Трансформаторные подстанции высочайшего качества
1. Общая характеристика якорных обмоток.
Якорной обмоткой переменного тока называется состоящая из отдельных катушек обмотка, в которой индуктируется э. д. с. и которая имеет одну или несколько фаз. К якорным обмоткам относятся обмотки статоров (якорей) асинхронных и синхронных машин и обмотки фазных роторов асинхронных машин. Многофазные симметричные обмотки с числом фаз m состоят из m идентичных обмоток фаз, или фазных обмоток, которые сопрягаются либо в многоугольник (при m = 3 — треугольник), либо в звезду. Обмотки фаз взаимно смещены на угол 360/ m эл. град, Обмотка фазы образуется из отдельных катушек и катушечных групп, которые соединяются либо последовательно, либо параллельно, либо последовательно-параллельно, но так, что протекающий по обмотке ток создает магнитное поле с заданным числом p периодов, т. е. основная гармоническая магнитного поля обмотки (см. раздел) имеет 2р полупериодов (полюсов).
Катушки обмотки укладываются в пазы, выштампованные в сердечнике (магнитопроводе) якоря.
Витком обмотки называются два активных проводника, в которых индуктируется э. д. с, уложенных в два паза и последовательно соединенных друг с другом. Проводники, соединяющие активные проводники друг с другом, называют лобовыми частями обмотки.
Катушка представляет собой несколько последовательно соединенных витков, расположенных в одних и тех же пазах и имеющих общую изоляцию от стенок паза. Катушка может состоять из одного витка,
Прямолинейные части катушек, которые укладываются в пазы, называются пазовыми частями или катушечными сторонами.
Шаг катушки — расстояние между ее сторонами. Измеряется либо в долях полюсного деления, либо в зубцовых делениях (зубцовое деление — расстояние между двумя соседними зубцами сердечника, измеренное по поверхности сердечника якоря, обращенной к воздушному зазору). Шаг, равный полюсному делению, называют полным. Шаг, больший или меньший полюсного деления, именуют неполным.
Катушечной группой называют катушки одной фазы обмотки, расположенные в соседних пазах (и, как правило, последовательно соединенные друг с другом).
Катушки или катушечные группы соединяют в параллельную ветвь , под которой понимается цепь последовательно включенных катушек обмотки фазы, присоединяемых к ее внешним зажимам. Параллельная ветвь может состоять из нескольких или одной катушечной группы (или даже из одной катушки). Параллельные ветви образуются таким образом, чтобы как активные, так и индуктивные сопротивления всех ветвей были одинаковыми, а их э. д. с. в каждый момент времени совпадали по величине и направлению.
Часть окружности сердечника, приходящаяся на пазы, занятые катушечными сторонами одной катушечной группы, называется фазной зоной обмотки . Ширину фазной зоны выражают в электрических градусах основной гармонической по углу, соответствующему указанной части окружности.
Полюсным делением называют дугу окружности сердечника якоря, приходящуюся на один полюс основной гармонической поля.
Симметричная обмотка характеризуется тем, что э. д. с, наведенные во всех фазах обмотки, равны по величине, а э. д. с, наведенные в каждой паре соседних фаз, смещены во времени на один и тот же угол.
Обмотка переменного тока характеризуется:
а) числом пар полюсов p , на которое она выполнена;
б) числом фаз m;
в) числом пазов на полюс и фазу
где Z -число пазов сердечника;
г) шагом катушки (обмотки) у;
д) числом а параллельных ветвей фазы;
е) числом последовательно включенных витков w в параллельной ветви;
ж) сопряжением фаз.
Рис. 16-10. Однослойная (а) и двухслойная (б) обмотки.
2. Классификация обмоток.
Обмотки могут быть классифицированы по ряду важных признаков, определяющих их электромагнитные, конструктивные и технологические свойства:
по числу фаз — на однофазные и многофазные;
по числу слоев в пазу — на однослойные и двухслойные (рис. 16-10). Наиболее широко применяются двухслойные обмотки. Практически все электрические машины переменного тока средней и большой мощности выполняются с двухслойными обмотками. Главные преимущества двухслойной обмотки перед однослойной заключаются в возможности оказания существенного влияния на форму поля обмотки укорочением шага и в большей технологичности (все катушки имеют одинаковые размеры). Форма кривой магнитного поля почти всех типов однослойных обмоток от шага катушек не зависит;
по числу пазов на полюс и фазу q — на целые (q — целое число) и дробные (q — дробное число). Наибольшее распространение получили целые обмотки, в особенности в асинхронных машинах (для статоров и роторов) и в турбогенераторах. Дробные обмотки, форма э. д. с. которых лучше (ближе к синусоидальной), чем в целых обмотках, применяются преимущественно в многополюсных синхронных генераторах (гидрогенераторах) и двигателях. Однослойные обмотки выполняются, как правило, с целым числом q, двухслойные обмотки выполняются и с целым, и с дробным числом q;
по форме катушек (двухслойные обмотки) — на петлевые и волновые. При обходе фазы петлевой обмотки совершается движение петлеобразной формы, при обходе фазы волновой обмотки — движение волнообразной формы (см. п. 6, 7), Наибольшее распространение имеют петлевые обмотки;
по конструкции катушки (двухслойные обмотки) — на катушечные и стержневые. Катушечные обмотки имеют многовитковые катушки, стержневые — одновитковые. Катушка стержневой обмотки изготовляется из двух полукатушек, или стержней, которые закладываются в пазы и после этого с одной стороны соединяются между собой. Катушечные обмотки выполняются петлевыми, стержневые — в основном волновыми. Стержневые обмотки применяются для якорей крупных синхронных машин, а также для роторов средних и крупных асинхронных машин с контактными кольцами;
по технологии изготовления катушек (петлевые обмотки) — на мягкие и жесткие. Мягкие, или «всыпные», обмотки выполняются из провода круглого сечения и вкладываются («всыпаются») в полузакрытые пазы по одному проводнику; применяются в электрических машинах малой и средней мощности (примерно до 100 кВт). Жесткие обмотки выполняются из провода прямоугольного сечения, полностью формуются до укладки в пазы (открытые или полуоткрытые); применяются в электрических машинах средней и большой мощности низкого и высокого напряжения;
по шагу обмотки — с полным и неполным шагом. Двухслойные обмотки обычно выполняются с укороченным шагом . Наиболее распространенные однослойные обмотки хотя и имеют катушки с шагом, отличным от полного, в электромагнитном отношении являются обмотками с полным шагом (см. п. 5). Однослойные обмотки с укороченным шагом практического применения не находят.
3. Форма пазов сердечников.
В сердечниках для укладки обмотки применяются полузакрытые, полуоткрытые и открытые пазы (рис. 16-18).
У полузакрытых пазов ширина шлица несколько больше диаметра изолированного провода, из которого намотана мягкая катушка обмотки. Полузакрытые пазы применяются в электрических машинах мощностью примерно до 100 кВт.
У полуоткрытых пазов ширина шлица несколько больше половины ширины паза. Такие пазы применяются для машин мощностью 100-400 кВт и напряжением до 550 В, имеющих жесткую обмотку, каждая катушка которой подразделяется на две конструктивно самостоятельные части.
Открытые пазы применяются обычно в высоковольтных машинах (3300 В и выше), обмотки которых состоят из жестких катушек, полностью изолированных до укладки в пазы.
Ширина шлица паза влияет на свойства машины и определяется как из расчетных соображений, так и в зависимости от конструкции катушки.
4. Принцип составления схемы обмютки.
Схема обмотки составляется таким образом, чтобы при заданном числе пазов (а в двухслойных обмотках — и при предварительно выбранном шаге обмотки) основная гармоническая магнитного поля наводила в фазе обмотки максимальную э. д. с. В этом случае коэффициент распределения обмотки (см. раздел) для основной гармонической поля или н. с. получается максимальным.
Составление схемы обмотки или распределение пазов по фазам удобно производить с помощью звезды векторов пазовых э. д. с. обмотки. Пусть, например, нужно распределить пазы по фазам трехфазной обмотки ( m= 3), имеющей число полюсов 2 p =8 и уложенной в сердечник с числом пазор Z = 48. Сдвиг по фазе э. д. с. проводников, расположенных в соседних пазах, равен:
На рис. 16-11, а построена звезда векторов э. д. с, которые наводятся основной гармонической поля в проводниках обмотки. Рядом с каждым вектором указан номер паза, которому он соответствует. Начало нумерации пазов выбирается произвольно. После обхода пазов, расположенных на двух полюсных делениях, т. е. в пределах полного электрического угла 360 эл. град, звезда векторов пазовых э.д . с. при целом числе q повторяется (векторы 13, 14,…. 48 накладываются последовательно на векторы 1, 2, …, 12). Чтобы э. д. с. обмотки фазы была наибольшей, в нее следует включить проводники, геометрическая сумма э. д. с. которых максимальна. В соответствии с этим для распределения проводников по фазам надо разделить звезду векторов пазовых э. д. с. на шесть равновеликих секторов по 60 эл. град и отнести к каждой фазе проводники, векторы э. д. с. которых расположены в противоположных секторах звезды. При этом проводники, векторы э. д. с. которых находятся в противоположных секторах звезды, должны быть включены встречно. Такое включение соответствует повороту векторов э. д. с. проводников на 180 эл. град. При встречном включении проводников, соответствующих векторам, например нечетных секторов звезды, диаграмма приобретает вид, показанный на рис. 16-11, б. В каждой фазе э. д. с. равна сумме векторов э. д. с, наведенных в проводниках этой фазы, а взаимный сдвиг во времени э. д. с. обмоток фаз равен взаимному сдвигу суммарных векторов э. д. с. проводников фаз. При составлении схемы обмотки указанным способом взаимный сдвиг между э. д. с. обмоток фаз получается равным 120 эл. град. На рис. 16-12 показана схема однослойной обмотки, соответствующая звезде векторов пазовых э. д. с. на рис. 16-11, б.
В каждом секторе звезды рис. 16-11, а имеется q лучей, на которых располагаются векторы пазовых э. д. с. Двум полюсным делениям, или 360 эл. град, соответствуют 6q пазов, а значит, и 6q векторов звезды. Следовательно, в пределах одного полюсного деления каждой фазе соответствуют q пазов, расположенных в пределах угла 60 эл. град. Такие обмотки называют обмотками с 60-градусной фазной зоной. Помимо обмоток с 60-градусной фазной зоной встречаются трехфазные обмотки со 120-градусной фазной зоной, а также обмотки с неравновеликими фазными зонами. Однако наиболее употребительными являются обмотки с 60-градусной фазной зоной, имеющие максимальный коэффициент распределения для основной гармонической магнитного поля или н. с.
Рис. 16-11. Звезда векторов пазовых э. д. с. обмотки: Z=48, 2р=8.
Рис. 16-12. Схема однослойной концентрической трехплоскостной обмотки: Z=48, 2р=8, m=3, q=2.
5. Однослойные обмотки.
Из множества типов однослойных трехфазных обмоток наибольшее распространение получили трехплоскостные концентрические обмотки (рис. 16-12). Обмотка каждой фазы образуется из p катушечных групп; в группу входят q концентрически расположенных катушек различного шага. Лобовые части катушек одной фазы располагаются в одной плоскости; в трехфазной обмотке лобовые части фаз располагаются в трех плоскостях. Полное число катушек обмотки равно 1 /2Z = pqm. При нечетном числе q шаг средней катушки катушечной группы равен τ , шаги внутренних катушек меньше τ , а шаги внешних катушек больше τ . При четном числе q одна половина катушек имеет шаги, меньшие τ , а вторая половина катушек — большие τ .
Катушки одной катушечной группы включаются согласно, так что ток протекает в них в одном направлении. Соседние катушечные группы фазы включаются в схему обмотки согласно, т. е. ток протекает во всех катушечных группах в одном направлении (например, от начала катушечной группы к ее концу). При последовательном соединении катушечных групп фазы начало катушечной группы, расположенной внутри фазы, соединяется с концом предыдущей группы, а конец — с началом последующей группы. При параллельном соединении катушечных групп отдельно соединяются их начала и концы.
При последовательном включении всех катушечных групп фазы она имеет одну параллельную ветвь (а=1). Максимально возможное число параллельных ветвей равно числу катушечных групп фазы (а макс = р). При числе (и не являющемся простым числом) возможно последовательно-параллельное включение катушечных групп, при котором 1Схема обмотки может быть составлена по звезде векторов пазовых э. д. с. Для трехфазной обмотки на рис. 16-12 звезда векторов пазовых э. д. с. построена на рис. 16-11. Распределение пазов по фазам производится в соответствии с п. 4. На рис. 16-12, a показана схема обмотки при а = 2, на рис. 16-12, б — схема фазы В при а= 1 , на рис. 16-12, в — схема фазы В при а макс =р=4.
Катушечные группы в концентрических обмотках образуются из катушек, шаги которых не равны друг другу и в общем случае не равны τ . Однако результирующие кривые н. с. обмотки имеют точно такой же вид, как и кривые н. с. обмотки с полным шагом у=τ всех катушек. Поэтому концентрические обмотки в электромагнитном отношении являются обмотками с полным шагом (для всех гармонических н. с. и поля коэффициент укорочения шага ).
Трехплоскостные концентрические обмотки типа обмотки рис. 16-12 применены в асинхронных электродвигателях единых серий А и А2 (и их модификациях) 1-го — 4-го габаритов.
Особенность концентрических обмоток заключается в том, что вследствие различия размеров катушек отдельных фаз сопротивления фаз получаются различными. В этом смысле концентрические обмотки являются несимметричными. Имеются различные типы однослойных обмоток с равными сопротивлениями фаз, которые, однако, по ряду причин распространения не получили.
6. Двухслойные петлевые обмотки с целым числом q.
Применяются для статоров многофазных асинхронных и синхронных машин средней и большой мощности (примерно выше 4 кВт), а также для роторов асинхронных двигателей с контактными кольцами средней мощности (3-100 кВт). Каждая фаза обмотки образуется из 2р одинаковых катушечных групп; в группу входят q катушек (рис. 16-13). Катушки всех фаз имеют одинаковые формы и размеры. Полное число катушек обмотки равно Z=2pqm. Статорные обмотки имеют укороченный шаг; обычно выбирают , чтобы существенно ослабить 5-ю и 7-ю гармонические магнитного поля обмотки. Роторные обмотки чаще выполняются с полным шагом у=τ .
Катушки катушечной группы включаются согласно. Соседние катушечные группы фазы включаются в схему обмотки встречно, т. е. так, что ток в соседних катушечных группах протекает в противоположных направлениях (если смотреть по схеме обмотки, то направление тока в соседних катушечных группах фазы чередуется: по часовой стрелке — против часовой стрелки — по часовой стрелке и т. д.).
На полюсном делении стержни одной фазы занимают в каждом пазовом слое (верхнем или нижнем) по q соседних пазов, составляющих фазную зону обмотки. Соседние фазные зоны фазы обмотки в каждом слое взаимно смещены на τ . Фазная зона одного пазового слоя обмотки смещена относительно ближайшей одноименной фазной зоны другого слоя на величину укорочения шага τ -у.
Схема обмотки может быть составлена на основе звезды векторов пазовых э. д. с. или звезды векторов катушечных э. д. с. Будем нумеровать катушки трехфазной обмотки (рис. 16-13, а) номерами пазов, в которых расположены левые катушечные стороны. В соседних катушках э. д. с. взаимно сдвинуты по фазе на угол . На рис. 16-13,6 построена звезда векторов катушечных э. д. с. Для распределения катушек по фазам обмотки с 60-градусной фазной зоной надо поступить в соответствии с п. 4, помня, что теперь каждый вектор звезды изображает не пазовую, но катушечную э. д. с.
Соседние катушечные зоны фазы взаимно сдвинуты в магнитном поле основной гармонической на 180 эл. град и поэтому включаются встречно. Формирование параллельных ветвей двухслойной обмотки с целым числом q производят так же, как и у однослойной обмотки (см. п. 5). Разница заключается лишь в том, что в двухслойной обмотке всегда (независимо от числа, q) а макс = 2р. Последовательно-параллельное включение катушечных групп возможно при .
Все фазы обмотки имеют одинаковые схемы соединений и взаимно сдвинуты в пространстве на 120 эл. град или на 2τ /3.
Двухслойные петлевые обмотки типа обмотки рис. 16-13 применены на статорах асинхронных двигателей единых серий А и А2 (и их модификациях) 5-го и больших габаритов, асинхронных двигателей средней и большой мощности практически всех других отечественных серий, а также синхронных генераторов единых серий ЕСС и ЕССМ и в большинстве отечественных турбогенераторов.
Рис. 16-13. Схема двухслойной петлевой обмотки: Z=36, 2р=4, m=3, q=3.
7. Двухслойные волновые обмотки с целым числом q.
Применяются в основном для роторов асинхронных двигателей с контактными кольцами средней и большой мощности (примерно выше 40 кВт). В этом случае они выполняются в виде стержневых обмоток с двумя стержнями в пазу (один виток в катушке). Преимущественное применение обмоток для роторов асинхронных двигателей объясняется тем, что поскольку роторные обмотки не присоединяются к сети, их расчетные напряжения можно изменять в значительных пределах, так что нет необходимости строго подбирать определенное число витков фазы. Вместе с тем обмотки стержневого типа, изготовленные из массивных медных стержней, имеют более жесткие лобовые части и соединения, которые легче надежно защитить от действия центробежных сил, чем лобовые части катушечных обмоток. Кроме того, роторы с волновой обмоткой стержневого типа надежнее, так как имеют меньше соединительных перемычек между катушками и легче балансируются.
Два соединенных друг с другом в лобовых частях стержня, взаимно смещенных на полюсное деление, один из которых лежит в верхней части одного паза, а другой- в нижней, части второго паза, образуют катушку.
В волновых обмотках (рис. 16-14) различают первый (задний) частичный шаг у 1 — расстояние между сторонами одной катушки и второй (передний) частичный шаг у 2 — расстояние между следующими друг за другом сторонами двух катушек. Под шагом волновой обмотки понимается расстояние , т. е. расстояние между двумя следующими друг за другом катушками. Первый частичный шаг всегда , второй шаг также и только в конце обхода сердечника .
На полюсном делении стержни одной фазы занимают в каждом пазовом слое по q соседних пазов, составляющих фазную зону обмотки. Взаимный сдвиг фазных зон такой же, как и у петлевых обмоток с целым числом q (п. 6).
Схема обмотки может быть составлена на основе звезды векторов пазовых э. д. с. или катушечных э. д. с. При составлении схемы трехфазной обмотки (рис. 16-14, а) будем обозначать катушки номерами пазов, в которых расположены левые катушечные стороны.
На рис. 16-14, б построена звезда векторов катушечных э. д. с. для обмотки по рис. 16-14, а; э. д. с. соседних катушек взаимно сдвинуты по фазе на угол .
При формировании фазы А обмотки за начальную примем катушку 1. Конец катушки К1 следует соединить с началом Н19 катушки 19 (смещенной относительно катушки 1 на у= 2τ ), конец этой катушки с началом катушки 36 и т. д. Таким образом в фазу обмотки включаются согласно катушки, взаимно смещенные на 2τ . Пройдя p катушек, совершим один полный обход сердечника. Далее нужно совершить второй и последующие обходы, всего q обходов в одном направлении. Чтобы обмотка не замкнулась сама на себя в конце обхода, расстояние между последней катушкой предыдущего обхода (например, катушкой 19) и первой катушкой второго обхода (катушкой 36) должно быть взято не 2τ , а 2τ -1 (укороченный переход — см. рис. 16-14, а) или 2τ +1 (удлиненный переход). Совершив q обходов, получим первую часть обмотки AI -XI. Каждая фаза обмотки состоит из двух частей, соединенных между собой.
Вторая часть обмотки фазы составляется таким же образом, как и первая, но -за исходную нужно взять катушку 28, смещенную относительно исходной катушки 1 первой части обмотки на τ . Началом А II второй части обмотки фазы является начало катушки 28, а концом К II — конец катушки 8.
Обе части обмотки AI -XI и А II -XI I включаются встречно, так что обтекаются током в противоположных направлениях. При числе параллельных ветвей а = 1 конец XI первой части обмотки соединяется с концом XII второй части обмотки перемычкой. Начало же AI первой части обмотки является началом А фазы, а начало А II второй части обмотки — концом X фазы. Если передвигаться по обмотке фазы от ее начала А к концу X, то первая часть обмотки (до перемычки) обходится в одном направлении, а вторая (после перемычки) — в противоположном направлении. Все три фазы обмотки имеют только три соединительные перемычки. При числе параллельных ветвей а = 2 конец AI соединяв ется с концом XII, а конец А II — с концом XI.
Две другие фазы обмотки (на рис. 16-14 не показаны) формируются так же, как и фаза А-X.
Если число p не делится на 3, то выводные концы обмоток фаз можно расположить симметрично, с взаимным сдвигом на 1/3 окружности сердечника (см. рис. 16-14), что важно в отношении балансировки ротора. Если же число p кратно 3, то начала фаз взаимно сдвигают на углы 120 и 240 эл. град или эквивалентные им углы .
Рис. 16-14. Схема двухслойной волновой обмотки: Z=36, 2р=4, m=3, q=3.
8. Двухслойные петлевые обмотки с дробным числом q.
Применяются в основном для статоров мощных многополюсных синхронных генераторов, так как позволяют в отличие от обмоток с целым числом q получить кривую э. д. с. практически синусоидальной формы. Очень редко применяются и для статоров асинхронных двигателей, когда один штамп используется для изготовления листов сердечников двигателей с двумя различными числами полюсов, при одном из которых число q оказывается дробным.
Полное число катушек обмотки равно Z=2pqm. Все катушки имеют одинаковые размеры.
Дробное число q можно представить в виде q=b+c / d, где b — целое число, c/d — правильная несократимая дробь. При (обычно применяются только такие обмотки) каждая фаза, как и в случае целого числа q, содержит 2р катушечных групп. Полное число катушек в фазе 2pq.
Число d, называемое «знаменателем дробности», равно числу полюсных делений, на протяжении которых располагается повторяющаяся по своей структуре часть обмотки. Вся обмотка состоит из 2p/d одинаковых по своей структуре частей. При четном числе d обмотка состоит из 2p/d, а при нечетном числе d — из p/d одинаковых частей, повторяющихся по своему расположению в магнитном поле основной гармонической. Такую повторяющуюся часть обмотки называют «первоначальной обмоткой» . «Первоначальная обмотка» размещается в Z’=Z/t пазах и ей соответствуют р’=р/ t пар полюсов, где t — общий наибольший делитель чисел Z и р.
Особенность обмоток с дробным числом q заключается в том, что они состоят из катушечных групп с различным числом катушек: в «малых» группах по b катушек, в «больших» — по b+1 катушек. Эти группы чередуются в определенном порядке в зависимости от дробной части числа q. Знаменатель дробности d равен числу катушечных групп всех фаз обмотки, через которое повторяется чередование «малых» и «больших» групп. В одном «чередовании» обмотки из d катушечныхгрупп имеется d — с «малых» и с «больших» групп. Каждому полюсному делению соответствует одна катушечная группа фазы (при q> 1 ). Полное число катушечных групп трехфазной обмотки 6р. Число «чередований» всей обмотки 6 р/d. (При b = 0 обмотка состоит только из «больших» групп по одной катушке в каждой ).
Условия симметрии обмотки:
1 . 2p/d равно целому числу;
2. d / m равно дробному числу (знаменатель дробности d не должен быть кратен числу фаз).
Максимальное число параллельных ветвей обмотки фазы а макс = 2р/ d Любое возможное меньшее число параллельных ветвей а определяется из условия: 2p/ad равно целому числу.
Схема обмотки может быть составлена, как и схема обмотки с целым числом q (п. 6), при помощи звезды векторов катушечных э. д. с. На рис. 16-15,6 построена звезда векторов катушечных э. д. с. трехфазной обмотки по рис. 16-15га. Катушки, векторы э. д. с. которых располагаются в противоположных 60-градусных секторах звезды, образуют одну фазу. Катушки одного сектора включаются согласно друг с другом, а катушки противоположных секторов — встречно. За начальную катушку обмотки фазы может быть выбрана любая катушка, принадлежащая фазе.
Способ составления схемы дробной обмотки по звезде векторов катушечных э. д. с. при больших числах d оказывается громоздким. Предложены другие способы составления схемы обмотки. Один из простых способов заключается в следующем.
1. Определяются числа катушек в «малой» группе b и в «большей» группе b + 1.
2. Записывается ряд из с чисел:
Каждое дробное число заменяется ближайшим большим целым числом и в результате получается ряд из с чисел:
Этот ряд чисел указывает номера «больших» групп в порядке следования катушечных групп всех фаз вдоль окружности сердечника для одного «чередования» обмотки.
3. Начиная с произвольной исходной катушки составляются «малых» катушечных групп по b катушек в каждой. Следующая катушечная группа — «большая» — состоит из b +1 катушек. Далее аналогичным образом формируются следующие катушечные группы; группы с номерами N 2 , N 3 , …, d — «большие», остальные группы — «малые». В таком же порядке составляются еще 2 «чередования» обмотки (имеется в виду трехфазная обмотка).
4. Составляются схемы обмоток фаз. В одну фазу включается каждая третья катушечная группа. Соседние катушечные группы включаются встречно.
Пример. Z = 57, 2р=8; m= 3; (b=2; c=3; d=8).
Число катушечных групп в первоначальной обмотке
3d = 3 Ч 8 = 24.
Число катушек в «малых» группах
b = 2.
в «больших» группах
b + 1=3.
2±=5-L
Номера «больших» катушечных групп в одном чередовании определяются рядом чисел
после округления дробных чисел до ближайших больших целых чисел: 3; 6; 8.
Число «чередований» всей обмотки
Распределение катушечных групп вдоль окружности якоря (цифра указывает число катушек в катушечной группе; чертой разделены «чередования» ):
22322323 | 22322323 | 22322323.
9. Двухслойные волновые обмотки с дробным числом q.
Применяются в основном для статоров мощных синхронных гидрогенераторов в тех случаях, когда по некоторым соображениям, главным образом экономическим и технологическим, они более целесообразны, чем петлевые обмотки с дробным числом q. При знаменателе дробности d=2 они применяются также для роторов асинхронных двигателей с контактными кольцами, когда один штамп используется для изготовления листов сердечников двигателей с различными числами полюсов, при одном из которых число q оказывается дробным. Двухслойные волновые обмотки с дробным числом q выполняются стержневыми.
Условия симметрии и способы составления параллельных ветвей для волновой дробной обмотки такие же, как и для петлевой дробной обмотки (см. п. 8).
Схема обмотки может быть составлена при помощи звезды катушечных э. д. с. Первый частичный шаг у 1 не может быть равен τ . Его выбирают либо укороченным ( у 1 < τ ), либо удлиненным ( у 1 >τ ).
В обмотках гидрогенераторов обычно отношение у 1 / τ при у 1 < τ выбирают примерно равным 0,8.
Как и для петлевых дробных обмоток, разработаны различные способы составления схем волновых дробных обмоток без использования звезды векторов катушечных э.д.с.
Рис. 16-15. Схема двухслойной петлевой обмотки: Z=27, 2р=8, m=3, a=1 1/8.
Обмотки возбуждения синхронных машин
Явнополюсные машины. Обмотка возбуждения образуется из 2р последовательно соединенных одинаковых катушек (рис. 16-16). Все витки каждой катушки охватывают один полюс (сосредоточенная обмотка). Соседние катушки включаются в схему обмотки встречно, т. е. так, что обтекаются током в противоположных направлениях. Все катушки обычно наматываются в одном направлении, например по часовой стрелке. Изменение направления тока в них достигается соединением конца верхнего витка (В) катушки с концом верхнего витка одной соседней катушки, а конца нижнего витка (Н) — с концом нижнего витка другой соседней катушки.
Не явнополюсные машины. Обмотка возбуждения образуется из последовательно соединенных одинаковых групп концентрических катушек различной ширины и длины (рис.; 16-17). Магнитный поток возбуждения одной полярности создается катушками одной группы, распределенными в различных пазах (распределенная обмотка). Катушка состоит из нескольких витков. Катушки одной группы включаются согласно. Число — катушек в группе обычно 5-9. Соединения между катушками одной группы чаще выполняются из верхнего витка одной катушки к нижнему витку другой. Соединения между катушками двух групп (разных полюсов) выполняются по верхним виткам.
Рис. 16-16. Схема обмотки возбуждения явнополюсной синхронной машины.
Рис, 16-17. Схема обмотки возбуждения неявнополюсной синхронной машины.
Статор генератора: рождающий ток
Каждое современное транспортное средство оснащается электрическим генератором, который вырабатывает ток для работы бортовой электросистемы и всех ее приборов. Одна из основных частей генератора — неподвижный статор. О том, что такое статор генератора, как он устроен и работает — читайте в этой статье.
Назначение статора генератора
В современных автомобилях и других транспортных средствах применяются синхронные трехфазные генераторы переменного тока с самовозбуждением. Типичный генератор состоит из неподвижного статора, закрепленного в корпусе, ротора с обмоткой возбуждения, щеточного узла (подводящего ток к обмотке возбуждения) и выпрямительного блока. Все детали собраны в относительно компактную конструкцию, которая монтируется на двигателе и имеет ременной привод от коленчатого вала.
Статор — неподвижная часть автомобильного генератора, несущая на себе рабочую обмотку. В процессе работы генератора именно в обмотках статора возникает электрический ток, который преобразуется (выпрямляется) и подается в бортовую сеть.
Статор генератора имеет несколько функций:
• Несет на себе рабочую обмотку, в которой генерируется электрический ток;
• Выполняет функцию корпусной детали для размещения рабочей обмотки;
• Играет роль магнитопровода для повышения индуктивности рабочей обмотки и правильного распределения силовых линий магнитного поля;
• Выступает в роли теплоотвода — отводит чрезмерное тепло от нагревающихся обмоток.
Все статоры имеют принципиально одинаковую конструкцию и не отличаются разнообразием типов.
Конструкция статора генератора
Конструктивно статор состоит из трех основных частей:
• Кольцевой сердечник;
• Рабочая обмотка (обмотки);
• Изоляция обмоток.
Сердечник собирается из железных кольцевых пластин с пазами с внутренней стороны. Из пластин формируется пакет, жесткость и монолитность конструкции придается сваркой или клепкой. В сердечнике выполняются пазы для укладки обмоток, а каждый выступ — это ярмо (сердечник) для витков обмотки. Сердечник собирается из пластин толщиной 0,8-1 мм, изготовленных из специальных марок железа или ферросплавов с определенной магнитной проницаемостью. На внешней стороне статора могут присутствовать ребра для улучшения отвода тепла, а также выполняться различные пазы или углубления для стыковки с корпусом генератора.
В трехфазных генераторах используется три обмотки — по одной на фазу. Каждая обмотка изготавливается из медного изолированного провода большого сечения (диаметром от 0,9 до 2 мм и более), которая в определенном порядке укладывается в пазах сердечника. Обмотки имеют выводы, с которых снимается переменный ток, обычно число выводов составляет три или четыре, но бывают статоры с шестью выводами (каждая из трех обмоток имеет свои выводы для выполнения соединений того или иного типа).
В пазах сердечника располагается изоляционный материал, защищающий изоляцию провода от повреждения. Также в некоторых типах статоров в пазы могут вкладываться изоляционные клинья, которые дополнительно выполняют роль фиксатора витков обмоток. Статор в сборе дополнительно может подвергаться пропитке эпоксидными смолами или лаками, что обеспечивает целостность конструкции (предотвращает сдвиг витков) и улучшает ее электроизоляционные свойства.
Статор жестко монтируется в корпусе генератора, причем сегодня чаще всего используется конструкция, в которой сердечник статора выполняет роль корпусной детали. Реализуется это просто: статор зажимается между двумя крышками корпуса генератора, которые стягиваются шпильками — такой «сэндвич» позволяет создавать компактные конструкции с эффективным охлаждением и простотой обслуживания. Популярностью пользуется и конструкция, при которой статор объединен с передней крышкой генератора, а задняя крышка выполнена съемной и обеспечивает доступ к ротору, статору и другим деталям.
Типы и характеристики статоров
Статоры генераторов отличаются числом и формой пазов, схемой укладки обмоток в пазах, схемой подключения обмоток и электрическими характеристиками.
По числу пазов под витки обмоток статоры бывают двух типов:
• С 18 пазами;
• С 36 пазами.
Сегодня наиболее часто используется конструкция с 36 пазами, так как она обеспечивает лучшие электрические характеристики. Генераторы со статорами с 18 пазами сегодня можно встретить на некоторых отечественных автомобилях ранних выпусков.
По форме пазов статоры бывают трех типов:
• С открытыми пазами — пазы прямоугольного сечения, в них требуется дополнительная фиксация витков обмоток;
• С полузакрытыми (клиновидными) пазами — пазы суживаются кверху, поэтому витки обмоток фиксируются вставкой изоляционных клиньев или кембриков (трубок из ПВХ);
• С полузакрытыми пазами для обмоток с одновитковыми катушками — пазы имеют сложное сечение под укладку одного или двух витков провода большого диаметра или провода в виде широкой ленты.
По схеме укладки обмоток статоры бывают трех типов:
• С петлевой (петлевой распределенной) схемой — провод каждой обмотки укладывается в пазы сердечника петлями (обычно один виток укладывается с шагом в два паза, в эти пазы укладываются витки второй и третьей обмоток — так обмотки приобретают сдвиг, необходимый для генерации трехфазного переменного тока);
• С волновой сосредоточенной схемой — провод каждой обмотки укладываются в пазы волнами, обходя их то с одной, то с другой стороны, причем в каждом пазу лежит по два витка одной обмотки, направленных в одну сторону;
• С волновой распределенной схемой — провод также укладывается волнами, однако витки одной обмотки в пазах направлены в разные стороны.
При любом типе укладки каждая обмотка имеет шесть витков, распределенных по сердечнику.
Независимо от способа укладки провода, существует две схемы соединения обмоток:
• «Звезда» — в этом случае обмотки соединены параллельно (концы всех трех обмоток соединены в одной (нулевой) точке, а их начальные выводы свободны);
• «Треугольник» — в этом случае обмотки соединены последовательно (начало одной обмотки с концом другой).
При соединении обмоток «звездой» наблюдается более высокий ток, данная схема применяется на генераторах мощностью не более 1000 Вт, которые эффективно работаю на малых оборотах. При соединении обмоток «треугольником» ток снижается (в 1,7 раз относительно «звезды»), однако генераторы с такой схемой подключения лучше работают на высоких мощностях, а для их обмоток можно использовать проводник меньшего сечения.
Часто вместо «треугольника» используется схема «двойная звезда», в этом случае статор должен иметь уже не три, а шесть обмоток — по три обмотки соединяются «звездой», и две «звезды» подключаются к нагрузке параллельно.
Что касается характеристик, то для статоров наибольшее значение имеет номинальное напряжение, мощность и номинальный ток в обмотках. По номинальному напряжению статоры (и генераторы) делятся на две группы:
• С напряжением в обмотках 14 В — для транспортных средств с напряжением бортовой сети 12 В;
• С напряжением в обмотках 28 В — для техники с напряжением бортовой сети 24 В.
Генератор вырабатывает более высокое напряжение, так как в выпрямителе и стабилизаторе неизбежно происходит падение напряжения, а на входе в бортовую электросеть наблюдается уже нормальное напряжение в 12 или 24 В.
Большинство генераторов для автомобилей, тракторов, автобусов и прочей техники имеет номинальный ток от 20 до 60 А, для легковых автомобилей достаточно 30-35 А, для грузовиков — 50-60 А, для тяжелой техники выпускаются генераторы с током до 150 и более А. При этом мощность генераторов колеблется от 400 до 2500 Вт.
Принцип работы статора генератора
Работа статора и всего генератора основана на явлении электромагнитной индукции — возникновении тока в проводнике, который движется в магнитном поле или покоится в переменном магнитном поле. В автомобильных генераторах используется второй принцип — проводник, в котором возникает ток, покоится, а магнитное поле постоянно изменяется (вращается).
При запуске двигателя ротор генератора начинает вращаться, одновременно на его возбуждающую обмотку подается напряжение от аккумуляторной батареи. Ротор имеет многополюсный стальной сердечник, который при подаче тока на обмотку становится электромагнитом, соответственно, вращающийся ротор создает переменное магнитное поле. Силовые линии этого поля пересекают статор, расположенный вокруг ротора. Сердечник статора определенным образом распределяет магнитное поле, его силовые линии пересекают витки рабочих обмоток — в них за счет электромагнитной индукции генерируется ток, который снимается с выводов обмотки, поступает на выпрямитель, стабилизатор и в бортовую сеть.
При увеличении оборотов двигателя часть тока от рабочей обмотки статора подается на обмотку возбуждения ротора — так генератор переходит в режим самовозбуждения и уже не нуждается в стороннем источнике тока.
В процессе работы статор генератора испытывает нагрев и электрические нагрузки, также он подвергается негативным воздействиям окружающей среды. Это с течением времени может привести к ухудшению изоляции между обмотками и электрическому пробою. В данном случае статор нуждается в ремонте или полной замене. При регулярном техническом обслуживании и своевременной замене статора генератор будет служить надежно, стабильно обеспечивая автомобиль электрической энергией.
Другие статьи
#Омывающие жидкости
29.09.2023 | Статьи о запасных частях
Зима и лето, два полюса, между которыми меняется весь наш мир. И в этом мире существуют омывающие жидкости — помощники, которые обеспечивают нашу безопасность на дороге. В этой статье мы окунемся в мир омывающих жидкостей и узнаем, какие они бывают, от чего зависит их температура замерзания и как их правильно выбрать.
#Рассухариватель клапанов
21.06.2023 | Статьи о запасных частях
Замена клапанов двигателя внутреннего сгорания затрудняется необходимостью съема сухарей — для этой операции используются специальные рассухариватели клапанов. Все об этом инструменте, его существующих типах, конструкции и принципе действия, а также о его выборе и применении читайте в данной статье.
#Переключатель света с регулировкой шкалы
14.06.2023 | Статьи о запасных частях
Во многих отечественных автомобилях ранних выпусков широко использовались центральные переключатели света с реостатом, позволяющим регулировать яркость подсветки приборов. Все о данных устройствах, их существующих типах, конструкции, работе, а также об их правильном выборе и замене читайте в статье.
#Пластина распределителя зажигания
07.06.2023 | Статьи о запасных частях
Одной из основных деталей распределителя зажигания является опорная пластина, отвечающая за функционирование прерывателя. Все о пластинах прерывателя, их существующих типах и конструктивных особенностях, а также о подборе, замене и регулировках данных компонентов подробно рассказано в данной статье.
Общие сведения об электрических машинах — Обмотки барабанных якорей
Простейшим элементом обмотки барабанного якоря, как и в машинах переменного тока, является виток, следующим — секция (катушка). Концы секции присоединяют к коллекторным пластинам. Как и в обмотках переменного тока, катушкой называют также часть обмотки, состоящую из нескольких секций, уложенных одними и другими сторонами соответственно в двух общих пазах и имеющих общую изоляцию относительно стенок паза.
В машине постоянного тока обмотки якорей, как правило, замкнутые. Любая параллельная ветвь не состоит из определенных входящих в ее состав секций. Непрерывно при вращении якоря из параллельной ветви секции, перекрываемые щетками коллектора, выходят и взамен их входят секции из соседней параллельной ветви, также пройдя процесс перекрытия их щетками. Это видно на примере кольцевого якоря (см. рис. 258).
Параллельная ветвь как часть замкнутой обмотки должна оставаться неизменной, и при таком способе ее образования все секции, из которых состоит замкнутая обмотка, должны быть одинаковы, к чему обычно и стремятся. Одинаковые секции на якоре цилиндрического типа легче выполнить при укладке сторон каждой секции в двух слоях по высоте паза: одну секционную сторону (условно, например, левую) в верхнем, другую (условно правую) в нижнем слое (рис. 267). Переход из одного слоя в другой делают посредине лобовой части, выполняя это так, как показано на рисунке.
Двухслойные обмотки введены в практику машин постоянного тока еще в 1882 г. Э. Вестоном и в настоящее время практически являются единственно применяемыми.
Разомкнутые обмотки машин переменного тока в принципе проще замкнутых обмоток постоянного тока, и для уяснения основ их конструирования достаточно было логических рассуждений на базе двух положений — закона наибольшей э. д. с. и закона чередования фаз. Для замкнутых обмоток постоянного тока логических рассуждений, как правило, недостаточно, и приходится прибегать к формулам, использование которых облегчает конструирование схем обмоток.
Вводим следующие обозначения:
N — число активных проводников обмотки якоря, S — число секций, wc — число витков в секции, К — число коллекторных пластин, sn — число секционных сторон в пазу в слое, Z — число пазов.
Эти величины связаны между собой следующими соотношениями:
= S, поскольку каждый виток состоит из двух активных проводников; S=K, поскольку в замкнутой обмотке конец секции предыдущей по ходу обмотки является в то же время началом следующей секции; S — Zsn, поскольку каждая секция имеет две активных стороны и обмотка в пазах уложена именно в два слоя.
Рис. 267. Катушка, уложенная в пазы.
Для величины sn характерно следующее. При sn=l пазы узкие, увеличивается число пазов и зубцов по окружности якоря, зубцы, в свою очередь, получаются тонкими. Между тем известно, что электромагнитные силы, действующие на якорь, приложены в основном к зубцам, к их боковым стенкам, а непосредственно на проводники в пазу действуют небольшие силы.
Зубцы могут оказаться недостаточно прочными. Увеличение sn ведет к уширению паза, усилению провалов к кривой поля воздушного зазора и увеличению зубцовых гармоник э. д. с. Исходя из сказанного, берут 5 >sn> 1, чаще sn = = 2н-3.
Типы обмоток
К основным типам обмоток машин постоянного тока относятся петлевые и волновые. Они могут быть простыми и сложными. Наименование типа происходит от внешнего очертания контуров, образуемых идущими друг за другом по ходу обмотки секциями, и от того, как секции присоединены к коллекторным пластинам.
На рисунке 268, а показана часть петлевой обмотки; после того как секция уложена в пазы, следующая по ходу обмотки секция начинается со стороны, расположенной под тем же полюсом, где начиналась предыдущая секция.
Введем понятие шагов: первым частичным шагом у1 называется кратчайшее расстояние между сторонами одной и той же секции, вторым частичным шагом у2 — расстояние от конечной стороны предшествующей секции до начальной стороны следующей по ходу обмотки секции, результирующим шагом у называется расстояние между начальными сторонами двух соседних по ходу обмотки секций.
Выполнение части обмотки, представленной на рисунке 268, а, можно сформулировать так: после шага у1 вперед следует шаг у2 назад, затем снова вперед и т. д. Контурное очертание принимает характер петель, следующих друг за другом, откуда и получается наименование типа обмотки. Соотношение между шагами петлевой обмотки получается таким:
(325)
Обмотка, часть которой показана на рисунке 268, а, называется правоходовой, так как при укладке секций этой обмотки происходит перемещение вправо по якорю, при этом у1>у2. При у2>у1 передвижение будет происходить влево (левоходовая обмотка); из-за несколько большей длины лобовых соединений и их перекрещивания со стороны, прилегающей к коллектору, левоходовые обмотки применяются редко.
На рисунке 268, б дана часть волновой обмотки. Следующая по ходу обмотки секция начинается под одноименным, но другим полюсом, то есть, сделав первый частичный шаг у1 вперед, второй частичный шаг у2 нужно выполнять, также продвигаясь вперед. Соотношение между шагами волновой обмотки таково:
(326)
В настоящее время наиболее часто принято измерять шаги числом пропущенных элементарных пазов. Под элементарным пазом понимается условный паз с двумя секционными сторонами, расположенными одна над другой.
Рис. 268. Элементы петлевой (а) и волновой (б) обмоток.
Рис. 269. Элементарные пазы:
(327)
а—один элементарный паз; б—два элементарных паза; в — три элементарных паза.
Реальный паз при таком понимании элементарного паза будет распадаться на столько элементарных, сколько секционных сторон имеется в каждом его слое (рис. 269), и, следовательно, общее число элементарных пазов.
Введем понятие коллекторного шага или шага по коллектору ук, понимая под этим расстояние между начальными сторонами двух соседних по ходу обмотки секций, но взятое по коллектору. Шаг по коллектору измеряется числом пропущенных коллекторных пластин. Из выражения (327) следует, что в таком случае
(328)
Проводники обмотки якоря выполняют из меди, в некоторых случаях из чистого алюминия. В машинах постоянного тока общего применения обычно используется изоляция класса нагревостойкости А, Е и В. Изоляция класса В целесообразна в машинах большой мощности, при повышенных температурах окружающей среды и частых перегрузках применяется изоляция класса F, наконец, при особо тяжелых условиях работы (например, крановые установки, электрическая тяга, угольные шахты, металлургические заводы, на кораблях и др.) применяется изоляция класса Н.
Медь занимает в пазах 30—45% площади сечения, изоляционные материалы — 35—40%, остальная часть занята материалами крепления. Уменьшение толщины изоляции на 20—30% дает увеличение объема меди в активной части машины; становится возможным увеличить мощность машины почти в том же соотношении или несколько уменьшить габариты. Применение более нагревостойких изоляционных материалов также позволяет снизить габариты и вес машины за счет повышения электромагнитных нагрузок.