Общие сведения об обмотках переменного тока

 

Обмотки машин переменного тока применяются в основном как обмотки статора синхронных и асинхронных машин. Обычно синхронные машины применяются как генераторы, а асинхронные машины как двигатели. Обмотка статора является главным элементом электрической машины.

Существуют конструкции синхронной машины с явно-выраженными и неявно-выраженными полюсами (рис. 2.1). Они отличаются устройством роторов.

 

Рис. 2.1. Конструктивная схема четырехполюсной синхронной машины: 1 – обмотка статора; 2 – статор; 3 – полюса; 4 – обмотка возбуждения; 5 – щетки; 6 – контактные кольца

 

 

Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором наглядно поясняет рис. 2.2.

 

Рис. 2.2. Асинхронный двигатель защищенного исполнения в разобранном виде; 1 – статор; 2 – ротор; 3 – вентиляционные лопатки; 4 – подшипники; 5 – вал; 6 – лапы для крепления; 7 – подшипниковый щит; 8 – корпус

 

Асинхронный двигатель с фазным ротором в сборе с поперечным разрезом приведен на рис. 2.3.

Из приведенных рисунков видно, где находятся обмотки переменного тока в синхронных и асинхронных машинах.

Обмотки переменного тока подразделяются на однослойные и двухслойные. В большинстве машин переменного тока особенно средней и большой мощности применяются двухслойные обмотки. Однослойные обмотки используются в микромашинах и машинах малой мощности (до 7–10 кВт).

Основные достоинства двухслойных обмоток, которые объясняют широкое их применение следующие:

– одинаковые размеры и форма всех катушек, что упрощает и облегчает изготовление обмоток;

– возможность укорочения шага обмотки на любое число зубцовых делений, что применяется для подавления эдс высших гармоник и уменьшения расхода обмоточного провода;

– упрошенная форма лобовых частей катушек, что также упрощает изготовление обмотки.

По конструкции двухслойные обмотки переменного тока делятся на петлевые и волновые по аналогии с обмотками якоря машин постоянного тока. Причем обмотки петлевые и волновые в электромагнитном отношении совершенно равноценны.

 

Рис. 2.3. Трехфазный асинхронный двигатель с фазным ротором 180 кВт, 975 об/мин: 1 – кабельная муфта: 2 – выводная коробка концов обмотки статора; 3 – кольцевые шпонки крепления сердечника ротора; 4 – нажимные шайбы сердечника ротора; 5 – вал ротора; 6 и 30 – шариковый и роликовый подшипники; 7 – медные соединительные хомутики стержней обмотки ротора; 8 – диффузоры для направления поступающего через подшипниковые щиты охлаждающего воздуха; 9 – стержни обмотки ротора; 10 – бандажные кольца; 11 – обмотка статора; 12 – проволочные бандажи ротора;
13 – подъемные кольца; 14 – дуговые шпонки; 15 – кольцевые изоляционные прокладки; 16 – радиальные вентиляционные каналы; 17 – сердечник ротора; 18 – литой корпус статора; 19 – сердечник статора; 20 и 21 – нажимные пальцы и кольца сердечника статора; 22 – кольцо для соединения концов обмотки ротора в звезду;
23 – междукатушечные и междугрупповые соединения обмотки статора; 24 – выводы концов обмотки ротора к контактным кольцам; 25 и 27 – коробка и колпак контактных колец; 26 – контактные кольца; 28 – подвижная втулка с контактами для замыкания выводов обмотки ротора накоротко; 29 – муфта для вывода концов обмотки ротора к внешней цепи

 

На практике обычно применяются обмотки петлевые. Волновые обмотки в основном используются в случае, когда число витков в катушке равно единице.

Большинство обмоток переменного тока выполняется с углом фазной зоны . Обмотки с углом фазной зоны применяются редко.

Обмотки могут выполнятся как с целым, так и дробным числом пазов на полюс и фазу q.

 

2.2. Простейшая трехфазная двухполюсная двухслойная
сосредоточенная петлевая обмотка

Исходные данные:

– число пазов статора ;

– число полюсов ;

– число фаз обмотки ;

 

Расчет обмотки:

 

– число пазов на полюс и фазу

;

– полюсное деление обмотки

;

– шаг обмотки принимаем равным полюсному делению (обмотка с полным шагом), ;

– угол сдвига эдс двух соседних пазов статора

;

– угол фазной зоны обмотки

,

т. е. обмотка с углом фазной зоны .

Порядок выполнения развернутой схемы обмотки: предварительно строится звезда пазовых эдс, на которой распределяются пазы по фазным зонам. Звезда строится с учетом угла . При распределении пазов по фазным зонам в двухслойных обмотках переменного тока пользуются следующими правилами:

– число катушек в катушечной группе всегда равно числу пазов на полюс и фазу . В нашем примере . Катушечная группа состоит из одной катушки;

– различают катушечные группы фазных зон А, В, С, X, Y, Z;

– катушечные группы А, В, С сдвинуты в пространстве на 120^º электрических. Также на 120^º эл. сдвинуты в пространстве катушечные группы X, Y, Z;

– катушечные группы фазных зон А и Х, В и Y, C и Z сдвинуты в пространстве на на 180^º электрических.

Звезда пазовых эдс и распределение пазов по фазным зонам согласно приведенным правилам показаны на рис. 2.4.

Как следует из звезды пазовых эдс фаза обмотки А должна укладываться в 1 и 4 пазы, фаза В в 3 и 6 пазы, а фаза С в 5 и 2 пазы. Каждая фаза состоит из двух катушек соответственно фазных зон А и Х, В и Y, С и Z.

 

Рис. 2.4. Звезда пазовых эдс и распределение пазов по фазным зонам

 

На основании звезды пазовых эдс с распределением пазов по разным зонам легко построить развернутую схему обмотки.

На рис. 2.5. показана развернутая схема обмотки для заданных исходных данных. Катушки для упрощения схемы показаны одновитковыми W_к=1.

 

Рис. 2.5. Развернутая схема двухслойной
сосредоточенной петлевой обмотки со следующими данными: , , , ,

 

Для обмоток с фазной зоной обязательное чередование фазных зон в последовательности A-Z-B-X-C-Y на одну пару полюсов.

Правила соединения фазных зон в фазу обмотки. Фазные зоны А и А, В и В, С и С, Х и Х, Y и Y, Z и Z соединяются последовательно или параллельно согласно. Фазные зоны А и Х, В и Y, С и Z соединяются последовательно или параллельно встречно.

На рис. 2.6. катушки фазных зон А и Х, В и Y, С и Z соединены последовательно встречно.

Как видно из развернутой схемы обмотки в двухслойных обмотках число катушечных групп на одну фазу обмотки всегда равно числу полюсов. В нашем примере и число катушечных групп на фазу также равно двум, и для выполнения трехфазной обмотки необходимо 6 катушечных групп.

В трехфазных обмотках отдельные фазы объединятся в общую схему по схеме «звезда – Y» или по схеме «треугольник – Δ». Для упрощения переключений в клеммной коробке машины начало обмоток разных фаз С1, С2, С3 и концы обмоток С4, С5, С6 размещаются на клеммной панели согласно рис. 2.6.

 

 

Рис. 2.6. Порядок размещения выводов обмоток различных фаз на клеммной панели

 

Тогда для соединения фаз обмоток по схеме «звезда» объединяются перемычками клеммы С5, С4, С6, а напряжение подается на клеммы С1, С2, С3.

Это наглядно поясняет рис. 2.7.

 

 

Рис. 2.7. порядок соединения и подключения клемм на панели (а); схема соединения обмотки «звезда» (б)

На рис. 2.8 показан порядок соединения клемм в коробке выводов машины при соединении обмоток фаз по схеме «треугольник».

 

 

 

Рис. 2.8. порядок соединения и подключения клемм на панели (а); схема соединения обмотки «треугольник» (б)

 

Таким образом, для выполнения трехфазной двухполюсной двухслойной сосредоточенной обмотки на статоре достаточно выполнить всего 6 пазов.

Однако на практике сосредоточенные обмотки не применяются, а выполняются распределенные с целым или дробным числом пазов на полюс и фазу . Причем может изменятся в зависимости от числа полюсов машины от до . Чем меньше число полюсов тем больше принимается .

Число катушек в катушечной группе всегда равно числу пазов на полюс и фазу .

На рис. 2.9 показана катушечная группа с и .

 

Рис. 2.9. катушечная группа с (а); – катушечная группа с (б)

 

Достаточно широко, особенно при перемотке статоров на новые параметры, применются обмотки с дробным числом полюсов на полюс и фазу . Такие обмотки называют дробными.

2.3. Простейшая трехфазная двухполюсная однослойная
сосредоточенная обмотка

 

Для сравнения двухслойной и однослойной обмотки примем те же исходные данные, что и в предыдущем примере:

– число пазов статора – ;

– число полюсов – ;

– число фаз обмотки – .

 

Расчет обмотки:

 

– число пазов на полюс и фазу ;

– полюсное деление обмотки ;

– шаг обмотки ;

– угол сдвига эдс соседних пазов ;

– угол фазной зоны .

На основании расчетов строится звезда пазовых эдс (рис. 2.10), на которой распределяются пазы по фазным зонам.

На основании звезды пазовых эдс строится развернутая схема обмотки. Для упрощения схемы число витков катушки принято W_к=1.

При выполнении однослойных обмоток число катушечных групп принимается равным числу пар полюсов, т. е. в два раза меньше чем в двухслойных. Так, в нашем примере сосредоточенной трехфазной однослойной обмотки число катушек равно трем, по одной на каждую фазу. Причем катушка одной активной стороной выполняет фазную зону А, а другой – фазную зону Х. Соответственно для других фаз В и Y, С и Z.

Сказанное поясняет рис. 2.11.

Развернутая схема рассматриваемой обмотки показана на рис. 2.12.

 

 

Рис. 2.11. Катушка сосредоточенной трехфаз­­ной однослойной обмотки

Рис. 2.12. Развернутая схема трехфазной двухполюсной однослойной сосредоточенной обмотки: , , , ,

 

На практике сосредоточенные обмотки не применяются. Обычно используются двухслойные и однослойные распределенные обмотки с числом пазов на полюс и фазу больше единицы. В зависимости от мощности и числа полюсов принимается в пределах от 2 до 7.

 

2.4. Трехфазные петлевые двухслойные обмотки с целым
числом пазов на полюс и фазу

2.4.1. Пример трехфазной четырехполюсной двухслойной петлевой
обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу с полным шагом

 

Исходные данные:

 

– число пазов статора – ;

– число полюсов – ;

– число фаз обмотки – ;

 

Расчет обмотки:

 

– число пазов на полюс и фазу

 

;

– полюсное деление обмотки

 

;

– шаг обмотки принимается равным полюсному делению , обмотка с полным шагом;

– угол сдвига эдс двух соседних пазов

 

;

 

– угол фазной зоны обмотки

 

.

 

Обмотка с углом фазной зоны 60^º эл. Такая обмотка имеет чередование фазных зон A-Z-B-X-C-Y на одну пару полюсов.

На основании расчета строится звезда пазовых эдс, на которой делается распределение пазов по фазным зонам. Звезда пазовых эдс приведена на рис. 2.13.

 

 

 

Рис. 2.13. Звезда пазовых эдс обмотки

 

Развернутая схема обмотки по расчетным данным и согласно звезде пазовых эдс приведена на рис. 2.14.

 

 

Рис. 2.14. Трехфазная четырехполюсная двухслойная петлевая обмотка с целым числом пазов на полюс и фазу с полным шагом: , , , , : а – схема первого слоя; б – схема второго слоя; в – схема обмотки

Направление токов ia, iв, ic на развернутой схеме обмотки соответствует моменту времени t на волновой диаграмме токов, приведенной на рис. 2.15.

 

 

Рис. 2.15. Векторная и волновая диаграммы токов фаз питающего напряжения

 

2.4.2. Пример трехфазной четырехполюсной двухслойной петлевой
обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу с укороченным шагом

 

Исходные данные:

– число пазов статора ;

– число полюсов ;

– число фаз обмотки ;

 

Расчет обмотки:

– число пазов на полюс и фазу

;

– полюсное деление обмотки

;

– шаг обмотки принимается равным на одно зубцовое деление меньше полюсного деления . Относительный шаг обмотки ;

– угол сдвига эдс двух соседних пазов

;

– угол фазной зоны обмотки .

Таким образом, обмотка получается шестизонная с углом фазной зоны и чередованием фазных зон A-Z-B-X-C-Y на одну пару полюсов. Звезда пазовых эдс и распределение пазов по фазным зонам приведена на рис. 2.13.

Развернутая схема трехфазной петлевой обмотки с укороченным шагом выполненная по расчетным данным и звезде пазовых эдс показана на рис. 2.16.

 

 

Рис. 2.16. Развернутая схема трехфазной петлевой обмотки с укороченным шагом: , , , , ,

 

На рис. 2.17. показаны различные способы соединения катушечных групп фазы обмотки для получения различного числа пар параллельных ветвей.

Рис. 2.17. Различные способы соединения катушечных групп фазы обмотки при q = 2, 2р = 4: а – последовательное (а = 1);
б – параллельное (а = 4); в – смешанное (а = 2)

2.4.3. Пример трехфазной двухполюсной петлевой обмотки с целым
числом пазов на полюс и фазу с укороченным шагом

 

Исходные данные:

 

– число пазов статора ;

– число полюсов ;

– число фаз обмотки ;

 

Расчет обмотки:

 

– число пазов на полюс и фазу

;

– полюсное деление обмотки

;

– шаг обмотки укорочен на одно зубцовое деление относительно полюсного деления . Относительный шаг обмотки ;

– угол сдвига эдс двух соседних пазов

;

– угол фазной зоны обмотки .

Обмотка с углом фазной зоны ее называют шестизонной. Обмотка с углом фазной зоны называют трехзонной.

Звезда пазовых эдс и распределение пазов по фазным зонам приведена на рис. 2.18.

Развернутая схема трехфазной двухполюсной обмотки приведена на
рис. 2.19.

 

Рис. 2.18. Звезда пазовых эдс и распределение пазов по фазным зонам обмотки: , , , ,

Рис. 2.19. Шестизонная трехфазная двухполюсная петлевая обмотка , , , , , : а – таблица схемы обмотки в общем виде для одной фазы; б – таблица фаз обмотки; в – схема обмотки

 

2.4.4. Пример трехфазной шестиполюсной двухслойной петлевой обмотки
с целым числом пазов на полюс и фазу с укороченным шагом

 

Исходные данные:

 

– число пазов статора ;

– число полюсов ;

– число фаз обмотки ;

 

Расчет обмотки:

 

– число пазов на полюс и фазу

;

– полюсное деление обмотки

;

– шаг обмотки укорачиваем по сравнению с полюсным делением на два зубцовых деления . Относительный шаг обмотки ;

– угол сдвига эдс двух соседних пазов

;

– угол фазной зоны обмотки .

Звезда пазовых эдс и распределение пазов по фазным зонам приведена на рис. 2.20, а развернутая схема обмотки – на рис. 2.21.

 

 

Рис. 2.20. Звезда пазовых эдс и распределение пазов по фазным зонам , , , ,

 

 

 

Рис. 2.21. Схема трехфазной двухслойной петлевой обмотки

, , , , ,

 

2.4.5. Пример трехфазной шестиполюсной двухслойной волновой обмотки
с целым числом пазов на полюс и фазу с укороченным шагом

 

Исходные данные:

 

– число пазов статора – ;

– число полюсов – ;

– число фаз обмотки – .

 

Расчет обмотки:

 

– число пазов на полюс и фазу

;

– полюсное деление обмотки

;

– шаг обмотки принимаем укороченным на одно зубцовое деление по сравнению с полюсным делением . Относительный шаг обмотки ;

– угол сдвига эдс двух соседних пазов

;

– угол фазной зоны обмотки .

По расчетным данным строится звезда пазовых эдс обмотки и развернутая схема обмотки (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Порядок построения трехфазной шестиполюсной двухслойной волновой обмотки , , , :
а – звезда пазовых эдс; б – схема фазы А при y=12, y₁=5, y₂=7

 

2.4.6. Пример трехфазной восьмиполюсной двухслойной петлевой обмотки
с целым числом пазов на полюс и фазу с полным шаго м

 

Исходные данные:

 

– число пазов статора – ;

– число полюсов – ;

– число фаз обмотки – .

Расчет обмотки:

 

– число пазов на полюс и фазу

;

– полюсное деление обмотки

;

– шаг обмотки принимаем равным полюсному делению ;

– угол сдвига эдс двух соседних пазов

;

– угол фазной зоны обмотки .

 

 

 

Рис. 2. 23. Звезда пазовых эдс и распределение пазов по фазным зонам

, , , , , , ,

 

 

Рис. 2.24. Схема трехфазной петлевой двухслойной обмотки с полным шагом

, , , , , ,

2.4.7. Пример трехфазной восьмиполюсной двухслойной петлевой обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу с укороченным шагом

 

Расчет обмотки представлен в подразд. 2.4.6, а звезда пазовых эдс и распределение пазов по фазным зонам на рис. 2.23.

Обмотки отличаются также и числом параллельных ветвей. Обмотка на рис. 2.25 имеет две параллельные ветви, а на рис 2.24 – четыре параллельные ветви. При сравнении схем видно, что число ветвей определяется схемой соединения лобовых частей катушечных групп в фазе.

 

Рис. 2.25. Схема трехфазной двухслойной петлевой обмотки с укороченным шагом , , , , , , ,

 

2.5. Двухслойные обмотки машин переменного тока
с дробным числом пазов на полюс и фазу

 

2.5.1. Общие сведения об обмотках с дробным значением числа
пазов на полюс и фазу

 

Такие обмотки для упрощения часто называют дробными.

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

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

,

где – наибольший общий делитель общего числа пазов машины z и числа пар полюсов р; – число фаз обмотки.

Для двухслойных обмоток с дробным распределение верхних сторон в пазах по фазам удобно производить путем построения специальной таблицы. Для этого число пазов на полюс и фазу записывается следующим уравнением и представляется затем в виде неправильной дроби , в этих уравнениях: – целая часть дробного числа ; и – соответственно числитель и знаменатель дробной части ; – числитель неправильной дроби.

Например, если , , , .

Далее составляется сетка для таблицы с числом строк, равным числу полюсов 2р, и числом столбцов, равным . Столбцы разделяются на три одинаковые по ширине части. Каждая часть относится к определенной фазе и содержит клеток по горизонтали. Затем в клетки с шагом равным , последовательно вписываются номера пазов; номера пазов в столбцах показывают, что в них располагаются верхние стороны катушек одной фазы. На развернутой схеме обмотки соединение верхних сторон катушек с нижними производится с шагом . Шаг рассчитывается, он близок по величине к и всегда равен целому числу.

Согласно вышеизложенному строится таблица распределения верхних катушечных сторон фаз в пазах статора (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Распределение верхних катушечных сторон фаз в пазах статора

 

Полюс

Фаза

Таблица соответствует , , , , .

Таким образом, , , , .

К сожалению, для данного примера обмотка несимметрична, так как не выполнено условие .

 

2.5.2. Пример трехфазной шестиполюсной петлевой обмотки

с дробным числом пазов на полюс и фазу

 

Исходные данные:

 

– число пазов статора – ;

– число фаз – ;

– число полюсов – .

 

Расчет обмотки:

– число пазов на полюс и фазу ;

– полюсное деление ;

– шаг обмотки ; укороченный шаг относительно на 0,5; относительный шаг обмотки .

Так как , то , , , , .

По этим данным строим сетку таблицы с числом строк, равным , числом вертикальных столбцов, равным и впишем в нее номера пазов с шагом . Каждые столбцов принадлежат последовательно фазе А, В и С. Эта таблица показывает распределение верхних катушечных сторон фаз в пазах статора (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Распределение верхних катушечных сторон фаз в пазах статора

 

Полюс	Фаза
А	В	С

 

По данным табл. 2.2 и шагу обмотки построена развернутая схема
одной фазы А петлевой обмотки статора с дробным , которая показана на рис. 2.26. Аналогично строятся развернутые схемы других фаз обмотки В и С.

 

 

Рис. 2.26. Развернутая схема фазы А трехфазной петлевой обмотки
с дробным числом пазов на полюс и фазу: , , , , ,

 

Угол сдвига эдс соседних пазов статора определяется по выражению

Тогда угол фазной зоны обмотки

 

Таким образом, обмотка с углом фазной зоны (шестизонная обмотка).
В таких обмотках чередование фазных зон: А-Z-B-X-C-Y на одну пару полюсов.

 

2.5.3. Пример трехфазной двухслойной четырехполюсной петлевой
обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу

 

Исходные данные:

 

– число пазов статора – ;

– число фаз – ;

– число полюсов – .

 

Расчет обмотки:

– число пазов на полюс и фазу ;

– полюсное деление ;

– шаг обмотки . Обмотка с укороченным шагом ;

– угол сдвига эдс соседних пазов

;

– угол фазной зоны обмотки

Обмотка с фазной зоной и с чередованием фазных зон: А-Z-B-X-C-Y на одну пару полюсов.

Заменяем в виде выражения и представляем его в виде неправильной дроби , где – целая ча