Рис. 11-15. Заземление амперметра, включенного во вторичную обмотку трансформатора тока.

Рас. 11-14. Измерительные клещи. При измерении следует заземлить ручки прибора.

ру, т. е. к находящемуся под высоким напряжением проводу.

Мы избегнем непосредственной опасности, если обеспечим надежную изоляцию между рабочим проводом (т. е. первичной обмоткой) и вторичной обмоткой трансформатора тока. Остается косвенная опасность- после пробоя изоляции. Ее мы устраним заземлением одного из концов вторичной обмотки. Схематически это показано на рис. 11-15.

Число витков во вторичной обмотке трансформатора тока берется с таким расчетом, чтобы рабочий ток в ней равнялся 5 а.

Для включения ваттметров приходится пользоваться одновременно трансформаторами напряжения и тока. Соответственная схема показана на рис. 11-16.

Рис. 11-16. Включение ваттметра через трансформаторы тока и напряжения

ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

12-1. ГЕНЕРАТОР ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Простейший генератор переменного тока мы уже рас сматривали в гл. 6 (рис. 6-1 и 6-5).

Для получения переменного тока нам нужно было,

чтобы* виток был сцеплен с переменным магнитным потоком. Для этого мы вращали виток в постоянном магнитном поле.

Если виток оставить неподвижным, а вращать постоянный магнит, результат будет таким же. На рис. 10-1 был показан такой генератор. Обычно так и устраивают в генераторах переменного тока. При этом обмотка переменного тока, содержащая большое число витков, укреплена неподвижно и может быть более надежно изолирована. Это особенно важно для машин, рассчитанных на высокое напряжение.

Рис. 12-1. Многополюсный генератор переменного тока.

Чтобы получить достаточно большой магнитный поток (не увеличивая чрезмерно размера машины), витки располагают на неподвижном, собранном из тонких листов стальном сердечнике (статор), через который магнитный поток может легко проходить.

Воздушный зазор между вращающимся электромагнитом (ротор) и статором делают очень мальм.

Одному полному обороту ротора соответствует один период переменного тока. Для того чтобы получать переменный ток, имеющий 50 гц, надо вращать ротор со скоростью 50 об/сек. В минуту (60 сек) такой ротор будет делать 3 000 об. С такой скоростью и вращается большинство турбогенераторов, т. е. генераторов переменного тока, приводимых во вращение паровыми турбинами.

С меньшей скоростью должны вращаться многополюсные генераторы* переменного тока. Такой генератор показан на рис. 12-1.

На рис. 12-2 и 12-3 показана в большем масштабе ьЧасть того же генератора.

Из этих рисунков видно, что при вращении ротора изменяется магнитный поток, проходящий через обмотку статора, и, значит, в ней должна наводиться э. д. с.

Сравните между собой рис. 12-2 и 12-3, на них магнитный поток проходит через обмотки статора в прямо противоположных направлениях.

Рис. 12-2. В этом положении Рис. 12-3. Здесь в отличие от ротора против витков 1 рас- рис. 12-2 против витков 1 расположен северный магнитный положен южный полюс, а про-полюс, а против витков 2- тив витков 2-северный, южный.

Если ротор будет вращаться дальше и повернется еще на столько же, мы придем к положению, которое совершенно подобно с указанным на рис. 12-2: против витков / вновь будет северный магнитный полюс, а против витков 2- южный.

Такое перемещение, после которого мы как бы вернулись к исходному положению, соответствует целому периоду. Значит, теперь период соответствует повороту на /в часть окружности (так как мы имеем восемь пар полюсов). Для получения 50 периодов в секунду наш генератор должен делать:

50 - 60=375 об}мин. Генератор с р пар полюсов должен делать:

об/ мин;

здесь / - частота получаемого переменного тока.

12-2. СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотренные выше машины переменного тока могут работать и в качестве двигателей.

Пусть, например, ротор расположен относительно статора так, как это показано на рис. 12-4, и пусть переменный ток, текущий по обмотке статора, в этот момент течет в направлении, показанном на рис. 12-4. Этот ток теперь будет намагничивать сталь статора, создавая на нем чередующиеся северные и южные полюсы (через северные полюсы магнитный поток выходит, через южные входит).

повернуться налево.

Мы знаем, что разноименные полюсы притягиваются, а одноименные отталкиваются, поэтому, взглянув на рис. 12-4, можно убедиться в том, что магнитные силы будут стремиться повернуть ротор против часовой стрелки.

Но через половину периода ток в статоре уже будет иметь противоположное направление. Если ротор остался на прежнем месте (как это показано на рис. 12-5), то теперь силы взаимодействия между полюсами будут стремиться повернуть ротор в обратную сторону, т. е. по часовой стрелке. Поэтому, если ротор был неподвижен при включении переменного тока в обмотку статора, он и не сдвинется с места; на ротор будут действовать быстро чередующиеся силы противоположных направлений. Совсем иное дело будет, если ротор предварительно раскрутить и вращать с такой скоростью, что за время полупериода он переместится из положения, указанного на рис. 12-4, в положение рис. 12-6.

12 Зак. 621 361

Рис. 12-4. Разноименные полюсы притягиваются, ротор стремится

Рис. 12-5. Ротор стремится повернуться направо.

В самом деле, теперь полюсы ротора повернулись так, что при новом направлен.in тока в обмотках статора взаимодействие магнитных полюсов статора и ротора стремится вращать ротор все в том же направлении.

Теперь уже ие нужно прибегать к посторонней силе для кручения ротора, он будет п-родолжать вращаться с той же скоростью благодаря взаимодействию токов (их магнитного поля).

Эта скорость вращения, в точности соответствующая скорости изменения магнитного поля статора, называется синхронной скоростью.

С другой скоростью при 50-периодном токе ротор вращаться не может, поэтому такие машины называют

синхронными. В самом деле если бы ротор вращался со скоростью, отличной от синхронной, то очень скоро изменения положения полюсов ротора и изменения полюсов статора перестали бы соответствовать одно другому; они как бы перестанут попадать в такт. При этом, как говорят, вращение ротора выпадает из синхронизма.

Чем больше пар полюсов имеет синхронная машина, тем медленнее она будет вращаться. На практике синхронные машины строят как с одной парой полюсов (быстроходные генераторы, приводимые во вращение паровыми турбинами), так и с десятками пар полюсов (например, тихоходные генераторы, приводимые во вращение водяными турбинами).

Из рассмотренного примера ясно, почему ротор дол жен быть раскручен к моменту присоединения переменно го тока, но важно обратить внимание еще на следующее: переменный ток, протекающий через обмотку статора должен быть таким, чтобы его взаимодействие с магнит ным полем постоянного тока создавало вращающую сил\ требуемого направления. Если бы положению ротора, изо браженному на рис. 12-6, соответствовал переменный toj противоположного направления, то машина не пошла бы Вместо того чтобы поддерживать вращение, электромаг нитное взаимодействие ему препятствовало бы.

Поэтому для присоединения синхронной машины к сеп

Рис. 12-6. Ротор стремится повернуться налево.

ц

необходимо не только дать машине нормальную скорость фащения, но и убедиться в том, что ход изменения напря-кений на машине и в сети одинаков.

\ 12-3. ТРЕХФАЗНЫЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотренные сейчас машины являлись однофазными машинами переменного тока. На практике значительно большее распространение получили трехфазные машины, изобретенные нашим соотечественником М. О. Доливо-Добровольским.

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 7з периода от тока в первой фазе, а ток в третьей фазе отстает на 7з периода от тока во второй фазе.

Возьмем три катушки и закрепим их неподвижно, расположив их 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 к этой рамке подводится через кольца. На рис. 12-7 рамка не показана для того, чтобы не затемнять рисунка. 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. Соедине-12* 363

Рис. 12-7. Расположение обмоток в статоре трехфазной синхронной машины.

ние 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.

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

обмоток на стали статора Рис. 12-8. Расположение обмоток и ротора в синхронной

в статоре и роторе трехфазной машине,

синхронной машины.

представлен на рис. 12-10. Начнем с того момента времени, когда ток первой фазьи достиг наибольшей величины, допустим 100 а. В этот момент токи второй и третьей фаз отрицательны и равны каждый 50 а. Через промежуток времени в Veoo долю секунды ток во второй фазе стал равен нулю, а в первой фазе ток должен уменьшиться приблизительно до 87 а. Ток в третьей фазе будет такой же величины, т. е. 87 а, но он будет иметь противоположное направление.

Когда пройдет /гоо доля секунды, считая от начального момента, ток в первой фазе спадет до нуля, ток во второй фазе будет уже положительным, ток в третьей фазе остается отрицательным. По величине оба эти тока равны тем же 87 а.

Наконец, через /юо долю секунды, считая от начального момента, ток в первой фазе будет опять равен 100 а, но только он будет отрицательным, а токи в фазах второй и третьей будут равны каждый 50 а (оба положительны).

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

Как же будет взаимодействовать постоянный ток, протекающий во внутренней рамке, с трехфазным током, протекающим в трех неподвижно закрепленных обмотках? Будут ли в состоянии силы механического взаимодействия

50а

Шеек ,

12-10. Токи в обмотках трехфазной синхронной машины.

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 (стр. 113).

Раскрутим нашу рамку так, чтобы получить 3 ООО об шин (мы сейчас увидим, что это как раз нужная скорость) и чтобы в тот момент, когда ток в первой ка-

*1D0a

♦Як

тушке достигает наибольшей величины, рамка находилась как раз посредине между второй и третьей катушками.

Такое положение рамки показано на рис. 12-1\,А. На этом рисунке обозначены против каждой из шести сторон

обмоток величины токов, притекающих к обмоткам. Там, где ток положителен (например, +50 а), это значит, что ток течет за плоскость рисунка там, где ток отрицателен (например -50 а), это значит, что ток течет из-за плоскости рисунка. Провода с отрицательным током показаны на фигуре черными, провода с положительным током заштрихованы.

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

Одинаково направленные токи притягиваются, противоположно направленные - отталкиваются.

-WOa

-50а

1-50а

Г) t WOa

Рис. 12-П. Взаимное расположение токов в ста-торноа и роторной обмотках синхронной машины в разные моменты времени.

На основании этого легко заключить, что взаимодействие трехфазного и постоянного токов в момент времени, для которого сделан рис. 12-11.Л, 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 /еоо сек, рамка повернется на V12 часть окружности. Но этому новому положению рамки соответствуют и новые зна-

чения токов. Во второй фазе ток теперь равен нулю, значения токов двух других фаз указаны* на рис. 12-1 1,Б, соответствующем этому моменту времени.

Когда пройдет V200 сек (считая с момента, соответствующего начальному положению рамки), рамка повернется на Д окружности. Это новое положение рамки и соответствующие этому моменту токи показаны на рис. 12-11Д

Наконец, на рис. 12-11,Г показаны токи и положение рамки, которые имеют место через /юо 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. Вращая ротор такой трехфазной машины каким-либо посторонним двигателем (турбиной, дизелем), можно заставить его работать как генератор трехфазного тока.

12-4. РАБОТА СИНХРОННЫХ МАШИН

Синхронные машины должны вращаться со строго определенной скоростью. Уменьшение скорости вращения хотя бы на 1 °/о приводит к тому, что изменения тока в обмотке переменного тока перестают соответствовать изменениям в положении обмотки постоянного тока, они как бы выпадают из такта, машина выпадает из синхронизма: обмотка постоянного тока подвергается усилиям, направленным то в одну, то в другую сторону, и машина останавливается.

Для того чтобы понять, что происходит в синхронных машинах, прежде всего нужно обратить внимание на то, что синхронные двигатели и синхронные генераторы устроены совершенно одинаково. Во всяком синхронном двигателе, приведенном во вращение, начинает наводиться э. д. с, если только в его обмотке возбуждения протекает ток. Как происходит наведение переменного напряжения (явление электромагнитной индукции) в однофазном генераторе, мы уже рассматривали достаточно подробно. Но точно так же наводится напряжение и в обмотках трехфазных машин. Только напряжения во всех трех обмотках будут сдвинуты друг относительно друга по фазе. Дей-