Предисловие (стр. 9 )

Электромашинный преобразователь (рис. 7.1, в) преобразует элек­трическую энергию одного вида в электрическую энергию друго­го вида, например, переменный ток — в постоянный, постоян­ный ток — в переменный, переменный ток одной частоты — в переменный ток другой частоты (преобразователь частоты) или постоянный ток одного напряжения — в постоянный ток другого напряжения (т. е. выполняет как бы функцию трансформатора по­стоянного тока).

У электромеханических преобразователей энергии (электричес­ких машин) КПД намного превосходят КПД других видов преоб­разователей. Например, КПД турбогенератора с номинальной мощ­ностью 500 МВт достигает 98,75 %, а КПД серийного асинхрон­ного двигателя мощностью 3 кВт — 83 %.

7.2. Устройство асинхронного двигателя

На рис. 7.2 изображена конструкция асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором типа беличьей клетки. Машина имеет неподвижную часть — статор и вращающийся ротор. Соответствен­но статор имеет магнитный сердечник 5, а ротор — магнитный сердечник 6, образующие магнитопровод двигателя. Сердечники шихтуются (набираются) из листов электротехнической стали, получаемых посредством штамповки. При этом в листах вырубаются пазы, равномерно распределенные по окружности, в которых располагают обмотки соответственно статора 2 и ротора 1.

Сердечник статора с обмоткой закрепляется в корпусе 4, кото­рый называется также станиной. Сердечник ротора с обмоткой плотно насаживается на вал 7, вращающийся в подшипниках. Через вал полезный вращающий момент передается нагрузочному механизму. Вентилятор 8 служит для охлаждения машины, так как при работе она нагревается из-за возникновения потерь мощно­сти. В коробке выводов 3 располагаются клеммы с выведенными концами трехфазной обмотки статора, которую можно соединит в звезду или треугольник и подключить на напряжение питающей сети.

Обмотка ротора бывает двух типов: короткозамкнутая типа беличьей клетки и фазная, состоящая из медных изолированных проводов. Наибольшее распространение получили машины с короткозамкнутым ротором (рис. 7.3), обмотка которого из сплав алюминия заливается в пазы одновременно с короткозамыкающими кольцами и вентиляционными лопатками на его торцах.

Фазная обмотка ротора имеет три фазы, соединенные в звез­ду, концы которых присоединены к расположенным на валу контактным кольцам (рис. 7.4). Вместе с неподвижными щетками эти кольца образуют скользящий контакт, позволяющий соединять фазную обмотку с внешней цепью.

В мощных асинхронных двигателях беличья клетка ротора иногда изготовляется из медных стержней, закладываемых в пазы, кото­рые затем на торцах свариваются с замыкающими кольцами. Итак, любая короткозамкнутая обмотка ротора имеет по одному про­воднику в каждом пазу. При этом проводники не изолируются от стенок паза, так как в них наводятся очень маленькая ЭДС, и незначительные токи, замыкающиеся по стали сердечника, прак­тически не влияющие на работу машины.

7.3. Виды пазов в электрических машинах

Обмотки электрических машин размещают в пазах магнитопроводов как можно ближе к воздушному зазору между статором и ротором. При этом достигается наилучшая магнитная связь между обмотками статора и ротора, да и закрепить проводники механи­чески в пазах легче, чем на поверхности. Если же каким-то образом обмотки поместить непосредственно в рабочем воздушном зазоре*, то его размер сильно возрастет, что негативно повлияет на харак­теристики машины. Особенно чувствительны к размеру воздушно­го зазора асинхронные двигатели, в которых он должен быть мини­мально возможным исходя из механических соображений.

Площадь сечения проводников обмоток определяется мощно­стью машины, током и допустимой плотностью тока. В реальных электрических машинах с катушками из обмоточного провода проводники занимают около 70 % площади паза, оставшиеся 30 % приходятся на изоляцию и неизбежные воздушные промежутки.

В электрических машинах используются следующие виды пазов:

открытые (рис. 7.5, а) — для статорных обмоток машин, рас­считанных на большие мощности и/или напряжения (более 400 кВт и 650 В), а также для роторов турбогенераторов. Обмотка в таких пазах из прямоугольного провода, шаблонная; катушки изолируются до укладки в пазы;

полуоткрытые (рис. 7.5, б) — для статорных обмоток машин» рассчитанных на мощности примерно от 100 до 400 кВт и напря­жения до 650 В. Катушка в этом случае подразделяется на две шаблонные полукатушки, закладываемые в паз по очереди. Про­вод прямоугольный;

полузакрытые (рис. 7.5, в) — для статорных обмоток машин мощностью до 100 кВт. Обмотка здесь всыпная из круглых проводников небольшого сечения. Такие пазы на статоре имеет большинство асинхронных машин. Полузакрытые пазы используются также для короткозамкнутых обмоток роторов из литого алюминия (рис. 7.5, г) и двойных беличьих клеток асинхронных машин (рис. 7.5, д);

закрытые (рис. 7.5, е) — для короткозамкнутых обмоток рото­ров асинхронных машин и демпферных (успокоительных, пуско­вых) обмоток синхронных машин.

Конфигурация пазов влияет на технологичность обмотки и ее параметры, а следовательно, на эксплуатационные показатели ма­шины. С одной стороны, чем более открыты пазы, тем легче укла­дывать в них обмотку и тем меньше магнитный поток пазового рассеяния (см. подразд. 8.5). Однако, с другой стороны, с увеличе­нием раскрытия паза возрастает эквивалентный (расчетный) воз­душный зазор

(7.1)

где — коэффициент воздушного зазора, часто называемый ко­эффициентом Картера; δ — реальный воздушный зазор между ста­тором и ротором.

Коэффициент воздушного зазора

, (7.2)

где — коэффициенты, учитывающие увеличение расчетно­го зазора из-за наличия пазов соответственно на статоре и роторе. При закрытых пазах коэффициент воздушного зазора равен единице, в остальных случаях > 1.

Контрольные вопросы

1. Опишите конструкцию асинхронного двигателя. Каковы основные
его элементы и материалы, из которых они выполнены?

2. Какие типы роторов имеют асинхронные машины?

3. Почему выполняются шихтованными магнитопроводы машин пе­ременного тока (в том числе магнитопроводы роторов асинхронных двигателей)?

4. Почему обмотки машин переменного тока укладываются в пазы и
какие существуют виды пазов?

ГЛАВА 8

ОБМОТКИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

8.1. Общая характеристика обмоток

В электрических машинах переменного тока в принципе можно использовать два типа обмоток: сосредоточенные, в которых каждая фаза имеет только одну катушку, и распределенные, в которые катушки фазы распределены по пазам, расположенным по окружности, и соединены последовательно. Конструкция обмоток второго типа более сложная, поэтому объясним ее необходимость! Для этой цели сравним пространственные графики МДС F(x) со­средоточенной и распределенной обмоток фазы (рис. 8.1).

Будем для простоты считать, что весь ток фазы i сосредоточен в центре паза; х — пространственная координата, отсчитываема вдоль длины окружности рабочего воздушного зазора машины. График F(x) строим по закону полного тока, начиная с нулевой точки и увеличивая контур обхода вправо. После разделения вит­ков w фазы на две катушки график МДС приобретает ступенчат форму (см. рис. 8.1, б), которая ближе к синусоиде, чем прямоу­гольная форма (см. рис. 8.1, а), характерная для сосредоточенной катушки. С увеличением числа разбиений витков фазы число ступеней графика будет также расти и зависимость F(x) будет еще больше приближаться к синусоиде первой (основной) гармоники F1 а процентное содержание высших гармоник будет уменьшаться (речь идет о разложении в гармонический ряд Фурье).

Способ увеличения числа полюсов

Синусоидальная МДС создает также гармоническую простран­ственную волну магнитной индукции. Далее будет показано, что машины переменного тока имеют наилучшие рабочие характери­стики, если их магнитное поле синусоидально распределено вдоль окружности воздушного зазора.

В общем случае w витков фазы можно разделить на q катушек, которые также нужно еще разбить и на р частей, чтобы создать магнитное поле с 2р полюсами, где р — число пар полюсов (рис. 8.2). Тогда число витков обмотки фазы в каждом пазу

(8.1)

Дадим основные определения.

Последовательно соединенные витков, уложенные в одну пару пазов и имеющие кроме изоляции каждого проводника еще и общую изоляцию от стенок паза, называются катушкой, или секцией (рис. 8.3, а).

Катушки фазы, лежащие в соседних пазах и соединенные по­следовательно, называются катушечной группой (рис. 8.3, б).

Величина q, определяющая число катушек в катушечной груп­пе, называется числом пазов на полюс и фазу;

(8.2)

где Z — общее число пазов статора или ротора; т обмотки.

Если внимательно проанализировать правую часть формул. (8.2), нетрудно убедиться, что она определяет число катушечных сторон фазы на одном полюсном делении τ, а каждая фаза имеет только одну катушечную группу в пределах каждого полюсного деления:

(8.3)

где D — внутренний диаметр статора машины переменного тока, называемый также «диаметр расточки статора»*.

Таким образом, полюсное деление — это часть окружности статора, приходящаяся на один полюс.

Полюсное деление обмотки (и машины) можно измерять числом зубцовых делений. Тогда

(8.4)

Зубцовым делением называется часть длины окружности, приходящаяся на одну пару паз—зубец:

(8.5)

На рис. 8.3, а для примера изображена катушка (секция) петлевой обмотки, которая имеет две активные (части) длиной лежащие в пазах, и две лобовые части (лобовые соединения) к торцевых частях статора. Активные части обмотки непосредственно участвуют в электромеханическом преобразовании энергии, то время как лобовые служат только для замыкания цепи тока.

Один из основных конструктивных показателей обмотки — шаг у, который также является шагом катушки и измеряется как: линейных мерах, так и числом зубцовых делений. (В последнем случае шаг обозначается yz.) Обмотки, имеющие шаг у=τ, называются обмотками с диаметральным шагом; при у<τ — обмотка имеет укороченный шаг, а при у>τ — удлиненный. Последние применяются редко из-за излишне увеличенной длины лобовых соединений.

Большинство обмоток электрических машин переменного тока имеет укороченный шаг, который способствует понижению нега­тивного влияния высших пространственных гармоник на их рабо­ту. Как будет показано далее (см. подразд. 8.4), укорочение шага возможно только в двухслойных обмотках, поэтому они домини­руют в конструкциях асинхронных и синхронных машин.

8.2. Понятие об электрическом градусе

Первая (основная) гармоника магнитного поля в воздушном зазоре двухполюсной электрической машины имеет один про­странственный период вдоль длины окружности расточки стато­ра (рис. 8.4, а), а, например, в шестиполюсной — три периода (рис. 8.4, б). В общем случае обмотка создает р периодов магнитно­го поля, соответствующих числу полюсов 2р.

Если ввести понятие электрического градуса, то один период магнитного поля будет равен 360° электрических, а вся окруж­ность составит р • 360° электрических. Однако в традиционных гео­метрических градусах полной окружности соответствует угол 360° геометрических, следовательно, 360° геометрических = р• 360° элек­трических, т. е. геометрический = р° электрических.

Аналогично соотношение электрических и геометрических радиан. (Отметим, что в двухполюсной машине их значения совпадают.)

Далее мы будем часто пользоваться понятиями электрического! градуса и электрического радиана.

8.3. Классификация обмоток машин переменного тока

По разным признакам различают следующие виды обмоток.

1. Сосредоточенные и распределенные по пазам — в зависимости
от значения q. В сосредоточенных обмотках q=1 или 0,5, а в распределенных обмотках q>1. Чаще q — целое число, но бывают
обмотки и с дробным q.

2. Петлевые и волновые — в зависимости от схемы и форм
катушек.

3. Катушечные — с жесткими или мягкими секциями. Обычно
такие обмотки многовитковые, петлевые (см. рис. 8.3).

4. Стержневые — жесткие, из толстого провода или шин, вы­гибаемых на специальных шаблонах. Обычно такие обмотки одновитковые (= 1). Виток в них выполняется из двух стержней, спаиваемых в лобовой части.

5. Однослойные и двухслойные — в зависимости от числа независимых слоев (секций) в пазу (см. рис. 8.11).

6. Однофазные, двухфазные и трехфазные — по числу фаз. В ма­шинах средней и большой мощности все обмотки трехфазные;
в машинах малой мощности — двухфазные. В некоторых специальных машинах используются обмотки с числом фаз больше
трех.

7. Равносекционные и неравносекционные. Если все катушки в обмотке одинаковые и получены намоткой на один шаблон, обмотка является равносекционной; в противном случае обмотка неравносекционная.

8. Двухплоскостные, трехплоскостные и цепные — в зависимо­сти от формы и расположения лобовых соединений (см. рис. 8.7 и
8.10).

8.4. Основные принципы построения обмоток

Многофазные обмотки электрических машин переменного тока должны быть симметричными. Для этого фазы должны иметь одинаковое число витков и быть сдвинуты в пространстве (на 120С электрических при числе фаз т = 3 и на 90° электрических при числе фаз т = 2). В симметричных обмотках фазы имеют одинаковые параметры, т. е. одинаковые активные и индуктивные сопро­тивления.

При построении обмоток необходимо выполнение следующих условий:

все фазы должны находиться в одинаковых электромагнитных условиях;

в фазах должны наводиться ЭДС, одинаковые по значению, но сдвинутые во времени на 120° (в трехфазных обмотках).

В машинах переменного тока используются трехфазные двухслой­ные обмотки. Рассмотрим принципы построения обмоток на при­мере более простой однослойной обмотки статора.

Однослойная обмотка. Пусть требуется построить обмотку ста­тора со следующими данными: т = 3, Z1 = 12, 2р = 2.

Сначала найдем число пазов на полюс и фазу:

Затем, начиная с паза 1, расположим по две катушечные груп­пы у каждой фазы (рис. 8.5). При этом две катушки фазы соединя­ются последовательно, хотя на рисунке это соединение не пока­зано. Примем следующие обозначения: АА, ВВ и СС — катушеч­ные стороны, соответствующие началам фаз; А'А', В'В' и С'С' — катушечные стороны, соответствующие концам фаз. В соответствии с требованием симметрии обмотки между началами фаз А, В и С пространственный сдвиг составит 120°.

Изображенному на рис. 8.5 расположению катушек однослой­ной трехфазной обмотки соответствует схема-развертка, показан­ная на рис. 8.6, которую полу­чим мысленно разрезав магнит­ный сердечник по линии F—F (см. рис. 8.5) между пазами 1 и 12 и развернув его в плоскость. Вид по нормали к этой плос­кости и определяет получен­ную схему-развертку обмотки. В верхней части рис. 8.6 указан порядок распределения кату­шечных групп по пазам, что облегчает построение данной схемы.

Обратите внимание на чере­дование выводных концов фаз в нижней части схемы. Чтобы убе­диться в том, что изображенная трехфазная обмотка действитель­но создает двухполюсное поле,

покажем направления токов в катушках в какой-то момент времени. Например, в момент, когда ток в фазе А максимальный положительный, а в фазах В и С отрицательный, равный половине амплитуды. Стрелки на рисунке указывают направления токов с учетом того, что положительный ток входит в начало фазы A, а отрицательные токи — в концы фаз Z и Y.

С помощью правила буравчика на рис. 8.6 можно указать зоны северного N и южного S полюсов, которые разделяются линиями, нейтрали магнитного поля.

Указав направления токов для выбранного момента времени на рис. 8.5, легко убедиться, что результирующее магнитное пол обмотки имеет два полюса.

Необходимо отметить, что в какой-либо следующий момент времени магнитное поле на рис. 8.6 сместится вправо, а на рис. 8.5 повернется по часовой стрелке на угол,

соответствующий фазовому углу токов в обмотке. Это и есть вращение магнитного поля, которое подробно будет описано далее (см. подразд. 9.1).

Если лобовые соединения катушек выполнить так, как пока но на рис. 8.5, они не позволят вставлять и вынимать ротор, поэтому их нужно отогнуть наружу, т. е. на периферию торцевой части статора, как показано стрелками на рисунке. Причем обе катушки фазы можно отогнуть как в одну сторону (вверх или вниз так и в разные. По способу отгиба и выполнения лобовых нений однофазные обмотки подразделяются на двухплоскостные и трехплоскостные.

На рис. 8.6 лобовые части катушек отогнуты в одну сторону. Это двухплоскостная обмотка, так как в разрезе а —а при виде сбоку (рис. 8.7, а) видны две вертикальные плоскости, в которых расположены по две концентрические катушки фаз А и В. Обмот­ка неравносекционная, поскольку катушки имеют разные разме­ры и при изготовлении наматываются на разные шаблоны.

Если лобовые соединения катушек каждой фазы отогнуть в разные стороны, получим трехплоскостную обмотку, верхняя часть схемы-развертки которой показана на рис. 8.8.

Три плоскости отгиба неравносекционных катушек хорошо видны на рис. 8.7, б, где они показаны параллельными, но эти лобовые части могут располагаться и под углом друг к другу.

Однослойная цепная обмотка. Схема такой обмотки не отлича­ется от предыдущей, но все ее катушки имеют одинаковые разме­ры, т. е. она равносекционная (рис. 8.9). Намотка провода на один шаблон делает однослойную цепную обмотку более технологич­ной и дешевой, поэтому эти обмотки часто применяются в маши­нах мощностью до 10 кВт.

Направление токов в катушках на рис. 8.9 показано для того же момента времени, что и на рис. 8.6. Данная цепная обмотка тоже создает двухполюсное магнитное поле.

Лобовые части цепной обмотки могут быть отогнуты и по слож­ной пространственной фигуре (рис. 8.10).

Двухслойная обмотка. В однослойных обмотках средний шаг катушек в катушечной группе равен полюсному делению, т. е. диаметральный. Укорочение шага в них невозможно, хотя для устранения высших пространственных гармоник было бы целесообразно. Поэтому большинство современных машин переменного той имеет двухслойную обмотку, в каждом пазу которой располагаются две катушечные стороны, возможно даже разных фаз. Одна сторона каждой катушки лежит в верхней части паза, другая — в нижней, причем на схеме-развертке (рис. 8.11, в) верхняя часть катушки изображается сплошной линией, а нижняя — пунктирной.

Статор

Принцип образования двухслойной обмотки легко понять, изобразив диаграммы расположения катушек фаз в верхних и нижних слоях пазов при диаметральном (рис. 8.11, а) и укороченном (рис. 8.11, б) шагах секции. Чередование катушек в слоях пазов в этом случае совершенно одинаковое, но нижний слой смещается относительно верхнего на величину укорочения шага, определяемого числом зубцовых делений по формуле (8.5). На рис. 8.11 примера показано укорочение на одно зубцовое деление, хотя оно может равняться любому их целому числу.

Двухслойные обмотки всегда равносекционные с простран­ственной конфигурацией изгиба лобовых частей типа показанно­го на рис. 8.10. При укороченном шаге на них меньше расходуется проводникового материала.

К недостаткам двухслойных обмоток следует отнести некото­рую трудность укладки их в пазы и более низкий, чем в однослой­ных, коэффициент заполнения паза

(8.6)

- суммарная площадь поперечных сечений всех неизоли­рованных (голых) проводников в пазу; — площадь паза в свету.