4. Обмотки машин переменного тока

Еν = 4,44 fνwkoбνΦν .

(4.39)

Поток ν-гармоники определяют по выражению, аналогичному (4.32):

Φ		=	2	В l τ.	(4.40)
			πν
	ν			δν δ

Частота ЭДС высших гармоник равна частоте сети, а полюсность (см. рис. 4.8) увеличивается в ν раз. Следовательно, частота вращения магнитного поля высшей гармоники в ν раз ниже частоты вращения магнитного поля первой гармоники.

Следует отметить, что в трехфазных электрических машинах третьи и кратные им гармоники ЭДС, индуцированные во всех трех фазах, совпадают по фазе. При соединении обмотки статора по схеме «звезда» эти гармоники, имеющие одинаковое направление, взаимно компенсируются. При соединении обмотки статора по схеме «треугольник» ЭДС третьих и кратных им гармоник, суммируясь, создают в замкнутом контуре токи, не выходящие во внешнюю сеть и не создающие вращающегося магнитного поля, а следовательно, и момента. Однако во избежание излишнего нагрева и увеличения потерь мощности, создаваемых этими токами, соединение трехфазных обмоток по схеме «треугольник» стараются не применять. При конструировании обмоток необходимо принимать меры для уменьшения пятой и седьмой гармоник, которые оказывают наиболее сильное влияние. Это достигается укорочением шага обмотки, которое выбирают между 1/5 и 1/7 полюсного деления, чтобы значительно уменьшить пятую и седьмую гармоники.

4.4. Схемы обмоток машин переменного тока

Статорные обмотки асинхронных машин выполняют петлевыми: всыпными с мягкими катушками и обмотками, с жесткими катушками или полукатушками. Мягкие катушки изготовляют из изолированного провода круглого сечения. Процесс изготовления максимально механизирован: секции обмоток наматывают на шаблонах, втягивающие станки-автоматы укладывают обмотки в заранее изолированные пазы, а формовочные и калибровочные станки формуют и укрепляют лобовые части обмоток. Жесткие катушки изготавливают из изолированного провода прямоугольного сечения, придавая окончательную форму до укладки витков в пазы статора и накладывая на них корпусную и межфазовую изоляцию. Катушки укладывают в предварительно изолированные открытые или полуоткрытые пазы, укрепляют и пропитывают лаками или эмалями.

176

4. Обмотки машин переменного тока

а

б

Рис. 4.10. Расположение катушек в пазах приоднослойной(а) идвухслойной(б) обмотках

Всыпные обмотки имеют ряд преимуществ. Это возможность полной механизации обмоточных работ, укорочения шага обмотки, что улучшает форму поля, применения полузакрытого паза, уменьшающего провалы кривой индукции в зазоре, и снижения расхода меди. Недостатком всыпных обмоток является высокий уровень межвиткового напряжения и снижение вследствие этого надежности машины.

Преимуществами обмоток с жесткими катушками являются: лучшее заполнение паза из-за применения проводов прямоугольного сечения, повышение надежности обмотки за счет снижения межвиткового напряжения (рядовая укладка проводников) и укладки сформированных секций в пазы.

Всыпные обмотки с мягкими секциями применяют в машинах мощностью до 100 кВт при напряжении до 1 000 В. Двигатели свыше 100 кВт, как правило, выпускают с жесткими обмотками из проводов прямоугольного сечения.

По расположению катушек в пазах и размещению их лобовых частей различают однослойные (рис. 4.10, а), двухслойные (рис. 4.10, б) и однодвухслойные обмотки.

Однослойные обмотки наиболее пригодны для механизированной укладки. Их выполняют концентрическими (лобовые части ее катушек охватывают друг друга). В таких обмотках повышен расход меди на лобовые части, отсутствует укорочение шага, приводящее к ухудшению формы магнитного поля, появлению провалов в механической характеристике и увеличению добавочных потерь. Вследствие простоты такие обмотки применяют в машинах до 10−15 кВт.

В двухслойных обмотках возможно применение укороченного шага. Простая форма лобовых частей упрощает изготовление обмотки. Эти обмотки применяют главным образом в машинах мощностью свыше 100 кВт с жесткими секциями обмотки.

Одно-двухслойные обмотки сочетают преимущества и недостатки рассмотренных выше типов обмоток; их применяют в машинах мощностью 15−100 кВт при q ≤ 6.

177

4. Обмотки машин переменного тока

τ

τ

τ

τ

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11 12	13	14	15 16	17 18	19 20	21 22	23

A Z B

C

X

Y

Рис. 4.11. Схема шаблонной обмотки при 2p = 4, q = 2 и z = 24

В трехфазных электрических машинах обмотки выполняют в большинстве случаев симметричными, с равным числом витков в каждой фазе, чтобы индуцируемые в фазах ЭДС были равны, сдвинуты относительно друг друга на угол 2π/3. Такое размещение катушек возможно при q, равном целому числу.

Расположение сторон катушек в пазах, соединения катушечных групп и обмоток фаз условно показывают на схеме обмотки. Чаще используют развернутые схемы обмоток. На схемах поверхность статора или ротора развертывают на плоскость и все соединения изображают прямыми линиями на плоскости чертежа. При двухслойной обмотке стороны уложенных в пазы катушек показывают двумя рядом расположенными линиями: сплошной линией для стороны, уложенной в верхнюю часть паза, и штриховой – для стороны, уложенной на дно паза. Стрелки на элементах обмотки показывают направление ЭДС и токов в определенный момент времени. На рис. 4.11 представлен пример развернутой схемы трехфазной однослойной обмотки четырехполюсной машины (2р = 4) с числом пазов на полюс и фазу q = 2.

На схеме проводники, принадлежащие к одной фазе, размещают в четырех пазах. Одна фаза займет в машине восемь пазов: 2pq = 4 · 2 = 8; число пазов во всей машине z = 2pqm = 24. На схеме (рис. 4.11) показано соединение проводников шаблонной равнокатушечной обмотки. Обмотка называется так потому, что изготавливается из заранее намотанных по шаб-

178

4. Обмотки машин переменного тока

лону катушек одинаковой формы, обычно трапецеидальной формы, которые в процессе намотки закладываются в пазы и соединяются между собой так, чтобы индуцированные в проводниках обмотки ЭДС складывались.

На схеме рис. 4.11 фаза А–Х состоит из четырех катушек, образованных проводниками, размещенными в пазах 1–8, 2–7, 13–20 и 14–19. Также из четырех катушек состоят фазы В–У и С–Z, размещенные в соответствующих пазах.

Катушки, принадлежащие к одной фазе и паре полюсов, называются катушечной группой. В рассмотренной обмотке каждая катушечная группа состоит из двух катушек.

Шаблонные обмотки могут быть выполнены с концентрическими катушками (рис. 4.12). У этих обмоток меньшее количество «перекрещиваний», что обеспечивает более плотную укладку катушек. В концентрических обмотках катушки имеют разную величину. Однако в электрическом отношении свойства обеих обмоток одинаковы, поскольку в последовательную цепь включены те же проводники. В машинах общего применения используют обычно двухслойные обмотки с шагом у = (0,8−0,856)τ, чем подавляется пятая, седьмая и кратные им гармоники.

τ			τ			τ			τ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13 14

15 16

17 18

19

20

21 22

23

24

A Z

B

C

X

Y

Рис. 4.12. Схема концентрической обмотки при 2p = 4, q = 2 и z = 24

179

4. Обмотки машин переменного тока

τ

τ

τ

τ

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11 12 13 14 15

16 17 18

19 20

21 22 23 24

Y

A

Z B

C

X

Рис. 4.13. Схема двухслойной обмотки при 2p = 4, q = 2 и z = 24

На рис. 4.13 показана развернутая схема петлевой двухслойной обмотки при тех же параметрах обмотки (2p = 4, q = 2, z = 24), что и в машине с однослойной обмоткой (см. рис. 4.11).

Шаг обмотки по пазам принят равным y = 0,8τ. В каждом пазу проводники располагаются в два слоя, причем проводники верхнего и нижнего слоев, принадлежащие к одной фазе, сдвинуты по отношению друг

кдругу на один паз.

Всхеме двухслойной обмотки (рис. 4.13) все проводники, лежащие

вкаждом слое паза (каждая сторона катушки), изображены в виде линии. Проводники верхних слоев показаны сплошными линиями, нижних слоев – штриховыми линиями. Направление ЭДС в проводниках обозначено стрелками. Соединение проводников в катушки произведено таким образом, что индуцированные в проводниках ЭДС складываются. Общее число катушек при двухслойной обмотке вдвое больше, чем при однослойной, что усложняет и несколько удорожает конструкцию обмотки, но дает некоторую экономию обмоточного провода.

Построение развернутой схемы двухслойной обмотки проще произвести на основании звезды пазовых ЭДС обмотки (рис. 4.14).

180

4. Обмотки машин переменного тока

			13	A
	Y
		24	1	14
		12		2
23,		11		3, 15		Z
22,	10				4, 16
C	21,	9		5,	17
		8	7	6, 18	B
		20
			19

X

Рис. 4.14. Звезда пазовых ЭДС обмотки, изображенной на рис. 2.13

Сдвиг ЭДС проводников соседних пазов по фазе

γ =	р 360D		=	p 360D	.	(4.41)
	z			2 pmq
В рассматриваемом случае γ		= 30°, так			как	2р = 4, m = 3, q = 2

(рис. 4.13). После обхода векторов пазовых ЭДС на протяжении двух полюсных делений (в нашем случае векторы 1–12) звезда векторов ЭДС при целом q повторяется вследствие совпадения ЭДС соответствующих пазов (1 и 1 + 12 = 13 и т. д.) по фазе. Если отвести первые два вектора (рис. 4.14) для зоны А (векторы 1; 2 и 13; 14), то векторы зон В и С будут сдвинуты от векторов А на 120° и 240°. Векторы зон X, Y, Z будут сдвинуты от векторов А, В, С соответственно на 180°. В результате получим такое же распределение пазов по зонам, как показано в верхнем ряду на рис. 4.13. На схеме катушки пронумерованы по верхним сторонам.

В пределах каждой катушечной группы q = 2 катушки соединяются последовательно. Таким образом, для фазы А на рис. 4.13 получены четыре группы, состоящие соответственно из катушек 1–2, 7–8, 13–14 и 19–20. Все они соединены последовательно, причем группы 7–8 и 19–20 «вывернуты» по отношению к группам 1–2 и 13–14 (конец группы 1–2 соединен с концом же группы 7–8 и т. д.), чтобы ЭДС всех групп складывались друг с другом. Аналогично проведено соединение в других фазах.

181

4.Обмотки машин переменного тока

Всхемах, приведенных на рис. 4.11−4.13, все катушки одной фазы соединены последовательно. Такое соединение характерно для машин малой мощности. В машинах большой мощности для уменьшения сечения отдельных проводников катушки соединяют в параллельные ветви с одинаковым количеством катушек в каждой ветви. В двухслойных обмотках это сделать легче, чем в однослойных. Иногда двухслойные обмотки выполняют с дробным q.

При q > 2 для машин малой мощности применяют одно-двухслойную обмотку. В этом случае в пазах, в которых размещены стороны катушек одной

итой же фазы, помещают однослойную катушку (большую с двойным числом витков), а в остальных пазах – в два слоя стороны катушек разных фаз. Обмотка состоит из концентрических катушек; число катушечных групп равно числу полюсов. Катушечная группа (всего q – 1 катушка) состоит из одной большой

и(q – 2) малыхкатушек.

Вопросы и задания для самоконтроля

1.В чем заключается принцип выполнения обмоток из отдельных проводников? Какие типы обмоток Вам известны?

2.В чем достоинства и недостатки распределенных обмоток с укороченным шагом в сравнении с сосредоточенными обмотками с полным шагом?

3.Какое влияние на форму МДС имеет распределение обмотки по

пазам?

4.Чему равна амплитуда основной гармоники МДС трехфазной об-

мотки?

5.Вычертить звезду пазовых ЭДС для машины с 2р = 4 при числе пазов 24, отметить лучи, определяющие начала фаз. Соединить проводники одной фазы, считая шаг полным.

6.Перечислите способы приближения ЭДС (МДС) машин к синусоидальной. В чем смысл каждого из способов?

182