Большое разнообразие типов трехфазных статорных обмоток [Л. 22] не позволяет нам провести подробного анализа. Однако можно классифицировать характеристики главных типов обмоток.
Круговое намагничивание
Если нулевая точка с одной стороны и зажимы фаз — с другой расположены на разных сторонах статора, каждая фаза будет нечетное число раз проходить через сердечник статора и стремиться намагнитить его в направлении периферии. Для составляющих нулевой последовательности магнитный эффект всех трех фаз складывается. На рис. 37,а приведен пример; здесь мы имеем обмотку с дробным числом пазов на полюс и фазу. В каждой фазе по четырем пазам ток протекает в направлении от зажимов к нейтрали, а по трем пазам— в обратном направлении. Случай, в котором намагничивание по окружности особенно ясно видно, представлен на рис. 38, на котором изображена обмотка типа кольца Грамма, разделенная на три секции. В случае обычной барабанной обмотки круговое намагничивание производится не более чем тремя пазами. В статорных обмотках генераторов с нагруженной или заземленной нейтралью фазные зажимы и нейтраль в большинстве случаев расположены с одной стороны (рис. 37,б).
Однослойные обмотки
Рассматривая двухполюсные якорные обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу (рис. 39), мы видим: ампер-витки на единицу длины трех фаз, которые на рисунке обозначаются различными штриховками, повторяются с противоположной полярностью через 180 электрических градусов, если катушки имеют диаметральный шаг. В случае возбуждения нулевой последовательности, когда по всем трем фазам протекают токи, одинаковые по величине и фазе, распределение тока повторяется через каждые 120’’. Проинтегрировав соответствующую кривую (рис. 39,а), мы придем к диаграмме м. д. с. (рис. 39,б). Она имеет такую же форму, как при однофазном шестиполюсном возбуждении переменным током, фиксированным в пространстве. Таким образом, число полюсов утроилось. Образовавшееся поле может в ограниченной степени проникнуть в ротор.
Рис. 37. Конструкция обмотки четырехполюсного трехфазного генератора переменного тока,
а — создающая; б — устраняющая круговое намагничивание. Приведены обмотки с дробным числом пазов на полюс и фазу диаграммы распределения тока.
Рис. 38. Круговое намагничивание якоря в виде кольца Грамма токами нулевой последовательности.
Рис. 39. Однослойная обмотка двухполюсного трехфазного генератора с полным шагом и целым числом пазов на полюс и фазу.
а — распределение тона; б — диаграмма м. д. с.; в — путь потока нулевой последовательности в стали ротора.
Положение осей поля ротора имеет некоторое значение, но в машинах с успокоительными обмотками изменение его не играет существенной роли. Реактивное сопротивление нулевой последовательности в этом случае будет иметь величину, порядок которой близок к сверхпереходному реактивному сопротивлению, измеренному при заторможенном роторе. То же самое справедливо и для якорных обмоток с дробным числом пазов на полюс и фазу. На рис. 37,а в кривой ампер-проводников на единицу длины намеренно пропущены ампер-витки, вызывающие круговое намагничивание (незаштрихованные квадраты). Результирующая кривая уравновешена, и диаграмма н. с., построенная по ней, содержит 12 полюсов, т. е. в 3 раза больше действительного числа полюсов. На нее накладывается круговое намагничивание. Подобная же статорная обмотка рассмотрена на рис. 37,б; круговое намагничивание устранено правильным расположением нулевой точки. Диаграмма н. с. имеет также 12 максимумов, что означает утроение числа полюсов. В обоих случаях полная кривая состоит как бы из основной шестиполюсной составляющей с наложенной упомянутой выше 12-полюсной составляющей. Появление составляющей с числом полюсов, вдвое меньшим, чем ожидалось, вызвано тем, что распределение тока по окружности вместо точного трехкратного повторения через каждую пару полюсов лишь частично воспроизводится с упомянутой периодичностью. Имеется более длительный период, по истечении которою цикл повторяется полностью. Его длина зависит от дробного чиста пазов.
Явнополюсные машины, в особенности без успокоительных обмоток, по-видимому, имеют более высокое сопротивление нулевой последовательности.
Двухслойные обмотки
Статорные обмотки этого типа обладают особенно низким реактивным сопротивлением нулевой последовательности, если сдвиг фаз принят равным 120 электрическим градусам. Из рис. 40,а видно, что независимо от шага обмотки н. с., созданные током нулевой последовательности в двух слоях, взаимно уравновешиваются. Следовательно, по аналогии с трансформатором с соединением в зигзаг, реактивное сопротивление нулевой последовательности двухслойной обмотки с фазным сдвигом, равным 120°, значительно ниже, чем нормальное сопротивление рассеяния статорной обмотки.
Потоки некоторых пазов остаются и в местах концевых соединений. Однако часто оказывается полезным снизить ширину фазного пояса до 60° и тогда появится некоторое влияние шага обмотки.
Рис. 40,б представляет собой пример шара, равного 5/6 диаметра. Влияние различной ширины катушек можно исследовать, изменив нижнюю диаграмму на рис. 40,б. Чтобы разобрать этот более общий случай, полезно прежде всего установить исходные предположения. В обмотке с диаметральным шагом получается такое же распределение тока, как в однослойной обмотке, показанной на рис. 39; ток в каждом из двух слоев составляет половину результирующего тока. Если шаг снижен до 120 электрических градусов, два слоя принимают такое взаимное расположение, при котором они уравновешивают друг друга, подобно картине, получающейся на рис. 40,а.
Рис. 40. Диаграмма распределения тока нулевой последовательности в двухслойной обмотке. а — сдвиг фаз 120; б — сдвиг фаз 60; дробный шаг
Для величины шага, лежащей между рассмотренными значениями, можно ожидать промежуточной картины. Успокоительная обмотка снижает реактивное сопротивление нулевой последовательности.
Поток вдоль оси машины
Если рассмотреть н. с., созданные концевыми соединениями в двух примерах, приведенных на рис. 37, окажется, что ток имеет одно и то же направление по всей окружности статора.
Рис. 41. Осевые потоки, созданные токами нулевой последовательности.
Вследствие этого возбуждается магнитный контур, показанный на рис. 41, образующий осевой поток, возвращающийся через торцовый щит машины. Этот эффект не имеет места, если компенсированы н. с. кругового намагничивания. В двухслойных обмотках компенсация может быть легко достигнута. Что касается однослойных обмоток, то тут могут быть рассмотрены различные устройства: компенсация может быть достигнута в каждой фазе в отдельности использованием различных трупп концевых соединений, в которых ток течет в противоположных направлениях; это потребует по одной петле для каждой фазы. Можно применить этот способ только для одной фазы и предусмотреть взаимную компенсацию двух других фаз. В качестве компромиссного решения одна фаза может остаться неуравновешенной, токи в концевых соединениях двух других фаз уравновешивают друг друга. Вторая и третья конструкции дают возможность разделить статор на две половины, не имея три этом концевых соединений, проходящих через их соединение.
Токи нормальной трехфазной нагрузки вызывают осевые потоки в обеих этих конструкциях, хотя одна из них свободна от этого недостатка при воздействии токов нулевой последовательности.
Числовые данные
Реальные значения реактивных сопротивлений нулевой последовательности значительно изменяются в зависимости от типа и конструкции машины. В качестве наглядного примера может быть приведена табл. 4, составленная некоторыми изготовителями для турбогенераторов [Л. 23].
Таблица 4
Другие изготовители в зависимости от ширины катушки и ширины фазной зоны называют максимально и минимально возможные значения реактивных сопротивлений нулевой последовательности, приведенные в табл. 5.
Таблица 5
В долях сверхпереходного реактивного сопротивления по продольной оси xd реактивное сопротивление нулевой последовательности составляет 0,1—0,7.
