Принцип действия

Машины переменного тока подразделяются на два основных вида: асинхронные и синхронные. Конструктивно как те, так и другие машины имеют неподвижную часть, называемую статором, и вращающуюся часть, называемую ротором. Обычно ротор располагается внутри статора.

Асинхронные и синхронные машины различаются по принципу действия, по устройству их роторов, но статоры этих машин в подавляющем большинстве случаев имеют одинаковую конструкцию (рис. 1).

Сердечник статора машин переменного тока представляет собой полый цилиндр, который для снижения потерь на вихревые токи собирают из отдельных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Для изоляции листов друг от друга их покрывают или лаком, или оксидной пленкой. На внутренней цилиндрической поверхности статора имеются пазы, в которых размещают обмотку.

Вопросы устройства обмоток статора, наведения в них ЭДС и образования магнитных полей при прохождении по обмоткам тока являются общими как для асинхронных, так и для синхронных машин, поэтому их целесообразно рассмотреть в отдельном разделе.

Пазы, в которых располагаются проводники обмоток статора, имеют трапецеидальную или грушевидную форму для машин мощностью до 100 кВт и прямоугольную форму для машин большей мощности (рис. 2, а). Трапецеидальные и грушевидные пазы со стороны, обращенной к зазору, полузакрыты, что за счет уменьшения эффективного воздушного зазора позволяет снизить МДС обмотки возбуждения. Кроме того, при таких пазах увеличивается ширина зубца в самом узком его сечении, вследствие чего снижаются максимальные значения индукции и напряженности магнитного поля. Это уменьшает магнитное напряжение зубца, что также способствует снижению МДС обмотки возбуждения.

В машинах мощностью до 100 кВт выполняют всыпные обмотки из круглого изолированного провода. Для изоляции обмотки от корпуса в пазы закладывают выгнутые по форме паза короба, состоящие из одного или нескольких слоев изоляционного материала. Проводники поочередно опускают (всыпают) в паз через шлиц, образованный соседними зубцами. После укладки обмотки в пазы сердечника статора ее пропитывают в специальных лаках. В процессе пропитки воздушные включения в обмотке и изоляции заполняются лаком, а обмотка приобретает монолитность, улучшаются ее теплопроводность, влагостойкость, электрическая и механическая прочность.

В машинах мощностью более 100 кВт и напряжением выше 660 В для повышения электрической и механической прочности изоляции обмотки выполняют из жестких секций (катушек), которые укладывают в прямоугольные пазы. Секции наматывают на шаблонах из прямоугольного обмоточного провода, им придают окончательную форму со всеми характерными изгибами, затем изолируют, пропитывают в компаундах и в готовом виде укладывают в пазы.

В машинах с P_ном> 100 кВт и U_ном> 660 В секции по ширине паза подразделяют на две равные части. Последовательность их укладки в паз показана на рис. 2, б. Обмотку также наматывают на шаблоне из прямоугольного изолированного обмоточного провода, но корпусную изоляцию ее выполняют, как у всыпной обмотки.

Секции делят на две половины для уменьшения ширины шлица паза. Такие пазы называются полуоткрытыми.

Обмотки состоят из секций. Секция может быть одновитковой (состоят из одного витка) и м н о г о в и т к о в о й (иметь несколько витков) (рис. 3). Части секции, укладываемые в пазы, называются пазовыми или активными, а располагаемые вне паза - лобовыми. Ширина секции определяется шагом обмотки y.

Для того чтобы ЭДС проводников двух активных сторон секции суммировались, эти активные стороны должны располагаться под полюсами разной полярности.

Поэтому шаг у должен быть примерно равен полюсному делению. Шаг у задается в зубцовых (пазовых) делениях. 3 у б ц о в о е (пазовое) деление t_Z₍_п) представляет собой расстояние между серединами соседних зубцов (пазов):

где D - диаметр статора; Z - число зубцов (пазов).

На полюсном делении в общем случае укладывается τ/t_Z₍_п)=Z/(2p) зубцовых (пазовых) делений. Если шаг равен полюсному делению y=τ_п=Z/(2p), то обмотка называется обмоткой с диаметральным шагом, а если y<τ_п то с укороченным шагом. Наибольшее распространение имеют обмотки с укороченным шагом, так как в такой обмотке можно получить форму индуктируемой ЭДС, близкую к синусоидальной. Обычно y≈0,8τ_п.

По расположению секционных сторон в пазу обмотки делятся на однослойные и двухслойные. Если в пазу размещается только одна секционная сторона (рис. 4), то обмотка однослойная, а если две (рис. 5), то двухслойная. Наибольшее применение находят двухслойные обмотки. Однослойные обмотки применяются в машинах относительно небольшой мощности (до 10 кВт). Недостатком этих обмоток является то, что они не могут быть выполнены с укороченным шагом.

В машинах переменного тока секции чаще всего называют катушками. Поэтому в дальнейшем мы будем придерживаться этой терминологии.

Обмотки машин переменного тока состоят из нескольких самостоятельных частей. Каждая часть называется обмоткой фазы. Различают однофазные, двухфазные и трехфазные обмотки. Обмотка каждой фазы выполняется распределенной, т. е. она на каждом полюсном делении размещается в нескольких рядом лежащих пазах. Число пазов на полюс и фазу обмотки

Чаще всего q выбирается равным целому числу (q =2÷6). В мощных многополюсных машинах q бывает дробным.

Соседние q катушек обмотки одной фазы соединяются между собой последовательно, образуя катушечную группу. Катушечные группы обмотки каждой фазы могут соединяться последовательно или, сочетая последовательное соединение с параллельным, образовывать несколько параллельных ветвей обмотки.

Распределение обмотки по пазам способствует получению близких к синусоиде кривых ЭДС и МДС обмотки.

По конфигурации катушек и последовательности соединения их друг с другом обмотки подразделяются на петлевые и волновые. На рис. 6 показаны катушки петлевой и волновой обмоток. Наибольшее распространение в машинах переменного тока получили петлевые обмотки. Волновые обмотки применяются в машинах большой мощности (гидрогенераторах) при числе витков в катушке w_K=1, где они дают существенные выгоды по сравнению с петлевыми за счет уменьшения соединений между катушечными группами. Волновые обмотки находят также применение для роторов асинхронных двигателей.

При одновитковых катушках волновая двухслойная обмотка имеет в каждо

м пазу только два проводника или стержня большого сечения. Катушки таких обмоток часто выполняют из двух одинаковых частей - стержней (рис. 7). Каждый стержень имеет пазовую часть и две половинки лобовых. После укладки в пазы их соединяют между собой в лобовых частях хомутиком так, чтобы образовался виток обмотки. Обмотки, выполненные таким образом, называются стержневыми.

В обмотках статора, в которых протекают токи частотой 50 Гц и выше, для уменьшения потерь на вихревые токи стержни выполняют из многих изолированных прямоугольных проводников, которые на протяжении пазовой части переплетаются так, чтобы каждый из них попеременно занимал все возможные положения по высоте стержня. Такое переплетение называется транспозицией (рис. 8). В обмотках ротора, в которых протекают токи небольшой частоты, стержни не подразделяют на элементарные проводники. Иногда (редко) из стержней выполняют и петлевые обмотки.

Трехфазная обмотка статора состоит из трех идентичных частей - обмоток фаз. Индуктируемые в обмотках фаз ЭДС должны быть численно равны, но сдвинуты во времени на электрический угол, 120°. Для этого в двухполюсной машине обмотки располагают в пазах статора со сдвигом в пространстве на такой же угол. На поперечном разрезе двухполюсной машины (рис. 9) показаны обмотки трех фаз (q=2), начала которых (А_н, В_н, С_н) имеют сдвиг на 120°.

Для положения полюсов, изображенного на рис. 9, максимальная ЭДС индуктируется в катушках обмотки фазы А. Максимальная ЭДС такого же направления в обмотке фазы В наступит через промежуток времени, соответствующий повороту ротора на угол 120°. При повороте ротора еще на 120° максимальная ЭДС будет в обмотке фазы С. Следовательно, при таком размещении обмоток на статоре получится необходимый угол сдвига между ЭДС фаз.

Из сказанного следует, что при трехфазной обмотке двухполюсной машины с равномерным распределением пазов по окружности статора последняя разбивается на шесть равных зон из q пазов в следующей последовательности (по направлению вращения ротора): А_н, С_к, В_н, А_к, С_н, В_к, В машинах с 2р>2 указанная разбивка будет повторяться на каждой паре полюсных делений.

Существует целый ряд схем однослойных обмоток машин переменного тока. Все они одинаковы в электрическом и магнитном отношении и различаются только по форме лобовых частей катушек.

Как и в машинах постоянного тока, дли изображения схем обмоток машин переменного тока широко применяются схемы-развертки. Начертив развертку статора и наметив пазы с проводниками, разбивают их по фазам и устанавливают границы полюсных делений. На каждом полюсном делении располагается 3q пазов. Затем условно задаются направлением ЭДС в проводниках. Электродвижущие силы проводников, расположенных под соседними полюсами, должны иметь противоположные направления. После этого соединяют проводники, принадлежащие к одной фазе, в катушки, а катушки соединяют между собой, таким образом, чтобы их ЭДС складывались, а лобовые части и межкатушечные соединения были как можно короче. Для обмоток статора машин переменного тока в соответствии с ГОСТ 183-74 принята следующая маркировка начал и концов обмоток фаз: для обмотки фазы А начало обозначается индексом С1, а конец С4, для обмотки фазы В - соответственно С2 и С5, а для обмотки фазы С - СЗ и С6.

Для выводов обмоток вновь разрабатываемых машин ГОСТ 26772-85 устанавливает обозначения, соответствующие СТ СЭВ 3170-81 и Публикации МЭК 34-8. Выводы обозначаются буквами латинского алфавита U, V, W, причем начала и концы каждой фазы - дополнительно цифрами, стоящими после букв: начало - цифрой 1, конец - цифрой 2, например U1, U2, VI, V2, W1, W2, а промежуточные выводы - буквами и последующими цифрами 3, 4 и т. д.

Рассмотрим схемы некоторых видов однослойных обмоток.

Концентрические обмотки. Концентрические обмотки подразделяются на двухплоскостные и трехплоскостные. Построим двухплоскостную обмотку (рис. 10) по следующим данным: Z=24, 2р=4, число фаз m = 3.

При нечетном числе пар полюсов обмотка каждой фазы содержит нечетное число катушечных групп. В этом случае одну из катушечных групп делают изогнутой: часть лобовой части располагают в одной плоскости, а вторую часть в другой плоскости.

Катушки обмотки каждой фазы соединяют между собой так, чтобы их ЭДС суммировались.

Для того чтобы получить сдвиг между ЭДС фаз на 120°, нужно соответствующим образом сделать отводы от обмоток. Обмотки каждой фазы начинаются с проводника, расположенного в одном из пазов с индексом начала обмотки данной фазы (А_н, В_н или С_н). Выводы от этих проводников будут иметь одно из обозначений: C1, C2 или СЗ. На рисунке обмотка фазы А начинается с проводника паза 1, фазы В - с проводника паза 5, фазы С - с проводника паза 9. Обычно между отводами обмоток фаз располагается 2qk пазов, где k - целое число, не кратное трем. Заканчивается обмотка каждой фазы проводником последней катушки, расположенным в пазу, имеющем один из индексов А_к, В_к или С_к. Отводы от этих проводников фаз будут иметь обозначения С4, С5, С6.

Построение схем-разверток других типов обмоток выполняется аналогично.

На рис. 12 показана схема-развертка трехплоскостной концентрической обмотки. Здесь лобовые части располагаются в трех плоскостях (для обмотки каждой фазы своя плоскость) (рис. 11,6).

Шаблонные обмотки. В таких обмотках катушки имеют одинаковые ширину и форму. На рис. 13 показана схема-развертка одной из разновидностей шаблонных обмоток - цепной обмотки.

Однослойные обмотки технологичны, их укладку в пазы легче механизировать, чем укладку двухслойных, поэтому в последние годы область применения однослойных обмоток расширилась.

ДВУХСЛОЙНЫЕ ОБМОТКИ

Двухслойные обмотки находят более широкое применение из-за возможности выбора у них оптимального шага. У этих обмоток стороны катушки располагаются вверху и внизу соответствующих пазов, отстоящих друг от друга на расстоянии шага у. На схемах-развертках двухслойных обмоток верхняя катушечная сторона изображается сплошной линией, а нижняя - штриховой.

Построим схему-развертку двухслойной обмотки для машины с Z = 24, 2р=4, m=3. Полюсное деление, выраженное в зубцовых (пазовых) делениях, для этой машины τ_п=Z/(2p) =24/4=6. Шаг обмотки возьмем укороченным: y=0,8 τ_п =0,8∙6≈5. Распределим верхние стороны катушек в пазах на фазные зоны по q = 2 паза в каждой зоне (первая строка таблицы в верхней части рис. 14). Затем с шагом у соединяем их с соответствующими нижними сторонами. Проделав такие соединения, получим разбивку нижних катушечных сторон пазов по зонам. Как видно из рис. 14 (вторая строка таблицы), распределение нижних сторон катушек по фазным зонам будут иметь сдвиг по отношению к разбивке верхних слоев. Нетрудно убедиться, что при диаметральном шаге (у= τ_п) распределение по зонам верхних и нижних слоев будет совпадать. Следовательно, сдвиг относительного положения катушечных сторон верхнего и нижнего слоев обмотки одной фазы является характерным для обмоток с укороченным шагом. В этом случае в части пазов будут располагаться катушечные стороны, принадлежащие обмоткам разных фаз. В общем случае сдвиг нижнею слоя относительно верхнего составляет (1-β) τ_п пазов, где β= y// τ_п.

Катушечные группы соединяют таким образом, чтобы их ЭДС складывались. В двухслойной обмотке количество катушечных групп в 2 раза больше, чем в однослойной.

Для машин с данными, указанными выше, на рис. 15 показана схема-развертка волновой двухслойной обмотки одной фазы с диаметральным шагом (у=6). Волновая обмотка получается последовательным соединением проводников одной фазы, лежащих под соседними полюсами. Обмотка начата с верхнего проводника (стержня) паза 2. Этот проводник соединяют с нижним проводником, расположенным в пазу 2+6=8, затем переходят к верхнему проводнику паза 8+6=14 и т. д. После 2р шагов завершится первый обход окружности статора. Для того чтобы после обхода окружности статора обмотка не замкнулась сама на себя, последний шаг делают укороченным или удлиненным (по сравнению с остальными шагами). Обычно этот шаг выбирают укороченным (у-1), так как это дает некоторую экономию обмоточного провода.

В нашем случае после первого обхода обмотка должна подойти к проводнику, расположенному вверху паза 1. От него начинается второй обход, который закончится выводом от нижнего проводника паза 19, - вывод К₁ В общем случае число обходов,в одном направлении равно q.

Второй цикл обходов совершают в противоположном направлении, начиная с нижнего проводника паза 1 (вывод Н₂). Заканчивают второй цикл обходов выводом С4. Выводы К₁ и H₂ соединяют перемычкой. Аналогично соединяют обмотки двух других фаз.

В двухслойной волновой обмотке шаг можно выбирать укороченным, но это не приводит к уменьшению провода на лобовые соединения, так как при этом соединения с одной стороны статора укорачиваются, но зато с другой удлиняются.

ОБМОТКИ С ДРОБНЫМ ЧИСЛОМ ПАЗОВ НА ПОЛЮС И ФАЗУ

Обмотки с дробным числом q применяют в многополюсных машинах (например, в гидрогенераторах), в которых из-за ограниченных размеров полюсного деления q может быть небольшим. Такие обмотки позволяют при сравнительно небольшом общем числе пазов машины получить приближающуюся к синусоиде кривую ЭДС. Объясняется это тем, что последовательно соединенные группы катушек одной фазы, лежащие под разными полюсами, оказываются немного сдвинутыми в поле, что и ведет к уменьшению высших гармонических.

Чтобы двухслойная обмотка с дробным числом пазов на полюс и фазу была симметричной, т. е. в этой обмотке ЭДС фаз были бы равны и имели бы сдвиг на один и тот же угол 360°/m, необходимо выполнение условия

Z/(mt) = целое число,

где t - наибольший общий делитель общего числа пазов машины Z и числа пар полюсов р.

Для двухслойной обмотки с дробным q распределение верхних катушечных сторон в пазах по фазам удобно производить путем построения специальной таблицы. Для этого число q=b+c/d представляется в виде неправильной дроби q=N/d, где b - целая часть дробного числа q; с и d - числитель и знаменатель его дробной части; N = (bd+c) - числитель неправильной дроби.

Далее составляется сетка для таблицы с числом строк, равным числу полюсов 2р, и числом столбцов, равным 3N. Столбцы разделяются на три одинаковые по ширине части. Каждая часть относится к определенной фазе и содержит N клеток по горизонтали. Затем в клетки с шагом, равным d, последовательно вписываются номера пазов; номера пазов в столбцах показывают, что в них располагаются верхние стороны катушек данной фазы. На схеме-развертке соединение верхних сторон катушек с нижними производят с шагом у.

Для примера рассмотрим трехфазную обмотку с Z=27 и 2р=6. Тогда q=27/(2∙3∙3) =1 1/2=3/2=N/d.

Составим сетку для таблицы с числом строк, равным 6, числом вертикальных столбцов, равным 9, и впишем в нее номера пазов.

По этой таблице на рис. 16 построена схема-развертка обмотки одной фазы (фазы А).

Из таблицы и рисунка можно выявить характерную особенность обмоток с дробным q- у них катушечные группы состоят из различного числа катушек и чередуются с определенной периодичностью. Дробному q соответствует среднее число катушек в катушечной группе. В электромагнитном отношении обмотка с дробным q эквивалентна обмотке с целым q при q = N.

Распределение верхних катушечных сторон фаз в пазах статора

Полюсы	Фазы
Полюсы	А			С			В
1	1		2		3		4		5
2		6		7		8		9
3	10		11		12		13		14
4		15		16		17		18
5	19		20		21		22		23
6		24		25		26		27

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ ВЕТВИ И СХЕМЫ СОЕДИНЕНИЙ ОБМОТОК

Площадь поперечного сечения проводников обмоток машин выбирают, исходя из допустимой плотности тока при номинальном режиме. Обычно плотность тока J=4÷6 А/мм². С ростом мощности и тока площадь поперечного сечения проводника обмотки (эффективного проводника) увеличивается. Однако по условиям выполнения катушек и укладки их в пазы площадь сечения проводников не может быть взята чрезмерно большой. Поэтому при больших сечениях приходится проводники подразделять на несколько элементарных меньшей площади, суммарная площадь сечений которых равна необходимой площади сечения эффективного проводника. Всыпные обмотки выполняют из круглых проводников с диаметром не более 1,8 мм. Эффективный проводник может быть получен из нескольких элементарных, число которых из технологических соображений не должно превышать 6-8.

При выполнении обмотки из прямоугольных проводников в целях уменьшения потерь на вихревые токи площадь сечения каждого проводника не должна превышать 17- 20 мм². При площади сечения эффективного проводника больше указанной его можно составить из двух или четырех проводников.

Если получить необходимое сечение эффективного проводника обмотки фазы указанными путями не удается, то обмотку выполняют из нескольких параллельных ветвей. С увеличением числа параллельных ветвей уменьшается ток и, следовательно, сечение эффективного проводника. Для того чтобы получить обмотку фазы с а параллельными ветвями, разбивают катушечные группы, принадлежащие этой обмотке фазы, на а равных частей. Так как число катушечных групп в двухслойной обмотке равно 2р, а в однослойной р, то а должно быть равно или кратно 2р или р соответственно.

Разбивку катушечных групп по параллельным ветвям выполняют так, чтобы активные и реактивные сопротивления ветвей были равны, а их ЭДС в любой момент времени были одинаковыми и совпадали по фазе. При выполнении этих условий ток по параллельным ветвям будет распределяться поровну.

На рис. 14 обмотка фазы имеет одну параллельную ветвь. Для одной фазы этой же обмотки на рис. 17 показаны схемы-развертки с двумя (а=2) и четырьмя (а=4) параллельными ветвями.

Трехфазные обмотки машин переменного тока могут быть соединены в звезду и треугольник. Для машин средней и большой мощности предпочитают соединение в звезду.

У асинхронных двигателей к зажимам коробки выводов присоединяют шесть выводов трехфазной обмотки в последовательности, показанной на рис. 18.

Такое подсоединение выводов обмотки позволяет легко получить соединение обмоток фаз в звезду и треугольник (рис. 19). Обычно трехфазные асинхронные двигатели рассчитываются для работы при_двух напряжениях сети, отличающихся друг от друга в √3 раз. При работе от меньшего напряжения их обмотка статора соединяется в треугольник, а от большего - в звезду. При этом напряжения и токи фаз в том и другом случае одинаковы и, следовательно, одинакова и номинальная мощность двигателя.