4. Пояснення принципу виконання обмоток машин змінного струму.

Виконання розгорнутих схем обмоток.

Обмотки статорів синхронних і асинхронних машин в принципі виконуються однаково. Матеріали по обмоткам машин змінного струму, викладений в підручниках і посібниках з електричних машин для технікумів, сприймається і засвоюється студентами з певними труднощами. Крім того в різних підручниках і посібниках прийнята різна термінологія, що стосується елементів обмоток.

При демонстрації готових схем обмоток або малюнків, студент бачить все одразу, його увага розсіюється і сприйняття затрудняється. Якщо перед студентами поставити статор машини з виконаною обмоткою, то принцип виконання обмотки практично не можливо зрозуміти.

Для того, щоб правильно зрозуміти принцип розрахунку і виконання обмотки статора машин змінного струму, треба побачити елементи з яких виконується обмотка і послідовність операцій виконання обмотки, послідовність вкладання елементів обмотки в пази статора і з’єднання елементів між собою.

Обмотки статорів машин, котрі домовимося називати котушками – це є їх окремі складові частини.

Котушка складається з певної кількості секцій, а секція складається з певної кількості витків, послідовно з’єднаних між собою, секції між собою з’єднуються послідовно, або паралельно, в залежності від виду обмотки.

Так, як в більшості випадків пази мають напівзачинену, то сторони витків секцій всипають в пази.

Коли обмотувальник вкладає котушки в пази машин, то перед ним знаходиться торцева частина статора.

Якщо ж зробити розріз статора по радіусу і розгорнути, повернувши пазами до себе, то отримаємо розгорнуту схему обмотки статора в більш наочному зображенні. При цьому одна, або декілька котушок будуть розрізаними, так, що початкові сторони котушок опиняться по одну сторону розрізу, а кінцеві по іншу.

Обмотки статорів виконуються одношаровими і двошаровими, однофазними і трифазними. Починають вивчати обмотки з одношарових однофазних.

У відношенні до електричних машин розрізняють кути в геометричних і електричних градусах.

В двополюсних машинах електричний градус відповідає геометричному. В електричній машині на полюс приходить 180 електричних градусів.

В двополюсному генераторі одному оберту ротора відповідає один період ЕРС, що індукується в витку статора, при цьому вектор ЕРС, теж зробить один оберт. див. рис.4.1

рисунок 4.1-принцип спрощеного двополюсного генератора, графік і векторна діаграма е.р.с.

В багатополюсній машині з кількістю полюсів 2Р один оберт ротора відповідає Р періодам (якщо ротор зробить один оберт, то вектор ЕРС зробить Р обертів). див. рис.4.2

рис.4.2-принцип спрощеного чотириполюсного генератора, графік і векторна діаграма е.р.с

В загальному випадку одному геометричному градусу відповідає Р електричних градусів.

рисунок 4.3-зображення спрощеного двополюсного та чотириполюсного генератора

Так, наприклад в чотириполюсній машині кут в 90 геометричних градусів має в собі 180 електричних. На один полюс в електричній машині приходиться 180 див. рис.4.3.

Обмотка статора машини змінного струму характеризується наступними параметрами, котрі прийнято позначати відповідними літерами:

Z1	– кількість пазів в сталі статора;
m	– кількість фаз;
2р	– кількість полюсів;
р	– кількість пар полюсів;
Q	– кількість пазів статора, що приходяться на один полюс;
	– полюсна поділка (частина осердя статора, що приходиться на
	один полюс);
q	– кількість пазів, яке займає одна фаза під полюсом;
у	– крок обмотки ширина секції;
yф	– фазовий крок, показує відстань між початками фаз;
αел	– кут в електричних градусах, що приходиться на один паз;
kф	– кількість котушок з яких складається фаза обмотки;
k	– кількість всіх котушок обмотки;

Якщо, наприклад, ми маємо однофазний двохполюсний синхронний генератор з одношаровою обмоткою, то для виконання такої простої обмотки треба лише одна котушка. Одна сторона котушки буде знаходитися – наприклад, в даний момент під південним полюсом, а друга сторона під північним. Якщо ж машина має 2р=4,то вже необхідно для однієї фази обмотки не одна, а дві котушки.

В одношарових обмотках в фазі стільки котушок, скільки машин має пар полюсів Кф=Р.

Якщо котушка складається з однієї секції, то вона знаходиться в двох пазах–такі обмотки називаються зосередженими. Е.Р.С. індукування в витку залежить від частоти і магнітного потоку.

Зосереджені обмотки практично не використовуються, так як в них індукується не синусоїдальна Е.Р.С., не повністю використовується сталь машини і стримуються великі розміри пазів.

Якщо машина має 4,6 або 8 полюсів, то в одношаровій обмотці в фазі будуть відповідати відповідно 2, 3 і 4 котушки. Котушки в фазі обмотки можуть з’єднуватись між собою послідовно, паралельно і змішано:

рисунок 4.4-способи з'єднання котушок: а-послідовне з'єднання, б-паралельне з'єднання, в-змішане.

Е.Р.С. фази обмотки визначається:

Еф=4,44f· ·Ф,

де – кількість послідовно з’єднаних витків в фазі обмотки.

Практично обмотки виконуються не зосередженими, а розподіленими. Розподілені обмотки–це такі, в котрих фаза під полюсом займає більше ніж один паз (для розподілених обмоток d=2,3,4 і т.д.)

Наприклад, в зосередженій обмотці котушка складається з 90 витків і знаходиться в двох пазах. (див.рис.4.4). Розмістімо котушку в шести пазах: 30 витків в 1 і 4 пазах, наступні 30 витків як продовження попереднім розмістимо в 2 і 5 пазах, а останні 30 витків – в пазах 3 і 6 –отримаємо розподілену обмотку, у котрої фаза під полюсом займає три паза (g=3). В такій обмотці Е.Р.С. буде більш близькою до синусоїдальної, але по абсолютному значенню менше ніж в зосередженому.

Це пояснюється тим, що у зосередженій обмотці (якщо це генератор),при знаходженні пазів під серединами полюсів у всіх 90 витках буде індукуватися максимальна Е.Р.С., а у розподіленій обмотці при знаходженні пазів 2 і 5 під серединами полюсів Е.Р.С. буде змінювати максимальне значення тільки в даних 30 витках що значить, що знаходяться в 2 і 5 пазах, в інших 60 витках Е.Р.С. буде менше максимального значення.

В розглянутому прикладі котушка розподіленої обмотки складається з трьох секцій і пази, в яких знаходяться секції здвигнуті один відносно одного на кут α_ел, на такий же кут будуть здвигнуті вектори Е.Р.С., котрі індукуються в секціях розміщених в цих пазах і сумарна Е.Р.С. котушка рівна геометричній сумі Е.Р.С. секцій із котрих складається котушка.

рисунок 4.4-Спрощена схема генератора з зосередженою та розподіленою обмотками.

В розподіленій обмотці сумарна Е.Р.С. котушки рівна алгебраїчній сумі Е.Р.С. витків котушки (в нашому випадку в котушці 90 витків). Так, як геометрична сума Е.Р.С. менше алгебраїчної суми, то відношення:

;

Це відношення називають коефіцієнтом розподілення обмотки:

;

Цей коефіцієнт вводиться в формулу Е.Р.С. Фази розподіленої обмотки для врахування зменшення Е.Р.С.

Практично Ке визначають по формулі:

Еф_розп=4,44·Кр·f·W·ф.

В розглянутих нами обмотках котушки складаються з такої кількості секцій, скільки фаза обмотки займає під полюсом пазів, це означає. В нашому прикладі розподіленої обмотки d=3, з цього слідує, що:

,тоді

При збільшенні секцій в котушці (g),Е.Р.С. більш близька до синусоїдальної, але чим більше g, тим менше К_р. Ось чому, щоб не пере витрачувати обмоточний провід g рідко буває більше чотирьох, а у однофазних обмотках пази під полюсом заповнюються обмоткою не всі, а тільки . Значить і для однофазних обмоток . Частота обертання обертового магнітного поля машин n₁, кількість пар полюсів р і частота струму f₁,пов’язані математичною залежністю:

;

де f=50 Гц, при цьому:

Кількість пар полюсів, р=	1	2	3	4
Частота обертання, n1, хв-1=	3000	1500	1000	750

Це найбільш поширені частоти обертання обертового магнітного поля (ОМП) машини змінного струму. Найбільш часто зустрічається кількість пазів на статорі: 12,18,24,36,48.

Однофазні і трифазні одношарові обмотки можуть виконуватись:

а) з перехрещуванням лобових з’єднань котушки (рівно секційні);

б) без перехрещувань лобових з’єднань (котушки з концентрично-розміщеними секціями);

в) з укороченням лобових з’єднань (котушка складається з 2-х напівкотушок, котрі вкладають врозвалку). Після укладки в пази, отримується ще одна напівкотушка намотана за годинниковою стрілкою, а інша проти, див. рис.4.5.

рисунок 4.5-Способи виконання одношарових обмоток.

Розглянемо приклад виконання і розрахунку однофазної одношарової обмотки котушками різного виконання.

Розрахувати необхідні величини і викреслити розгорнуту схему обмотки по даним:

Пази в сталі статора штамповані рівномірно по всьому колу.

2р=4, m=1, у= τ, Z=24;

Визначаємо кількість пазів під полюсом, крок і полюсне ділення (полюсна поділка):

Визначаємо кількість секцій в котушці, кількість пазів, які фаза буде займати під полюсом:

Кількість котушок в фазі kф=р=2.

Так, як у=6,то ширина секції рівносекційної котушки (див.рис.4.6,а) буде 1-7.

На розгорнутій схемі обмотки, номер паза, в якому буде знаходитися початкова сторона першої котушки позначається № 1. Так нумерується вертикально розміщених 24 паза, потім намотуємо першу секцію в пазах 1-7 як одновиткову, другу в пазах 2-8,третю в пазах 3-9 і четверту в пазах 4-10.

Якщо розглядати обмотку як ту, що використовується у генератора, то на схемі зображено полюси, котрі знаходяться над обмоткою: північний (“север”) – над пазами: 1,2,3,4,5,6, південний (“юг”) – над пазами 7-12, наступний північний над пазами 13-17, південний над пазами 18-24. Щоб визначити номер паза, в якому буде знаходитися початкова сторона наступної котушки – під другою парою полюсів, для цього необхідно до пазу № 1 додати 2τ: 1+2τ =1+2·6=13. Початкова сторона другої котушки буде знаходитися в пазу №13.

При виконанні обмотки котушками, в котрих секції розміщені концентрично (див.рис.4.6,б), котушка буде знаходитися в тих пазах, що і в попередньому випадку – перша секція першої котушки – в пазах 1-10 (секція найбільш широка), друга – в пазах 2-9, третя – в пазах 3-8 і четверта в пазах 4-7.

Для збільшення в фазі обмотки генератора Е.Р.С., котушки між собою з’єднують послідовно. В третьому випадку котушка складається з двох напівкотушок; напівкотушка складається секцій двох розмірів, розміщених концентрично (див.рис.4.6,в).. Секції намотані в одну сторону (за годинниковою стрілкою),але перша напівкотушка вкладається в пази прямо, а друга напівкотушка - врозвалку по відношенню до першої – на 180^о поряд з першою напівкотушкою.

Обмоткові таблиці:

а ) 1-7;2-8;3-9;4-10;13-19;14-20;15-21;16-22.

б ) 1-10;2-9;3-8;4-7;13-22;14-21;15-20;16-19.

в ) 3-8;4-7;14-9;13-10;15-20;16-19;2-18;1-17.

рисунок 4.6-Розгорнуті схеми однофазних одношарових обмоток, виготовлених котушками різного виконання.

Після виконання обмотки, не заповненими залишилися пази 5,6,11,12,17,18,23,24.

Якщо обмотка виконувалася для генератора, то в цьому випадку в ці пази забивають клинця, якщо ж обмотка виконувалась для однофазного асинхронного двигуна, то в них вкладається пускова обмотка.

Розглянемо принци розрахунку та креслення розгорнутої схеми трифазної одношарової обмотки (див. рис. 4.7,а) на прикладі:

Дано: Z=24, 2Р=4, m=3.

Будемо вважати, що обмотка виконується для генератора. Якщо папір у клітинку, то кожна вертикальна лінія – це паз і нумеруємо пази зліва направо від 1 до 24.

Обмотку будемо виконувати котушками, секції яких мають однакову ширину.

Визначаємо кількість котушок в одній фазі:

k_ф=Р=2

Всього котушок для виконання обмотки необхідно мати:

k=k_ф·m= ;

Визначаємо кількість пазів, яку буде займати під полюсом одна фаза, тобто знаходимо кількість секцій у котушці.

;

Визначаємо ширину секції:

;

Потім обмотник вимірює середню довжину витка секції (із 1 в 7 паз на статорі машини). Знаючи розміри секції, на шаблоні виготовляють двохсекційну котушку (всього таких котушок повинно бути 6 штук). Потрібно пам‘ятати, що котушка у генератора знаходиться під парою сусідніх полюсів; обмотник вкладає котушки в такій послідовності (любий паз приймається за паз №1): перша котушка – в пази 1,2 (початкова сторона) та 7,8 (кінцева сторона),наступна котушка в пази 5,6-11,12, наступна –9,10-15,16 далі 13,14-19,20; далі 17,18-23,24 та 21,22-3,4. Але для кращого сприйняття схему обмотки креслять пофазно, зображаючи секції котушок одновитковими. Отже, перша котушка першої фази в пазах 1,2-7,8. Наступна котушка однієї фази буде розташована під сусідньою парою полюсів, щоб визначити номер паза, в який буде укладена початкова сторона наступної котушки даної фази, потрібно до номера фази початкової сторони даної котушки додати дві полюсні поділки, тобто

1+2 =1+2·6=13

Друга котушка першої фази буде укладена в пази:

13,14 – 19,20

Якщо полюси зміщуються справа наліво і над пазами 1,2,3,4,5,6 – північний полюс генератора, а над пазами 7-12 – південний і т.д., то користуючись правилом правої руки визначаємо напрям Е.Д.С. в провідниках пазів: 1,2 та 13,14–вгору 7,8 та 19,20–вниз (напрям Е.Д.С. позначаємо стрілками). Для збільшення Е.Д.С. у фазі обмотки кінець першої котушки з’єднуємо з початком наступної.

Монтажна таблиця для першої фази обмотки (початок фази С1,кінець фази С4).

С1 1-7,2-8 ; 13-19, 14-20 ; С4

З монтажної таблиці видно в якій послідовності потрібно креслити секції котушок фази обмотки, тобто в якій послідовності ставиться напрямок Е.Д.С. або струму в провідниках фази обмотки.

Знаходимо номер паза, в якому починається друга фаза обмотки, тобто С2. Для цього до 1 (номер паза, в якому починається перша фаза) добавляємо фазний крок – y_ф.

1+y_ф=1+4=5

Перша котушка другої фази буде знаходитись в пазах 5,6 – 11,12; друга котушка 5+2 =5+2·6=17 в пазах – 17,18-23,24.

Монтажна таблиця для другої фази обмотки (початок – С2,кінець-С5).

С2 5-11, 6-12; 17-23, 18-24; С5

Початок третьої фази С3 буде в пазу №9, так як 5+У_ф=5+4=9

Монтажна таблиця для третьої фази обмотки (початок – С3, кінець – С6);

С3 9-15, 10-16; 21-3, 22-4; С6

На розгорнутій схемі обмотки друга котушка третьої фази виявилася розрізаною. Згідно ГОСТ перша фаза фарбується в жовтий колір, друга – у зелений, третя у червоний.

З’єднуємо схему обмотки статора “зіркою”, тобто в точку кінці фаз обмотки С4,С5,С6. Якщо розглянути виконану обмотку, застосовуючи до електродвигуна, то позначені на розгорнутій схемі обмотки, стрілками напрямку показують напрямки струмів у фазах. Потрібно звернути увагу на те, що у трифазних обмотках в дану мить сила струму в любих двох фазах направлена в одну сторону, а в третій в протилежну. Домовилися на схемах позначати напрямок Е.Д.С. або струму в першій і другій фазах з початку, а в третій фазі з кінця – по обмотці до початку.

Далі потрібно перейти до вивчення принципу виконання трифазних двошарових обмоток з нормальним кроком, тобто коли у=τ, хоча двошарові обмотки більше використовуються зі скороченим кроком.

Схеми обмоток для зручності порівняння зобразимо на одному аркуші. Розглянемо принцип виконання двошарової обмотки за даними попереднього приклада, тобто Z=24, 2Р=4, m=3,у=τ.

Для даного прикладу двошарова обмотка буде відрізнятися від одношарової тільки кількістю котушок (див. рис.4.7,б), тобто на пару полюсів у двошарових обмоток буде приходитися не одна, а дві котушки:

kф=2Р= ;

Всього котушок для виконання двошарової обмотки необхідно мати:

k=kф·m=4·3=12.

Всі інші розрахунки такі ж самі, що і для одношарової обмотки, форма виконання котушок та ж, розміри та кількість секцій в котушці ті ж.

В прикладі одношарової обмотки першою фазою були зайняті пази 1,2-7,8; 13,14-19,20. Ці ж самі пази будуть заповнені котушками першої фази і у двошаровій обмотці, тільки в кожному пазу будуть дві активні сторони різних секцій, тобто в пазу будуть 2 шари активних сторін. Схему обмотки будемо виконувати також пофазно.

Припустимо, в прикладі виконання одношарової трифазної обмотки в пазах статора знаходяться тільки дві котушки першої фази. Піднімаємо із пазів початкові сторони котушок, тобто із пазів 1,2 та 13,14. Укладемо в пази 7,8-13,14 ще одну котушку, прикриваючи в пазах 7,8 кінцеву сторону першої котушки початковою стороною даної котушки, а кінцеву сторону даної котушки укладемо на 7 та 8,13 та 14 пазів, а потім у ці пази укладемо початкову сторону котушки, яка знаходилась в пазах 13,14-19,20 і ще одну котушку укладемо в пази 19,20 (початкову сторону у верхній шар) та в пази 1,2,(кінцеву сторону – в нижній шар) та укладемо в верхній шар пазів 1,2 початкову сторону першої котушки. Пази 1,2; 7,8,13,14,19,20 – заповнені чотирма котушками першої фази у кожному пазу 2 шари сторін секцій. Верхній шар зображаємо суцільною лінією, нижній – пунктирною.

рисунок 4.7-Розгорнуті схеми трифазних одношарової і двошарових обмоток.

Приблизно до генератора в зазначених пазах у верхньому та нижньому шарі позначимо стрілками напрямки Е.Д.С. як у попередньому прикладі (в 1,2,13,14; пазах вгору, а 7,8,19,20 – вниз). Щоб Е.Д.С. котушок у фази обмотки складувалась кінець першої котушки потрібно з’єднати з кінцем котушки, яка знаходиться в пазах 13,14 – 19,20; кінець котушки, яка знаходиться в пазах 13,14 – 19^/,20 ^/– з кінцем котушки, що знаходиться в пазах 19,20 – 1^/,2^/;

Обмоткова таблиця для першої фази (А):

С І – 1- 7^/,2- 8^/;

7-13^/, 8-14;

13-19^/,14-20;

С4 –19 – 1^/,20- 2^/;

Обмоткова таблиця для другої фази (В):

С2 – 5 – 11^/, 6 – 12^/;

11 – 17^/,12 – 18^/.

17 – 23^/,18 – 24^/;

23 - 5^/,24 - 6^/;

Обмоткова таблиця для третьої фази (С):

С 3 – 9-15^/,10-16^/;

15-21^/;16-22^/;

21- 3^/;22- 4^/;

С6 – 3- 9^/, 4-10^/;

Номери пазів (нижні шари) позначають вгорі зі штрихом. В таблиці між секціями котушки ставиться кома, а між котушками крапка з комою. Стрілочками вказують з'єднання котушок між собою.

Щоб краще засвоїти, як потрібно з’єднувати між собою котушки у фазі двошарової обмотки використовують монтажну схему обмотки (рис.4.8). На схемі зліва вказується: зліва–початок котушки, справа – кінець. Кожна котушка має позначення зверху до якої фази вона відноситься.

Потрібно зазначити, що перші три котушки укладаються в пази тільки кінцевими сторонами та починаючи з котушки №1 укладають в пази обома сторонами (зліва початкова сторона - у верхній шар, права кінцева – в нижній шар паза).

Таблиця 4.1-Порядок укладання котушок в пази статора

№ котушки	Номера пазів, в яких знаходиться котушка			Примітка
1	1,2	-	7,8	Якщо на розгорнутій схемі котушки першої фази подивитися, то ми бачимо, що номера котушок такі:1,4,7,10; другої: 3,6,9,12; третьої:5,8,11,2
2	3,4	-	9,10
3	5,6	-	11,12
4	7,8	-	13,14
5	9,10	-	15,16
6	11,12	-	17,18
7	13,14	-	19,20
8	15,16	-	21,22
9	17,18	-	23,24
10	19,20	-	1,2
11	21,22	-	3,4
12	23,24	-	5,6

рисунок 4.8-Монтажна схема обмотки