Пульсирующие, вращающиеся и бегущие магнитные поля в трехфазных цепях

Как известно, электрический ток не мыслим без сопровождающего его магнитного поля. Связь между током и магнитным полем в практических ситуациях определяется законом полного тока, который в простейшем случае (с рядом не принципиальных допущений) может быть представлен следующим рядом зависимостей .

Это значит, что электрический ток и создаваемое им магнитное поле (  – напряженность поля,  - магнитная индукция, Ф – магнитный поток,  - магнитное сопротивление трубки магнитного поля) находятся в прямой пропорциональной зависимости, т.е. изменяются одномоментно.

Понятно, что при синусоидальном токе, создаваемый им магнитный поток в связи с этим будет тоже синусоидальным, совпадающим с током по фазе с той же частотой.

Синусоиды тока , магнитной индукции , создаваемой этим током, и изменяющиеся во времени соответствующие им векторы  и , представлены на рис. 40.

Рис. 40

Направление тока и силовых линий потока вектора магнитной индукции определяется известным правилом правоходового винта (буравчика). Картина поля одиночного витка проводника с током и создаваемого им магнитного потока представлена на рис. 41.

Картина поля зафиксирована в момент, когда ток в витке (для наблюдателя, находящегося снизу) направлен по часовой стрелке («входит» в сечение витка справа «+» и «выходит» - слева «•»). Магнитные силовые линии при этом направлены вверх.

Рис. 41

Понятно, что в этом случае мы имеем пульсирующее магнитное поле, изменяющееся как по величине так и по направлению с частотой электрического тока.

Пульсирующее магнитное поле может создаваться электрическим током каждой из фаз трехфазной системы и использоваться в различного вида электромагнитных устройствах.

Если в каждую из трех фаз приемника будут включены одинаковые витки (обмотки электротехнических устройств), они будут представлять из себя симметричную нагрузку, следовательно, токи  будут одинаковыми по величине и смещены друг относительно друга по фазе на 120°. Это значит, что в каждой фазе будут иметь место пульсирующие магнитные пол , изменяющиеся по синусоидальному закону с частотой тока, одинаковые по величине и смещенные друг относительно друга по фазе на 120°.

Если витки с токами  разместить в линию с незначительным одинаковымудалением друг от друга (рис. 42).

Рис. 42

Легко понять, что разнесенные в пространстве магнитные поля с неизменной разностью фаз (смещением во времени), между ними (в данном случае 120°), т.е. разнесенные во времени на сек, создадут эффект «бегущего» поля. Такие магнитные поля лежат в основе создания линейных электрических двигателей, что (пока только в экспериментальном порядке) используется при создании транспорта на магнитной подушке.

Исключительно важной и чрезвычайно полезной, получившей широчайшее применение, явилась идея получения с помощью трехфазных систем вращающегося магнитного поля. Для этого смещенные во времени на сек электрические токи и магнитные поля смещают в пространстве по окружности на 120° (рис. 43), путем смещения на 120° начал фаз «a», «b» и «c» фазных обмоток, представленных на рис. 43 одним витком.

Рис. 43

Это приводит к тому, что смещенные на треть периода токи , создают (каждый в отдельности) пульсирующие магнитные поля, смещенные создаваемыми ими токами во времени на сек, но одновременно смещенными в пространстве по окружности на 120°. Наложение этих полей друг на друга и создает эффект вращающегося (бегущего по окружности) магнитного поля.

Более наглядно эффект возникновения вращающегося магнитного поля можно получить при рассмотрении картины поля в электрической машине переменного тока, например, в асинхронном двигателе. Поскольку трехфазный двигатель представляет из себя симметричную нагрузку, токи в его фазах одинаковы по величине и смещены друг относительно друга по фазе на 120°, а по времени – на сек (рис. 44).

Для простоты восприятия картины поля обмотки фаз a, b, c двигателя на рисунке представляются одним витком (соответственно a-x, b-y и c-z), а совокупный магнитный поток, создаваемый токами этих обмоток, - двумя магнитными силовыми линиями(рис. 45). Смещение обмотки в пространстве на 120° обеспечивается соответствующим смещением начал фаз на статоре двигателя. Условно принимается, что токи в каждой фазе в своем положительном полупериоде направлены от начал обмоток (a, b и c) к их концам (x, y и z), т.е. условно «входят» в начало фазы «+» и «выходят» из конца «•», соответственно в течение отрицательных полупериодов токи направлены из концов обмоток к соответствующим началам.

Рис. 44

Понятно, что в реальной машине каждая фазная обмотка имеет не один, а большое количество плотно припасованных друг к другу витков. Это приводит к тому, что линии совокупного (общего) магнитного потока будут замыкаться, в основном, вокруг всех однонаправленных токов (совокупного тока).

Например, в момент времени  (рис. 44) ток в фазе «a» положителен (положительный максимум). Следовательно, ток в фазе «a» «входит» в начало фазы «a» /знак «+»/, а «выходит» - из конца /«•»/. В это время токи в двух других фазах «b» и «c» отрицательны, т.е. они «входят» в концы фаз «y» и «x»/знак «+»/, а «выходят» - из начал «b» и «c» /«•»/. Таким образом, в момент времени  в машине имеет место двухполюсное магнитное поле (одна пара полюсов N-S), магнитные силовые линии которого в соответствии с правилом буравчика направлены и замыкаются так, как показано на рис. 45а.

Рис. 45

Такое поле носит соленоидный характер и может быть представлено вектором .

Если теперь рассмотреть поле, которое будет иметь место в машине через сек в момент времени  (рис. 44), когда фаза тока изменится на 120°, в этот момент в связи с прямым чередованием фаз положительного максимума достигает ток в фазе «b», а в двух других токи оказываются отрицательными. Направления токов в каждой фазе и связанного с этими токами направления магнитных силовых линий совокупного потока для этого момента времени представлены на рис. 45b.

Совершенно ясно, что за треть периода изменения тока вектор магнитного потока  повернулся по часовой стрелке в пространстве на 120°, т.е. на 1/3 оборота.

Понятно, что в следующий момент времени  сек направления токов в обмотках «a», «b» и «c» и направления магнитных силовых линий магнитного поля будут иметь вид, представленный на рис. 45c. Это значит, что через две трети периода изменения токов магнитный поток совершит поворот на 2/3 окружности статора.

Нетрудно понять, что в момент , когда ток в фазе «a» снова приобретает значение положительного максимума, магнитное поле завершает один оборот, повторяя ситуацию в первоначальный момент  (рис. 45a).

Значит, магнитное поле в такой машине вращается, совершая за время периода изменения тока Т сек один оборот. Скорость вращения такого поля в оборотах в минуту, следовательно, равна .

Это значит, что максимальная скорость вращения вращающегося магнитного поля в трехфазных системах промышленной частоты .

Простые размышления и логика показывают, что вращение магнитного поля происходит не скачками а непрерывно плавно. При прямом чередовании фаз, как в рассматриваемом случае, вращение магнитного поля происходит по часовой стрелке. При изменении чередования фаз на обратное, направление вращения изменяется на противоположное (реверс).

В курсе «электрические машины» показывается, что специальные приемы формирования статорных обмоток электрических машин позволяют получать в них не только солиноидные двухполюсные (одна пара полюсов), но и многополюсные магнитные поля с несколькими парами полюсов «Р». Например, генераторы равнинных гидроэлектростанций имеют до 70 пар полюсов. На рис. 46 представлена картина поля машины с двумя парами полюсов.

Рис. 46

Легко показать, что с увеличением числа пар полюсов скорость вращения магнитного поля уменьшается и становится равной . Возможность в трехфазных системах получать вращающиеся магнитные поля создают уникальные возможности для создания исключительно простых, надежных в эксплуатации и экономически вполне конкурентоспособных машин.