книги из ГПНТБ / Пиотровский Л.М. Электрические машины учебник

Ра зд ел третий

ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Глава в о с е мн а д ц а та я

КЛАССИФИКАЦИЯ И УСТРОЙСТВО МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

18-1. Основные виды машин переменного тока

Машины переменного тока по количеству фаз делятся на много­ фазные и однофазные. Наиболее часто машины выполняются трех­ фазными в соответствии с применяемой в энергетических установках системой трехфазного тока. Для автоматических устройств и для быто­ вых электроприборов применяются двухфазные машины и иногда однофазные. В основе работы многофазных машин и некоторых одно­ фазных лежит образование вращающегося магнитного поля.

Каждая машина переменного тока, так же как машина постоянного тока, состоит из статора и ротора. По способу образования магнитного поля статора и ротора машины переменного тока делятся на две группы: асинхронные и синхронные.

А. Асинхронная машина. Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора зави­ сит от нагрузки. Магнитное поле в асинхронной машине создается переменным током обмоток статора и ротора. Скорость вращения ро­ тора отличается от скорости вращения поля.

Асинхронные машины делятся на бесколлекторные и коллектор­ ные. Бесколлекторные асинхронные машины являются наиболее распространенными электрическими машинами в народном хозяй­ стве и применяются главным образом в качестве двигателей. Коллек­ торные асинхронные машины имеют большее разнообразие характе­ ристик по сравнению с бесколлекторными, используются также в качестве двигателей, но имеют ограниченное применение.

Основным типом асинхронной бесколлекторной машины является трехфазный двигатель в двух главных исполнениях: двигатель с фаз­ ной обмоткой ротора (рис. 18-1,а) и двигатель с короткозамкнутой обмоткой ротора (рис. 18-1,6). Конструктивные схемы этих машин показаны на рис. 18-1, где 1 — сердечник статора, собранный из листовой электротехнической стали, 2 — трехфазная обмотка ста­

247

тора, включаемая в сеть переменного тока, 3 — сердечник ротора, 4 — фазная обмотка ротора, 5 — контактные кольца для соединения с пусковым или регулировочным реостатом, 6 — короткозамкнутая обмотка ротора.

Рис. 18-1. Конструктивная схема трехфазного асинхронного двига­ теля: а — с фазной обмоткой ротора, б — с короткозамкнутой об­ моткой ротора

Б. Синхронная машина. Синхронной машиной называется такая машина переменного тока, скорость вращения ротора которой равна скорости вращения первой гармоники поля статора и определяется

Рис. 18-2. Конструктивная схема трехфазного -синхронного генератора

частотой / переменного тока в обмотке статора и количеством пар р полюсов машины

Как правило, магнитное поле в синхронной машине создается обмоткой постоянного тока ротора и обмоткой переменного тока ста­ тора. В синхронных машинах малой мощности вместо обмотки по­ стоянного тока на роторе используются постоянные магниты (магни­

248

тоэлектрические синхронные машины) или же магнитное поле созда­ ется только переменным током обмотки статора (реактивные синхрон­ ные машины). Синхронные машины широко применяются в качестве

На рис. 18-2 изображена конструктивная схема трехфазной синх­ ронной машины. Здесь 1 — сердечник статора, 2 — трехфазная обмотка статора, 3 — полюсы ротора с обмоткой постоянного тока, 4 — кольца для соединения обмотки ротора с источником постоян­ ного тока, 5 — вентиляторы.

Рис. 18-3. Основные тппы синхронных машин: а — с явнополюсным ротором, б — с неявнонолюсным ро­ тором

По устройству ротора различают два типа синхронной машины: машина с явнополюсным ротором, в которой катушки обмотки посто­ янного тока размещены на выступающих полюсах (рис. 18-3,«) и машина с неявнополюсным ротором, в котором распределенная обмотка постоянного тока уложена в пазы ротора (рис. 18-3,6).

Явнополюсная синхронная машина изготовляется для скорости вращения до 1500 обімин и используется в качестве генератора или двигателя. Наиболее крупные синхронные машины устанавливаются на гидроэлектростанциях и приводятся во вращение водяными тур­ бинами со скоростью до 300 об/мин.

Неявнополюсная синхронная машина используется в основном как генератор на тепловых электростанциях и приводится во вра­ щение паровой турбиной со скоростью обычно 3000 об/мин (при частоте 50 гц).

18-2. Общие элементы устройства и теории машин переменного тока

Обмотки статора обычно присоединяются к сети переменного тока и создают вращающееся магнитное поле, поэтому устройство этой части асинхронных и синхронных машин получается одинаковым. Сердечник статора изготовляется из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм.

249

На внутренней поверхности статора имеются пазы, в которые уло­ жена обмотка. Форма паза зависит главным образом от мощности

катушек, намотанных прямоугольным проводом. Полукатушкам при-

Рис. 18-5. Частично закрытый паз и изоляция обмотки

из электрокартона, толщиной 0,5 мм, 4 —электрокартон пропитан­ ный, толщиной 0,20 мм в 1 слой, 5 — лакоткань черная толщиной 0,3 мм в 1 слой, 6 — электрокартон пропитанный, толщиной 0,10 лш впритык, 7 — прокладка из электрокартона толщиной 0,2 мм

т I

Рис. 18-6. Открытый паз и изоляция обмотки

1 — прокладка из электрокартона (толщиной 0,5 мм), 2 — прокладка из миканита (толщиной 0,2 мм), з — микафолий (9 слоев толщиной 0,25 мм), 4 — электрокартон (1 слой толщиной 0,15 мм), 5 — прок­ ладка из электрокартона толщиной 1,7 мм

дают окончательную форму на специальных шаблонах до укладки в пазы.

В машинах большой мощности и при напряжении выше 500 в катушки изготовляются из прямоугольного провода и изолируются до укладки в прямоугольные пазы (рис. 18-6),

250

Глава д е в я т н а д ц а та я ОБМОТКИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

19-1. Основные определения

Обмотки с током должны выполнять две основные функции; обеспечивать требуемую для работы машины э. д. с. и создавать маг­ нитное поле, необходимое для преобразования энергии.

В машинах переменного тока применяются обмотки переменного тока: 1) присоединяемые к внешней цепи, 2) постоянно замкнутые накоротко, 3) соединенные с коллектором, а также 4) обмотки посто­ янного тока. Ниже рассматриваются обмотки переменного тока асинхронных и синхронных машин, присоединяемые к внешней цепи.

Элементом обмотки является виток, состоящий из двух последова­ тельно соединенных проводников, расположенных в пазах на рассто­ янии, приблизительно равном полюсному делению т.

Группа витков, соединенных между собой и имеющих общую изо­ ляцию от сердечника, называется катушкой. Одновитковая катушка обычно выполняется из проводников большого сечения, которые называются стержнями. Независимо от количества витков в катушке она имеет только две активные стрроны, уложенные в пазы на рассто­ янии шага у обмотки. На схеме каждая сторона катушки изобража­ ется одной линией.

Шаг обмотки обычно измеряется количеством пазовых делений между сторонами катушки и поэтому должен выражаться целым чи­ слом.

Совокупность катушек, присоединенных к внешней цепи, называ­ ется фазной обмоткой.

Под парой соседних полюсов располагаются одна или несколько (группа) соединенных последовательно катушек. В первом случае обмотка называется сосредоточенной, во втором случае — распре­ деленной. Распределенная обмотка характеризуется количеством

пазов на полюс и фазу Ц— ^рпі’ котоРое может быть как целым, так

и дробным в зависимости от соотношения количества пазов Z, коли­ чества полюсов 2р и количества фаз т.

Обмотка статора (и ротора) может быть однофазной или многофаз­ ной, состоящей из нескольких фазных обмоток. Наибольшее распро­ странение получили симметричные трехфазные обмотки в соответст­ вии с применяемой в промышленности трехфазной системой перемен­ ного тока.

Стороны катушек в пазах укладываются в один или в два слоя.

Впервом случае сторона катушки занимает полностью паз и такая обмотка называется однослойной. Во втором случае в пазу разме­ щаются стороны двух катушек и обмотка называется двухслойной.

Вособых случаях возмояша укладка сторон катушек в три слоя.

251

19-2. Однослойные обмотки

Распределение пазов (сторон катушек) по фазам производится таким образом, чтобы катушки одной группы располагались рядом. Это позволяет получить наибольшую э. д. с. при минимальной за­ трате обмоточного провода. При целом q количество катушек в каж­ дой группе получается одинаковым и равным q.

А. Трехфазная обмотка. Пример распределения пазов по фазам для симметричной обмотки с Z = 24 и 2р — 4 показан на рис. 19-1.

В и С в пределах каждого полюсного деления, которое затем повторя-

А С В А С В А С 8 А С В

Рис. 19-1. Распределение пазов и сторон катушек по фазам

ется на других полюсных делениях. Полюсному делению т соответ-

ствует Z = mq = 3-2 = 6 пазовых делений.

Соединение проводников для образования витков и катушек и со­ единение катушек между собой производится таким образом, чтобы расход обмоточных материалов был минимальным, изготовление обмотки не вызывало затруднений, обеспечивалась возможность рас­ положения и достаточная жесткость лобовых частей. Кроме того, желательно, чтобы сопротивления фазных обмоток были одинаковы.

Различные варианты выполнения однослойной трехфазной об­ мотки рассмотрены для Z = 24 и 2р = 4.

На рис. 19-2 показана обмотка, у которой катушки одной группы имеют различные размеры но ширине, например одна катушка обра­ зована проводниками, расположенными в пазах 2 и 7, и имеет шаг

тушек в каждой группе равно q и они соединены последовательно. Лобовые части катушек располагаются в двух поверхностях (рис.

252

19-2 ,6). Катушечные группы одной фазы соединены между собой после­ дов ательно и образуют фазную обмотку. Начала фазных обмоток статора трехфазных машин имеют следующие обозначения: CI, С2, СЗ и концы их С4, С5, С6. Соответственно для обмоток ротора: Р1,

Р2, РЗ и Р4, Р5, Р6.

Количество катушечных групп в фазной обмотке равно количест­ ву пар полюсов ее. При четном р в каждой фазной обмотке получается одинаковое количество катушек с различным расположением лобо­ вых частей, это способствует уравниванию активных (и индуктивных) сопротивлений обмоток при последовательном соединении катушечных

Рис. 19-2. Схема трехфазной однослойной обмотки с концент­ рическими катушками: а — схема; б — расположение лобо­ вых частей

групп. При нечетном р одну группу катушек приходится выпол­ нять более сложной формы с переходом лобовых частей из одной поверхности в другую.

При большом и четном q (в двухполюсных машинах q — 6-ь 8) для уменьшения места, занимаемого обмоткой по оси машины, целесообразно лобовые части катушек каждой половины группы от­ гибать в противоположные стороны (рис. 19-3) и размещать их в трех поверхностях (рис. 19-3,6). Шаг отдельных катушек половины группы получается различным, меньше полюсного деления. Лобовые части катушечных групп каждой фазной обмотки расположены в разных поверхностях и это вызывает небольшое различие сопротивлений фазных обмоток.

Обмотка с расположением лобовых частей в трех поверхностях применяется также при разъемном сердечнике статора, но в этом случае лобовые части всех катушек полюсного деления отгибаются в одну сторону (рис. 19-4,а) и располагаются в трех поверхностях (рис. 19-4,6). Такая обмотка позволяет производить сборку и раз­ борку статора с уложенными в пазах катушками и требуется только

253

соединение (или разъединение) перемычек между катушечными группами.

Рис. 19-3. Схема трехфазной однослойной обмотки с раз­ деленными катушечными группами: а — схема; б — распо­ ложение лобовых частей

Ввиду сложности изготовления и укладки лобовых частей, кон­ центрические обмотки в настоящее время имеют ограниченное приме­ нение.

В)

Рис. 19-4. Схема трехфазной однослойной обмотки для разъем­ ного статора: а — схема; б — расположение лобовых частей

Однослойная обмотка может быть выполнена с катушками оди­ наковой формы в виде трапеции (рис. 19-5,а). Лобовые части катушки

254

выполняются разной длины (рис. 19-5,6). При четном q > 2 для об­ легчения укладки лобовые части катушек половины группы отгиба-

Рис. 19-5. Схема трехфазной однослойной обмоткп с шаб­ лонными катушками: а — схема; б — расположение лобо­ вых частей

ются в противоположные стороны. Разновидностью такой обмотки является цепная, у которой отгибаются в противоположные стороны лобовые части каждой пары соседних катушек (рис. 19-6,а) и длина

а)

5)

лобовых частей получается одинаковой (рис. 19-6). Цепная обмотка может быть выполнена как при четном, так и при нечетном q и при различных, но обязательно нечетных значениях шага у катушки.

255

Катушечные группы допускают последовательное, параллельное и смешанное (последовательно-параллельное) соединение. Во всех однослойных обмотках с целым q наибольшее количество парал-

Рис. 19-7. Схема трехфазной о д н о с л о й п о й волновой обмотки: а — схема; 6 — расположение лобовых частей

лельных ветвей равно количеству катушечных групп, а в цепной обмотке с четным q — удвоенному количеству катушечных групп.

В рассмотренных обмотках сначала соединяются между собой катушки в катушечные группы, а затем последние — в фазную

Рис. 19-8. Схема двухфазной однослойной обмотки с концентричес­ кими катушками: а — схема; б — расположение лобовых частей

обмотку. Такие обмотки по аналогии с обмотками якорей машин постоянного тока называются петлевыми. В одновитковых катушках для уменьшения длины соединений между катушками применяется волновая обмотка (рис. 19-7). При одном обходе зубцового слоя обра­

256