Какому основному требованию должна соответствовать трехфазная обмотка машины переменного тока

Обмотки машин переменного тока

Из машин переменного тока в настоящее время наибольшее распространение получили асинхронные двигатели и синхронные генераторы и двигатели. Коллекторные машины переменного тока применяются значительно реже.

Так же как и обмотки машин постоянного тока, обмотки машин переменного тока представляют собой определенное число проводников, расположенных в статоре или роторе. По способу соединения проводников в катушки обмотки разделяются на пете-левые и волновые.

В отличие от обмоток якоря машин постоянного тока обмотки статоров машин переменного тока являются незамкнутыми. В трехфазных машинах они состоят из трех отдельных частей (фаз), которые с помощью дополнительных проводов соединяются между собой звездой или треугольником.

Кроме общих требований, которые предъявляются и к обмоткам машин постоянного тока, как-то: наименьший расход меди, наименьший вылет лобовых частей, удобство в изготовлении и в ремонте и т. п., к обмоткам статора предъявляется ряд специфических требований, из которых здесь рассмотрим только два основных.

Согласно ГОСТ 183—66, напряжение на зажимах обмотки статора синхронного генератора должно быть по возможности более близким к синусоидальному. Это требование примем за основу при сравнении различных типов обмоток генераторов между собой.

В асинхронных двигателях обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Если это поле распределяется по полюсному шагу несинусоидально, то двигатель работает плохо. Поэтому требование, чтобы обмотка статора создавала синусоидально распределенное магнитное поле, является основным и его можно принять за основу при сравнении различных типов обмоток статоров асинхронных двигателей.

Трехфазные однослойные обмотки статоров синхронных машин

При вращении возбужденного ротора с постоянной скоростью его магнитный поток пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в них переменную э. д. с. При холостом ходе эта э. д. с. равна напряжению на зажимах машины.

Э. д. с. одного проводника

Возьмем двухполюсную машину с полюсами ротора N и S и предположим, что потоки полюсов распределяются в воздушном зазоре синусоидально.

Поместим в один из пазов статора проводник, тогда при вращении ротора со скоростью V в нем будет индуктироваться э. д. с.

— множитель, позволяющий получать э. д. с. в вольтах.

Выше приведенная формула показывает, что если изменение э. д. с. во времени изобразить в виде кривой, то она будет являться копией кривой распределения индукции В поля ротора. Поэтому прежде чем перейти к изучению обмоток, рассмотрим распределение магнитной индукции поля ротора современных синхронных машин.

Кривую распределения магнитной индукции в воздушном зазоре машины в дальнейшем будем называть кривой поля.

Во всех современных синхронных машинах стремятся иметь синусоидальную кривую поля, так как в этом случае получаются меньшие потери и лучше используется магнитный поток полюса.

, где R — радиус расточки статора и б — зазор под серединой башмака.

В неявнополюсных машинах (турбогенераторах) обмотка ротора размещается в его пазах и располагается не по всей окружности ротора, а примерно только на 2/3 ее (рис. 2-2).

Несмотря на эти меры, нельзя быть уверенным, что кривая поля будет синусоидальной. Объясняется это тем, что на распределение поля оказывает влияние магнитное сопротивление не только воздушного зазора между статором и ротором, но и всех остальных участков магнитной цепи: зубцов и спинки статора, сердечников полюсов и обода ротора, а также выполнение крепления полюсов к ободу ротора. Даже в тех случаях, когда можно

пренебречь сопротивлением этих участков, для получения синусоидальной кривой необходимо придавать башмакам полюсов более сложное очертание, а в неявнополюсных машинах применить более сложное распределение проводников по пазам. Поэтому всегда нужно считаться с возможной несинусоидальностью кривой поля.

Кривые поля выполненных синхронных машин обычно имеют следующие характерные особенности: 1) кривые поля различных полюсов одинаковы по форме; 2) кривые поля симметричны относительно осей полюсов; 3) кривая поля имеет более приплюснутый вид, чем синусоида.

Первая особенность объясняется тем, что при тщательном выполнении машины магнитная цепь каждого полюса получается совершенно одинаковой.

Если говорят, что кривая симметрична относительно какой-нибудь оси, то это указывает на равенство ординат в точках кривой, одинаково удаленных от этой оси.

Предположим, что статор выполнен гладким, т. е. без пазов, тогда кривая поля изобразится кривой С (рис 2-3).

то кривая является симметричной относительно оси полюса. Эта симметрия объясняется тем, что магнитная цепь между каждыми двумя соседними полюсами ротора одинакова. Поэтому каждая половина магнитного потока полюса, замыкаясь через соседний полюс, встречает одно и то же магнитное сопротивление.

Приплюснутый вид кривой поля вызывается насыщением магнитной цепи машины. Действительно, при насыщенной магнитной

цепи магнитное сопротивление в стали становится более заметным в общем магнитном сопротивлении, чем при менее насыщеной машине.

Выше мы выяснили, что кривая э. д. с является копией кривой поля. При соответствующем подборе масштаба для э. д. с. кривая поля может одновременно служить кривой изменения э. д. с. проводника (см. рис. 2-3). Кривая поля (С) может служить и кривой э. д. с, которая изменяется по сложной несинусоидальной форме. Пользоваться такой кривой крайне затруднительно.

Поэтому действительную кривую распределения магнитного поля заменяют рядом синусоидальных кривых, должным образом подобранных по амплитуде и периоду, э. д. с. проводника определяют как сумму э. д. с., индуктированных в проводнике синусоидальными составляющими поля, что особенно удобно при изучении работы машины.

В теории синхронных машин доказывается, что распределение магнитного поля ротора практически будет соответствовать действительному, если кривую поля С заменить суммой синусоидальных кривых 1, 3, 5 и 7. При этом полюсный шаг поля 1 равен полюсному шагу т полюсов ротора. Полюсные шаги полей 5, 5 и 7 в 5, 5 и 7 раз меньше полюсного шага поля 1. Часто синусоидальные кривые 7, 3, 5 и 7 называют гармоническими составляющими или гармониками поля ротора. Гармоника 1 называется главной, основной или первой, гармоника 3 называется третьей гармоникой, гармоника 5 — пятой и 7 — седьмой.

Складывая гармоники 1,3,5 и 7, получим кривую D, близкую к действительной кривой С. Для более близкого совпадения кривых С и D необходимо, очевидно, взять еще целый ряд гармоник с еще более мелким полюсным шагом.

Как увидим ниже, наличие в статоре зубцов и пазов вносит в кривую поля и в кривую э. д, с. добавочные искажения, так что изображенная на рис. 2-3 кривая поля при сделанных выше оговорках справедлива только при гладком статоре (без пазов).

Источник

Раздел III. Общие вопросы теории машин переменного тока (стр. 1 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4

Раздел III. Общие вопросы теории машин переменного тока

1. Трехфазная обмотка переменного тока

1.1 Предварительные замечания

1.2 Конструктивное исполнение трехфазной обмотки

2. Электродвижущая сила трехфазной обмотки

2.1 Гармонический состав магнитного поля и ЭДС

2.2 ЭДС трехфазной обмотки от основной гармоники магнитного поля

2.2.1 Частота ЭДС в проводнике

2.2.2 ЭДС проводника

2.2.3 ЭДС витка и катушки

2.2.4 ЭДС катушечной группы

2.2.5 ЭДС фазы обмотки

2.2.6 ЭДС трехфазной обмотки

2.3 ЭДС от высших гармоник магнитного поля

2.4 Зубцовые гармоники

3. Магнитодвижущая сила трехфазной обмотки

3.1 Предварительные замечания

3.2. МДС фазы обмотки

3.2.1 МДС витка и катушки

3.2.2 МДС катушечной группы

3.2.3 МДС фазы обмотки

3.3 Разложение пульсирующей волны на сумму двух противоположно вращающихся волн МДС

3.4. МДС трехфазной обмотки

4. Магнитное поле и индуктивные сопротивления трехфазной обмотки

1. Трехфазная обмотка переменного тока

1.1 Предварительные замечания

Машины переменного тока подразделяются на два основных вида: асинхронные и синхронные. Они различаются по принципу действия, по устройству их роторов, но статоры этих машин в подавляющем большинстве случаев имеют одинаковую конструкцию.

Сердечник статора машин переменного тока представляет собой полый цилиндр набранный из изолированных листов электротехнической стали (рис. 1.1а, б). На внутренней цилиндрической поверхности статора имеются пазы, в которых размещается обмотка, отделенная от статора электрической изоляцией. Сердечник с обмоткой закреплен в корпусе.

Рис. 1.1 Сердечник статора: а — кольцевые диски; б — сегменты; в — призматический брус для крепления внутри корпуса машины

Принципиальное отличие конструкции машин переменного тока заключается в том, что обмотка статора представляет трехфазную симметричную уравновешенную систему электрических цепей.

В трехфазной системе действуют синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе и создаваемые общим источником электрической энергии. Отдельные электрические цепи, входящие в состав трехфазной электрической цепи, называются фазами. Число фаз обозначается m = 3. Фазы электрически соединяются друг с другом – «звездой» или «треугольником».

Основным качеством и назначением трехфазной обмотки является возможность при протекании в ней трехфазной симметричной системы токов получения вращающегося синусоидально распределенного в пространстве по внутренней окружности сердечника статора магнитного поля.

Вопросы устройства обмоток статора, наведения в них ЭДС и образования магнитных полей при прохождении по обмоткам тока являются общими как для асинхронных, так и для синхронных машин, поэтому их целесообразно рассмотреть в одной части.

1.2 Конструктивное исполнение трехфазной обмотки

Трехфазная обмотка статора двухполюсной (число пар полюсов p=1) машины будет изображена тремя электрическими контурами, A–X, B–Y и C–Z (маркировка начал и концов трех фаз), оси которых смещены друг относительно друга симметрично на 120, как показано на рис. 1.2. Из рисунка видно, что трехфазной обмотка разбивается на шесть равных зон в следующей последовательности: A, Z, B, X, C, Y. В машинах с числом пар полюсов p > 1 указанная разбивка будет повторяться на каждой паре полюсных делений.

Рис. 1.2. Схематическое изображение трехфазной обмотки

Часто вместо фазных обмоток на поперечном разрезе статора указывают взаимное расположение осей магнитной симметрии (a, b, c). Соединяя катушки по петлевой или волновой схеме, получают замкнутую обмотку.

Существенным свойством всех типов многофазных симметричных обмоток якоря является их способность возбуждать в воздушном зазоре вращающееся магнитное поле, если система фазных токов в них симметрична. При этом частота вращения поля для каждой машины будет определяться только частотой изменения тока якоря.

Первоначальным элементом обмотки является сторона витка длиной l. Две стороны витка, удаленные друг от друга на величину полюсного деления (расстояние по внутренней окружности статора линейное или в количестве пазов)

образуют виток обмотки.

Такое расстояние называется шагом обмотки и обозначается y или yп.

Шаг y = τ называется диаметральным или полным шагом.

wк последовательно уложенных в одних и тех же пазах витков образуют катушку обмотки. q соединенных последовательно и расположенные в соседних пазах катушек образуют катушечную группу обмотки.

Обычно трехфазная обмотка укладывается в два слоя (sп = 2). Одни стороны витков катушек укладываются в верхнем слое, другие – в нижнем слое. Такие обмотки называются двухслойными.

Число катушечных групп в фазе обмотки двухслойной обмотке 2p.

Число катушек в катушечной группе или число пазов на полюс и фазу обмотки

. Обычно q = 2-6.

Величина q характеризует размер фазной зоны статора, измеренный в числах пазов. Ширину фазной зоны иногда измеряют в угловых величинах (электрические радианы или градусы). Угол фазной зоны

,

где — угол сдвига между соседними катушками в электрических радианах. 2τ соответствует 2π электрических радиан. 2π геометрических радиан, то есть полная окружность, соответствует 2πp электрических радиан.

Наибольшее распространение имеют обмотки с укороченным шагом, так как в такой обмотке за счет выбора соответствующего шага можно получить форму кривых индуцируемой ЭДС и поля, близкие к синусоидальным. Обычно .

По конфигурации катушек и последовательности соединения их друг с другом обмотки подразделяют петлевые и волновые.

Наибольшее распространение в машинах переменного тока получили петлевые обмотки. Волновые обмотки применяются в очень крупных машинах (гидрогенераторах) при числе витков в катушке wк = 1, где они дают существенные выгоды по сравнению с петлевыми обмотками за счет уменьшения длины соединений между катушечными группами. Волновые обмотки находят так же применение для роторов асинхронных двигателей.

При анализе магнитных полей, возбуждаемых трехфазной обмоткой статора, используются схематическим изображением обмоток, развернутым в плоскости цилиндрической поверхности статора. Принято активные проводники, занимающие верхнюю часть паза, изображать сплошной линией, а занимающие нижнюю часть — пунктирной. При этом катушки представляются одновитковыми.

Построим схему-развертку двухслойной петлевой обмотки для машины с m = 3, Z = 24 и 2p = 4.

Число пазов на полюс и фазу

.

Выберем укороченный шаг обмотки y равным пяти зубцовым делениям. Тогда относительный шаг будет равен

.

Установим порядок составления схемы рассматриваемой обмотки с помощью вспомогательной таблицы, показанной в верхней части рис. 1.3

Рис. 1.3. Схема трехфазной двухслойной петлевой обмотки с Z = 24, m = 3, 2p = 4, q = 2, y1 = 5, = 5/6

Можно все катушечные группы соединить последовательно, образуя одну параллельную ветвь в фазной обмотке (a = 1), что и показано на рис. 1.3. Можно все группы соединять параллельно, получая обмотку с a = 2p.

Рис. 1.4. Схема одной фазы двухслойной обмотки с двумя (а) и четырьмя (б) параллельными ветвями.

Фазы трехфазной обмотки машин переменного тока могут быть соединены в звезду или треугольник. Для крупных машин предпочитают соединение в звезду.

Рис. 1.5. Расположение выводов обмотки статора в коробке выводов

Такое подсоединение концов фаз позволяет легко получить соединение фаз в звезду и в треугольник рис. 1.5.

Рис 1.6. Положение перемычек в коробке выводов при соединении обмотки статора звездой (а) и треугольником (б).

2. Электродвижущая сила трехфазной обмотки

2.1 Гармонический состав магнитного поля и ЭДС

Магнитное поле в воздушном зазоре машины переменного тока характеризуется наличием высших гармонических во вращающейся волне индукции

Вν(α,t) – гармонически распределенная вращающаяся волна ν-ой гармоники;

Вνm – амплитуда индукции ν-ой гармоники;

х – линейная координата по внутренней окружности статора;

Fν – амплитуда МДС трехфазной обмотки.

Получить синусоидальное распределение этого поля практически невозможно.

Форма временной функции ЭДС, индуцируемой в фазе трехфазной обмотки должна быть практически синусоидальной. В значительной мере это зависит от формы пространственной кривой распределения магнитной индукции в зазоре. Реальную периодическую кривую распределения индукции можно разложить в гармонический ряд Фурье. Так как кривая индукции симметрична относительно оси абсцисс и оси полюсов, то при разложении в ней будут только нечетные гармоники. Полуволне магнитной индукции отдельной гармоники соответствует полюс определенной полярности. С увеличением порядка гармоник их число полюсов увеличивается, полюсные деления и амплитуды уменьшаются пропорционально порядку гармоники.

Источник

Тема 1.8. Электрические машины переменного тока

Электрические машины переменного тока

Электрические машины переменного тока

Электрические машины служат для превращения механической энергии в электрическую (генераторы переменного и постоянного тока) и для обратного превращения (электродвигатели).

Во всех указанных случаях используются в сущности три основных открытия в области электромагнетизма: явление механического взаимодействия токов, открытое Ампером в 1821 г., явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем в 1831 г., и теоретическое обобщение этих явлений, сделанное Ленцем (1834 г.) в его известном законе о направлении индукционного тока (по существу закон Ленца предвосхитил закон сохранения энергии для электромагнитных процессов).

Для преобразования механической энергии в электрическую или обратно необходимо создать относительное движение проводящего контура с током и магнитного поля (магнита или тока).

В электрических машинах, рассчитанных на длительную работу, используется вращательное движение подвижной части машины (ротор машины переменного тока), расположенной внутри неподвижной части (статора). Обмотка машины, служащая для создания магнитного поля, называется индуктором, а обмотка, обтекаемая рабочим током, называется якорем. Оба последних термина употребляются и для машин постоянного тока.

Для увеличения магнитной индукции обмотки машин размещаются на ферромагнитных телах (сталь, чугун).

Все электрические машины обладают свойством обратимости, т. е. могут использоваться как в качестве генераторов электрической энергии, так и в качестве электродвигателей.

Асинхронные двигатели

Под медным диском, способным вращаться вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр, помещается вертикальный подковообразный магнит, приводимый во вращение вокруг той же оси (механическое взаимодействие диска и магнита исключено). При этом диск приходит во вращение в ту же сторону, что и магнит, но с меньшей скоростью. Если увеличить механическую нагрузку на диск (например, увеличив трение оси о подпятник), то скорость его вращения уменьшается.

Физический смысл этого явления легко объясняется теорией электромагнитной индукции: при вращении магнита создается вращающееся магнитное поле, наводящее в диске вихревые токи величина последних зависит при прочих равных условиях от относительной скорости поля и диска.

Согласно закону Ленца диск должен прийти во вращение в направлении поля. При отсутствии трения диск должен приобрести угловую скорость, равную скорости магнита, тогда ЭДС индукции исчезнет. В реальных условиях трение неизбежно присутствует, и диск приобретает меньшую скорость. Ее величина зависит от механического тормозящего момента, испытываемого диском.

Несовпадение скорости вращения диска (ротора) со скоростью вращения магнитного поля отражено в названии двигателей.

Генераторы переменного тока

Благодаря неподвижности обмотки якоря отпадают технические затруднения, связанные с использованием скользящих контактов при больших мощностях.

На рисунке ниже схематически изображен однофазный генератор. Его ротор имеет восемь полюсов. На них намотаны катушки (не показанные на рисунке), питаемые от постороннего источника постоянным током, подводимым к контактным кольцам, укрепленным на валу ротора. Полюсные катушки намотаны таким образом, что знаки полюсов, обращенных к статору, чередуются. Число полюсов обязательно четное.

В теле статора размещена обмотка якоря. Ее длинные рабочие «активные» проводники, перпендикулярные к плоскости чертежа, показаны на рисунке кружками, они пересекаются линиями магнитной индукции при вращении ротора.

В кружках указано мгновенное распределение направлений индуцированных электрических полей. Соединительные провода, идущие по передней стороне статора, показаны сплошными линиями, а по задней стороне — пунктиром. Зажимы К служат для присоединения внешней цепи к обмотке статора. Направление вращения ротора указано стрелкой.

Если мысленно разрезать машину по радиусу, проходящему между зажимами К, и развернуть на плоскость, то взаимное расположение обмотки статора и полюсов ротора (сбоку и в плане) изобразится схематическим рисунком:

Рассматривая рисунок, убеждаемся, что все активные проводники (проходящие над полюсами индуктора) соединены друг с другом последовательно, причем индуцируемые в них ЭДС суммируются. Фазы всех ЭДС, очевидно, получаются одинаковыми. За время одного полного оборота ротора в каждом из проводников (и, следовательно, во внешней цепи) получится четыре полных периода изменения тока.

Если электрическая машина имеет p пар полюсов и ротор вращается, совершая n оборотов в секунду, то частота получаемого от машины переменного тока равна f = pn гц.

Так как частота ЭДС в сети должна быть неизменна, то скорость вращения роторов должна быть постоянна. Для получения ЭДС технической частоты (50 гц) можно использовать сравнительно медленное вращение, если число полюсов ротора достаточно велико.

Для получения трехфазного тока в теле статора располагают три отдельные обмотки. Каждая из них смещена относительно двух других на одну треть дугового расстояния между соседними (разноименными) полюсами индукторов.

Легко убедиться, что при вращении индукторов в обмотках индуцируются ЭДС, сдвинутые по фазе (во времени) на 120°. Концы обмоток выводятся из машины и могут соединяться звездой или треугольником.

В генераторе относительная скорость поля и провода определяется диаметром ротора, числом оборотов ротора в секунду и числом пар полюсов.

Если генератор приводится во вращение током воды (гидрогенератор), то обычно он делается тихоходным. Для получения нужной частоты тока приходится увеличивать число полюсов, что в свою очередь требует увеличения диаметра ротора.

По ряду технических соображений мощные гидрогенераторы имеют обычно вертикальный вал и располагаются над гидротурбиной, приводящей их во вращение.

Если генератор приводится во вращение двигателем внутреннего сгорания, то его называют дизель-генератором, так как в качестве двигателей обычно применяют дизели, потребляющие более дешевое топливо.

Обратимость генераторов, синхронные двигатели

Если к обмотке статора генератора приключить переменное напряжение от внешнего источника, то возникнет взаимодействие полюсов индуктора с магнитным полем тока, создавшегося в статоре, причем на все полюсы будут действовать вращающие моменты одного и того же направления.

Если ротор вращается с такой скоростью, что как раз через половину периода переменного тока под рассматриваемый проводник обмотки статора подойдет следующий полюс индуктора (противоположный по знаку первому полюсу), то знак силы взаимодействия между ним и током, изменившим свое направление, останется прежним.

При этих условиях ротор, находясь под непрерывным воздействием вращающего момента, будет продолжать свое движение и сможет приводить в действие какой-либо механизм. Преодоление сопротивлений движению ротора будет происходить за счет энергии, потребляемой из сети, и генератор превратится в электродвигатель.

Следует отметить, однако, что непрерывное движение возможно лишь при строго определенной скорости вращения, так как при отклонении от нее на каждый из полюсов ротора, перемещающийся между двумя проводниками статора, часть времени будет действовать ускоряющий вращающий момент, часть же времени — тормозящий.

Таким образом, скорость вращения двигателя должна быть строго определенной,— время, в течение которого полюс заменяется следующим, должно совпадать с полупериодом тока, поэтому подобные двигатели и называются синхронными.

Если переменное напряжение подается в обмотку статора при неподвижном роторе, то, хотя все полюсы ротора в течение первого полупериода тока и испытывают действие вращающих моментов одного и тою же знака, все же вследствие инерции ротор не успеет сдвинуться с места. В следующий полупериод знак вращающих моментов для всех полюсов ротора изменится на обратный.

В результате ротор будет вибрировать, но вращаться не сможет. Поэтому синхронный двигатель необходимо сначала раскрутить, т. е. довести до нормального числа оборотов, и лишь после этого включать ток в обмотку статора.

Раскручивание синхронных двигателей производится механическими способами (при малых мощностях) и специальными электрическими устройствами (при больших мощностях).

При небольших изменениях нагрузки режим двигателя автоматически изменяется, приспосабливаясь к новой нагрузке. Так, при увеличении нагрузки на вал двигателя ротор мгновенно затормаживается. Благодаря этому меняется фазовый сдвиг между напряжением сети и противодействующей ЭДС индукции, наводимой индуктором в обмотке статора.

Кроме того, реакция якоря создает размагничивание индукторов, поэтому ток в статоре растет, индукторы испытывают увеличенный вращающий момент и двигатель, вновь начинает вращаться синхронно, преодолевая увеличенную нагрузку. Аналогичный процесс происходит при уменьшении нагрузки.

При резких колебаниях нагрузки эта приспособляемость двигателя может оказаться недостаточной, скорость его изменится значительно, он «выпадет из синхронизма» и в конце концов остановится, при этом исчезает ЭДС индукции, наводившаяся в статоре, и ток в нем резко увеличивается. Поэтому следует избегать резких колебаний нагрузки. Для остановки двигателя, очевидно, нужно сначала выключить цепь статора, а потом уже выключать индукторы, при пуске двигателя следует придерживаться обратного порядка операций.

Синхронные двигатели наиболее часто применяются для привода механизмов, которые работают с постоянной скоростью. Достоинства и недостатки синхронных двигателей, а также способы их пуска рассмотрены здесь: Синхронные двигатели и их применение

Источник