Rotujące pole magnetyczne
Podstawową zasadą działania maszyn prądu przemiennego jest wytwarzanie wirującego pola magnetycznego, które powoduje obrót wirnika z prędkością zależną od prędkości obrotu pola magnetycznego.
Wyjaśnimy teraz, w jaki sposób można wytworzyć wirujące pole magnetyczne w stojanie i szczelinie powietrznej maszyny prądu przemiennego za pomocą prądów przemiennych.
Rozważmy stojan pokazany na rysunku 1, który obsługuje uzwojenia a-a′, b-b′ i c-c′. Cewki są geometrycznie rozmieszczone w odległości 120◦ od siebie, a do cewek przyłożone jest napięcie trójfazowe. Prądy wytwarzane przez źródło trójfazowe są również oddalone od siebie o 120◦, jak pokazano na rysunku 2 poniżej.
Napięcia fazowe odniesione do zacisku neutralnego byłyby wtedy dane przez wyrażenia //
gdzie ωe jest częstotliwością zasilania AC, lub częstotliwość linii. Cewki w każdym uzwojeniu są rozmieszczone w taki sposób, że rozkład strumienia generowanego przez dowolne uzwojenie jest w przybliżeniu sinusoidalny.
Taki rozkład strumienia można uzyskać przez odpowiednie rozmieszczenie grup cewek dla każdego uzwojenia na powierzchni stojana. Ponieważ cewki są oddalone od siebie o 120◦, rozkład strumienia wynikający z sumy strumieni przypadających na trzy uzwojenia jest sumą strumieni przypadających na poszczególne uzwojenia, jak pokazano na rysunku 3.
W związku z tym strumień w maszynie trójfazowej obraca się w przestrzeni zgodnie z wykresem wektorowym na rysunku 4, a strumień ma stałą amplitudę. Nieruchomy obserwator na stojanie maszyny widziałby sinusoidalnie zmienny rozkład strumienia, jak pokazano na rysunku 3.
Ponieważ strumień wypadkowy z rysunku 3 jest generowany przez prądy z rysunku 2, prędkość obrotu strumienia musi być związana z częstotliwością sinusoidalnych prądów fazowych. W przypadku stojana z rysunku 1, liczba biegunów magnetycznych wynikająca z konfiguracji uzwojenia wynosi 2.
Jednakże możliwa jest również taka konfiguracja uzwojeń, aby miały one więcej biegunów. Na przykład na rysunku 5 przedstawiono uproszczony widok stojana czterobiegunowego.
Ogólnie, prędkość wirującego pola magnetycznego jest określona przez częstotliwość prądu wzbudzenia f i przez liczbę biegunów stojana p zgodnie z
gdzie ns (lub ωs) jest zwykle nazywana prędkością synchroniczną.
Teraz, struktura uzwojeń w poprzedniej dyskusji jest taka sama bez względu na to, czy maszyna AC jest silnikiem czy generatorem. Rozróżnienie między nimi zależy od kierunku przepływu mocy. W prądnicy moment elektromagnetyczny jest momentem reakcyjnym, który przeciwstawia się obrotowi maszyny; jest to moment, przeciwko któremu prime mover wykonuje pracę.
Jak opisano powyżej, pole magnetyczne stojana obraca się w maszynie AC, i dlatego wirnik nie może „dogonić” pola stojana i jest w ciągłym pościgu za nim.
Prędkość obrotu wirnika będzie zatem zależała od liczby biegunów magnetycznych obecnych w stojanie i w wirniku.
Wielkość momentu obrotowego wytwarzanego w maszynie jest funkcją kąta γ pomiędzy polami magnetycznymi stojana i wirnika. Dokładne wyrażenia tego momentu zależą od sposobu wytwarzania pól magnetycznych i zostaną podane oddzielnie dla dwóch przypadków maszyn synchronicznych i indukcyjnych.
Wszystkie maszyny wirujące charakteryzują się tym, że liczba biegunów stojana i wirnika musi być identyczna, jeżeli ma być wytwarzany jakikolwiek moment obrotowy. Ponadto, liczba biegunów musi być parzysta, ponieważ dla każdego bieguna północnego musi istnieć odpowiadający mu biegun południowy.
Jedną z ważnych pożądanych cech maszyny elektrycznej jest zdolność do wytwarzania stałego momentu elektromagnetycznego.
Dzięki maszynie o stałym momencie obrotowym można uniknąć pulsacji momentu obrotowego, które mogłyby prowadzić do niepożądanych drgań mechanicznych w samym silniku oraz w innych elementach mechanicznych podłączonych do silnika (np. obciążenia mechaniczne, takie jak wrzeciona lub napędy pasowe). Stały moment obrotowy nie zawsze może być osiągnięty, chociaż zostanie pokazane, że możliwe jest osiągnięcie tego celu, gdy prądy wzbudzenia są wielofazowe.
Ogólna zasada kciuka w tym względzie jest taka, że pożądane jest, o ile to możliwe, wytwarzanie stałego strumienia na biegun.
Interesujący film wideo o wirującym polu magnetycznym
.