Синхронные двигатели

Генераторы переменного тока могут быть использованы и в качестве электродвигателей, т.е. они, так же как и машины постоянного тока, обладают обратимостью.

Для разъяснения способа действия таких двигателей обратимся к рис.9, на котором показана часть машины с внешними полюсами. Ее электромагниты SNS… питаются, как в генераторе, от внешнего источника постоянного тока, например от вспомогательного генератора, насаженного на общую ось машины, а ротор присоединяется к сети переменного тока. Пусть один из полюсов ротора находится в положении а и ток в обмотке ротора создает на этом полюсе южного намагничивания. Полюс ротора будет отталкиваться от южного полюса S и притягиваться к северному полюсу N и ротор начнет поворачиваться по часовой стрелке. Допустим теперь, что в положении ротора б (рис.9) сила тока обращается в нуль, а а в более позднем положении в ток в обмотке ротора изменяет направление. Тогда рассматриваемый полюс ротора в положении в перемагнитится и будет уже отталкиваться от северного полюса статора N и притягиваться к южному S. Поэтому ротор будет продолжать вращаться по часовой стрелке до тех пор, пока в его обмотке существует переменный ток.

Из сказанного ясно, что вращение ротора будет происходить только при строго определенной скорости вращения. Эта скорость должна быть такой, чтобы время, необходимое для прохождения каждым полюсом ротора расстояние между двумя соседними одноименными полюсами статора, точно равнялось периоду переменного тока.

Рис.9

Или, как принято говорить, ротор должен вращаться синхронно с изменением переменного тока. Поэтому и двигатель такого типа получили название синхронных двигателей.

Синхронные двигатели обладают тем неудобством, что они не запускаются сами; для их пуска необходимо раскрутить ротор до синхронной скорости с помощью постороннего двигателя или какого-нибудь иного приема. Точно так же, если вследствие значительной перегрузки скорость ротора уменьшается (двигатель выйдет из синхронизма), то двигатель остановится. Тем не менее синхронные двигатели находят себе применение, в особенности в тех случаях, когда необходимо иметь строго постоянное число оборотов .

Наряду с синхронными двигателями имеются и другие типы электродвигателей переменного тока. Однако широкое внедрение в технику двигателей переменного тока сделалось возможным лишь после того, как М. О. Доливо-Добровольским были разработаны так называемые системы многофазных токов, к рассмотрению которых нам и следует обратиться.

Двухфазный ток

Рассмотрим генератор (рис.10), подобный обычному генератору переменного тока, но содержащий две независимые обмотки: одну состоящую из катушек 1и 3, и другую – из катушек 2 и 4 , повернутую относительно первой на угол /2. При вращении ротора в каждой обмотке будет наводиться переменная э.д.с., но максимум э.д.с. 2 в обмотке 2-4 будет достигаться позднее, чем максимум э.д.с. 1 в обмотке 1-3 ,на время в четверть периода обращения ротора, и э.д.с. 2 будет обращаться в нуль с таким же опозданием. Иными словами, между колебаниями э.д.с. в обеих обмотках будет существовать разность фаз в 90, или /2.

Рис.10

Если обозначить максимальное значение э.д.с. в каждой обмотке через 0 (амплитуда э.д.с. ), а угловую скорость вращения ротора – через  , то закон изменения э.д.с. в обеих катушках будет иметь вид

1 = 0 sin  t , 2 =  0 sin (  t - 90 ) . (7.1)

Каждую из двух обмоток генератора, которые мы будем обозначать в дальнейшем О1 и О2 , мы можем соединить с нагрузочными сопротивлениями r1 и r2 (рис.11) , и тогда получатся две цепи, в каждой из которых будет переменный ток . Однако оба эти тока будут согласованны , между ними так же будет существовать определенная разность фаз. Два таких тока называются двухфазной системой токов или просто двухфазным током.

На рис.11 , а показаны четыре провода, соединяющие генератор с нагрузкой. Однако число проводов можно уменьшить. Так как для электрических явлени важны только разности потенциалов, то один провод каждой цепи можно сделать общим, и тогда мы получим трехпроводную цепь двухфазного тока, показанную на рис.11,б.

Р ис.11

Напряжения между концами обмоток О1 и О2 называются фазными напряжениями, токи в О1 и О2 – фазными токами. Этими же названиями обозначают напряжения и токи в нагрузочных сопротивлениях r 1 и r 2. Напряжения же между проводами 1,2 и 3 называют линейными напряжениями, а токи в этих проводах – линейными токами. Если генератор разомкнут (r 1 = r 2 =), то фазные напряжения равны э.д.с. в каждой обмотке. Если принять потенциал провода 1 за нуль, то потенциал провода 2, или линейное напряжение между проводами 1 и 2 равно

U12 = 0 sin  t ,

а линейное напряжение между 1 и 3 равно

U13 = 0 sin (  t - 90 ).

Линейное же напряжение между проводами 2 и 3 есть разность потенциалов проводов 2 и 3:

U23 = 0 sin t - 0 sin ( t-90 )= 20 sin 45 cos (t-45 ) =

= 2 0 sin (t + 45 ) (5.1)

Таким образом, в трехпроводной системе двухфазного тока мы можем получить три, обычных (однофазных) тока одинаковой частоты , но с разностью фаз 90 и 45 и с двумя разными амплитудами э.д.с. , 0 и 0  2.

Подобным образом мы можем себе представить не два, а три, четыре и вообще n переменных согласованных токов, получаемых в одном генераторе с n обмотками, обладающих определенной разностью фаз, или систему многофазных токов. Однако широкое практическое применение получил только трехфазный ток.

Трехфазный ток

Схема устройства генератора трехфазного тока показана на рис.12. Генератор

имеет три обмотки, смещенные относительно друг друга на 1/3 окружности. При вращении ротора мы получим в каждой из обмоток, обозначаемые в дальнейшем через О1 , О2 и О3, переменные э.д.с. 1, 2 и 3, между которыми будет разность фаз 120 и 240. Поэтому, если колебания э.д.с. в обмотке О1 выражаются формулой

1 = 0 sin  t ,

то для э.д.с. в других обмотках мы имеем

2 = 0 sin ( t- 120 ) ,

3 = 0 sin ( t 240 ) .

Изменение во времени э.д.с. в трех обмотках графически представлено на рис.13.

р ис.12

Каждую из обмоток мы можем замкнуть на нагрузочные сопротивления r 1, r2, r3 ( рис. 14) и получить три однофазных переменных тока, между которыми будет строго постоянная разность фаз, равная соответственно 120 и 240. Такие три согласованных переменных тока и называются системой трехфазных токов или, коротко, трехфазным током.

Рис.13 Рис.14

Число проводов, соединяющих генератор с нагрузкой, так же как и при двухфазном токе, можно уменьшить, если объединить по одному проводу в каждой цепи. Тогда мы получим соединение генератора, показанное на рис.15, называемое соединением звездой. Оно подобно соединению трех одинаковых источников тока, показанному на рис.16.

Р ис.15 Рис.16

Предположим, что генератор разомкнут (r1 = r2 = r3 = ), и найти связь между фазным напряжением ( существующим в каждой из обмоток О1, О2, О3) и линейными напряжениями (между проводами 1, 2, 3). Очевидно, что линейное напряжение между проводом 0 и любым из других проводов равно фазному напряжению и его амплитуда есть  0 . Линейное напряжение между любой парой проводов 1, 2 и 3 будет другим. Вычислим, например, напряжение между проводами 1 и 3. Оно равно разности потенциалов между свободными концами обмоток О1 и О2:

 = 0 sin  t - 0 sin ( t –120  ) = 2 0 sin 60 cos ( t- 60 ) .

Но sin 60 =  3/2, cos ( t - 60 ) = sin ( t + 30 ), и поэтому

 =  0  3 sin ( t + 30 ).

Мы имеем, следовательно, линейное напряжение, изменяющееся с той же частотой , что и фазное. Но с амплитудой в 3 раз больше фазного. Таким образом, при соединении генератора звездой мы можем получить в линии два напряжения, а именно фазное 0 и 03 .

Допустим теперь, что генератор нагружен на сопротивления, также соединенные звездой (рис.15) , причем r1 = r2 = r3 ( симметричная нагрузка). В этом случае в каждом из проводов 1,2 и 3 амплитуда токов i0 будет одинакова и токи в них будут изменяться по закону

i1 = i0 sin  t , i2 = i0 sin ( t - 120 ), i3 = i0 sin ( t - 240 )

В проводе 0, являющемся общим, сила тока  будет равна сумме всех линейных токов :

i = i1 + i2 + i3 = i0 sin  t + i0 sin ( t - 120)+ i0 sin ( t - 240 ).

Но sin ( t - 120)+ sin ( t - 240 ) = 2 sin ( t - 180 ) cos 60 =

= sin (  t - 180 ) = - sin  t .

Поэтому i = i1 + i2 + i3 = 0 .

Таким образом, при симметричной нагрузке сила тока в проводе 0 равна нулю, отчего этот провод называют нулевым. В случае симметричной нагрузки (или даже приблизительно симметричной) нулевой провод можно удалить вовсе линия будет работать исправно.

Возможно и другое соединение обмоток генератора, показанное на рис. 17 (соединение треугольником). Ему соответствует соединение трех источников тока, изображенное на рис.18.

На первый взгляд может показаться, что в этом случае обмотки замкнуты сами на себя ( накоротко). Это действительно так и было бы, если бы мы имели три источника постоянного тока. На самом же деле мы имеем переменные э.д.с., обладающие разностью фаз, что существенно изменяет дело. Действительно, полная э.д.с. треугольника равна

 = 1 + 2 + 3 = 0 sin  t + 0 sin ( t-120 ) + 0 sin ( t- 240 ).

Но мы уже вычислили выше эту сумму и видели, что она равна нулю. Таким образом, полная э.д.с. треугольника равна нулю, и если генератор не нагружен, то не только не получается короткого замыкания, но в его обмотках вовсе нет тока.

Из рис.17 ясно без расчетов, что при соединении треугольником линейные напряжения равны фазными напряжениями; при разомкнутом генераторе амплитуда линейных напряжений равна амплитуде э.д.с. в одной обмотке 0.

Необходимо отметить, что на рис.15 и рис.17 предполагалось, что и генератор и нагрузки соединены одинаково- либо звездой, либо треугольником. Разумеется, можно употреблять и комбинированные схемы , соединяя, например, генератор вездой , а потребителей энергии – треугольником или, наоборот, генератор - треугольником, а потребителей – звездой.

рис.17 рис.18