Глава двадцать третья магнитные поля и индуктивные сопротивления обмоток переменного тока
§ 21-1 Магнитные поля обмоток переменного тока
Общая характеристика магнитного поля обмотки. Магнитное поле* создаваемое током обмотки, подразделяется на три пространственные зоны: 1) поле воздушного зазора, 2) поле пазов и 3) поде лобовых частей обмотки.
Магнитные линии поля воздушного зазора пересекают воздушный зазор и замыкаются через сердечники статора и ротора. Это
поле создается рассмотренной главе намагни-силой обмотки. Магнитное поле пазов (рис. 23-1) создается токами проводников паза, и к нему относятся линии магнитной индукции, которые не пересекают воздушного зазора и замыкаются в пределах данной части машины. Магнитное поле лобовых частей обмотки (рис. 23-2) сосредоточено в области лобовых пространств обмотки.
В действительности существует единое магнитное поле обмотки, однако, пользуясь принципом наложения, можно рассматривать перечисленные выше поля по
отдельности. В частности, можно рассматривать отдельно поле тока каждого паза (см. рис. 23-1), хотя поля токов всех пазов складываются в общее поле более сложного характера.
Все магнитные линии поля зазора замыкаются через сердечники машины. Большая часть магнитных линий полей пазов и часть магнитных линий полей лобовых частей также замыкаются через сердечник. Однако эти поля, а также высшие гармоники поля зазора в нормальных режимах работы машины малы по сравнению с основной гармоникой поля зазора, и стегГень насыщения сердечников статора и ротора определяется практически магнитным потоком этой основной гармоники.
Рис. 23-1. Магнитные поля пазов
Рис 23-2 Магнитное поле в лобовом пространстве турбогенератора
Полезное действие машины переменного тока, за редким исключением некоторых машин специального назначения, основано на действии магнитного поля основной гармоники воздушного зазора. Это поле поэтому является главным, или рабочим,
а поля пазов и лобовых частей — полями рассеяния. К последним относятся также поля высших гармоник воздушного зазора, которые называются полями рассеяния воздушного зазора или полями дифференциального рассеяния.
Второе название обусловлено тем, что эти поля представляют собой разность между полным полем воздушного зазора и его основной гармоникой.
Таким образом, магнитное поле рассеяния состоит из трех главных частей: 1) пазового, 2) лобового и 3) поля рассеяния воздушного зазора, или дифференциального.
Ниже в данном параграфе более подробно рассматривается поле воздушного зазора при симметричной нагрузке обмотки. При этом имеется в виду неявнополюсная машина.
Поле воздушного зазора при отсутствии зубчатости якоря и насыщения определяется при допущениях, перечисленных в начале § 22-1. При этих условиях пазов на поверхностях статора и ротора нет, воздушный зазор является равномерным по всей окружности и, следовательно, искажающее влияние пазов и насыщения магнитной цепи на распределение поля в зазоре отсутствует. Поэтому каждая гармоника н. с. создает только гармонику магнитного поля такого же порядка v. Амплитуда магнитной индукции этой гармоники Bmv вычисляется по формуле (22-5) как произведение магнитной проводимости зазора Лб на амплитуду гармоники н. с. Fv. Учитывая выражения (22-3) и (22-31), для случая симметричной нагрузки m-фазной обмотки получим
При наличии пазов поле в зазоре искажается. В этом случае в магнитных потоках основной и высших гармоник поля воздушного зазора, создаваемых вычисленными в гл. 22 -намагничивающими силами обмоток, будем учитывать только те линии магнитной индукции, которые достигают противоположной стороны воздушного зазора, т. е. пересекают зазор от статора к ротору и наоборот (см. рис. 23-1).
Магнитная индукция поля, создаваемого основной гармоникой н. с. обмотки, уложенной в пазах, имеет на противоположной, гладкой стороне воздушного зазора распределение вида кривой 1 на рис.'23-З, а. Такая кривая содержит наряду с основной гармоникой (кривая 2) целый ряд высших гармоник. С вполне достаточной для большинства практических целей точностью можно считать, что
амплитуда основной гармоники поля при этом уменьшаете^ (см. рис. 23-3, а) в
раз, где k& — коэффициент воздушного зазора (см. § 2-2). Поэтому вместо выражения (22-3) следует писать
При наличии пазов также и на противоположной стороне зазора и радиальных вентиляционных каналов значение Лв нужно рассчи*
тывать с учетом всех этих неравномерно-* стей зазора. При этом определяется средней; по активной длине машины значение Вть В действительности цс Ф оо и наеы« щение магнитной цепи приводит к умень> шению индукции в зазоре и к упрощению формы кривой (кривая ) на рис. 23-3, б), поскольку в области больших - индукций насыщение сказывается сильнее. Кривая (рис. 23-3, б) содержит поэтому как основ ную (кривая 2), так и высшие гармоники. Из высших гармоник наибольшее значений имеет третья гармоника (кривая 5), которая вращается синхронно с основной гармоникой и индуктирует в обмотке э. д. с. тройной частоты. Уплощение кривой индукции в большей мере проявляется в ма<< шинах с относительно малым зазором, как, например, в асинхронных машинах, и в этих, случаях учитывается при расчете магнит* ной цепи.
Степень насыщения магнитной цепи определяется видом магнитной характеристики Ф = / {F) и расположением на ней рабочей точки. Магнитная характеристика машин переменного тока рассчитывается так же, как и для машин постоянного тока, и определяется также экспе-риментально на основе характеристики холостого хода U — f (F) или U = / (/0).
С достаточной точностью можно считать, что основная гармоника поля под влиянием насыщения уменьшается в ftp, раз (см. § 2-5). Поэтому вместо выражения (23-2) имеем
Рис. 23-3. Распределение Munurraotиндукции воля, создаваемого f основной гармоникой н. с. при наличии пазов (а) и насыщения (б)
Величину
можно назвать эквивалентным воздушным зазором.
При наличии зубчатости якоря каждая высшая гармоника н. с. v создает, кроме гармоники v, ряд других гармоник поля. В первом приближении можно считать, что каждая гармоника н. с. создает юлько поле гармоники такого же порядка, и поэтому к этим гармоникам также применимо соотношение (23-3). При этих условиях как для основной, так и для высших гармоник поля вместо выражения (23-1) получим
§ 23-2. Главные индуктивные сопротивления обмоток переменного тока
Общие положения. Ниже будем иметь в виду машины неявно-полюсной конструкции, в частности асинхронные машины. Особенности, возникающие в явнополюсных машинах, будут рассмотрены в гл. 32.
Вращающиеся гармоники магнитного поля обмотки статора асинхронной машины, перемещаясь относительно этой обмотки, индуктируют в ней э. д. с. самоиндукции, частота которых при равномерном воздушном зазоре равна частоте тока в данной обмотке. Одинаковость частот этих э. д. с. гармоник поля объясняется тем, что, хотя гармоника порядка v вращается в v раз медленнее основной, она имеет в v раз больше полюсов. Можно доказать, что все эти э. д. с. совпадают по фазе. Сказанное относится также к э. д. с. самоиндукции, индуктируемым гармониками поля ротора в самой обмотке ротора.
При неподвижном роторе частоты всех э. д. с. взаимной индукции, индуктируемых гармониками поля статора в обмотке ротора и наоборот, т. е. гармониками поля ротора в обмотке статора, также одинаковы и равны основной частоте. Однако при вращающемся роторе частоты э. д. с. взаимной индукции от различных гармоник поля различны, так как в этом случае скорости вращения гармоник статора относительно ротора и наоборот, т. е. гармоник ротора относительно статора, уже не обратно пропорциональны числам их полюсов. Поэтому во вращающейся машине высшие гармоники поля не создают э. д. с. взаимной индукции основной частоты и их следует, отнести к полям рассеяния. Эффекты, которые могут вызвать токи, создаваемые э. д. с. взаимной индукции от высших гармоник поля, имеют в общем случае второстепенный характер, и их необходимо рассматривать отдельно. Ввиду наличия пазов на статоре и роторе при вращении ротора возникают также дополнительные гармоники, поля, которые индуктируют в обмотках э. д. с. различных, в том числе и относительно высоких, частот. При нормальной конструкции машины эти э. д. с. не имеют существенного значения и ниже не рассматриваются.
В теории электрических машин переменного тока, как и в других областях электротехники, э. д. с. переменного тока Е, которые индуктируются магнитными полями, созданными переменными токами /, учитываются с помощью индуктивных сопротивлений
В электрической машине переменного тока при этом каждой гармонике поля v соответствуют определенные значения индуктивных сопротивлений само- и взаимной индукции xv.
Работа машин переменного тока основана на действии основных гармоник поля.