, во всевозможных физических приборах, звукозаписи и других устройствах применяется большое число маломощных двигателей переменного тока. Мощность таких двигателей бывает от нескольких долей ватта до нескольких сот ватт. Питание маломощных двигателей от сети трехфазного тока неэкономично, поэтому микродвигатели переменного тока строятся двухфазными, а питание их производится от сети однофазного тока.

Расположим на статоре две обмотки (катушки), сдвинутые в пространстве на 90°. Начала катушек обозначим A_н и В_н, а концы - А_к и В_к (рис. 188).

Рис. 188. Получение вращающегося магнитного поля при помощи двухфазного тока

Пропустим по обмоткам токи, сдвинутые между собой по фазе на 90°. Графики токов даны на том же рис. 188. По-прежнему условно будем считать за положительное направление токов, если они в данный момент времени будут протекать от начала обмоток к их концам, а токи, протекающие от концов обмоток к их началам, будем считать отрицательными. В момент времени а (см. рис. 188) ток i_A = 0, а ток i_B имеет максимальное отрицательное значение. Ставим направление токов в проводниках катушек, намечаем путь магнитных линий, как показано на рис. 188, а. Магнитное поле статора имеет два полюса (p = 1). Проделав то же самое для моментов б, в и г, замечаем, что магнитное поле вращается в пространстве со скоростью

Вращающееся магнитное поле, получаемое при помощи двух катушек, сдвинутых в пространстве, используется также в некоторых системах электроизмерительных приборов.