КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ТЕОРИИ ОБМОТОК

СТАТОРА МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Обмотка статора машины переменного тока представляет собой совокупность секций, определенным образом уложенных в пазы сердечника статора и соединенных между собой. Требования к обмотке такие же, как и к обмотке якоря машины постоянного тока. Кроме того, она должна обеспечить синусоидальность индуктируемой ЭДС и распределения МДС.

Секция обмотки статора состоит из одного или нескольких витков и имеет две активные стороны, соединенные лобовыми частями. Расстояние между активными сторонами (ширина секции) называется шагом обмотки у, который может быть полным (диаметральным), когда , или укороченным при . Из секций образуются фазы обмотки, концы которых выводятся в коробку выводов.

Обмотки машин переменного тока выполняются: по числу фаз – однофазными и многофазными (чаше всего трехфазными); по способу укладки секций в пазы – однослойными и двухслойными; по конструкции секций – катушечными и стержневыми; по способу соединения секций – петлевыми и волновыми.

Катушечные обмотки состоят из целых изолированных секций, которые в этом случае часто называют катушками (рис. 4.1.).

Стержневые обмотки состоят из полусекций – стержней, которые соединяют в целые секции уже после укладки их в пазы (рис. 4.2).

Обычно петлевые обмотки являются катушечными, волновые обмотки – стержневыми.

Основным типом статорных обмоток современных машин переменного тока является двухслойная петлевая катушечная обмотка. Волновые обмотки (стержневые) применяются в роторах асинхронных двигателей с фазным ротором и в статорах некоторых гидрогенераторов.

Обмотка статора выполняется таким образом, чтобы под каждым полюсом находились активные стороны секций всех фаз. При этом каждая фаза образует на полюсном делении фазную зону, под которой понимается часть внутренней окружности статора, занимаемая активными сторонами данной фазы.

Рис. 4.3. Катушечная (секционная) группа

Если соединить последовательно секции, относящиеся к одной фазе, активные стороны которых находятся под парой соседних полюсов, то получим катушечную (секционную) группу (рис. 4.3).

Фазная зона и число секций в катушечной группе характеризуются величиной

которую называют числом пазов на полюс и фазу. Здесь z – число пазов статора; 2р – число полюсов обмотки; m – число фаз обмотки. При q = 1 обмотка является сосредоточенной, при q> 1 – распределенной. В зависимости от величины фазной зоны под разными полюсами различают обмотки с целым q и с дробным q. В первом случае фазные зоны по всей обмотке равны по величине, во втором – встречаются зоны двух размеров, отличающихся на единицу (среднее значение величины q является дробным числом).

Полюсное деление обмотки , а следовательно, и шаг обмотки у обычно измеряют числом пазов (пазовых делений)

В трехфазных обмотках с целым q фазная зона занимает обычно 1/3 или 60 эл. градусов по окружности статора (см. рис. 4.3). На каждом двойном полюсном делении будет по шесть фазных зон, поэтому такие обмотки называются шестизонными. В однофазных обмотках фазная зона занимает обычно 2/3 или 120 эл. градусов, поэтому обмотка будет трёхзонной.

Фаза обмотки состоит из нескольких катушечных групп, которые соединяются последовательно так, чтобы их ЭДС (токи) совпали по направлению. При образовании нескольких параллельных ветвей а обмотки катушечные группы соединяются параллельно или последовательно-параллельно. Однослойные обмотки имеют р катушечных групп на фазу ( ), а двухслойные - 2р групп на фазу ( ), так как у двухслойных обмоток в каждую пару пазов укладываются по две катушки (секции).

Чтобы обмотка была симметричной, все фазы трехфазных обмоток выполняются совершенно одинаково, но располагаются в пазах со сдвигом на 120 эл. град. Начала и концы фаз также должны быть сдвинуты относительно друг друга на 120 эл. град. Обозначаются они следующим образом (ГОСТ 183 –74):

I – первая фаза (фаза А) – С1-С4;

II – вторая фаза (фаза В) – С2-С5;

III – третья фаза (фаза С) – С3-С6.

Между собой фазы могут соединяться в звезду или в треугольник.

На рис. 4.4 показана простейшая трехфазная однослойная обмотка двухполюсной машины, выполненная тремя секциями, оси которых сдвинуты по окружности статора на одну треть двойного полюсного отделения 2 . Каждая секция представляет в этом случае фазу обмотки (рис. 4.4, а).

Расположение сторон секций фазных обмоток в пазах обычно показывают на схеме распределения фазных зон (рис. 4.4, б), которые представляют сегментами зубцового слоя статора. Здесь шесть фазных зон по 60 эл. град. при q = 1. Если q> 1, то число пазов в фазной зоне соответственно увеличивается. Фазные зоны, а следовательно, начала и концы катушечных групп фаз чередуются в следующем порядке:

I_H – III_K – II_H – I_K – III_H - II_K.

Рис. 4.4. Простейшая трехфазная обмотка

Такая последовательность справедлива для каждой пары полюсов всех трехфазных обмоток.

В двухслойных обмотках стороны катушечных групп располагаются в фазных зонах в два слоя. При этом, если начало секционной группы находится в верхнем слое, то конец – в нижнем слое и наоборот. Как и в однослойных обмотках, фазная зона занимает на статоре 60 эл. град., поэтому распределение фазных зон у них такое же, как и у однослойных обмоток. На рис. 4.5, а показано распределение фазных зон трехфазной двухслойной обмотки при диаметральном шаге, на рис. 4.5, б – при укороченном шаге.

При диаметрическом шаге ( ) стороны катушечных групп располагаются в диаметрально противоположных зонах. Поэтому слои обмотки располагаются без сдвига по отношению друг к другу (рис. 4.5, а).

При укороченном шаге расстояние между сторонами катушечной группы становится равным или 180 эл. град., где . Поэтому слои обмотки располагаются по отношению друг к другу со сдвигом, равным ( или ( )180 эл. град.

Порядок чередования фазных зон здесь такой же, как и в однослойных обмотках (см. рис. 4.5).

Соединение секций между собой и расположение их в магнитном поле показаны на развернутой схеме обмотки (рис. 4.4, в). На этой схеме цилиндрическая поверхность статора разрезана вдоль оси машины, развернута на плоскость и показана прямоугольником произвольных размеров. Пазы статора (активные стороны секций, расположенные в них) и все соединения проводников изображены прямыми линиями. Промежутки между пазами (пазовые деления) приняты одинаковыми.

Рис. 4.5. Распределение фазных зон двухслойной обмотки:

а) при диаметральном шаге; б) при укороченном шаге

Для построения развернутой схемы обмотки сдвиг между осями фазных обмоток удобнее выразить в пазах.

Так как вся окружность статора составляет 360 р эл. град., то угол между соседними пазами равен

Тогда сдвиг между фазными обмотками составляет

На рис. 4.6 показан сдвиг между фазными обмотками ( ) при q=2. На основании развернутой схемы можно вычертить упрощенную схему обмотки и построить звезду пазовых и звезду фазных ЭДС. Так как в распределенных обмотках (при q> 1) активные стороны секций располагаются в пазах, сдвинутых на угол , то и ЭДС секций в катушечных группах оказываются сдвинутыми по фазе относительно друг друга на угол . В результате этого ЭДС катушечной группы будет равна геометрической сумме ЭДС секций, которая меньше алгебраической суммы ЭДС тех же секций при сосредоточенной обмотке. Это уменьшение ЭДС учитывается коэффициентом распределения обмотки К_р

где - ЭДС катушечной группы;

- ЭДС секции.

Рис. 4.6. Развернутая поверхность статора

Коэффициент распределения обмотки для первой гармоники равен

Для высших гармоник коэффициент распределения равен

где - номер высшей гармоники.

Из последней формулы видно, что, варьируя параметром q, можно влиять на содержание высших гармоник в кривых ЭДС и МДС обмотки. В генераторах с малым значением q для улучшения формы кривой ЭДС применяют обмотки с дробным q.

Улучшение формы кривой ЭДС (а в двухслойных обмотках и формы распределения МДС) получают также за счет укорочения шага, которое характеризуется отношением . Укорочением шага на можно уничтожить -ю гармонику ЭДС. Например, на рис. 4.7, а, кроме основной гармоники, показана пятая пространственная гармоника, которая при диаметральном шаге в стороне 1 секции индуктирует ЭДС Е₅, а в стороне 2 – ЭДС , находящиеся по контуру секции в фазе, в результате чего ЭДС пятой гармоники (рис. 4.7, б).

При укорочении шага на 1/5 правая сторона секции займет положение . Направление ее ЭДС (рис. 4.7, в) изменяется на обратное, в результате чего ЭДС пятой гармоники в секции станет равна нулю ( ). Если шаг обмотки сократить на 1/7 , то ЭДС седьмой гармоники будет равна нулю и т.д. Обычно принимают , ослабляя ЭДС как пятой, так и седьмой гармоник.

Третья и кратные ей гармоники в трехфазных обмотках имеют одинаковое направление и уничтожаются, например в генераторах, соединением фаз в звезду.

Из построений (рис. 4.7, б, в) видно, что при укорочении шага уменьшается ЭДС и первой гармоники ( ). Это уменьшение ЭДС учитывается коэффициентом укорочения шага обмотки К_у, представляющим собой отношение ЭДС секции при укороченном шаге к ЭДС секции при диаметральном шаге. Для первой гармоники он равен

Для высших гармоник коэффициент укорочения равен

Наибольшие возможности по укорочению шага имеют двухслойные обмотки. Кроме того, в петлевых обмотках при этом уменьшается расход обмоточных материалов за счет уменьшения длины лобовых частей секций. Секции двухслойных обмоток одинаковы, что обеспечивает электромагнитную симметрию фаз и параллельных ветвей. Поэтому двухслойные обмотки с укороченным шагом получили наибольшее распространение. Однослойные же обмотки применяют в машинах малой мощности, а также в крупных машинах с водяным охлаждением обмотки статора.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Расчет обмотки

В машинах переменного тока в каждом реальном пазу размещается один элементарный. Поэтому расчет шагов ведут по реальным пазам. В петлевых обмотках определяют только один первый частичный шаг у₁, от которого зависит ширина секции. При обозначении его индекс часто опускают. В волновых обмотках определяют у₁, у₂ и его результирующий шаг у_р.

Основными параметрами обмотки статора являются m; p; Z; y; t; a. Некоторыми из них задаются, остальные рассчитывают:

1. Число пазов статора