Обертальне магнітне поле
Робота більшості сучасних електричних машин ґрунтується на утворенні обертального магнітного поля — феномену, що виникає при накладенні декількох пульсуючих полів, зміщених по фазі в просторі. Принцип було відкрито 1888 року італійським фізиком Г. Ферарисом і, незалежно від нього, сербським інженером М. Теслою. Без обертального магнітного поля машини змінного струму — асинхронні й синхронні двигуни, генератори змінного струму, а також багато вимірювальних приладів, просто не змогли б існувати в тому вигляді, в якому ми їх знаємо.
Саме завдяки цьому полю:
- електроенергія у двигунах перетворюється на механічну;
- в генераторах — навпаки, механічна енергія перетворюється на електричну;
- а в приладобудуванні можна точно виміряти параметри електричних кіл.
У цій статті ми докладно розберемо умови отримання обертального магнітного поля і принцип його формування в електромоторах.
Нагадаємо, що у “Першій редукторній компанії” (“ПРК”) ви можете купити асинхронний двигун з однофазною або трифазною обмоткою за вигідною ціною. Ми продаємо агрегати (мотори, редуктори, частотні перетворювачі) переважно промислового призначення під власною торговою маркою. З офіційною гарантією, усіма доступними деталями та складниками й сервісним обслуговуванням.
Навіщо потрібно обертальне магнітне поле (асинхронного двигуна зокрема)
Тут варто згадати про будову електродвигуна: електричні машини, зокрема асинхронні та синхронні мотори, працюють внаслідок взаємодії поля зі струмом, що протікає у провідниках. Для передачі механічної енергії обертання ротора необхідно, щоб поле всередині машини не залишалося статичним, а рухалося, створюючи ефект "обертання". Саме це формує крутний момент, що рухає ротор.
Виникає питання: як отримати цю силу, не вдаючись до механічних пристроїв на кшталт обертального магніту? Це завдання вирішують електричні схеми з багатофазними обмотками й змінним струмом.
Основні умови утворення обертального магнітного поля в електромашинах
Щоб отримати цю силу, необхідно:
- Використовувати багатофазну систему змінного струму.
- Правильно розташувати обмотки статора.
- Підтримувати синхронізацію параметрів струму у фазах.
- Дотримуватись конструктивної симетрії пристрою.
- Застосовувати матеріали із високими магнітними характеристиками.
Ці умови є основою роботи таких пристроїв, як асинхронні трифазні двигуни, синхронні машини та багато інших електротехнічних систем.
Розглянемо докладніше, які умови необхідні для створення обертального магнітного поля в електричних машинах.
Умова 1: багатофазна система струму
Поле не може бути створене з використанням одного дроту.
Цей принцип дозволяє зрозуміти відмінність трифазного двигуна від однофазного: в останньому обертальне поле відсутнє, його доводиться штучно створювати за допомогою додаткових обмоток і пускових конденсаторів.
Нагадаємо, однофазний асинхронний двигун живиться від звичайної мережі змінного струму з одним робочим дротом та нейтраллю. В однофазній системі струм змінює свою величину і напрямок, але магнітне поле залишається пульсуючим, а не обертальним, через що потрібен штучний запуск ротора. Ці агрегати прості в експлуатації, але їх потужність та ефективність обмежені й не підходять для промислових завдань.
Умова 2: розміщення обмоток
За фактом генератором обертального поля є струм, створюваний з використанням багатофазних обмоток. Обмотки статора розміщуються у пазах, вирізаних по колу внутрішньої поверхні статора. Для рівномірного формування поля необхідно, щоб їх осі були зміщені на рівні кути:
- У трифазній системі це 120°;
- У двофазній - 90°.
Таке розташування дозволяє полю рівномірно "обертатися" навколо осі.
Розглянемо на прикладі найпоширенішої схеми обертального магнітного поля — трифазної.
Уявіть, що у нас є три котушки (обмотки), які розміщені рівномірно, під кутом 120° одна до одної, як промені трикутної зірки. Якщо через всі котушки пропустити електричний струм, що змінюється синусоїдою з однаковою частотою, але початком трохи зрушений у часі (по фазі), то кожна буде створювати своє змінне магнітне поле.
Тепер найцікавіше:
- у певний момент часу вплив від однієї котушки може бути максимальним;
- в іншої — нульовим;
- а в третій — спрямованим в протилежний бік.
У наступну частку секунди їх значення зміняться, і поля як би підштовхнуть один одного, змушуючи обертальне поле рухатися. Підсумкове магнітне поле не пульсуватиме, а обертатиметься, ніби створюється одним фізичним магнітом, що крутиться навколо центру.
У цьому і полягає принцип створення обертального магнітного поля трифазних систем. Він лежить в основі роботи більшості електродвигунів і генераторів, тому що дозволяє передавати енергію плавно та ефективно. Ми згадували про нього в матеріалі про те, як працює трифазний двигун у блозі "ПРК".
Умова 3: синхронізація фаз
Щоб поле оберталося рівномірно, струми у фазах мають бути синхронізовані:
- Однакова амплітуда.
- Однакова частота.
- Постійне фазове зрушення.
Якщо синхронізація порушується, результуюче поле спотворюватиметься, що зменшить ефективність роботи машини й може викликати вібрації.
Умова 4: конструктивна симетрія
Для стабільного обертання поля елементи статора (пази, обмотки, магнітопровід) повинні бути симетричними. Будь-які відхилення у геометрії чи матеріалах призводять до нерівномірності обертання.
Умова 5: використання феромагнітних матеріалів
Магнітопровід статора виконується з феромагнітних матеріалів, таких як електротехнічна сталь. Цей матеріал посилює магнітне поле, мінімізує втрати на намагнічування та дозволяє концентрувати поле всередині статора. Для зниження втрат на вихрові струми магнітопровід виготовляється із тонких ізольованих пластин.
Яке значення має феномен обертального магнітного поля на практиці?
У цій статті ми говоримо не просто про теоретичне явище, а про силу, що лежить в основі багатьох пристроїв. Головна перевага – це здатність забезпечити безперервне та рівномірне обертання ротора електродвигуна.
У багатофазній системі, наприклад, трифазній, магнітне поле статора обертається з постійною швидкістю. Якщо всередині такого статора розмістити ротор (рухому частину мотора), то обертальне магнітне поле ротора буде прагнути синхронізуватися з полем статора. Ця синхронізація створює постійний крутний момент, який обертає ротор.
Це дуже важливо, тому що рівномірність обертання означає стабільну роботу пускового агрегату без ривків і перевантажень. Для порівняння, якби згадуваної нами сили не було, довелося б використовувати механічні або електронні системи, щоб змусити ротор рухатися з постійною швидкістю, що ускладнило б конструкцію та збільшило зношування.
Але це не всі переваги:
- Поле дозволяє відмовитися від використання щіток і колекторів, які у двигунах постійного струму часто стають причиною проблем — зношування, іскріння та обмеження швидкості обертання. Завдяки передачі струму через обмотки статора, взаємодія з ротором відбувається без механічного контакту. Це підвищує надійність та довговічність пристрою, а також дозволяє використовувати його в агресивних середовищах, зокрема запилених та вибухонебезпечних.
- Завдяки рівномірному обертанню поля мотори на основі багатофазного струму здатні генерувати велику потужність при відносно невеликих габаритах.
- Асинхронні двигуни можуть легко адаптуватися до змін навантаження. Коли навантаження зростає, частота обертання ротора трохи знижується, що збільшує ковзання (різницю між швидкістю ротора та синхронною швидкістю поля). Це автоматично збільшує крутний момент.
- Однією з частих проблем електромоторів є ривок при старті, який може викликати механічне зношування обладнання та перевантаження мережі. У системах з обертальним магнітним полем старт здійснюється плавно, оскільки поле розвивається поступово і рівномірно втягує ротор в рух. Це знижує зношування деталей агрегату і зменшує пусковий струм, що особливо важливо для потужних промислових моторів. Наприклад, у насосних станціях плавний запуск запобігає гідроударам у системі.
Отже, ми розібрали, як утворюється обертальне магнітне поле, і в чому його сенс. Якщо залишилися питання — телефонуйте за номером, вказаним на сайті. Менеджери “ПРК” із задоволенням Вас проконсультують.
Що таке крутний моментРозбираємо, що таке крутний момент, як його вимірюють і як він впливає на роботу двигуна. Просте пояснення складних технічних термінів.
Як дізнатися потужність електродвигунаПокрокова інструкція з розрахунку потужності електродвигуна. Дізнайтеся, які формули та параметри використовувати для точного результату.
