10-й. Электродвигатель на переменном токе
§ 10-й. Электродвигатель на переменном токе
В § 10-д мы изучили устройство и действие электродвигателя постоянного тока, назвали его достоинства и недостатки. Главные из них, искрение и износ коллектора, служат серьёзным препятствием для применения этих двигателей. Да и на практике переменный ток используется более широко, чем постоянный.
Поэтому наибольшее распространение в технике получили электродвигатели переменного тока. Их достоинства: они проще по устройству, не имеют движущихся контактов, поэтому долговечны и неприхотливы в эксплуатации. Основной их недостаток — сложно регулируемая скорость вращения. Однако для приведения в движение различных механизмов это, как правило, не важно.
Рассмотрим принцип работы так называемого трёхфазного двигателя переменного тока, широко распространённого в технике. Он так называется потому, что для его питания применяют трёхфазный переменный ток (см. график слева).
Такой ток невозможно передать по одной цепи, то есть подключив к двигателю два провода. Необходимы три разные цепи (и, по сути, шесть проводов для подключения). Однако особенности трёхфазного тока, которые мы не будем здесь рассматривать, позволяют использовать четыре провода (один провод общий). Вот одна из схем подключения двигателя:
Токи, идущие по проводам, имеют сдвиг фаз. Это значит, что максимумы (верхние точки) их графиков-синусоид наступают не одновременно, а с некоторым сдвигом по времени. То есть сила тока в каждом из проводов, меняясь со временем, максимальна тогда, когда силы токов в других проводах не так велики. Справа на рисунке показаны три обмотки двигателя. В каждой из них магнитное поле наиболее сильно тогда, когда в оставшихся двух обмотках оно не так сильно.
В результате поочерёдного наступления максимумов токов в пространстве между проволочными обмотками образуется вращающееся магнитное поле (мы его условно показали круговой зелёной стрелкой). Оно может увлекать за собой, например, магнитную стрелку, вращая её. Вместо стрелки в качестве ротора можно использовать любой магнит.
На практике вместо магнитов внутри трёхфазного двигателя переменного тока используют ротор в виде так называемой «беличьей клетки» (см. рисунок). Он получил широкое распространение благодаря простоте конструкции и надёжности.
Чтобы понять принцип его работы, рассмотрим опыт. Взгляните на рисунок. Дугообразный магнит, который приводится во вращение рукояткой, создаёт вращающееся магнитное поле. Если в него поместить магнитную стрелку, она, увлекаемая полем, тоже будет вращаться (см. рис. «а»).
Поместим теперь между полюсами магнита вместо стрелки проволочный виток (см. рис. «б»). Если его концы не замкнуты, то при вращении магнита виток останется неподвижным. Если же виток будет замкнутым, он будет вращаться, увлекаемый магнитным полем. Упомянутый ротор «беличья клетка» не что иное, как множество витков, образующих цилиндр (рис. «в»).
Вспомним, что в § 10-ж мы познакомились с явлением электромагнитной индукции. Оно заключается в возникновении тока в проводнике, вокруг которого движется магнитное поле. Виток — проводник, соответственно в нём возникает индукционный ток. Он, в свою очередь, превращает виток в электромагнит. Именно поэтому он и вращается, подобно магниту-стрелке.
Если бы поле и виток вращались синхронно (одинаково быстро), то индукционный ток не возникал бы, так как поле и виток не движутся друг относительно друга. Проведя опыт, вы убедитесь, что виток и магнитное поле вращаются асинхронно — скорость вращения витка всегда меньше скорости вращения поля. Соответственно подобный электродвигатель называют асинхронным.
Проволочные обмотки, создающие вращающееся магнитное поле, размещают на статоре — неподвижной части двигателя. Соответственно, нет необходимости в коллекторе или других движущихся контактах для присоединения к проводам, подводящим ток. Это и предопределяет надёжность и долговечность данного двигателя.