Обмотки машин переменного тока

Общие сведения

Из машин переменного тока в настоящее время наибольшее распространение получили асинхронные двигатели и синхронные генераторы и двигатели. Коллекторные машины переменного тока применяются значительно реже.

Так же как и обмотки машин постоянного тока, обмотки машин переменного тока представляют собой определенное число проводников, расположенных в статоре или роторе. По способу соединения проводников в катушки обмотки разделяются на пете-левые и волновые.

В отличие от обмоток якоря машин постоянного тока обмотки статоров машин переменного тока являются незамкнутыми. В трехфазных машинах они состоят из трех отдельных частей (фаз), которые с помощью дополнительных проводов соединяются между собой звездой или треугольником.

Кроме общих требований, которые предъявляются и к обмоткам машин постоянного тока, как-то: наименьший расход меди, наименьший вылет лобовых частей, удобство в изготовлении и в ремонте и т. п., к обмоткам статора предъявляется ряд специфических требований, из которых здесь рассмотрим только два основных.

Согласно ГОСТ 183—66, напряжение на зажимах обмотки статора синхронного генератора должно быть по возможности более близким к синусоидальному. Это требование примем за основу при сравнении различных типов обмоток генераторов между собой.

В асинхронных двигателях обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Если это поле распределяется по полюсному шагу несинусоидально, то двигатель работает плохо. Поэтому требование, чтобы обмотка статора создавала синусоидально распределенное магнитное поле, является основным и его можно принять за основу при сравнении различных типов обмоток статоров асинхронных двигателей.

Трехфазные однослойные обмотки статоров синхронных машин

При вращении возбужденного ротора с постоянной скоростью его магнитный поток пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в них переменную э. д. с. При холостом ходе эта э. д. с. равна напряжению на зажимах машины.

Э. д. с. одного проводника

Возьмем двухполюсную машину с полюсами ротора N и S и предположим, что потоки полюсов распределяются в воздушном зазоре синусоидально.

Поместим в один из пазов статора проводник, тогда при вращении ротора со скоростью V в нем будет индуктироваться э. д. с.

— множитель, позволяющий получать э. д. с. в вольтах.

Выше приведенная формула показывает, что если изменение э. д. с. во времени изобразить в виде кривой, то она будет являться копией кривой распределения индукции В поля ротора. Поэтому прежде чем перейти к изучению обмоток, рассмотрим распределение магнитной индукции поля ротора современных синхронных машин.

Кривая поля

Кривую распределения магнитной индукции в воздушном зазоре машины в дальнейшем будем называть кривой поля.

Во всех современных синхронных машинах стремятся иметь синусоидальную кривую поля, так как в этом случае получаются меньшие потери и лучше используется магнитный поток полюса.

, где R — радиус расточки статора и б — зазор под серединой башмака.

В неявнополюсных машинах (турбогенераторах) обмотка ротора размещается в его пазах и располагается не по всей окружности ротора, а примерно только на 2/3 ее (рис. 2-2).

Несмотря на эти меры, нельзя быть уверенным, что кривая поля будет синусоидальной. Объясняется это тем, что на распределение поля оказывает влияние магнитное сопротивление не только воздушного зазора между статором и ротором, но и всех остальных участков магнитной цепи: зубцов и спинки статора, сердечников полюсов и обода ротора, а также выполнение крепления полюсов к ободу ротора. Даже в тех случаях, когда можно

пренебречь сопротивлением этих участков, для получения синусоидальной кривой необходимо придавать башмакам полюсов более сложное очертание, а в неявнополюсных машинах применить более сложное распределение проводников по пазам. Поэтому всегда нужно считаться с возможной несинусоидальностью кривой поля.

Кривые поля выполненных синхронных машин обычно имеют следующие характерные особенности: 1) кривые поля различных полюсов одинаковы по форме; 2) кривые поля симметричны относительно осей полюсов; 3) кривая поля имеет более приплюснутый вид, чем синусоида.

Первая особенность объясняется тем, что при тщательном выполнении машины магнитная цепь каждого полюса получается совершенно одинаковой.

Если говорят, что кривая симметрична относительно какой-нибудь оси, то это указывает на равенство ординат в точках кривой, одинаково удаленных от этой оси.

Предположим, что статор выполнен гладким, т. е. без пазов, тогда кривая поля изобразится кривой С (рис 2-3).

и т. д.,

то кривая является симметричной относительно оси полюса. Эта симметрия объясняется тем, что магнитная цепь между каждыми двумя соседними полюсами ротора одинакова. Поэтому каждая половина магнитного потока полюса, замыкаясь через соседний полюс, встречает одно и то же магнитное сопротивление.

Приплюснутый вид кривой поля вызывается насыщением магнитной цепи машины. Действительно, при насыщенной магнитной

цепи магнитное сопротивление в стали становится более заметным в общем магнитном сопротивлении, чем при менее насыщеной машине.

Чем ближе к оси полюса, тем длиннее силовые линии и тем больше для них магнитное сопротивление в стали. Так, например, на рис. 2-1 и 2-2 силовая линия а длиннее линии Ъ и поэтому встречает в стали большее -магнитное сопротивление. Но обе силовые линии замыкаются вокруг одного и того же числа витков обмотки ротора и поэтому находятся под одинаковым магнитным напряжением. Вследствие этого кривая поля и принимает более плоский вид.

Выше мы выяснили, что кривая э. д. с является копией кривой поля. При соответствующем подборе масштаба для э. д. с. кривая поля может одновременно служить кривой изменения э. д. с. проводника (см. рис. 2-3). Кривая поля (С) может служить и кривой э. д. с, которая изменяется по сложной несинусоидальной форме. Пользоваться такой кривой крайне затруднительно.

Поэтому действительную кривую распределения магнитного поля заменяют рядом синусоидальных кривых, должным образом подобранных по амплитуде и периоду, э. д. с. проводника определяют как сумму э. д. с., индуктированных в проводнике синусоидальными составляющими поля, что особенно удобно при изучении работы машины.

В теории синхронных машин доказывается, что распределение магнитного поля ротора практически будет соответствовать действительному, если кривую поля С заменить суммой синусоидальных кривых 1, 3, 5 и 7. При этом полюсный шаг поля 1 равен полюсному шагу т полюсов ротора. Полюсные шаги полей 5, 5 и 7 в 5, 5 и 7 раз меньше полюсного шага поля 1. Часто синусоидальные кривые 7, 3, 5 и 7 называют гармоническими составляющими или гармониками поля ротора. Гармоника 1 называется главной, основной или первой, гармоника 3 называется третьей гармоникой, гармоника 5 — пятой и 7 — седьмой.

Складывая гармоники 1,3,5 и 7, получим кривую D, близкую к действительной кривой С. Для более близкого совпадения кривых С и D необходимо, очевидно, взять еще целый ряд гармоник с еще более мелким полюсным шагом.

Как увидим ниже, наличие в статоре зубцов и пазов вносит в кривую поля и в кривую э. д, с. добавочные искажения, так что изображенная на рис. 2-3 кривая поля при сделанных выше оговорках справедлива только при гладком статоре (без пазов).