Схемы обмоток машин переменного тока

Виды обмоток. По конструкции катушек обмотки подразделяют на всыпные с мягкими катушками и обмотки с жесткими катушками или полукатушками. Мягкие катушки изготовляют из круглого изолированного провода. Для придания требуемой формы их предварительно наматывают на шаблоны, а затем укладывают в изолированные трапецеидальные пазы (см. рис. 3.4, в, г и 3.5, в); междуфазовые изоляционные прокладки устанавливают в процессе укладки обмотки. Затем катушки укрепляют в пазах с помощью клиньев или крышек, придают им окончательную форму (формируют лобовые части), осуществляют бандажирование обмотки и ее пропитку. Весь процесс изготовления всыпных обмоток можно полностью механизировать.

Жесткие катушки (полукатушки) изготовляют из прямоугольного изолированного провода. Окончательную форму им придают до укладки в пазы; одновременно на них накладывают корпусную и междуфазовую изоляцию. Затем катушки укладывают в предварительно изолированные открытые или полуоткрытые пазы (см. рис. 3.4, а, б и 3.5, а, б), укрепляют и подвергают пропитке.

Всыпные обмотки имеют ряд преимуществ по сравнению с обмотками с жесткими катушками:

а)  возможность полной механизации всего процесса изготовления обмотки;

б)  упрощение технологий изготовления машины: намотку катушечных групп, а в ряде случаев и фаз обмотки выполняют без разрыва провода, что уменьшает число паек; укладку обмотки в пазы сердечника производят вне корпуса машины, что облегчает и удешевляет процесс обмотки и пропитки;

в)  уменьшение длины вылета лобовых частей, что приводит к сокращению длины активной части машины и потерь энергии в обмотке;

г)  применение в машине пазов трапецеидальной формы с уменьшенной шириной его шлица, что обеспечивает улучше ние использования зубцовой зоны, уменьшение магнитного сопротивления воздушного зазора, пульсации магнитного потока в нем и, как следствие, снижение величины намагничивающего тока и добавочных потерь.

Достоинством обмоток с жесткими катушками являются:

а)  улучшение заполнения паза из-за применения проводов прямоугольного сечения;

б)  повышение надежности обмотки из-за снижения вероятности появления производственных дефектов, так как в пазы укладывают готовые изолированные и проверенные катушки, которые подвергаются меньшим деформациям.

Поэтому всыпные обмотки получили широкое применение для асинхронных двигателей на напряжение до 1000 В и мощностью до 100 кВт. В двигателях мощностью свыше 100 кВт применение всыпных обмоток из круглого провода встречает значительные технологические трудности. Обмотки таких двигателей изготовляют в основном из жестких кату­шек, выполненных из прямоугольного провода.

По расположению катушек в пазах и размещению их лобовых частей различают однослойные, двухслойные (в том числе концентрические), одно-двухслойные обмотки.

Однослойные обмотки (рис. 3.18,а) наиболее пригодны для механизированной укладки, так как в этом случае обмотка должна быть концентрической и укладываться в пазы статора обеими сторонами катушки одновременно. Однако применение их приводит к увеличенному расходу обмоточного провода из-за значительной длины лобовых частей. Кроме того, в таких обмотках не представляется возможным выполнить укорочение шага, что приводит к ухудшению формы магнит­ного поля в воздушном зазоре, увеличению добавочных потерь, возникновению провалов в механической характеристике и повышению шума. Однако из-за своей простоты и дешевизны такие обмотки широко применяют в асинхронных двигателях небольшой мощности до 10 — 15 кВт.

Двухслойные обмотки (рис. 3.18,6) позволяют выполнить укорочение шага обмотки на любое количество зубцовых делений, благодаря чему улучшается форма магнитного поля, создаваемого обмоткой, и подавляются высшие гармонические в кривой ЭДС. Кроме того, при двухслойных обмотках получается более простая форма лобовых соединений, что упрощает изготовление обмоток. Такие обмотки применяют для двигателей мощностью свыше 100 кВт с жесткими катушками, которые укладывают вручную.

Рис. 3.18. Расположение катушек в пазах при однослойной (а) и двухслойной (б) обмотках

Одно-двухслойные концентрические обмотки сочетают в себе преимущества однослойных — возможность механизированной укладки и двухслойных — применение укорочения шага. Однако они более трудоемки, чем однослойные, и поэтому их нецелесообразно применять для машин малой мощности. Такие обмотки используют в машинах мощностью 15—100 кВт при q > 2.

Для асинхронных двигателей с q > 6 применение концентрических одно-двухслойных обмоток нецелесообразно из-за значительной длины вылета лобовых частей, размещение которых приводит к увеличению общих размеров машины. В таких двигателях применяют двухслойную концентрическую обмотку, предназначенную для механизированной укладки. Эту обмотку можно выполнить «в развалку» — с разделением каждой катушечной группы на две концентрические подгруппы, что существенно уменьшает длину вылета лобовых частей.

Однослойные обмотки. При выполнении однослойной обмотки необходимо предусматривать возможность установки ротора внутрь статора. Поэтому лобовые части, посредством которых соединяют между собой активные проводники, лежащие в пазах, должны быть отогнуты к сердечнику статора. В зависимости от способа выполнения лобовых соединений однослойные обмотки могут иметь различные конструкции. Обычно используют шаблонные и концентрические обмотки.

Рассмотрим принцип построения трехфазной однослойной обмотки на примере четырехполюсной машины (2р = 4) с минимальным числом пазов на полюс и фазу q = 2 (сосредоточенные обмотки с q = 1 не применяют). В этом случае проводники, принадлежащие одной фазе, размещают под парой полюсов в четырех пазах (рис. 3.19). Одна фаза занимает в машине восемь пазов: 2pq = 4•2 = 8;

Рис. 3.19. Схема расположения катушек на статоре трехфазной машины с однослойной обмоткой

Рис.   3.20.  Схема шаблонной обмотки  (а) при  2р = 4;  q= 2  и z = 24 и расположение ее лобовых частей (б):1 — сердечник статора; 2 — нажимная шайба; 3 — катушки

число пазов в машине z = 2рqm = 24. На рис. 3.19 указано также мгновенное направление ЭДС, индуцированных в проводниках различных фаз для момента времени, соответствующего максимальному значению тока в фазе АХ.

На рис. 3.20 приведена схема соединения указанных проводников при выполнении шаблонной обмотки, изготовляе­мой из заранее намотанных катушек одинаковой формы (см. рис. 3.7, а). Обычно это трапецеидальные катушки, которые в процессе намотки закладывают в пазы и соединяют между собой соответствующим образом. Для наглядности изображения поверхность статора или ротора вместе с пазами и обмоткой развертывают в плоскость и все соединения проводников изображают в виде прямых линий. Проводники, лежащие в одном пазу (т. е. каждую сторону катушки), изображают в виде линии.

При выполнении обмотки проводники, лежащие в различных пазах, соединяют между собой в витки и катушки так, чтобы индуцированные в них ЭДС складывались. Так, например, в обмотке, приведенной на рис. 3.20, а, фаза АХ состоит из четырех катушек, образованных проводниками, которые разме­щены в пазах 1—7, 2 — 8, 13 — 19 и 14 — 20; соответственно фаза BY — из четырех катушек, образованных проводниками, которые лежат в пазах 5—11, 6—12, 17—23 и 18—24,

Рис.  3.21.  Схема концентрической  обмотки (в)  при  2р = 4,  q = 2, z = 24 и расположение ее лобовых частей (б): 1 — сердечник статора; 2 — нажимная шайба; 3,4 — катушки

а фаза CZ — из четырех катушек, образованных проводниками, кото­рые лежат в пазах 9—15, 10 — 16, 21—3 и 22 — 4.

В обмотке, показанной на рис. 3.20, а, каждая катушечная группа состоит из двух катушек. Лобовые части катушек шаблонной обмотки при выходе из пазов отгибают, как показано на рис. 3.20,6.

На рис. 3.21, а показана схема концентрической обмотки для той же машины (2р = 4; q= 2; z = 24). Здесь катушки имеют разные размеры. Однако в последовательную цепь включены те же проводники 1—24, и в электрическом отношении свойства обеих обмоток одинаковы.

Несмотря на то что при концентрической обмотке одни катушки короче, а другие длиннее, шаг обмотки остался неизменным, т. е. и в этом случае он равен полюсному делению (как и при шаблонной обмотке). В концентрической обмотке катушки, принадлежащие одной катушечной группе, располагают одну внутри другой (рис. 3.21,6). Однако катушки различных катушечных групп пересекаются, поэтому их лобовые части необходимо располагать в двух или трех плоскостях (ярусах).

Двухслойные обмотки. Выпускаемые промышленностью машины общего применения с двухслойными обмотками имеют обычно шаг у = (0,8 ÷ 0,856) τ, т. е. подавляются пятая — седьмая и кратные им гармонические. На рис. 3.22, а показано расположение проводников в пазах статора четырехполюсной машины с двухслойной обмоткой при тех же параметрах обмотки (2р = 4; q= 2; z = 24), что и в машине с однослойной обмоткой (см. рис. 3.19). Шаг обмотки по пазам принят равным у = 0,8τ.

В каждом пазу проводники располагают в два слоя, причем проводники верхнего и нижнего слоев, принадлежащие одной фазе, сдвинуты относительно друг друга на один паз. Проводники соединяют между собой в катушки так, чтобы индуцированные в них ЭДС складывались. В соот­ветствии с направлением ЭДС, показанным на рис. 3.22, а, фаза АХ в этом случае имеет восемь катушек, образованных проводниками, которые находятся в пазах 1-6, 2 - 7, 7- 12, 8-13, 13-18, 14-19, 19-24, 20-1. Одна сторона этих катушек состоит из проводников, расположенных в верхнем слое пазов 1, 2, 7 и 8 и т. д., а вторая — из проводников, расположенных в нижнем слое пазов 6, 7, 12, 13 и т. д.

В схеме двухслойной обмотки (рис. 3.22,6) все проводники, лежащие в каждом слое паза (каждая сторона катушки), изображены в виде линии. Проводники верхних слоев показаны сплошными линиями; нижних слоев - штриховыми линиями. Направление ЭДС в проводниках показано стрелками в соответствии с направлением, указанным на рис. 3.22, а. Лобовые части обмоток располагают, как показано на рис. 3.22, в. Общее число катушек при двухслойной обмотке вдвое больше, чем при однослойной, что несколько усложняет конструкцию и стоимость обмотки. Однако такая обмотка дает некоторую экономию обмоточного провода. Кроме того, все катушки совершенно одинаковы (см. рис. 3.7,6), что позволяет механизировать их изготовление.

В схемах, приведенных на рис. 3.20, а; 3.21, а; 3.22,6, все катушки одной фазы соединены последовательно. Такое соединение характерно для машин сравнительно небольшой мощности. В машинах большой мощности для уменьшения сечения отдельных проводников катушки соединяют так, чтобы образовались параллельные ветви, содержащие равное количество катушек. В этом отношении двухслойные обмотки имеют преимущество перед однослойными, так как из-за большого числа катушек облегчается распределение их по параллельным ветвям.

Обычно двухслойные обмотки выполняют с q, равным целому числу. Однако в некоторых случаях применяют обмотки с дробным q. Например, при серийном производстве двигателей переменного тока целесообразно в ряде случаев

Рис. 3.22. Схема расположения катушек двухслойной обмотки на статоре трехфазной машины (а) и их соединение между собой (б); устройство лобовых частей (в): 1 — сердечник  статора;  2 — нажим­ная шайба; 3 — катушки

Рис. 3.23. Схема двухслойной концентрической обмотки при z = 24, 2р = 4, q = 2

для машины с различными числами полюсов 2р использовать одни и те же листы статора с определенным числом пазов z. При этом одно из значений 2р дает q = z/(2pm), не равное целому числу. Двухполюсные обмотки с дробным q применяют также в тихоходных (многополюсных) машинах большой мощности, например в гидрогенераторах, у которых практически невозможно выполнить обмотку статора с q > 1; в этом случае пришлось бы иметь на статоре слишком большое число зубцов z. Используя в машинах дробное значение q, можно получить такие же результаты для подавле¬ния высших гармонических МДС, как и при увеличении числа пазов на полюс и фазу.

В обмотках с дробным q катушечные группы не могут состоять из дробного числа катушек, поэтому в таких обмотках используют два типа катушечных групп: большие и малые, которые чередуются между собой с определенной периодичностью; при этом в больших катушечных группах число катушек на одну больше, чем в малых. Например, в каждой фазе одна из групп состоит из двух катушек, а другая - из одной; в результате среднее число катушек в катушечных группах q = (2 + 1)/2 = 1,5.

При механизированной укладке применяют концентрическую двухслойную обмотку. Катушечные группы этой обмотки выполнены из концентрических катушек с различными шагами (рис. 3.23). Шаг наибольшей катушки равен числу пазов, заключенных между первой и последней сторонами катушек одной катушечной группы, как у обычной двухслойной обмотки. Определенная последовательность укладки катушечных групп при выполнении такой обмотки позволяет уложить в статор все катушки без подъема ранее уложенных катушек из пазов. В концентрической двухслойной обмотке различные катушечные группы имеют неодинаковое индуктивное сопротивление, что ограничивает возможность соединения их в несколько параллельных ветвей.

Одно-двухслойные обмотки. В обычной двухслойной обмотке в некоторых пазах располагают стороны катушек, принадлежащих к одной и той же фазе (например, пазы 3, 5, 7 и другие на рис. 3.22, б), а в других - стороны катушек разных фаз. В однодвухслойной обмотке в пазах, в которых размещены стороны катушек одной и той же фазы, помещают однослойную катушку (большую с двойным числом витков), а в остальных пазах - в два слоя стороны катушек разных фаз (рис. 3.24). Такая обмотка состоит из концентрических катушек; число катушечных групп равно числу полюсов. Катушечная группа состоит из одной большой и q - 2 малых ка-

Рис. 3.24. Схема расположения катушек одной фазы на статоре  трехфазной  машины с одно-двухслойной обмоткой (2р = 4, q = 3, z= 36)

тушек (всего q - 1 катушка). Шаг большой катушки у_б = τ - 1; шаги малых катушек у_м1 = y_б - 2; у_м2 = y_б - 4; у_м3 =  y_б - 6.... Указанная обмотка выполнима только при q > 2. При q = 2 она превращается в концентрическую однослойную обмотку. Расчетное укорочение шага в обмотке с одной большой катушкой в каждой катушечной группе β = π (q — 2)/3q. Одно-двухслойную обмотку можно выполнить и с двумя большими катушками в катушечной группе. В этом случае общее число катушек в группе равно q - 2 и расчетное укорочение шага β = π (q - 1)/3q. Такая обмотка выполнима при q > 4.

Точные обмотки. В некоторых видах микромашин (например, в поворотных трансформаторах) для большего приближения МДС к синусоидальной форме требуется применять более сложные - точные - обмотки (синусные, трапецеидальные и др.). При синусной обмотке в пазах, расположенных в пределах одного полюсного деления т, укладывают неодинаковое число витков данной фазы. При этом они должны быть распределены по отдельным пазам так, чтобы линейная нагрузка А (число ампер на 1 см окружности статора или ротора), а следовательно, и МДС распределялись вдоль окружности статора или ротора по синусоидальному закону.

Однако из-за ограниченного числа пазов распределение витков по пазам не может быть идеально синусоидальным,

Рис. 3.25. Диаграммы распре­деления линейной нагрузки (а) и МДС (б) для точной обмотки

а носит ступенчатый характер. Поэтому в машинах с синусными обмотками делают скос пазов на одно зубцовое деление. Это практически уничтожает зубцовые гармонические в кривых магнитного поля и ЭДС.

Поскольку выполнение синусных обмоток более трудоемко, чем равнокатушечных, часто и в микромашинах применяют равнокатушечные двухслойные обмотки с трапецеидальным рас¬пределением линейной нагрузки вдоль окружности статора. Наилучшие результаты (для равнокатушечных обмоток) дает распределение линейной нагрузки Ах в виде трапеции с верхним основанием, равным 1/3 полюсного деления (рис. 3.25, а). В этом случае полностью уничтожается третья гармоническая и значительно ослабляются пятая, седьмая и др. Так, например, при указанном на рис. 3.25, а распределении линейной нагрузки А_х кривая распределения МДС F_x (рис. 3.25,6) состоит из отрезков прямых ab, de, ef, hk и парабол bc, cd, fg, gh и весьма близка к синусоиде.

На рис. 3.26, а для примера приведена схема такой обмотки при 2р = 2 и z = 12. Обмотка выполнена двухслойной: витки фаз АХ и BY закладывают в одни и те же пазы, но числа витков одной фазы в каждом пазу различны (рис. 3.26,6). Оси обмоток различных фаз сдвинуты в пространстве на половину полюсного деления. Лобовые части обеих

Рис. 3.26. Схема двухфазной точной обмотки (а) и распределение ее проводников по пазам (б): 1 — проводники фазы АХ; 2 — проводники фазы BY

фаз при выходе из пазов изгибают в двух плоскостях, как показано на рис. 3.20.

Для машин большой мощности применение точных обмоток обычно нецелесообразно, так как они дают существенное уменьшение первой гармонической МДС.

25

Однофазные и двухфазные асинхронные двигатели

Назначение, устройство и принцип действия однофазных асинхронных двигателей Однофазные асинхронные двигатели - машины небольшой мощности, которые по конструктивному исполнению напоминают аналогичные трехфазные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Однофазные асинхронные двигатели отличаются от трехфазных двигателей устройством статора, где в пазах магнитопровода находится двухфазная обмотка, состоящая из основной, или рабочей, фазы с фазной зоной 120 эл. град и выводами к зажимам с обозначениями С1 и С2, и вспомогательной, или пусковой, фазы с фазной зоной 60 эл. град и выводами к зажимам с обозначениями В1 и В2 (рис. 1). Магнитные оси этих фаз обмотки смещены относительно друг друга па угол 0 = 90 эл. град. Одна рабочая фаза, присоединенная к питающей сети переменного напряжения, не может вызвать вращения ротора, так как ток ее возбуждает переменное магнитное поле с неподвижной осью симметрии, характеризуемое гармонически изменяющейся во времени магнитной индукцией. Рис. 1. Схема включения однофазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Это поле можно представить двумя составляющими - одинаковыми круговыми магнитными полями прямой и обратной последовательностей, вращающимися с магнитными индукциями, вращающимися в противоположные стороны с одной и той же скоростью. Однако при предварительном разгоне ротора в необходимом направлении он при включенной рабочей фазе продолжает вращаться в том же направлении. По этой причине пуск однофазного двигателя начинают с разгона ротора путем нажатия пусковой кнопки, вызывающего возбуждение токов в обеих фазах обмотки статора, которые сдвинуты по фазе на величину, зависящую от параметров фазосдвигающего устройства Z, выполненного в виде резистора, индуктивной катушки или конденсатора, и элементов электрических цепей, в которые входят рабочая и пусковая фазы обмотки статора. Эти токи побуждают в машине вращающееся магнитное поле с магнитной индукцией в воздушном зазоре, которая периодически и монотонно изменяется в пределах максимального и минимального значений, а конец ее вектора описывает эллипс. Это. эллиптическое вращающееся магнитное поле находит в проводниках короткозамкнутой обмотки ротора ЭДС и токи, которые, взаимодействуя с этим полем, обеспечивают разгон ротора однофазного двигателя в направлении вращения поля, и он в.течение нескольких секунд достигает почти номинальной скорости. Отпускание пусковой кнопки переводит электродвигатель с двухфазного режима на однофазный, поддерживаемый в дальнейшем соответствующей составляющей переменного магнитного поля, которая при своем вращении несколько опережает вращающийся ротор из-за скольжения. Своевременное отключение пусковой фазы обмотки статора однофазного асинхронного двигателя от питающей сети необходимо в связи с ее конструктивным исполнением, предусматривающим кратковременный режим работы - обычно до 3 с, что исключает длительное пребывание ее под нагрузкой в связи с недопустимым перегревом, сгоранием изоляции и выходом из строя. Повышение надежности эксплуатации однофазных асинхронных двигателей обеспечивают встраиванием в корпус машин центробежного выключателя с размыкающими контактами, присоединенными к зажимам с обозначениями ВЦ и В2, и теплового реле с аналогичными контактами, имеющими выводы с обозначениями РТ и С1 (рис. 2, в, г). Центробежный выключатель автоматически отключает пусковую фазу обмотки статора, присоединенную к зажимам с обозначениями В1 и В2 при достижении ротором скорости, близкой к номинальной, а тепловое реле — обе фазы обмотки статора от питающей сети, когда нагрев их окажется выше допустимого. Перемена направления вращения ротора достигается изменением направления тока в одной из фаз обмотки статора при пуске путем переключения пусковой кнопки и перестановки металлической пластины на зажимах электродвигателя (рис. 2, а, б) или только перестановкой двух аналогичных пластин (рис. 2, в, г). Рис. 2. Маркировка зажимов фаз обмотки статора однофазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и их соединение для вращения ротороа: а, в - правого, б, г - левого. Сравнение технических характеристик однофазных и трехфазных асинхронных двигателей Однофазные асинхронные двигатели отличаются от аналогичных по номинальной мощности трехфазных машин пониженной кратностью начального пускового момента kп = Mп / Mном и повышенной кратностью пускового тока ki = Mi / Mном которые для однофазных электродвигателей с пусковой фазой обмотки статора, имеющей повышенное сопротивление постоянному току и. меньшую индуктивность, чем рабочая фаза, имеют значения kп - 1,0 - 1,5 и ki = 5 - 9. Пусковые характеристики однофазных асинхронных двигателей хуже аналогичных характеристик трехфазных асинхронных двигателей в связи с тем, что возбуждаемое при пуске однофазных машин с пусковой фазой обмотки статора эллиптическое вращающееся магнитное поле, эквивалентное двум неодинаковым круговым вращающимся магнитным полям - прямому и обратному, вызывает появление тормозного эффекта. Подбором параметров элементов электрических цепей рабочей и пусковой фаз обмотки статора можно обеспечить при пуске возбуждение кругового вращающегося магнитного поля, что возможно при фазосдвигающем элементе, выполненном в виде конденсатора соответствующей емкости. Так как разгон ротора вызывает изменение параметров цепей машины, вращающееся магнитное поле из кругового переходит в эллиптическое, ухудшая этим пусковые характеристики двигателя. Поэтому при скорости около 0,8 номинальной пусковую фазу обмотки статора электродвигателя отключают вручную или автоматически, в результате чего двигатель переходит на однофазный режим работы. Однофазные асинхронные двигатели с пусковым конденсатором имеют кратность начального пускового момента kп = 1,7 - 2,4 и кратность начального пускового тока ki = 3 - 5. Двухфазные асинхронные двигатели В двухфазных асинхронных двигателях обе фазы обмотки статора с фазными зонами по 90 эл. град являются рабочими. Они расположены в пазах магнитопровода статора так, что их магнитные оси образуют угол 90 эл. град. Эти фазы обмотки статора отличаются друг от друга не только числом витков, но и номинальными напряжениями и токами, хотя при номинальном режиме двигателя полные мощности их одинаковы. В одной из фаз обмотки статора постоянно находится конденсатор Ср (рис. 3, а), который в условиях номинального режима двигателя обеспечивает возбуждение кругового вращающегося магнитного поля. Емкость этого конденсатора определяют по формуле: Cр = I1sinφ1 / 2πfUn2 где I1 и φ1- соответственно ток и сдвиг фаз между напряжением и током цепи фазы обмотки статора без конденсатора при круговом вращающемся магнитном поле, I и U - соответственно частота переменного тока и напряжение питающей сети, n-коэффициент трансформации - отношение эффективных чисел витков фаз обмотки статора соответственно с конденсатором и без него, определяемое по формуле n = kоб2 w2 / kоб1 w1 где kоб2 и kоб1 - обмоточные коэффициенты соответствующих фаз обмотки статора с числом витков w2 и w1. Напряжение на зажимах конденсатора Uc, включенного последовательно с фазой обмотки статорадвухфазного асинхронного двигателя, при круговом вращающемся магнитном поле выше напряжения сети U и определяется так: Uc = U √1 + n2 Переход к нагрузке двигателя, отличной от номинальной, сопровождается изменением вращающегося магнитного поля, которое вместо кругового становится эллиптическим. Это ухудшает рабочие свойства двигателя, а при пуске снижает начальный пусковой момент до Мп < 0,3Mном, ограничивая этим применение двигателей с постоянно включенным конденсатором только в установках с легкими условиями пуска. Для повышения начального пускового момента параллельно рабочему конденсатору Ср включают пусковой конденсатор Сп (рис. 3, б), емкость которого намного больше емкости рабочего конденсатора и зависит от кратности начального пускового момента, которая может быть доведена до двух и более. Рис. 3. Схемы включения двухфазных асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором: а - спостоянно присоединенным конденсатором, б - с рабочим и пусковым конденсаторами. После разгона ротора до скорости 0,6 - 0,7 номинальной пусковой конденсатор отключают для избежания перехода кругового вращающегося магнитного поля в эллиптическое, ухудшающее рабочие характеристики двигателя. Пусковой режим таких конденсаторных двигателей характеризуется такими показателями: kп = 1,7 - 2,4 и ki = 4 - 6. Конденсаторные двигатели отличаются лучшими энергетическими показателями, чем однофазные двигатели с пусковой фатой обмотки статора, я коэффициент мощности их, благодаря применению конденсаторов, выше, чем у трехфазных двигателей одинаковой мощности.  Универсальные асинхронные двигатели В установках автоматического управления применяют универсальные асинхронные двигатели — трехфазные машины малой мощности, которые присоединяют к трехфазной или однофазной сети. При питании от однофазной сети пусковое и рабочие характеристики двигателей несколько хуже, чем при использовании их в трехфазном режиме. Универсальные асинхронные двигатели серии УАД изготовляют двух- и четырехполюсными, которые при трехфазном режиме имеют номинальную мощность от 1,5 до 70 Вт, а при однофазном режиме - от 1 до 55 Вт и работают от сети переменного напряжения частотой 50 Гц с кпд η= 0,09 - 0.65. Однофазные асинхронные двигатели с расщепленными или экранированными полюсами В однофазных асинхронных двигателях с расщепленными или экранированными полюсами, каждый полюс расщеплен глубоким пазом па две неравные части и несет на себе однофазную обмотку, охватывающую весь магнитопровод полюса, и короткозамкнутые витки, расположенные на его меньшей части. Ротор у этих двигателей имеет короткозамкнутую обмотку. Включение обмотки статора на синусоидальное напряжение сопровождается установлением в ней тока и возбуждением переменного магнитного поля с неподвижной осью симметрии, которое наводит в короткозамкнутых витках соответствующие эдс и токи. Под влиянием токов короткозамкнутых витков соответствующая им м. д. с, возбуждает магнитное поле, препятствующее усилению и ослаблению основного магнитного поля в экранированных частых полюсов. Магнитные поля экранированных и неэкранированных частей полюсов не совпадают по фазе во времени и, будучи смещенными в пространстве, образуют результирующее эллиптическое вращающееся магнитное поле, перемещающее в направлении от магнитной оси неэранированной части полюса к магнитной оси его экранированной части. Взаимодействие этого поля с токами, индуктированными в обмотке ротора, вызывает появление начального пускового момента Мп = (0,2 - 0,6) Мном и разгон ротора до номинальной скорости, если тормозной момент приложенный к валу двигателя, не превышает начальный пусковой момент. С целью увеличения начального пускового и максимального моментов однофазных асинхронных двигателях с расщепленными или экранированными полюсами между их полюсами располагают магнитные шунты из листовой стали, что приближает вращающееся магнитное поле к круговому. Двигатели с расщепленными полюсами являются нереверсивными устройствами, допускающими частые пуски, внезапную остановку и могут длительное время находиться в заторможенном состоянии. Их изготовляют двух- и четырехполюсными номинальной мощностью от 0,5 до 30 Вт, а при усовершенствованной конструкции до 300 Вт для работы от сети переменного напряжения частотой 50 Гц с кпд ηном = 0,20 - 0,40.

26

В большинстве синхронных машин используется обращенная конструктивная схема по сравнению с машинами постоянного тока, т. е, система возбуждения расположена на роторе, а якорная обмотка на статоре. Это объясняется тем, что через скользящие контакты проще осуществить подвод сравнительно слабого тока к обмотке возбуждения, чем тока к рабочей обмотке. Магнитная система синхронной машины показана на рис. 1.

Полюса возбуждения синхронной машины размещены на роторе. Сердечники полюсов электромагнитов выполняются так же, как в машинах постоянного тока. На неподвижной части - статоре расположен сердечник 2, набранный из изолированных листов электротехнической стали, в пазах которого размещена рабочая обмотка переменного тока - обычно трехфазная. 

Рис. 1. Магнитная система синхронной машины

При вращении ротора в обмотке якоря наводится переменная э.д.с., частота которой прямо пропорциональна частоте вращения ротора. Протекающий по рабочей обмотке переменный ток создает свое магнитное поле. Ротор и поле рабочей обмотки вращаются с одинаковой частотой - синхронно. В двигательном режиме вращающееся рабочее поле увлекает за собой магниты системы возбуждения, а в генераторном - наоборот.

Рассмотрим конструкцию самых мощных машин - турбо- и гидрогенераторов. Турбогенераторы приводятся во вращение паровыми турбинами, которые наиболее экономичны при высоких частотах вращения. Поэтому турбогенераторы выполняют с минимальным числом полюсов системы возбуждения - двумя, что соответствует максимальной частоте вращения 3000 об/мин при промышленной частоте 50 Гц.

Основная проблема турбогенераторостроения заключается в создании надежной машины при предельных величинах электрических, магнитных, механических и тепловых нагрузок. Эти требования накладывают отпечаток на всю конструкцию машины (рис. 2). 

Рис. 2. Общий вид турбогенератора: 1 - контактные кольца и щеточный аппарат, 2 - подшипник, 3 - ротор, 4 - бандаж ротора, 5 - обмотка статора, 6 - статор, 7 - выводы обмотки статора, 8 - вентилятор.

Ротор турбогенератора выполняется в виде цельной поковки диаметром до 1,25 м, длиной до 7 м (рабочая часть). Полная длина поковки с учетом вала составляет 12 - 15 м. На рабочей части фрезеруются пазы, в которые укладывается обмотка возбуждения. Таким образом получается двухполюсный электромагнит цилиндрической формы без явно выраженных полюсов.

При производстве турбогенераторов применяются новейшие материалы и конструктивные решения, в частности непосредственное охлаждение активных частей струями охлаждающего агента - водорода или жидкости. Для получения больших мощностей приходится увеличивать длину машины, что и придает ей весьма своеобразный вид.

Гидрогенераторы (рис. 3) по конструкции существенно отличаются от турбогенераторов. Экономичность режима гидравлических турбин зависит от скорости водяного потока, т. е. напора. На равнинных реках создать большой напор невозможно, поэтому частоты вращения турбин весьма низкие - от десятков до сотен оборотов в минуту.

Чтобы получить промышленную частоту 50 Гц, такие тихоходные машины приходится делать с большим числом полюсов. Для размещения большого количества полюсов приходится увеличивать диаметр ротора гидрогенератора, иногда до 10 - 11 м. 

Рис. 3. Продольный разрез гидрогенератора зонтичного типа: 1 - ступица ротора, 2 - обод ротора, 3 - полюс ротора, 4 - сердечник статора, 5 - обмотка статора, 6 - крестовина, 7 - тормоз, 8 - подпятник, 9 - втулка ротора.

Создание мощных турбо- и гидрогенераторов представляет сложную инженерную задачу. Необходимо решить целый ряд вопросов механического, электромагнитного, теплового и вентиляционного расчетов и обеспечить технологичность конструкции в производстве. Эти задачи по плечу только мощным конструкторско-производственным коллективам и фирмам.

Весьма интересны конструкции различных типов синхронных микромашин, в которых широко используются системы с постоянными магнитами и реактивные системы, т. е. системы, у которых рабочее магнитное поле взаимодействует не с магнитным полем возбуждения, а с ферромагнитными выступающими полюсами ротора, не имеющими обмотки.

Но все-таки основная область техники, где синхронные машины сегодня не имеют конкурентов - это энергетика. Все генераторы на электростанциях от самых мощных до передвижных выполняются на базе синхронных машин.

27

При холостом ходе магнитное поле создается током, протекающим по обмотке возбуждения. Наибольший интерес представляет магнитное поле в воздушном зазоре, так как от характера распределения этого поля зависит форма ЭДС обмотки статора. Картина магнитного поля в воздушном зазоре явнополюсной синхронной машины представлена на рис. 5.3. Кривая распределения радиальной составляющей индукции поля в воздушном зазоре имеет уплощенный характер. Для характеристики поля вводится понятие коэффициента формы поля , представляющего отношение амплитуды основной гармоникик индукции поля на оси полюса,. Коэффициент формы поляявляется сложной функцией геометрических размеров магнитной цепи на участке воздушного зазора:

. Эта зависимость может быть получена на основе расчета магнитного поля при холостом ходе. При проектировании синхронных машин принимаются меры к тому, чтобы кривая распределения индукции приближалась к синусоиде. Для этого ширину полюсного наконечника принимают в пределахи выполняютскос полюсных наконечников на краях, чтобы . При этих условиях распределение поля в зазоре приближается к синусоидальному, и высшие гармоники ЭДС, наводимой полем в обмотке статора, относительно малы. Кроме того, их дополнительно уменьшают соответствующим укорочением шага и распределением обмотки. Поэтому классическая теория синхронных машин оперирует с первыми гармониками индукции магнитного поля и ЭДС обмотки статора. В неявнополюсных синхронных машинах воздушный зазор равномерный. Поэтому синусоидальное распределение поля может быть получено за счет соответствующего распределения МДС обмотки возбуждения. МДС, образуемая этой обмоткой, имеет вид ступенчатой кривой, приближающейся по форме к трапеции (рис. 5.4). При равномерном зазоре можно считать, что кривая индукции повторяет кривую МДС,

. Раскладывая ее в ряд Фурье, получим для первой гармоники , где- коэффициент распределения для первой гармоники МДС;- электрический угол между осями соседних пазов ротора. Следовательно, коэффициент формы поля. Если обмотка возбуждения занимает примернополюсного деления, то коэффициент формымало отличается от единицы, так как поле получается близким к синусоидальному.

28

При холостом ходе генератора в машине имеется только магнитный поток ротора . При нагрузке, кроме потока ротора, появляется мдс статораи поток статора, который вращается с той же скоростью, что и ротор. Воздействие мдс статорана мдс ротораназывается реакцией якоря. Следствием этого воздействия является изменение результирующего потока и результирующей эдс статора, а следовательно, потока и результирующейэдс статора.

Изучим электромагнитные  реакции якорной обмотки  при активной, индуктивной и ёмкостной нагрузках (рис. 2.15–2.17).

Чисто активная нагрузка. Для момента времени, изображённого на рис. 2.15, максимальная эдс будет в фазеА, так как проводники этой фазы в данный момент находятся под полюсами, т. е. на продольной оси dd. В этот момент эдс в других фазах будет иметь величину и направление,соответствующие звезде эдс на рис. 2.15, а.

Так как при чисто активной нагрузке , то векторы токов во всех фазах будут совпадать с векторами соответствующих эдс. Направление токов в обмотках на чертеже поперечного сечения машины (рис. 2.15,а) будет такое же, как и эдс. По правилу буравчика для статорной обмотки определяется направление результирующего потока якоря. Он замыкается по поперечной оси ротора qq. Последовательность всех электромагнитных процессов, вызывающих реакцию якоря, может быть представлена следующей схемой:

 

             ,                 (2.23)

 

где  поперечный ток статора (ток статора, создающий поперечную реакцию якоря); , поперечная мдс и поперечный поток реакции якоря;  поперечная эдс реакции якоря. Векторная диаграмма по этой схеме представлена на рис. 2.15. На векторной диаграмме условно показан ротор, продольная ось которого совмещена с векторами и. Векторы эдсиотстают от векторов, создающих их потоки, на угол.

 

а

б

 

Рис. 2.15. Реакция якоря при чисто активной нагрузке: а – векторная диаграмма эдс и направление токов в обмотке ротора; б – веторная диграмма действия мдс и поперечного потока при реакции якоря

 

Итак, при чисто активной нагрузке мдс реакции якоря является поперечной . На обегающей части полюса ротора она действует согласно смдс ротора, а на набегающей – встречно, соответственно увеличивая магнитную индукцию в воздушном зазоре под полюсами.

Чисто индуктивная нагрузка. При чисто индуктивной нагрузке ток статора отстаёт от эдсна угол, как это показано на звезде эдс и токов (рис. 2.16).

Рис. 2.16. Реакция якоря при чисто индуктивной нагрузке: а – направление ток в обмотке ротора; б – определение максимального значения мдс; в – векторная диаграмма эдс, направление токов в обмотке ротора и поперечного потока при реакции якоря

 

Максимальная эдс в момент, соответствующий рис. 2.16, а, будет также в проводниках фазы А, однако ток в этой фазе . Направление тока в фазахВ и C и результирующей мдс определяем как и в предыдущем случае. Результирующая мдс реакции якоря и поток действуют по продольной осиdd навстречу потоку ротора (рис. 2.16, б). Последовательность электромагнитных процессов

 

             ,                 (2.24)

 

где  ток статора, создающий продольную реакцию (продольный ток якоря); и соответственно продольная мдс и продольный поток реакции якоря;  продольная эдс реакции якоря. Векторная диаграмма по этой схеме представлена на рис. 2.16, в.

Чисто ёмкостная нагрузка. При ёмкостной нагрузке ток якоря I опережает эдс на угол, поэтому ток в фазах статора по сравнению с предыдущим случаем изменяет своё направление на обратное (рис. 2.17,а). Поток реакции якоря будет также замыкаться по продольной оси, но действовать согласно с потоком ротора.

На рис. 2.17, б представлены кривые мдс и векторная диаграмма при ёмкостной нагрузке. Как видим на рисунке, при чисто ёмкостной нагрузке мдсреакции якоря является продольной и намагничивающей.

 

б

а

в

Рис. 2.17. Реакция якоря при чисто ёмкостной нагрузке: а – направление ток в обмотке ротора; б – определение максимального значения мдс; в – векторная диаграмма эдс, направление токов в обмотке ротора и поперечного потока при реакции якоря

 

Общий случай нагрузки. При смешанной нагрузке генератора мдс реакции якоря будет действовать частично по продольной и частично по поперечной оси.  У явнополюсного генератора вектор мдс , направленный по току статораI (рис. 2.17, а), раскладываем на составляющие – продольную и поперечную:

 

             ;  .                             (2.25)

 

Аналогично мдс раскладываем на продольную и поперечную составляющие ток статора:

             ;   .                                (2.26)

 

Действие реакции якоря может быть изображено следующей схемой (рис. 2.18).

 

 

Рис. 2.18. Действие реакции якоря

   

В общем случае нагрузки реакцию якоря рассматривают как реакцию при чисто активной и чисто реактивной нагрузках.

 

2.5. Метод двух реакций

Вследствие воздействия мдс составляющих реакции якоря ина мдсв СГ устанавливается результирующая мдсF, которая создаётрезультирующую эдс Е. Это можно выразить следующей схемой:

 

 

Однако количественный учёт действия реакции якоря удобней производить так: определить эдс от каждой составляющей мдс и затем, геометрически суммируя их, найти результирующую эдс Е, т. е.

 

 

Этот принцип и положен в основу метода двух реакций. Мдс ивследствие неравномерного воздушного пространства обусловливают несинусоидальное распределение магнитной индукции.

На рис. 2.19, б показаны кривые пространственного распределения продольной и поперечной мдс реакции якоря и, и магнитной индукции реакции якоряи. Кривые индукций определены по закону магнитной цепи. Для любой точки на расточке статора

    ,                                                  (2.27)

 

где – магнитное сопротивление трубки поля в зазоре со средним сечением в единицу площади.

 

 

 

Рис. 2.19. Реакция якоря в общем случае нагрузки

 

Площадь, ограниченная кривой магнитной индукции (на рисунке заштрихована) пропорциональна продольному потоку реакции якоря (рис. 2.19,б) и поперечному (рис. 2.19,в). Несинусоидальную кривую магнитной индукции ираскладываем в гармонический ряд. Кривые первой гармоники магнитной индукцииипредставляют собой распределение индукции при эквивалентном равномерном воздушном зазоре. Таким образом, несинусоидальное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре заменяется синусоидальным. Так как в любой точке зазора и , то певые гармоники мдси, создающие индукциии, будут меньше действительных:и, т. е.

 

             ;                                   (2.28)

             ,                                  (2.29)

 

где и– соответственно продольный и поперечный коэффициенты формы поля реакции якоря.

Чтобы по значениям параметров характеристики холостого хода, а также по значениям параметров продольной и поперечной мдс реакций якоря найти эдс и, необходимо заменить синусоидыиэквивалентной кривой мдс возбуждения (рис. 2.19,г), так как характеристика холостого хода строится в зависимости от полной мдс возбуждения, а не от первой её гармоники. Предполагая, что при равномерном воздушном зазоре форма мдс возбуждения прямоугольная, получим (см. рис. 2.19, г)

 

    ,                                              (2.30)

 

где – коэффициент формы магнитного поля возбуждения.

Продольная и поперечная мдс реакции якоря в масштабе мдс возбуждения (приведённые к обмотке возбуждения)   или  ;             (2.31) или             ,               (2.32)   где  коэффициент продоль­­ной реакции якоря;  коэффициент поперечной реакции якоря. Коэффициенты изависят от фор­мы полюсных наконечников ротора, воздушного зазораи коэффициента полюсной дуги; они определяются по специальным таблицам или кривым, представленным на рис. 2.20. По значениям иисходя из характеристик холостого хода могут быть определеныи, необходимые для построения векторных диаграмм.

29

Векторные диаграммы, уравнения эдс   и напряжений синхронного генератора   с явновыраженными полюсами ротора

Как было установлено, в синхронной машине, кроме основного магнитного потока  при нагрузке возникают магнитные потоки реакции якоря, которые взаимодействуя, создают результирующий магнитный поток (рис. 15.1).

.    (15.1)

Каждый поток создаёт свою эдс, которые от своих потоков отстают на 90° 1. Поток обмотки возбуждения ротора, сцепляясь с обмоткой статора наводит в ней основную эдс генератора . 2. Поток реакции якоря по продольной оси наводит эдс, значение которой пропорционально значению индуктивного сопротивления реакции якоря по продольной оси и .       (15.2)   3. Поток реакции якоря по поперечной оси наводит эдс .                                          (15.3)   4. Магнитный поток рассеяния обмотки статора наводит в обмотке статора эдс рассеяния, значение которой пропорционально индуктивному сопротивлению рассеяния фазы обмотки статора:   (15.4)

Величина  в реальной машине не превышает 5 % от номинального напряжения, поэтому в дальнейшем для упрощения анализа работы синхронного генератора будем ею пренебрегать.

5. Ток в обмотке статора создает активное падение напряжения на сопротивлении фазы обмотки статора

 

.                                         (15.5)

 

Геометрическая сумма эдс по пунктам 1,2,3,5 дает напряжение на выходе синхронного генератора с явновыраженными полюсами

 

,                              (15.6)

 

 

что нашло отражение на рис. 15.2, а. Через падение напряжений напряженияе на выходе этого генератора

 

.                      (15.7)

 

Векторная диаграмма, соответствующая (15.7), приведена на рис. 15.2, б. Нагрузка на генератор активно-индуктивная.

 

 

Рис. 15.2. Векторные диаграммы синхронного генератора  при работе на активно-индуктивной нагрузке, выраженные через:  а – векторы эдс; б – векторы падений напряжений

 

Выражения (15.6) и (15.7) представляют собой уравнения напряжений явнополюсного синхронного генератора.

 

15.2. Векторные диаграммы, уравнения эдс и напряжений синхронного генератора   с неявновыраженными полюсами ротора

В неявнополюсных синхронных генераторах магнитные сопротивления по продольной и поперечной осям одинаковые, ; падения напряжения также равны, а суммы падений напряжений

   (15.8)

 

Пренебрегая эдс от потоков рассеяния, уравнение напряжений для неявнополюсного генератора будет иметь вид

 

,                                  (15.9)

 

.                              (15.10)

 

Выражению (15.10) соответствуют векторные диаграммы напряжений, приведенные на рис. 15.3, для синхронного генератора с неявновыраженными полюсами.

 

Рис. 15.3. Векторные диаграммы напряжений неявнополюсного  генератора: а – активно-индуктивная нагрузка; б – емкостная нагрузка

 

Из приведенного выше материала следует, что чем меньше воздушный зазор, тем больше индуктивное сопротивление, тем больше влияние реакции якоря.

Увеличение воздушного зазора уменьшает влияние реакции якоря, но приводит к увеличению объема обмотки возбуждения, увеличению габаритов и удорожанию машины. Заниженный зазор приводит к тому же к снижению устойчивости и значительному влиянию нагрузки на характеристики машины.

 

15.3. Характеристики синхронного генератора при работе в автономном режиме

15.3.1. Характеристика холостого хода

Основными характеристиками синхронного генератора, работающего на автономную нагрузку, являются: характеристика холостого хода (х.х.), внешняя, регулировочная и характеристика короткого замыкания (к.з.).

Характеристика х.х. представляет собой график зависимости напряжения на выходе генератора от тока возбуждения илипри отсутствие тока статора= 0 и при n = const. Схема включения синхронного генератора для снятия характеристики х.х. приведена на рис. 15.4,а.

 

 

Рис. 15.4. Опыт холостого хода синхронного генератора

 

Характеристику х.х. принято строить в относительных единицах, так как характеристики х.х. многих генераторов, построенных в относительных единицах почти не отличаются друг от друга (рис. 15.4, б).

Отношение ,соответственно называют относительной эдс и относительным током возбуждения. Тогда данные нормальной характеристики х.х. в относительных единицах

    0,58    1,0    1,21    1,33    1,4    1,46    1,51

     0,5      1,0    1,5      2,0      2,5    3,0      3,5.

 

15.3.2. Внешние характеристики

Представляют собой зависимости напряжения на выводах обмотки статора от тока нагрузки: при,,.

На рис. 15.5 показаны внешние характеристики синхронного генератора при чисто активной R, индуктивной L и ёмкостной C нагрузках. При активной нагрузке при увеличении тока напряжение на выходе генератора уменьшается вследствие падения напряжения на внутреннем сопротивлении машины и влияния поперечной реакции якоря. При индуктивной нагрузке за счет более сильного действия продольной реакции якоря внешняя характеристика проходит ниже внешней характеристики при активной нагрузке. А при емкостной нагрузке – реакция якоря подмагничивающая, поэтому с ростом тока нагрузки растет напряжение на выводах генератора.

 

15.3.3. Регулировочные характеристики

Регулировочная характеристика – это зависимость тока возбуждения от тока статора  при постоянном напряжении, при ,. Регулировочные характеристики показывают, как нужно изменять ток возбуждения при изменении тока нагрузки, чтобы напряжение на выводах генератора, оставалось постоянным. На рис. 15.6 приведены регулировочные характеристики для разного вида нагрузки.

Так же как и внешние характеристики, регулировочные характерис­ти­ки при небольших токах статора линейны. При нагрузках, близких к номинальному значению, из-за насыщения регулировочные характеристики становятся нелинейными.

 

Рис. 15.5. Внешние характеристики  синхронных генераторов	Рис. 15.6. Регулировочные  характеристики синхронных генераторов

 

В синхронной машине, при небольших зазорах работающей на ёмкостную нагрузку, может наступать самовозбуждение, когда при отключенной обмотке возбуждения на выводах генератора появится напряжение. Это явление называется самовозбуждением синхронной машины. Более подробно с явлением самовозбуждения можно ознакомиться в [1, 2].

 

15.3.4. Характеристика короткого замыкания

Зависимость тока короткого замыкания от тока возбуждения снимается при закороченной амперметрами трёхфазной обмотке статора (рис. 15.7, а); постепенно повышают ток возбуждения от нуля до такого значения, когда ток статора станет равным номинальному току:

 

.

 

 

Рис. 15.7. Опыт короткого замыкания синхронного генератора: а – схема опыта; б – график I_а = f (I_f)

 

Эта зависимость линейная, так как генератор не насыщен (рис. 15.7, б). Активное сопротивление обмотки статора не велико по сравнению с её индуктивным сопротивлением, поэтому, принимая , можно считать, что при опыте к.з. его собственные обмотки являются чисто индуктивной нагрузкой. Из этого следует, что при опыте к.з. реакция якоря явнополюсного генератора имеет продольно-размагничивающий характер.

Пренебрегая активным сопротивлением, ток к.з. можно определить . Таким образом, по характеристикам х.х и к.з. можно опытным путем определить величину индуктивного сопротивления продольной реакции якоря.

31