Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий

§ 4.2. ЯКОРНЫЕ ОБМОТКИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Общие сведения. Обмотки машин переменного тока выполняются однослойными и двухслойными. Однослойные обмотки ранее применялись весьма широко для машин всех мощностей, сейчас преимущественное распространение имеют только у двигателей мощностью до 5—7 квт.

Обмотки переменного тока состоят из соединенных между собой катушек, которые закладываются в пазах якоря, расположенных друг от друга на расстоянии шага у. Различают обмотки диаметральные (у которых шаг у равен полюсному делению τ)

и укороченные (у которых у<τ). Для диаметральной обмотки шаг, выраженный числом действительных пазов,

Важным преимуществом двухслойных обмоток является то, что их легко выполнять с укороченным шагом. Укорочение шага помимо уменьшения длины лобовых частей существенно влияет на улучшение формы кривой э. д. с. и м. д. с. обмотки.

Распределение обмотки но пазам якоря характеризует параметр q — число пазов на полюс и фазу:

q представляет собой число расположенных на полюсном делении пазов, в которых размещены витки одной фазы обмотки. В трехфазной обмотке на полюсном делении τ находятся 3q пазов. При q = 1 катушки фазы обмотки под каждым полюсом машины расположены только в одном пазу.. Такая обмотка называется сосредоточенной.

Обычно q > 1. В этом случае катушки одной фазы обмотки распределены между q пазами под каждым полюсом. Поэтому при q > 1 обмотка называется распределенной.

Два соседние паза, в которых заложены катушки распределенной обмотки, сдвинуты на угол α, измеряемый в электрических градусах:

Имеющую вывод сторону катушки, которую при обходе схемы обмотки по часовой стрелке встречаем раньше, условно называют началом обмотки, а другую сторону, имеющую вывод, — концом. Начала фаз трехфазной обмотки статора имеют обозначения С₁, С₂ и С₃, концы — С₄, С₅ и С₆. Начала фаз трехфазной обмотки ротора имеют обозначения P₁, Р₂ и Р₃, концы — Р₄, Р₅ и Р₆.

Электродвижущая сила проводников диаметральной обмотки. На рис. 4.2 показаны четыре проводника (1, 2, 3, 4), заложенные

в пазах статора. Пунктирными линиями изображен магнитный поток взаимоиндукции Ф, который проходит следующий замкнутый путь: воздушный зазор, зубцы и спинка ротора, второй воздушный зазор, зубцы и спинка статора.

При работе асинхронной машины магнитный поток Ф вращается в воздушном зазоре. Если, например, в начальный момент поток Ф имеет направление, показанное на рис. 4.2, а, то через некоторое время он переместится в направлении, указанном стрелкой, и займет новое положение (рис. 4.2, б). При вращении поток наводит э. д. с. в проводниках обмоток статора и ротора.

В двухполюсной машине за один полный оборот вращения потока индуктируется один период э. д. с, частота которой f =n/60 гц,

где п — скорость вращения потока относительно проводника, вычисляемая в оборотах в минуту. Если машина имеет р пар полюсов, то за один оборот под проводником пройдет р пространственных волн магнитного поля. Они наведут э. д. с, частота которой в р раз больше, т. е.

Выражение (4.1) определяет частоту э. д. с. многополюсной машины.

Согласно формуле (1.9) форма кривой изменения во времени э. д. с. проводника при равномерном вращении определяется распределением индукции В в воздушном зазоре. В современных машинах стремятся получить синусоидальное изменение э. д. с. во времени. Поэтому желательно, чтобы пространственное распределение индукции в воздушном зазоре было возможно ближе к синусоидальному. В действительности кривая распределения индукции потока имеет, помимо основной (рис. 4.3), еще и высшие гармоники. Из них наибольшую величину имеют третья 3, пятая 5 и седьмая 7. При равномерном вращении, вследствие пропорциональной зависимости между индукцией В и э. д. с. е, кривая изменения э. д. с. одного проводника обмотки во времени точно повторяет кривую распределения индукции и содержит основную и высшие гармоники.

Рис. 4.3. Распределение индукции В_δ вдоль воздушного зазора

Рис. 4.4. Пазовые э. д. с.: а — изменение во времени; б — вектерная диаграмма; в — определение э. д. с. обмотки

Многоугольник векторов э. д. с. абвгд (рис. 4.4, в) называется потенциальным. Если предположить, что во всех пазах двухполюсного якоря размещены проводники, то, продолжая суммирование пазовых э. д. с, получим замкнутый многоугольник э. д. с. (рис. 4.6, а). Многоугольник замыкается после обхода двух полюсов, что соответствует 360 эл. град. В случае, если якорь имеет р пар полюсов, то будет р замкнутых многоугольников э. д. с. При бесконечно большом количестве пазов многоугольник э. д. с. превращается в окружность э. д. с. (рис. 4.6, б).

Коэффициенты распределения и скоса пазов. Электродвижущая сила распределенной в нескольких пазах обмотки меньше, чем э. д. с. сосредоточенной обмотки с тем же числом витков. Отношение этих э. д. с. определяется коэффициентом распределения. Коэффициентом распределения называется отношение геометрической суммы амплитуд э. д. с. (или м. д. с.) обмотки, распределенной в q пазах к амплитуде сосредоточенной обмотки с тем оке числом витков.

Коэффициенты распределения и скоса пазов высших гармоник меньше, чем основной, поэтому распределение обмотки и скос пазов улучшают форму кривой э. д. с.

Коэффициент укорочения. Электродвижущая сила укороченного витка меньше, чем диаметрального. Отношение этих э. д. с. определяется коэффициентом укорочения. Коэффициентом укорочения называется отношение геометрической суммы амплитуд э.д.с. (или м. д. с.) укороченного и диаметрального витков.

При диаметральном шаге проводники витка расположены друг от друга на расстоянии τ (проводники А и 1, рис. 4.8). Электродвижущие силы E₁ проводника А и Е'₁ проводника 1 со стороны лобо-

вых частей направлены встречно, однако при обходе витка они находятся в фазе и складываются. Поэтому основная гармоника э. д. с. E_τ1 диаметрального витка в два раза больше, чем одного проводника (рис. 4.9, а), т. е.

Рис. 4.9. Сложение э. д. с, индуктируемых в проводниках витка:а — э. д. с. основной гармоники диаметрального витка; б — э. д. с. основной гармоники укороченного витка; в — э. д. с. пятой гармоники диаметрального витка; г — э. д. с. пятой гармоники укороченного витка

Используя (4.3), получаем выражение коэффициента укорочения для υ-ой гармоники

Обмоточный коэффициент, э. д. с. обмотки. Электродвижущая сила распределенной обмотки меньше, чем э. д. с. сосредоточенной, пропорционально k_p. Если все витки распределенной обмотки укорочены, то э. д. с. обмотки уменьшается еще в k_y раз, при скоес пазов — также в k_c раз.

Произведение коэффициентов распределения, укорочения и скоса называется обмоточным коэффициентом.

Обмоточный коэффициент показывает во сколько раз амплитуда э. д. с. (или м. д. с.) обмотки, имеющей распределенные витки, укороченный шаг и скос пазов, меньше амплитуды сосредоточенной диаметральной обмотки с тем же числом витков при отсутствии скоса пазов.

Аналогично (4.9) обмоточный коэффициент для высшей υ-ой гармоники

С учетом (3.1) и (4.9) э. д. с. обмотки, индуктируемая основной гармоникой потока, равна

Помимо основной гармоники, в проводниках обмотки индуктируются высшие временные гармоники э. д. с, величина которых уменьшается соответственно порядку гармоники. Наибольшее влияние оказывают третья, пятая и седьмая гармоники. Э. д. с. высшей υ-ой гармоники

Действующее значение э. д. с. обмотки

Рассмотрим пример построения однофазной диаметральной однослойной обмотки, которая обычно занимает 2/3 полюсного деления. Дано: число фаз т = 1, число полюсов 2р = 2, число пазов Z = 12, число пазов на полюс и фазу q = 4.

Определяем сколько всего пазов приходится на один полюс:

Стороны первой катушки обмотки с диаметральным шагом заложены в пазу 1 ив пазу, имеющем номер 1 + у. Аналогично построены другие катушки (см. рис. 4.5, а). Недостатком представленной обмотки является большая длина лобовых частей.

Так как все катушки соединены последовательно, то вектор суммы э. д. с. всей обмотки не зависит от того, в каком порядке складываются отдельные векторы э. д. с. Поэтому порядок соединения витков и катушек безразличен. Следовательно, обмотку можно соединить по схеме, представленной на рис. 4.5, б. В этом случае длина ее лобовых частей значительно меньше.

Из показанного примера видно, что может быть несколько вариантов построения однослойной обмотки. Следует выбирать тот вариант, при котором лобовые части и междукатушечные соединения получаются наименьшими и обеспечивается удобная укладка обмотки при ее изготовлении. В рассматриваемом случае следует отдать предпочтение второму варианту выполнения обмотки.

Синусная обмотка. В системах автоматического регулирования требуется высокая точность выходных величин. Для этого необходимо, чтобы обмоточные коэффициенты высших гармоник были бы равны нулю или имели бы ничтожно малую величину. С этой целью применяется особое распределение обмотки, при котором число витков в пазах выбирается не одинаковым, а изменяется по закону, близкому к синусоидальному. Такие обмотки называются синусными.

Из-за ограниченного числа пазов распределение чисел витков по пазам не может быть идеально синусоидальным и даже не может быть плавным, а носит ступенчатый характер. Обычно распределение проводников по пазам имеет вид ступенчатого треугольника или ступенчатой трапеции. Наилучшие результаты дает распределение в виде ступенчатой трапеции с верхним основанием, рав-

ным 1/3 полюсного деления τ. В этом случае полностью уничтожается третья и значительно ослабляются пятая, седьмая и другие высшие гармоники.

Обязательным условием выполнения синусной обмотки является требование, чтобы на расстоянии полюсного деления помещалось целое число пазов.

Для возможности выполнения распределения витков в виде трапеции с верхним основанием, равным 1/3τ, необходимо, чтобы число пазов на полюс было кратно трем. В этом случае в 1/3 пазов наматывается максимально возможное число проводников. На рис. 4.10 показан пример выполнения синусной обмотки. На графике распределения проводников по пазам (рис. 4.10, а) за единицу принято максимальное число витков, которые заложены в пазах 1, 6,7 и 12.

Рис. 4.10. Однофазная синусная обмотка: а — график распределения проводников по пазам; б — схема обмотки

Рис. 4.11. Двухфазная синусная обмотка: а — график распределения проводников по пазам; б — схема обмотки; в — лобовые части; ------- фаза А; - - -фаза В

мещается в нижнем слое. Витки второй фазы укладываются в верхнем слое. Это дает возможность при ремонте вынимать вторую фазу, не трогая витков первой фазы. Лобовые части второй фазы являются более длинными и загибаются в другой перпендикулярной к оси вала плоскости, чем лобовые части первой фазы (рис. 4.11, б и в).

Трехфазная однослойная обмотка. Для составления схемы обмотки следует построить звезду пазовых э. д. с. проводников, по

Рис. 4.12. Заполнение пазов проводниками двухфазной синусной обмотки: 1 — витки фазы А; 2 — витки фазы В

ней определить пазы, в которых располагаются проводники отдельных фаз и соединить проводники в витки, а также витки между собой таким образом, чтобы их э. д. с. складывались. Начала фаз трехфазной обмотки отстоят друг от друга на расстоянии, соответствующем 360/3=120 эл. град.

Пример расчета обмотки. Дано: число фаз т = 3, число полюсов 2р = 4, число пазов на полюс и фазу q = 2. Определяем число всех пазов, в которых заложена обмотка z = 2pmq = 4·3·2 = 24.

Угол между пазами

По этим данным строим звезду пазовых э. д. с. (рис. 4.13, а). Если в пазу 1 уложено начало первой фазы C₁, то на 120 эл. град от него должен располагаться паз 5 — начало второй фазы С₂, а на 240 эл. град паз 9 — начало третьей фазы С₃. Разбиваем звезду э. д. с. на шесть зон. Зоны, находящиеся на диаметральном расстоянии, принадлежат к одной фазе. Например, к первой фазе принадлежат зоны C₁ и C₄, содержащие пазы 1, 2 и 7, 8, а также 13, 14 и 19, 20. В этих пазах укладывают четыре катушки, которые на рис. 4.13, б соединены последовательно.

Аналогично выполнены вторая фаза, имеющая зоны С₂ и С₅ и третья фаза, имеющая зоны С₃ и С₆.

На рис. 4.13, б видно, что в каждой фазе имеется две катушки с большим вылетом лобовых частей и две с малым. При выполнении обмотки лобовые части этих катушек изгибаются в разных плоскостях, чтобы они не перекрещивались.

Трехфазную обмотку можно соединить в звезду или в треугольник. В трехфазной обмотке во всех фазах э. д. с, индуктируемые третьей пространственной гармоникой, имеют одинаковую фазу (рис. 4.14). При соединении обмоток в звезду третьи и кратные им

Рис. 4.13. Трехфазная однослойная обмотка: а — звезда пазовых э. д. с; б — схема обмотки

гармоники в фазах обмотки имеют одинаковое направление и взаимно друг друга компенсируют. Вследствие этого в напряжении и токе сети они отсутствуют.

Если фазы обмотки соединены в треугольник, то в контуре обмотки действует сумма э. д. с. третьих и кратных им гармоник.

Рис. 4.14. Третья гармоника э. д. с. трехфазной обмотки

В результате по замкнутому контуру циркулируют токи этих гармоник, не выходя во внешнюю сеть.

Таким образом, при любом соединении трехфазной обмотки в линейном напряжении сети отсутствуют третьи и кратные им гармоники.

Принцип получения трехфазной двухслойной обмотки из обмоток постоянного тока. В настоящее время в машинах переменного тока широко используются двухслойные обмотки. Для того чтобы лучше понять схему построения двухслойной трехфазной обмотки, рассмотрим как она может быть получена из обмотки постоянного тока.

Если на каждом участке обмотки постоянного тока, которому соответствует одна пара полюсов, выбрать три равноотстоящие друг от друга точки С₁, С₂, С₃ и присоединить их к трем фазам сети

Рис. 4.15. Принцип получения трехфазной обмотки из обмоток постоянного тока: а — трехзонная обмотка, соединенная в треугольник; б — трехзонная обмотка, соединенная в звезду; в — шестизонная обмотка, соединенная в звезду

(рис. 4.15, а), то получим трехфазную обмотку переменного тока, в которой фазы соединены в треугольник.

Соединение трехфазной обмотки в звезду можно получить следующим образом. Обмотку постоянного тока на каждом участке, соответствующем одной паре полюсов, надо разрезать в трех местах по окружности на одинаковом расстоянии. Начала каждого участка С₁, С₂ и С₃ подключить к трем фазам сети, а концы С₄, С₅ и С₆ соединить в одну точку (рис. 4.15, б). Недостатком такой обмотки является малый коэффициент распределения (k_p1 = 0,833).

Для улучшения коэффициента распределения на участке, соответствующем одной паре полюсов, обмотка разрезается на шесть равных частей (зон). Начала зон С₁, С₂ и С₃, которые являются началами фаз, должны отстоять друг от друга на 120 эл. град. Начала фаз С₁, С₂ и С₃ (рис. 4.15, в) находятся в зонах а, в и с, концами которых соответственно являются точки а₂, в₂ и с₂. Против этих зон располагаются свободные зоны х, у и z, начала которых соответственно обозначены буквами С₁, С₆ и С₆, а концы — х₂, у₂ и z₂. Обмотки зоны а и х, входящие в фазу А, соединяются встречно, т. е. конец (а₂) с концом (х₂) таким образом, чтобы их э. д. с. складывались. Аналогично встречно (конец с концом) соединяются и зоны, входящие в другие фазы. Начала зон х, у и z (точки С₄, С₅ и С₆) соединяют вместе. Такая обмотка соединена в звезду, ее коэффициент распределения равен k_p1 = 0,966.

Построение схемы трехфазной двухслойной обмотки. Для уменьшения высших гармоник э. д. с. обмотку выполняют распределенной, часто делают скос пазов. В трехфазной обмотке третья гармоника в линейном напряжении исчезает. Пятую и седьмую гармоники уничтожают путем укорочения шага. С этой целью укорочение шага следует выбирать в интервале между 1/5 и 1/7 полюсного деления, при этом пятая и седьмая гармоники значительно уменьшаются.

Каждая катушка обмотки имеет две стороны, одна из которых укладывается в верхнем слое, а другая в нижнем. Для э. д. с, индуктируемых в верхнем слое, строится звезда пазовых э. д. с. Вектора э. д. с. проводников нижнего слоя на звезде не обозначаются, так как их расположение определяется шагом, одинаковым для всех витков. Звезда пазовых э. д. с, приходящихся на каждую пару полюсов, делится на шесть зон. В каждой зоне содержится q векторов пазовых э. д. с. Зоны, располагающиеся по диаметру, принадлежат к одной фазе. В фазу А входят зоны а и х, в фазу В — зоны в и y, в фазу С — зоны c иz (рис. 4.15, в). Фаза А строится следующим образом: конец зоны а соединяется с концом зоны х (точка а₂ с точкой x₂), начала зон выводятся (точки C₁ и С₄). Аналогично строятся другие фазы.

Пользуясь звездой пазовых э. д. с, удобно строить схему обмотки. Построение схемы обмотки удобно начать с распределения пазов по фазам. Верхние стороны катушечной группы каждой фазы занимают q пазов, которые соответствуют одной зоне обмотки. В пазах, имеющих номер от 1 до q, лежат верхние стороны секции фазы А; в пазах от q + 1 до 2q — верхние стороны секции фазы С; в пазах под номерами от 2q + 1 до 3q — верхние стороны фазы В и т. д.

Пример. Дано: т = 3, 2р = 2, Z = 12.

Шаг обмотки

На рис. 4.16, а представлена звезда пазовых э. д. с, построенная для проводников, помещенных в верхнем слое. Соответственно числу пазов Z обмотка состоит из двенадцати катушек, по четыре на фазу. Каждая зона содержит числи катушек q = 2. Фаза А состоит из зон а и х, расположенных диаметрально (рис. 4.16, a). В них входят катушки 1 и 2, а также 7 и 8. Согласно схеме (рис. 4.15, в) составлена таблица обмотки (рис. 4.16, б). Первая катушка расположена в верхнем слое паза 1 и в нижнем слое паза 6 (у = 5).

На рис. 4.16, б составлена таблица обмотки, по которой выполнена схема (рис. 4.16, в). Обмотку можно соединить в звезду (в этом случае концы фаз, т. е. точки С₄, С₅ и С₆, должны быть соединены вместе) или в треугольник (в этом случае соединяют попарно вместе следующие точки обмотки: C₁ и С₆, С₂ и С₄, С₃ и С₅.) На рис. 4.17

Рис. 4.16. Трехфазная обмотка двухполюсной машины: а — звезда пазовых э. д. с; б — таблица для схемы обмотки; в — схема обмотки

Машина имеет две пары полюсов. Поэтому пазовые э. д. с. составляют две звезды. Эти звезды совмещены (рис. 4.17, а), в результате

Рис. 4.17. Трехфазная обмотка четырехполюсной машины (а=1): а — звезда пасовых э. д. с; б — таблица для схемы обмотки; в — схема одной фазы обмотки

чего каждый вектор определяет э. д. с. двух пазов, расположенных на расстоянии 2τ. Таким образом, э. д. с. пазов 1 и 13 представлены одним вектором. Согласно звезде пазовых э. д. с. построена таблица трех фаз обмотки (рис. 4.17, б) и схема для фазы А (рис. 4.17, в).

Параллельные ветви обмотки. В двухслойной обмотке фаза имеет под каждым полюсом катушку, расположенную в q пазах. Фаза всей двухслойной обмотки содержит 2р катушек. Если все катушки соединены последовательно, то обмотка имеет одну параллельную ветвь (а = 1, рис. 4.18, а). Если все катушки соединены параллельно, то обмотка имеет 2р параллельных ветвей (а = 2р, рис. 4.18, б). Катушки могут быть также разбиты на группы таким образом, что внутри каждой группы катушки соединяются последовательно, а группы между собой — параллельно. На рис. 4.18, в представлен один из таких вариантов соединения, при котором обмотка имеет число параллельных ветвей а = 2.

Таким образом, обмотка не может иметь произвольного числа параллельных ветвей. Возможное число параллельных ветвей двухслойной обмотки с целым q определяется из выражения

где п — натуральное число 1, 2, 3, ...

Согласно равенству (4.11, а) шестиполюсная (2р = 6) двухслойная обмотка может иметь число параллельных ветвей а = 6; 3; 2 и 1.

В однослойной обмотке на каждую пару полюсов приходится одна группа катушек фазы (рис. 4.13, б). Поэтому в однослойной

Рис. 4.18. Различные способы соединения катушек фазы q=2, 2p=4: а — последовательное; б — параллельное; в — смешанное

обмотке возможное число параллельных ветвей в два раза меньше, чем в двухслойной. Для однослойной обмотки оно определяется из выражения

Рис. 4.19. Обмотка короткозамкнутого ротора

Согласно (4.11, б) шестиполюсная однослойная обмотка может иметь число параллельных ветвей а = 3 и 1.

Обмотка короткозамкнутых роторов. Обмотка, состоящая из расположенных в пазах ротора стержней, которые при выходе из пакета ротора в торцевых частях замыкаются накоротко соединительными кольцами, называется беличьей клеткой (рис. 4.19). В современных машинах обычно короткозамкнутая обмотка выполняется путем заливки алюминия в пазы ротора. При этом одновременно со стержнями отливаются и короткозамыкающие торцевые кольца вместе с вентиляторными лопатками (см. 8 на рис. 1.4). В некоторых случаях беличья клетка выполняется из заложенных в пазах ротора медных или латунных стержней, которые после выхода из пакета ротора в торцевой части привариваются к ко-роткозамыкающему кольцу. В короткозамкнутых роторах обычно пазы располагают не параллельно оси вала, а со скосом на одно зубцовое деление. Скос пазов уменьшает паразитные моменты и шум при работе машины.

ВОПРОСЫ

1.   При каких условиях э. д. с. активного проводника обмотки асинхронного двигателя имеет синусоидальную форму? Каким образом можно при

несинусоидальном распределении индукции вдоль воздушного зазора получить синусоидальное изменение э. д. с. обмотки? Можно ли уничтожить высшие гармоники э. д. с. путем применения распределенной обмотки? Каким образом можно устранить υ-ую гармонику э. д. с? Какими преимуществами обладают двухслойные обмотки?

2.  В чем заключается отличие синусной обмотки от обыкновенной? Как выбирается число витков в пазах синусной обмотки?

Содержание  Главная (библиотека)
Предыдущий § Следущий