Принцип действия синхронного генератора

Раздел

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН

Принцип действия бесколлекторных машин переменного тока

Принцип выполнения обмоток статора

Основные типы обмоток статора

Магнитодвижущая сила обмоток статора

Электрические машины пере­менного тока составляют ос­нову современной электроэнергетики, как в сфере производства, так и в сфере потребления электрической энергии. За небольшим ис­ключением все эти машины являются бесколлекторными. Существует два вида бесколлекторных машин переменно­го тока: асинхронные и син­хронные машины. Отличаясь рабочими свойствами, эти машины имеют конструктив­ное сходство, и в основе их теории лежат некоторые об­щие вопросы, касающиеся процессов и явлений, связан­ных с рабочей обмоткой — обмоткой статора. Поэтому, прежде чем перейти к под­робному изучению асинхрон­ных и синхронных машин, це­лесообразно рассмотреть общие вопросы теории этих машин. Как асинхронные, так и синхронные машины обла­дают свойством обратимости (см. § В.2), т. е. каждая из них может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Однако первона­чальное знакомство с этими машинами полезно начать с рассмотрения принципа дей­ствия синхронного генератора и принципа действия асин­хронного двигателя. Это даст возможность получить необ­ходимое на данном этапе изучения представление об устройстве этих машин и про­исходящих в них электромаг­нитных процессах. Данный раздел посвящен изучению принципа действия бескол­лекторных машин переменно­го тока в основных их режи­мах, устройства обмоток статоров этих машин и про­цесса наведения ЭДС и МДС в них.

ГЛАВА 6

• Принцип действия бесколлекторных машин переменного тока

Принцип действия синхронного генератора

Для изучения принципа действия синхронного генератора воспользуемся упрощенной моделью синхронной машины (рис. 6.1). Неподвижная часть машины, называемая статором,представляет собой полый шихтованный цилиндр 1(сердечник статора) с двумя продольными пазами на внутренней поверх­ности. В этих пазах расположены стороны витка 2, являющегося обмоткой статора. Во внутренней полости сердечника статора расположена вращаю­щаяся часть машины — ротор, представляющий собой постоянный магнит 4 с полюсами N и S, за­крепленный на валу 3. Вал ротора посредством ре­менной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан). В реальном синхронном генераторе в качестве приводного дви­гателя может быть использован двигатель внутрен­него сгорания либо турбина. Под действием вра­щающего момента приводного двигателя ротор генератора вращается с частотой n₁против часовой стрелки. При этом в обмотке статора в соответствии с явлением электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой показано на рисунке стрелками. Так как обмотка статора замкнута на на­грузку Z, то в цепи этой обмотки появится ток i.

В процессе вращения ротора магнитное поле по­стоянного магнита также вращается с частотой n₁, а поэтому каждый из проводников обмотки статора попеременно оказывается то в зоне северного (N) магнитного полюса, то в зоне южного (S) магнитно­го полюса. При этом каждая смена полюсов сопро­вождается изменением направления ЭДС в обмотке статора. Таким образом, в обмотке статора синхрон­ного генератора наводится переменная ЭДС, а по­этому ток i в этой обмотке и в нагрузке Z также пе­ременный.

Мгновенное значение ЭДС обмотки статора в рассматриваемом синхронном генераторе (В)

е = B 2 l = B 2 l π D₁ n₁ / 60 (6.1)

где B — магнитная индукция в воздушном зазоре между сердеч­ником статора и полюсами ротора, Тл; l — активная длина одной пазовой стороны обмотки статора, м; = π D₁ n₁ /60 — скорость движения полюсов ротора относительно статора, м/с; D₁— внут­ренний диаметр сердечника статора, м.

Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой

Рис. 6.1. Упрощенная модель синхронного генератора

переменной ЭДС обмотки якоря опреде­ляется исключительно законом распределения магнитной индукции B , в зазоре. Если бы график магнитной индукции в зазора представлял собой синусоиду (B = В_max sin α), то ЭДС генератора была бы синусоидальной. Однако получить синусоидальное распределение индукции в зазоре практически невозможно. Так, если воздушный зазор постоянен (рис. 6.2), то магнитная индукция B , в воздушном зазоре распределяется по трапецеидальному закону (кривая 7), а, следовательно, и график ЭДС генератора представляет собой трапецеидальную кривую. Если края полюсов скосим так, чтобы зазор на краях полюсных наконечников был равен _max (как это показано на рис. 6.2), то график распределения магнитной индукции в зазоре приблизится к синусоиде (кривая 2), а следовательно, и график ЭДС, наведенной в обмотке генератора, приблизится к синусоиде.

Частота ЭДС синхронного генератора f₁ (Гц) прямо пропорциональна частоте вращения ротора n₁ (об/мин), которую принято называть синхронной частотой вращения:

f₁ = pn₁/60 (6.2)

Здесь р — число пар полюсов; в рассматриваемом генераторе два полюса, т. е. р = 1.

Для получения промышленной частоты ЭДС (50 Гц) ротор та­кого генератора необходимо вращать с частотой n₁ = 3000 об/мин, тогда f₁ = 1 3000/60 = 50 Гц.

Постоянные магниты на роторе применяются лишь в синхронных генераторах весьма малой мощности (см. § 23.1), в боль­шинстве же синхронных генераторов для получения возбуждающего магнитного поля применяют обмотку возбуждения, располагаемую на роторе. Эта обмотка подключается к источнику постоянного тока через скользящие контакты, осуществляемые посредством двух контактных колец, располагаемых на валу и

Рис. 6.2. Графики распределения магнитной индукции в воздушном зазоре синхронного генератора

изолированных от вала и друг от друга, и двух неподвижных щеток (рис. 6.3).

Как уже отмечалось, привод - двигатель (ПД) приводит во вращение ротор синхронного

генератора с синхронной частотой n₁ при этом магнитное поле ротора также вращается с частотой n₁ и индуцирует в трехфазной обмотке статора переменные ЭДС Е_А, Е_В, Е_С, которые, будучи одинаковыми по значению и сдвинутыми фазе друг относительно друг друга на периода (120 эл. град), образуют трехфазную симметричную систему ЭДС.

С подключением нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи I_А, I_B, I_C. При этом

трехфазная обмотка ста­тора создает вращаю­щееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равна частоте вра­щения ротора генерато­ра (об/мин):

n₁ = f₁60/p. (6.3)

Таким образом, в синхронном генераторе поле статора и ротор вращаются синхронно, отсюда и название — синхронные машины.

Рис. 6.3. Электромагнитная схема син­хронного генератора

Рис. 6.4. К принципу действия асинхронного двигателя

обмоткой ротора и наводит в них ЭДС. При этом ЭДС обмотки статора, являясь ЭДС самоиндукции действует встречно приложенному к обмотке напряжению и ограничивает значение тока в обмотке. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стержнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы F_эм, направление которых определяется по правилу «левой руки». Из рис. 6.4 видно, что силы F_эм стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил F_эм создает на роторе электромагнита момент М, приводящий его во вращение с частотой n₂. Вращение ротора посредством вала передается исполнительному механизму.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая из сети в обмотку статора, преобразуется в механическую энергию вращения ротора двигателя.

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора зависят от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора, вращения ротора n₂, называемая асинхронной, всегда меныше частоты вращения поля n₁, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора асинхронного

двигателя.

Таким образом, статор синхронной машины не отличается от статора асинхронной машины, и выполняют они одинаковую функцию: при появлении в обмотке статора тока возникает вра­щающееся магнитное поле и в этой обмотке наводится ЭДС. Именно по этой причине изучение принципа выполнения и конст­рукции обмоток статора, а также изучение электромагнитных про­цессов, связанных с наведением в обмотке статора ЭДС и возник­новением вращающегося магнитного поля, должно предшествовать изучению специфических вопросов теории асинхронных и синхронных машин.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действия генератора переменного тока.

2. Чем определяется форма графика ЭДС синхронного генератора?

3. Каково назначение контактных колец и щеток в синхронном генераторе?

4. Объясните принцип действия асинхронного двигателя.

5. Может ли ротор асинхронного двигателя вращаться синхронно с вращаю­щимся полем?

6. Какие функции выполняет обмотка статора в синхронном генераторе и в асинхронном двигателе?

ГЛАВА 7

• Принцип выполнения обмоток статора

§ 7.1. Устройство статора бесколлекторной машины и основные понятия об обмотках статора

Статор бесколлекторной машины переменного тока (рис. 7.1) состоит из корпуса 1, сердеч-ника 2 и обмотки 3. Сердечник статора имеет шихтованную конструкцию, т. е. представляет собой пакет пла­стин, полученных методом штамповки из листовой электротехнической стали. Пластины предваритель­но покрывают с двух сторон тонкой изоляционной пленкой, например слоем лака. На внутренней по­верхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых располагаются проводники обмотки статора. Обмотка статора выполняется из медных обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения.

Требования к обмотке статора в основном сво­дятся к следующему: а) наименьший расход обмо­точной меди; б) удобство и минимальные затраты н изготовлении — технологичность; в) форма кривой ЭДС, наводимой в обмотке статора, должна был. практически синусоидальной.

Применительно к генераторам переменного тока это требование обусловлено тем, что при несинусоидальной ЭДС генератора в электрической цепи появляются высшие гармоники тока, оказывающие вредное влияние на работу всей энергосистемы: возрастают потери, возникают опасные перенапряжения, усиливается вредное влияние линий электропередачи на цепи связи. Применительно к двигателям переменного тока требование к синусоидальности ЭДС обмотки статора также весьма актуально, так как несинусоидальность ЭДС ведет к росту потерь и уменьшению полезной мощности двигателя.

Многофазная обмотка статора состоит из m₁ - фазных обмоток. Например, трехфазная обмотка (m₁ = 3) состоит из трех фазных обмоток, каждая из которых занимает Z₁\3 пазов, где Z₁ - общее число пазов сердечника статора. Каждая фазная обмотка представляет собой разом- кнутую систему проводников. Элементом обмотки является катушка, состоящаяиз одного

или нескольких витков. Элементы катушки, располагаемые в па­зах, называют пазовыми сторонами 1, а элементы, расположенные вне пазов и служащие для соединения пазовых сторон, называют лобовыми частями 2 (рис. 7.2). Часть дуги внутренней расточки статора, приходящаяся на один полюс, называется полюсным делением (м):

τ = πD₁ /(2р), (7.1)

Рис. 7.1. Статор бесколлектор­ной машины переменного тока

где D₁ — внутренний диаметр статора, м; 2р — число полюсов.

Расстояние между пазовыми сторонами катушки, измеренное но внутренней поверхности стато­ра, называется шагом обмотки по пазам у₁. Шаг обмотки выражают в пазах. Шаг обмотки называется полным или диаметральным, если он равен полюсному делению:

y₁ = Z₁/(2p) = τ. (7.2)

В этом случае ЭДС витка определяется арифметической суммой ЭДС, наведенных в сторонах этого витка (рис. 7.3):

е = е₁ + е₂.

Если же шаг обмотки меньше полюсного деления (у₁ < τ), то он называется уко­роченным. У катушки с укоро­ченным шагом ЭДС меньше, чем у катушки с полным ша­гом.

Обмотка статора состоит, как правило, из большого чис­ла катушек, соединенных ме­жду собой определенным об­разом. Для удобного и наглядного изображения ка­тушек и их соединений поль­зуются развернутыми схема­ми обмоток. На такой схеме цилиндрическую поверхность статора вместе с обмоткой условно развертывают на плоскости, а все катушки

изображают одновитковыми в виде прямых линий.

Простейшая трехфазная обмотка статора двухполюсной машины состоит из трех катушек (А, В, С), оси которых смещены в пространстве относительно друг друга на 120 эл. град, т. е. на

Рис 7.2. Расположение катушек в пазах сердечника статора

полюсного деления (рис. 7.4). Такая обмотка называется сосре­доточенной. Каждая катушка здесь представляет собой фазную обмотку.

Рис. 7.3. При диамет­ральном шаге ЭДС в

пазовых сторонах ка­тушки направлены согласно

В соответствии с ГОСТом выводы трехфазных обмоток стато­ра обозначают следующим образом:

Первая фаза......начало С1 — конец С4

Вторая фаза.....» С2 —» С5

Третья фаза......» СЗ —» С6

Конструкция обмотки статора в значи­тельной мере влияет на свойства машины переменного тока, в первую очередь на ее стоимость, КПД и рабочие характеристики.

Рис. 7.7. К понятию о коэффициенте распределения

ЭДС катушечной группы при переходе от сосредоточенной обмотки к распределенной

распространяется на ЭДС не только первой, но и высших гармоник. Для количественной оценки этого уменьшения ЭДC пользуются коэффициентом распределения обмотки, представляющим собой отношение ЭДС:

k_p = (E_г.р/E_г.с) < 1.

Коэффициент распределения обмотки для первой гармоники

k_p = (7.12)

где γ - угол сдвига по фазе между векторами пазовых ЭДС, т. е. ЭДС, наводимых в проводниках, лежащих в соседних пазах статора, эл. град:

γ = 360p/Z₁. (7.13)

Так как угол сдвига по фазе между векторами пазовых ЭДС для ν-й гармоники в ν раз больше пазового угла γ, то коэффициент распределения обмотки для любой гармоники ЭДС равен

k_pv = (7.14)

Ниже приведены значения коэффициента распределения для первой, третьей, пятой и седьмой гармоник ЭДС:

Из приведенных данных видно, что увеличение q₁ вызывает сравнительно небольшое уменьшение коэффициента распределе­ния для основной гармоники и значительное уменьшение его для высших гармоник.

Зубцовые гармоники ЭДС

Наличие зубцов и пазов на по­верхности статора создает неравно­мерность воздушного

Рис. 7.8 График магнитной индукции основной гармоники В₁,

искаженной зубцовой гармоникой В_z

зазора. По этой причине все гармонические составляющие магнитного поля, обусловленные несинусоидально­стью кривой магнитной индукции (см. рис. 6.2), приобретают зубча­тую форму. Каждая из этих иска­женных гармоник индуцирует в обмотке статора две ЭДС: собст­венной частоты f_v и зубцовую.

Практическое влияние на работу машины может оказать зубцовая ЭДС поля основной

гармоники (рис. 7.8). Мгновенное значение этой ЭДС

e_z = E_zmax sin ω₁ t cos 2Q ω₁ t (7.22)

или, учитывая, что sin ω₁ t cos 2Q ω₁ t = 0,5sin(ω₁ t + 2Q ω₁ t) + 0,5sin(ω₁ t -2Q ω₁ t), получим

e_z = 0,5 E_zmax [sin(2Q+1) ω₁ t – sin (2Q - 1)ω₁ t], (7.23)

где Q = Z₁ /(2p) — число пазов на полюс.

Из (7.23) следует, что зубцовая ЭДС от основной гармони­ки поля может быть разложена на две составляющие с одинаковыми амплитудными значениями, но разными час­тотами:

f_z^/ = (2Q+1)f ₁ (7.24)

f _z^//= (2Q-1)f₁

Рис. 7.9. Скос пазов (а) и скос полюсного наконечника (б)

Например, при 2р = 4, Z₁ = 24 и f₁ = 50 Гц основная гар­моника поля вызывает зубцовые ЭДС, частота которых:

f_z^/ = (2 • 6 + 1)50 = 650 Гц (13-я гармоника);

f'_z^// = (2 • 6 - 1)50 = 550 Гц (11 -я гармоника).

Вредное действие зубцовых гармоник ЭДС выражается в том, что они вызывают дополнительные потери в машине и, имея по­вышенную частоту, оказывают мешающее влияние на линии связи.

Так как сокращение шага обмотки по пазам у₁ всегда кратно числу зубцов, то оно не позволяет уменьшить зубцовые гармоники ЭДС. Эффективное средство ослабления зубцовых гармоник ЭДС - скос пазов или скос полюсных наконечников (в синхронных машинах). Обычно этот скос составляет одно зубцовое деление (рис. 7.9). При скосе пазов или полюсных наконечников ЭДС, ин­дуцируемые в ряде последовательных точек по длине проводника, будут сдвинутыми по фазе относительно друг друга. Это ведет к уменьшению ЭДС проводника, учитываемой коэффициентом ско­са пазов

k_ck =

где τ и с — в зубцовых делениях.

При скосе пазов на одно зубцовое деление t₁ для первой гар­моники коэффициент k_CKl ≈ 1, а для гармоник зубцового порядка k_ckv << 1. Например, при 2р = 4, Z₁ = 48 и скосе пазов на одно зуб­цовое деление (с = 1) для основной гармоники (v = 1) коэффициент скоса пазов

k_CKl = 0,995, для зубцовой гармоники (v = 13) коэффициент k_скl3 = 0,590.

Контрольные вопросы

1. Что такое шаг обмотки по пазам и какой должна быть его величина?

2. На какие гармонические составляющие можно разложить несинусоидальную кривую ЭДС,

наведенной в обмотке статора?

3. Какие применяются средства подавления высших гармоник ЭДС в обмотке статора?

4. Каким образом можно ослабить зубцовые гармоники ЭДС в обмотке статора?

ГЛАВА 8

• Основные типы обмоток статора

Рис. 8.2. Порядок построения развернутой схемы трехфазной

двухслойной обмотки статора: Z₁ = 12, 2р = 2, у₁ = 6, q₁ = 2

фазной обмотки (С1—С4). При таком соединении кату­шечных групп ЭДС фазной обмотки представляет собой сумму ЭДС всех катушечных групп.

На рис. 8.3, а показано последовательное соединение четырех катушечных групп. Первая и вторая группы соединены нижними концами, вторая и третья группы соединены верхними концами, третья и четвертая — нижними, а к выводам фазной обмотки при­соединены верхние концы первой и четвертой катушечных групп. При последовательном соединении катушечных групп каждая фазная обмотка независимо от числа полюсов машины содержит одну параллельную ветвь (a₁ = 1). Двухслойная обмотка в каждой фазе имеет 2р катушечных групп, поэтому, соединив все группы параллельно, получим обмотку, состоящую из 2р параллельных ветвей (а₁ = 2р).

На рис. 8.3, б показано параллельное соединение четырех катушечных групп: к одному выводу обмотки (С1) подключены верхние концы нечетных групп (I и III) и нижние концы четных групп (II и IV), оставшиеся концы катушечных групп присоедине­ны к другому выводу

Рис. 8.3 Способы соединения катушечных групп

фазной обмотки (С4). Такой порядок при­соединения групп объясняется следующим: ЭДС рядом лежащих катушечных групп одной фазной обмотки сдвинуты по фазе друг относительно друга на 180°, так как эти кату­шечные группы распо­ложены под разноимен­ными полюсами. Поэтому, чтобы ЭДС радом лежащих катушечных групп фазной обмотки совпали по фазе, приходится их присоединять меняя концы.

Рис. 8.4. Развернутая схема трехфазной двухслойной обмотки

статора с укороченным шагом: Z₁ = 24; 2p = 4; y₁ = 5

Пример 8.1. Выполнить развернутую схему трехфазной двухслойной об­мотки с относительным укорочением шага р = 0,83 при следующих данных: 2р = 4, Z₁ = 24, соединение катушечных групп последовательное.

Решение. Число пазов на полюс и фазу по (7.10)

q₁ = Z₁/ (2pm) = 24/ (4 3) = 2

Пазовый угол по (7.13)

γ = З60р/ Z₁ = 360 • 2/24 = 30 эл. град.

Сдвиг между осями фаз (в пазах)

λ = 120/ γ =120/ 30 = 4.

Шаг обмотки по пазам

y₁ = βZ₁/ 2p = 0,83• 24/ 4 = 5

На рис. 8.4 изображена развернутая схема этой обмотки.

Однослойные обмотки статора

Трехфазная обмотка. В однослойных обмотках каждая сто­рона катушки полностью заполняет паз сердечника статора (см. рис. 8.1, б). При этом число катушечных групп в каждой фазе рав­но числу пар полюсов, так что общее число катушечных групп в однослойной обмотке равно рm₁.

Однослойные обмотки статоров разделяют на концентриче­ские и шаблонные. В концентрической обмотке катушки каждой катушечной группы имеют разную ширину и располагаются концентрически. Шаги обмотки у катушек, входящих в катушечную группу, неодинаковы, но их среднее значение y_1cp = Z₁/ (2р).

Так, для трехфазной однослойной концентрической обмотки с Z₁ = 24; 2р = 4 имеем у_1ср=24/4 = 6 пазов; q₁ =Z_l/ (2pm₁) = 24/ (4 • 3) = 2. Следовательно, катушечная группа каждой фазной обмотки состоит из двух расположенных концентрически катушек. Шаги этих катушек: у₁₁ = 7 и у₁₂ = 5. Развернутая схема этой обмотки (2р = 4; Z₁ = 24; q₁ = 2; у_1ср = 6) представлена на рис. 8.6, а.

Рис. 8.6. Трехфазная однослойная обмотка статора

с распо­ложением лобовых частей в двух плоскостях:

а — развернутая схема; б — расположение лобовых частей

Рассмотренную однослойную обмотку называют двухплоскостной, так как лобовые части катушек этой обмотки имеют paзный вылет и располагаются в двух плоскостях (рис. 8.6, б). Такая конструкция обмотки позволяет избежать пересечения лобовых частей катушек, принадлежащих разным фазам. При нечетном числе пар полюсов число групп лобовых частей будет также не­четным. В этом случае одну катушечную группу приходится де­лать переходного размера с двоякоизогнутой лобовой частью.

Применение различных по размеру катушек, образующих ка­тушечные группы, ведет к тому, что катушечные группы концен­трических обмоток имеют раз­ные электрические сопротивления. Это следует учитывать при определении размеров катушек катушечных групп, образующих фазную обмотку. Необходимо, чтобы все фазные обмотки име­ли одинаковое сопротивление, для чего они должны содержать одинаковое число различных по размерам

катушечных групп. Основное достоинство однослойных концентрических об­моток — возможность примене­ния станочной укладки. Этим объясняется широкое примене­ние этого типа обмотки статора в асинхронных двигателях мощностью до 18 кВт, произ­водство которых обычно имеет массовый характер.

Недостаток концентрических обмоток — наличие катушек различных размеров, что несколько усложняет ручное изготовление обмотки. Этот недостаток отсутствует в шаблонных однослойных обмотках, так как их катушки имеют одинаковые меры и могут изготовляться на общем шаблоне. Кроме того, все катушки таких обмоток имеют одинаковые сопротивления, а лобовые части получаются короче, чем в концентрических обмотках, что уменьшает расход меди.

В качестве примера рассмотрим шаблонную обмотку (рис. 8.7, а) двухполюсной машины

с тремя катушками в катушечной группе. Трапецеидальная форма секций облегчает расположение лобовых частей обмотки (рис. 8.7,6).

Основным недостатком всех типов однослойных обмоток является невозможность применения в них катушек с укороченным шагом, что необходимо для улучшения рабочих свойств машин переменного тока (см. § 7.2).

Однофазная обмотка. Эту обмотку статора выполняют аналогично одной фазе трехфазной

обмотки, с той лишь разницей,что катушки этой обмотки занимают 2/3 пазов сердечника статора. Такая конструкция обмотки делает ее наиболее экономичной, так как заполнение

Рис 8.7. Трехфазная однослойная шаблонная обмотка статора

оставшихся 1/3 пазов статора увеличило бы расход меди на изготовление обмотки в 1,5 раза, т. е. на 50 %, а ЭДС об­мотки возросла бы лишь на 15%.

Для однофазной обмотки (m₁ = 1), занимающей 2/3 пазов на статоре, форму­ла коэффициента распределения (см. § 7.3) имеет вид

k_pv = (8.3)

Рис. 8.8. Однофазная однослойная обмотка

ста­тора: 2p =2; Z₁ = 12; q₁ = 4

Для третьей гармоники ЭДС (υ = 3) числитель выражения (8.3) sin60° υ = sin 180° = 0. Из этого следует, что в однофазной обмотке, занимающей 2/3 пазов на статоре, отсутствует третья гармоника ЭДС. На рис. 8.8 показана схема однофазной однослойной обмот­ки. Однофазные обмотки могут быть и двухслойными.

Изоляция обмотки статора

Электрическая изоляция обмотки — наиболее ответственный элемент электрической машины, в значительной степени опреде­ляющий ее габариты, вес, стоимость и надежность.

Пазовые стороны обмотки статора рас­положены в пазах (рис. 8.9), которые мо­гут быть полузакры­тыми (а), полуоткры­тыми (б) и открытыми (в). Перед укладкой проводников 4 обмот­ки поверхность паза прикрывают пазовой (корпусной) изоляцией 2 в виде пазовой коро­бочки. Этот вид изо­ляции должен иметь не только достаточную необходимую

Рис. 8.9. Пазы статора

электрическую, но и механическую прочность, так как на него действуют значительные механические силы, возникающие в процессе paботы машины, а особенно в процессе укладки (уплотнения) проводников обмотки в пазах. В нижней части паза располагают прокладку 1.

Электрическая изоляция проводников друг от друга обеспечи­вается витковой изоляцией, в качестве которой в машинах напря­жением до 660 В используют изоляцию обмоточных проводов, а при напряжении 6000 В и выше эта изоляция требует усиления на каждом проводнике специальной витковой изоляцией. В двух­слойных обмотках между слоями укладывают прокладку 3. Паз закрывают клином 6, под который обычно также кладут изоляци­онную прокладку 5.

Способ изоляции паза и применяемые изоляционные материа­лы зависят от типа обмотки, ее рабочего напряжения и температу­ры перегрева. При выборе электроизоляционных материалов для изоляции паза необходимо, чтобы все материалы имели одинако­вую нагревостойкость.

Изоляционные материалы, применяемые в обмотках электри­ческих машин и трансформаторов, разделяют на пять классов нагревостойкости, отличающихся друг от друга предельно допустимой температурой нагрева:

Класс изоляции определяет также значение расчетной рабочей температуры при расчете активного сопротивления обмотки.

В последние годы для обмоток статоров при напряжении до 660 В преимущественно применяют провода с эмалевой изоляцией марок ПЭТВ и ПЭТ-155 круглого и прямоугольного сечений. Основным изоляционным материалом для обмоток статоров служат: в низковольтных машинах (до 660 В) — пленкосинтокартон, электронит, лакотканеслюдопласт, а в высоковольтных машинах (6000 В и выше) — стеклослюдопластовая лента, стеклотекстолит и т. п.

С целью улучшения использования габарита машины желательно, чтобы изоляция обмотки в пазах занимала меньше места.

Для оценки использования площади паза пользуются коэффициентом заполнения паза изолированными проводниками

k_n = N_п1 d_из² / S_п', (8.4)

где N_п1 — число проводников в пазе; d_из — диаметр изолированного проводника, мм; S'_n — площадь паза, занимаемая обмоткой (без учета клина), мм².

При использовании обмоточных проводов круглого сечения (пазы полузакрытые) для ручной укладки обмотки k_n = 0,70 ÷ 0,75,для машинной укладки на статорообмоточных станках k_п = 0,70 ÷ 0,72.В высоковольтных машинах пазы статора делают открытыми, так как только в этом случае можно обеспечить надежную пазовую изоляцию.

Контрольные вопросы

1.Начертите развернутую схему трехфазной двухслойной обмотки статора с последовательным соединением катушечных групп для одного из приведен­ных ниже вариантов:

2.Как изменится ЭДС обмотки с 2р = 6, если последовательное соединение ее катушечных групп изменить на параллельное? Начертите схемы этих соеди­нений.

3.Почему лобовые части однослойных концентрических обмоток располагают в нескольких плоскостях?

4.Каковы достоинства и недостатки двухслойных и однослойных обмоток ста­торов?

5.Почему однофазную обмотку статора укладывают в ²/₃ пазов?

6.Как разделяются электроизоляционные материалы по нагревостойкости?

Глава 9

• Магнитодвижущая сила обмоток статора

Рис. 9.1. МДС однофазной сосредоточенной обмотки статора

Амплитуда первой пространственной гармоники МДС по (9.2)

F_k1 = F_k = I₁ ω_k = 0,9 I₁ ω_k (9.3)

Амплитуда пространственной гармоники υ-гo порядка

F_kv = F_k1 / υ =0,9 I₁ ω_k / υ (9.4)

Зависимость МДС любой гармоники от времени и пространственного угла α определяется выражением

f_kv = ±F_kv sin ωt cos υa. (9.5)

С увеличением номера гармоники растет ее пространственная периодичность. Поэтому число полюсов пространственной гармо­ники МДС равно 2p_v = 2pυ.

Полезный магнитный поток в машине переменного тока создает основная гармоника МДС, а высшие пространственные гар­моники МДС обычно оказывают на машину вредное действие (действие высших гармоник МДС рассмотрено в последующих главах).

Рис. 9.2. МДС основной гармоники

распределенной обмотки статора

Переходя к векторному изображению гармоник МДС, видим, что амплитуда МДС катушечной группы основной гармоники ⁽рис. 9.2, б) определяется геометрической суммой векторов амплитудных значений МДС катушек: F_r1 = F_1k1 + F_lk2 + F_1k3, т. е. анало­гично определению ЭДС катушечной группы (см. рис. 7.7, б). Раз­ница состоит лишь в том, что векторы ЭДС катушек смещены от­носительно друг друга на γ - угол сдвига фаз этих ЭДС относительно друг друга (временной угол), а при сложении МДС угол γ' является пространственным углом смещения амплитуд­ных значений МДС катушек (γ' = γ).

Если все катушки катушечной группы сосредоточить в двух пазах (γ' = 0), то результирующая МДС будет определяться арифметической суммой МДС катушек, т.е. F_r1 = F_k1 q₁.

Таким образом, распределение катушек в нескольких пазах ведет к уменьшению МДС катушечной группы, которое учитыва­ется коэффициентом распределения обмотки (см. § 7.3). Для МДС основной гармоники это уменьшение невелико, но для высших пространственных гармоник оно значительно.

Амплитуда пространственной гармоники катушечной группы распределенной обмотки

F_rv = F_kv q₁ k_pv = (0,9/v) I₁ω_k q₁ k_pv, (9.6)

где k_pv — коэффициент распределения.

Рис. 9.3. Принцип получения вращающейся МДС

Если частота тока в обмотке статора f₁ = 50 Гц, то вектор МДС вращается с частотой 50 об/с. В общем случае частота вра­щения вектора МДС n₁ — синхронная частота вращения — прямо пропорциональна частоте тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов p обмотки статора [см. (6.3)]:

n₁ = f₁ 60/ р.

Значения синхронных частот вращения для промышленной частоты переменного тока f₁ ⁼ 50 Гц приведены ниже:

Вращающаяся МДС создает в расточке статора вращающееся магнитное поле. При необходимости изменить направление вра­щения МДС нужно изменить порядок следования токов в обмотке.

Так, в рассмотренном примере (см. рис. 9.3) порядок следова­ния токов в фазных обмотках был А — В — С. При этом МДС вра­щалась по часовой стрелке. Если порядок следования токов в фаз­ных обмотках изменить (А — С — B), то МДС трехфазной обмотки будет вращаться против часовой стрелки. Для

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: