ствительно, мы знаем, что наведенное напряжение равно нулю, когда ось катушки переменного тока совпадает с осью обмотки постоянного тока; в этот момент почти весь магнитный поток, создаваемый обмоткой постоянного тока, проходит через рассматриваемую катушку (рис. 6-2).

Магнитный поток уже перестал увеличиваться и еще не начал уменьшаться: скорость его изменения равна нулю. Значит, именно в этот момент напряжение также имеет нулевое значение.

Если мы имеем три катушки, сдвинутые в пространстве одна относительно другой на 7з окружности, то промежуток времени, отделяющий прохождение через нуль напряжения в двух смежных катушках, будет равен /з периода, т. е. тому времени, которое требуется для того, чтобы обмотка постоянного тока повернулась на 7з об, так как одному периоду соответствует один полный оборот.

Таким образом, индуктируется трехфазное напряжение.

Возьмем теперь две совершенно одинаковые синхронные машины, пропустим через их роторные обмотки одинаковый постоянный ток и приведем их во вращение с совершенно одинаковой скоростью. Естественно, что при этом э. д. с, наводимые в двух наших генераторах, будут одинаковыми по величине: машины* одинаковые, постоянный ток, создающий магнитное поле, также одинаков, скорость вращения тоже одна и та же.

Частота получаемого переменного напряжения также должна быть одинаковой - ведь машины вращаются с одинаковой скоростью.

Но напряжения наших двух машин могут не совпадать по фазе. Действительно, пусть, например, в какой-то момент времени в первой машине ось обмотки возбуждения совпала с осью катушки первой фазы, а во второй машине в тот же самый момент ось обмотки возбуждения еще не дошла, скажем, на 7б долю окружности до совпадения с осью своей катушки первой фазы.

Ясно, что в этом случае будет существовать сдвиг по фазе между напряжениями первых катушек первой и второй машин.

Такой же сдвиг по фазе будет существовать и между напряжениями вторых и третьих катушек первой и второй машин.

В данном случае этот сдвиг между всеми фазовыми напряжениями будет равен 7б периода, на эту величину будут отставать напряжения второго генератора.

Этот сдвиг по фазе, очевидно, определяется относительным положением роторов первой и второй машин переменного тока: если оба ротора все время одинаково расположены относительно обмоток переменного тока своих машин, то не будет никакого сдвига фаз; если ротор второй машины опережает ротор первой машины, то соответственно и напряжения, наводимые во второй машине, будут опережать напряжения первой машины.

Пусть обе машины отрегулированы так, что между их напряжениями нет сдвига (кроме того, по-прежнему предполагаем, что напряжения одинаковы по величине и имеют одинаковую частоту). Это значит, что в каждый момент напряжение первой машины равно напряжению второй машины. Если теперь взять и соединить соответственные концы обмоток наших машин, то в получившейся замкнутой цепи ток протекать не будет.

Но попробуем теперь немного сместить относительное положение ротора второй машины. Скажем, заставим его немного отставать (обратите внимание, что для этого нужно не только перестать прилагать силу для ее вращения, но и приложить усилие против направления вращения машины). Теперь в цепи потечет ток. Действительно, теперь напряжения двух машин сдвинутся по фазе и разность этих двух напряжений уже не будет равна нулю, а будет вызывать протекание тока в цепи. Этот ток сдвинут по фазе относительно напряжений как первой, так и второй машины. При этом сдвиг по фазе между током и напряжениями первой и второй машин будет различным. Действительно, в тот момент, когда для первой машины ток по одному из проводов течет от машины в сеть, для другой машины этот же ток (по тому же проводу) течет из сети в машину (рис. 12-12).

Одна машина при этом будет работать генератором, другая двигателем. Очевидно, что двигателем будет работать та машина, у которой ротор относительно отстает, а генератором будет работать та машина, у которой ротор относительно опережает.

Это понятно из чисто механических соображений: та машина, которая вращается, преодолевая тормозящее усилие, поддерживающее относительное отставание ротора, работает двигателем; та машина, к которой нужно прилагать усилие, направленное в сторону ее вращения, чтобы поддерживать относительное опережение ротора, работает

генератором, так как к ней будет подводиться механическая энергия.

Чем больше угол сдвига между роторами обеих машин, тем больше будет разность их электродвижущих сил, тем больший ток будет протекать в обмотках переменного то-

©ка, тем больше будет и сила взаимодействия между переменным и постоянным токами, протекающими в машинах.

Больший сдвиг ротора соответствует большей механической нагрузке. Сам ротор, после того как он немного сдвинулся назад, продолжает вращаться с прежней скоростью.

Мы предположили, что в наших двух синхронных машинах наводится напряжение, одинаковое по величине. По как регулировать напряжение? Иначе говоря, как уменьшить или увеличить напряжение синхронного генератора?Очень просто, нужно только изменить величину постоянного тока. Действительно, изменяя величину постоянного тока, тем самым мы будем изменять величину магнитного потока, и чем больше будет изменяющийся магнитный поток, тем больше будет и напряжение, наводимое в машине (разумеется, при постоянстве других условий, т. е. если речь идет о той же самой машине, если ротор вращается с прежней скоростью).

Постоянный ток, создающий магнитное поле в синхронной машине, называют током возбуждения. Чем больше ток возбуждения, тем больше напряжение, наводимое в машине.

12-5. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Крупные электрические сети питаются не одним, а несколькими генераторами. Когда мощность, забираемая потребителями, уменьшается (например, в ночное время),

Рис. 12-12. На чертеже А схематически показаны два генератора переменного тока. Ток, протекающий в верхнем проводе цепи, для одного из генераторов течет от генератора в сеть, а для другого-из сети в генератор. На чертеже Б эти же генераторы питают потребителя, изображенного в виде лампы накаливания. В этом случае ток, протекающий в верхнем проводе, может для обоих генераторов одновременно иметь направление от генератора в сеть.

часть генераторов отключается от сети. В часы максимума нагрузки эти генераторы снова присоединяются.

Для того чтобы два генератора могли работать на одну и ту же сеть, т. е. параллельно, необходимо соблюдение ряда условий. Во-первых, в их обмотках должна индуктироваться одинаковая по величине э. д. с. Если это условие не выполнено, то по обмоткам обеих машин будет протекать уравнительный ток. Электродвижущая сила машины отличается от напряжения на зажимах на величину падения напряжения в обмотке. При параллельной работе напряжения машин одинаковы. Если, например, присоединить к сети невозбужденную машину, то в ее статорной обмотке появится ток короткого замьжания, равный по величине напряжению сети, деленному на сопротивление обмотки, которое обычно невелико. Очевидно, что такой же ток будет протекать и по обмотке работающей машины.

Во-вторых, э. д. с. обмотки машины, присоединяемой к сети, должна совпадать по фазе с напряжением сети. Чтобы оценить важность этого требования, предположим, что к сети присоединяется машина, э. д. с. которой сдвинута относительно сетевого напряжения на полпериода. Это еще хуже, чем присоединение невозбужденной машины: там падение напряжения в обмотке равнялось напряжению сети, здесь оно будет вдвое больше, так как знак э. д. с. противоположен знаку напряжения сети.

В-третьих, э. д. с. присоединяемой машины должна иметь ту же самую частоту, что и сеть. Предположим, что это условие не выполнено и что частота сети равна 50 гц, а э. д. с. присоединяемой машины имеет частоту 46 гц. Пусть включение на параллельную работу произошло в момент, когда и напряжение сети и э. д. с. машины имели нулевое значение, и найдем их значения через /в сек. Это время соответствует 4&-45o=Slh периодов сети, и, следовательно, напряжение сети будет равно максимуму. Это же время соответствует Ve: /4б = 53/4 периодам присоединенной машины, и, следовательно, ее э. д. с. будет направлена навстречу напряжению сети. Получается картина, совпадающая с только что рассмотренной.

Для того чтобы убедиться в выполнении перечисленных условий, пользуются схемой, показанной на рис. 12-13. Прежде чем замкнуть рубильник, его ножи соединяются с зажимами через лампы. При наличии уравнительного тока лампы будут гореть, и машину включать нельзя. Надо

добиться такого положения вещей, чтобы лампы не горели. Но отсутствие накала в лампах еще не доказывает отсутствия в них тока, и поэтому к ним добавляется еще вольтметр, учитывающий наличие даже небольшой разницы в напряжениях между сетью и приключаемой машиной.

Рассмотрим, как сложатся условия после того, как машина приключена к сети. Так как ее э. д. с. была в точности равна напряжению сети, то ток в якорной обмотке равен нулю, и, следовательно, машина никакой нагрузки

не несет. Чтобы нагрузить ее, необходимо, чтобы по обмотке протекал ток. Спрашивается, как это сделать.

На первый взгляд кажется, что задача может быть решена изменением возбуждения машины, т. е. изменением ее э. д. с. Действительно, если мы, например, уменьшим ток возбуждения, то уменьшится и величина (но не фаза) индуктированной э. д. с. Якорная обмотка представляет собой почти чистое индуктивное сопротивление, и, следовательно, между током и напряжением будет существовать сдвиг по фазе 74 периода (стр. 254). Средняя мощность за полпериода будет равна нулю, и такая машина будет вести себя, как индуктивный потребитель.

Если увеличить ток возбуждения настолько, что наведенная в машине э. д. с. станет больше напряжения сети (в этом случае машину называют перевозбужденной), то сдвиг между напряжением и током также будет равен 74 периода, но ток будет опережать напряжение. Машина будет вести себя, как емкостный потребитель, и этим ее свойством часто пользуются для компенсации сдвига фаз, для улучшения коэффициента мощности.

Итак, изменением возбуждения не удается нагрузить машину. Остается изменить фазу э. д. с. машины по отношению к напряжению сети. И в этом случае в обмотке должен появиться ток, и если этот ток будет в фазе с напряжением (или даже отличаться от него, но на величину, меньшую, чем 74 периода), то мы заставим вновь вклю-

Рис. 12-13.

ченную машину 372

взять на себя часть мощности, посылае-

мой в сеть. Возникает вопрос, следует ли добиваться того, чтобы э. д. с. опережала напряжение сети или же, наоборот, отставала от него.

Вспомним, что машина приводится во вращение механическим двигателем - паровой или гидравлической турбиной. Нагрузить машину - это значит нагрузить механический двигатель, заставить его работать с большей нагрузкой. Поэтому естественно увеличить скорость вращения двигателя. Может показаться, что тем самым мы выведем машину из синхронизма. Да, но на очень короткий срок.

Как только ротор увеличит свою скорость, в сгаторной обмотке появится ток, и возникнут механические силы взаимодействия между токами статора и ротора. Эти силы будут тормозящими, и величина тормозящего усилия будет тем больше, чем больше величина протекающих по обмотке токов. Ротор начнет вращаться с синхронной скоростью, но его положение относительно магнитного поля машины изменится на некоторый угол, величина которого определяет развиваемую им мощность.

Если бы мы начали каким-нибудь образом тормозить ротор, например путем уменьшения скорости вращения механического двигателя, то и в этом случае в обмотке машины появился бы ток. Но силы взаимодействия между токами теперь стремились бы ускорить вращение ротора, и машина работала бы двигателем, забирая мощность из сети.

12-6. ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Токи, протекающие по обмоткам трехфазного генератора, создают вокруг себя магнитное поле. Направление этого магнитного поля может быть определено по правилу штопора: глядя на направление тока, мы будем видеть положительное направление магнитного поля совпадающим с направлением хода часовой стрелки.

Пользуясь этим правилом, определим, как будет направлено трехфазное магнитное поле в различные моменты времени. При этом нас интересует направление тех линий поля, которые проходят по телу ротора машины.

Из рис. 12- 14,Л видно, что обе группы токов - и положительные и отрицательные - дают магнитное поле, направленное справа налево. В следующий момент времени (рис. 12-14,£) в связи с изменением токов в обмотках магнитное поле несколько повернется в направлении хода

часовой стрелки. За время, соответствующее одному периоду переменного тока, магнитное поле сделает один полный оборот.

Такое вращающееся магнитное поле от трехфазного тока используется еще в одном типе машин переменного тока, конструкция которых очень проста. Это так называемые асинхронные двигатели. Простота обращения с ними, так же как простота их конструкции, легко объясняет, почему трехфазные асинхронные двигатели получили исключительно широкое распространение.

12-7. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Расположим на статоре три обмотки, оси которых сдвинуты на угол в 120° одна относительно другой, и приключим их к источнику трехфазного тока. Эти обмотки создадут вращающееся магнитное поле. Но вместо того чтобы обмотку ротора питать постоянным током (как это делается в синхронных машинах), замкнем ее накоротко или через какое-нибудь небольшое сопротивление, подключаемое к щеткам, скользящим по кольцам.

В такой замкнутой обмотке ток будет возникать, как во вторичной обмотке трансформатора. Действительно, если обмотка ротора неподвижна или вращается с-о скоростью меньшей скорости вращения магнитного поля, то магнитный поток, пронизывающий эту обмотку, будет все время меняться. Благодаря изменению магнитного потока в ней будет наводиться напряжение, и, если только цепь замкнута, в этой обмотке будет протекать ток. Взаимодействие токов неподвижной трехфазной обмотки и обмотки ротора и создает силы, приводящие ротор асинхронного двигателя во вращение.

Рис. 12-Н. Обмотка статора создает вращающееся магнитное поле.

Таким образом, выходит, что ротор двигателей такого типа должен вращаться медленнее вращения поля, несинхронно с ним. Отсюда и название двигателей - асинхронные (т. е. несинхронные).

Действительно, если бы ротор вращался с такой же скоростью как и магнитное поле, не было бы никакого изменения магнитного потока, сцепленного с его обмоткой.

Напротив, чем медленнее вращается ротор, тем больше он отстает от вращающегося мглпитного поля, тем больше будет скорость изменения магнитного потока, сцепленного с его обмоткой, а значит, тем больше будет и наводимое в роторной обмотке напряжение. С увеличением напряжения в свою очередь увеличивается ток в обмотке ротора.

Но мы уже видели, когда рассматривали устройство трансформаторов, что чем больший ток течет во вторичной обмотке, тем больший ток протекает и в первичной. Это остается справедливым и для асинхронных двигателей.

Скорость вращения асинхронных двигателей зависит от механической Рис. 12-15. Беличье нагрузки двигателя: чем больше он колесо,

нагружен, тем больше вращение его ротора будет отставать от вращения магнитного поля.

Это понятно: ведь большая нагрузка (начинающая сильнее препятствовать вращению ротора) требует большего вращающего усилия, это большее вращающее усилие может быть получено за счет увеличения взаимодействующих токов. Но большему отставанию ротора как раз и соответствуют большие токи.

Однако более подробное исследование работы асинхронных двигателей показывает, чго при чрезмерном уменьшении скорости вращения ротора начинает уменьшаться и вращающее усилие. Как правило, асинхронные двигатели работают с очень незначительным изменением скорости их вращения.

Обмотка ротора в асинхронном двигателе может выполняться по-разному. Широкое распространение получила обмотка, состоящая, как и обмотка статора, из трех обмоток, концы которых выведены к трем (а не к двум) контактным кольцам. Наибольшее распространение получи-

ла также обмотка, выполненная в форме беличьего колеса. Эта обмотка представляет собой ряд стержней, уложенных в пазах по поверхности железного ротора. С каждой стороны концы этих стержней непосредственно соединены между собой кольцом. Такая обмотка (беличье колесо) показана на рис. 12-15.

12-8. ПУСК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

При неподвижном роторе ток в асинхронном двигателе может достигать слишком больших значений.

Поэтому для ограничения пускового тока асинхронных двигателей в цепь ротора при пуске иногда вводят дополнительное сопротивление. Ясно, что если обмотка ротора выполнена в форме беличьего колеса, ни о каком введении дополнительного сопротивления не может быть и речи.

LMJ-PySiuibHuk

Статарная обмотка

Переключатель

Рис. 12-16.

В этом случае также иногда приходится ограничивать величину тока в статорной обмотке. Пусть обмотки статора соединены между собой треугольником. Если те же самые обмотки соединить звездой, то сопротивление цепи увеличится, и ток в обмотке уменьшится.

В самом деле, если обмотки соединены треугольником, то каждая из них находится под линейным напряжением, а при соединении звездой - под фазовым, т. е. в /3 раз меньшим. Ток в статорной обмотке уменьшается также в У Ъ раз, а ток в сети в 3 раза.

Схема такого переключателя показана на рис. 12-16. Двигатель присоединяется к сети при разомкнутом переключателе. После этого переключатель переводится в правое положение, чем достигается соединение обмоток в звезду. После того как двигатель раскрутится, переключатель переводится в левое положение, и в этом положении он остается в течение всей работы.

12-9. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЧЕТЧИКИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Своеобразным типом асинхронного двигателя является индукционный счетчик переменного тока. Так как счетчик должен учитывать энергию, забираемую потребителем из сети, то число оборотов счетчика за какой-нибудь промежуток времени должно быть пропорциональным этой энергии, т. е. показания, которые мы читаем на счетчике, являются

Рис. 12-17. Счетчик переменного тока. / - алюминиевый диск; 2 - постоянный магнит.

по существу числом сделанных счетчиком оборотов или величиной, пропорциональной этому числу.

Итак, вращающий момент двигателя должен быть пропорционален мощности потребителя. Поэтому вращающееся поле счетчика создается двумя магнитными потоками, из которых один пропорционален напряжению потребителя, а другой - его току (рис. 12-17). Для этого одна из обмоток присоединяется непосредственно к сети, а по другой пропускается ток потребителя.