Общие положения. При протекании по обмотке переменного тока в ней неизбежно возникают дополнительные потери, обусловленные тем, что в общем случае с различными частями обмотки будут сцеплены переменные магнитные потоки, которые вызовут наведение в меди обмотки вихревых токов. Проводники обмотки статора находятся в переменном магнитном поле, поэтому в них возникают добавочные потери, обусловленные поверхностным эффектом.
Увеличение потерь при переменном токе по сравнению с потерями при постоянном токе может быть весьма существенным, и с этим обстоятельством необходимо считаться. С целью снижения этих потерь было введено подразделение общего сечения витков на отдельные элементарные проводники относительно малого сечения. Элементарные проводники изолируются друг от друга.
При такой конструкции имеют место следующие дополнительные потери в пазовой части обмотки статора: потери от вихревых токов, протекающих в пределах одного элементарного проводника, и потери от токой, протекающих между отдельными элементарными, соединенными параллельно проводниками. Потери первого рода принято называть потерями от вихревых токов, потери второго рода — от циркуляционных токов.
Если э. д. с., наведенная полями рассеяния в элементарных проводниках, будет различной для каждого или некоторых из них, то между этими элементарными проводниками будут протекать под действием разности
д. с. рассеяния циркуляционные .токи, которые обусловят добавочные потери второго рода.
Такое подразделение добавочных потерь в пазовой части позволяет во многих случаях упростить расчет и более четко определить те или иные конструктивные мероприятия, направленные на подавление добавочных потерь в пазовой части обмотки. Потери от вихревых токов в пределах одного проводника могут быть уменьшены за счет уменьшения высоты самого элементарного проводника. Потерн же от циркуляционных токов, протекающих между элементарными проводниками, могут быть уменьшены только за счет уменьшения разности напряжения, между ними.
Добиваются полного уничтожения циркуляционных токов в пазовой части за счет транспозиции элементарных проводников в пазу, при которой проводники занимают все положения по высоте паза и, следовательно, между ними нет разности э. д. с. При этом условии, а также учитывая ранее введенные допущения, получим для первого уравнения Максвелла (рис. 4-25):
(4-99)
Рис. 4-25. К расчету добавочных потерь в обмотке статора от поперечно-пазового потока
Рис. 4-26. Зависимость φ (ξ) и ψ (ξ) для добавочных потерь и пазу
где Н — вектор напряженности магнитного поля, Ё — вектор напряженности электрического поля, b/b — отношение ширины меди к ширине паза.
На рис. 4-27 показан коэффициент уменьшения η добавочных потерь, связанный с сокращением шага, для трехфазной и шестифазной обмотки.
2. Транспозиция в пазовой части. Для стержневой обмотки характерным является достаточно большое сечение и относительно небольшое число активных сторон в пазу. Как правило, стержневая обмотка выполняется двухслойной. Ранее использовались различные методы транспозиции элементарных проводников в пазу (7-1), однако в настоящее время всеми фирмами применяется транспозиция типа Ребеля.
Конструкция такой транспозиции показана на рис. 4-28. Представлена типичная и наиболее распространенная конструкция плетеного стержня, когда он состоит из двух столбиков изолированных проводников, перекрученных таким образом, чтобы полностью исключить циркуляционные токи от поперечно-пазовых потоков рассеяния.
Схема компенсации циркуляционных э. д. с. показана на рис. 4-29, а. Каждый проводник делает в пазовой части полный оборот (транспозиция
Рис. 4-28. Стержень, транспонированный по системе Ребеля
В последнее время появилась модификация основной транспозиции плетеного стержня, показанная на рис. 4-29, б. В отличие от транспозиции на 360° здесь элементарный проводник делает в пазу не один, а полтора оборота, не возвращаясь в исходное положение по высоте стержня на 360°), возвращаясь по высоте паза в исходное состояние.
Рис. 4-29. Условия компенсации циркуляционных токов в пазовой части обмотки от поперечно-пазового и радиального потоков: а — транспозиция на 360° (полная);
б — транспозиция на 540й (полная)
Циркуляционная э. д. с. между любой парой проводников, соединенных по концам стержня здесь равна нулю, следовательно, такая транспозиция может быть названа полной, поскольку циркуляционные потери в пазовой части такой обмотки отсутствуют.
Рис. 4-27. Влияние сокращения шага β на добавочные потери в пазу
Такая транспозиция может быть названа транспозицией на 540°. Очевидно, что и в этом случае транспозиция будет полной, если шаг ее по краям будет составлять 1/2 шага средней части стержня. С точки зрения транспозиции в пазу оба плетения, на 360° и 540°, равноценны. Однако транспозиция 540° дает известные преимущества для компенсации циркуляционных токов в лобовых частях обмотки, и с этой целью она и применяется.
Конструктивно транспозиция на 540° несколько более сложная, так как для ее выполнения требуется иметь меньший шаг транспозиции, что при большом числе проводников но высоте стержня не всегда можно осуществить достаточно надежно.
Обе рассмотренные транспозиции, 300° и 540°, нашли самое широкое распространение при изготовлении стержневых обмоток трубо-, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов большой мощности.
Рис. 4-30. Транспозиция катушечных обмоток
Потери от вихревых токов в пределах каждого элементарного проводника могут быть вычислены по формуле (4-107) или (4-108) и для стержневой и для катушечной обмотки.
Поскольку вихревые токи пазовой части не выходят за пределы этой части обмотки, расчет коэффициента k<+ должен распространяться только на пазовую часть. Это обстоятельство обычно учитывается следующим образом:
(4-109)
где
—отношение длины пазовой части к полной длине стержня.
Учет потерь от циркуляционных токов в катушечной обмотке произведем следующим образом. Рассмотрим двухслойную катушку, имеющую snl активных сторон в пазу. Пусть катушка выполнена с нормальными переходами в лобовой части (рис. 4-30, а) и элементарные проводники каждого витка запаяны по концам катушки. Если через hм обозначить полную высоту меди в пазу, то высота меди одного витка будет hм/sn1.
Поскольку высота элементарных проводников учтена в вихревых потерях, то будем представлять обмотку состоящей из бесконечно тонких элементарных проводников. Циркуляционные токи в этом случае будут замыкаться по концам катушки, протекая также и по лобовым частям.
Учитывая, что одни и тот же проводник будет сцеплен с различными потоками в пазовой части, причем в нижней стороне катушки потокосцепления имеют противоположный знак, получим расчетную эпюру Н и В, показанную на рис. 4-30, а жирным контуром. Эпюра индукции В в точности соответствует эпюре для транспонированного в пазу стержня с высотой меди hм/sn1 и числом проводников sn1/2. Следовательно, коэффициенты потерь в этом случае могут быть рассчитаны по формуле:
(4-110)
3. Транспозиция в лобовой части. Кроме поперечно-пазового потока рассеяния в пазу, в лобовых частях обмотки существуют поперечные и радиальные поля рассеяния, которые также могут вызвать в некоторых случаях существенные дополнительные потери в меди обмотки.
Распределение поперечного потока по высоте стержня отличается от распределения потока в пазовой части стержня и меняется по длине лобовой части обмотки.
Рис. 4-32. Условия компенсации циркуляционных э. д. с. в лобовой части обмотки при транспозиции в пазу на 360° (о) и 540° (б)
Вп — посторонний поток, Вс — собственный, Вр — радиальный.
При анализе поперечного лобового потока рассеяния стало принятым делать допущение, что поток распределяется линейно по высоте стержня [4-9].
Если рассматривать поперечное сечение стержня на каком-либо участке лобовой части, то можно представить себе три случая распределения поперечного потока по высоте стержня.
В первом случае поток будем предполагать неизменным по высоте. Такой поток будем называть внешним (рис. 4-31, a) или посторонним. Он может возбуждаться от н. с. других стержней и контуров.
Во втором случае будем иметь в виду поток, который линейно изменяется по высоте стержня и, проходя по его середине, меняет свой знак. Этот поток можно представить себе как поток, создаваемый током данного проводника, и условно считать собственным потоком.
Третий случай является более общим. Суммарный поток получается наложением двух предыдущих.
Рис. 4-33. Условия компенсации циркуляционных э. д. с. в лобовой части обмотки при транспозиции в пазу на 360°, а в лобовых частях на 90° (а) и на ±90° (б)
В действительности на различных участках по длине лобовой части могут встречаться различные случаи распределения потока по высоте, которые выделением постоянной и переменной составляющих всегда можно представить как результат наложения собственного и постороннего потоков. Последний является результатом действия многих н. с. в лобовой части обмотки и присутствия магнитных масс, поэтому он может существенно меняться по длине лобовой части.
Суммарный циркуляционный ток, полученный наложением двух токов, показан на рис. 4-31, в.
Потери также могут быть вычислены по отдельным составляющим плотностей циркуляционных токов: постороннего jп и собственного jс.
Потери от суммарного циркуляционного тока
Рис. 4-34. Условия компенсации циркуляционных э. д. с. в лобовой части обмотки при транспозиции в пазу на 360°, а в лобовых частях на 180° (а) и на ± 180° (б)
Разделение возбуждающих потоков на посторонние и собственные может быть непосредственно использовано для рассмотрения механизма компенсации циркуляционных токов лобовых частей обмотки статора.
Компенсация циркуляционных э. д. с. в лобовых частях одного стержня может быть осуществлена либо в пределах одной лобовой части, либо в обеих лобовых частях стержня одновременно. Компенсация в пределах одной лобовой части может быть осуществлена с помощью транспозиции в этой части стержня. Компенсация за счет уравновешивания с обеих сторон пазовой части может быть осуществлена за счет перекрутки проводников в пазовой части.
Из рис. 4-32, а следует, что транспозиция только в пазу стержневом обмотки на 300° не приводит к компенсации постороннего и собственного поперечных полей, а также радиальных полей в лобовой части обмотки и следовательно, такая обмотка не ослабляет циркуляционных потерь в лобовой части обмотки.
Транспозиция только в пазу на 540°, как это следует из рис. 4-32, б, приводит к полной компенсации посторонних и радиальных полей в лобовой части обмотки. Компенсации собственных потоков в лобовой части при этом не происходит.
Рис. 4-35. Условия компенсации циркуляционных э. д. с. в лобовой части обмотки при транспозиции в пазу на 540°, а в лобовых частях на 90o (а) и на ±90° (б)
Поскольку транспозиция в пазу па 540° позволила устранить циркуляционные потери, связанные с двумя сильно выраженными потоками рассеяния в лобовой части, эта транспозиция наряду с транспозицией в пазу на 360° нашла широкое применение в мощных турбогенераторах.
Посторонний поток имеет довольно сложное распределение по длине лобовой части, поэтому полная его компенсация в пределах одной лобовой части с равномерным шагом транспозиции в ней невозможна.
Полная компенсация от постороннего потока может быть осуществлена только уравновешиванием посторонних полей с обеих сторон пазовой части.
Рис. 4-36. Условия компенсации циркуляционных э. д. с. в лобовой части обмотки при транспозиции в пазу на 540°, а в лобовых частях на 180° (а) и на ±180 (б)
Таким мероприятием является поворот проводников в пазовой части за счет транспозиции в пей на 180° и 540°. В этом случае э. д. с. в левой и правой лобовых частях будут взаимно компенсироваться независимо от характера распределения постороннего потока по длине лобовой части, если только это распределение в обеих лобовых частях будет одинаковым, что практически в какой-то мере имеет место.
Нетрудно видеть, что собственные потоки в лобовых частях при транспозиции на 540° складываются. Э. д. с. от собственных полей в лобовой части могут быть скомпенсированы за счет дополнительной транспозиции в лобовых частях стержней.
В лобовых частях стержневых обмоток может применяться транспозиция элементарных проводников на 90° (четверть поворота), 180° (полповорота) и т. д. По технологическим и производственным причинам обычно стремятся выполнять при прочих равных условиях транспозицию с большим шагом.
На рис. 4-33, ά показана дополнительная транспозиция в лобовых частях на 90° при 360-градусной транспозиции в пазу.
Рис. 4-37. Условия компенсации циркуляционных э. д. с. в лобовой части обмотки при транспозиции в пазу на 540° и двухпоточной транспозиции на 360° (а) и ±360° (б)
Нетрудно видеть, что компенсация собственного поля (Bс) осуществляется полностью, но потоки посторонний (Вп) и радиальный (Вр) компенсируются лишь частично.
Если при «360° в пазу» в левой лобовой части осуществить поворот на 90°, а в правой на —90° (рис. 4-33, б), то будет достигнута полная компенсация собственных потоков (как и в предыдущем случае), а также постоянной составляющей по длине лобовой части постороннего потока (Вп), поскольку компенсация постороннего потока осуществляется за счет транспозиции в каждой лобовой части отдельно.
Транспозиция по рис. 4-33, а и б хотя и не дает полной компенсации, однако частично ее осуществляет и в то же время технологически является наиболее простой, особенно для обмоток с относительно высоким и не очень длинным стержнем, так как она имеет наименьший шаг транспозиции в пазовой и лобовой частях.
На рис. 4-34, а показана дополнительная транспозиция в лобовых частях на 180° при 360° в пазу. Здесь имеется полная компенсация постоянных составляющих постороннего и радиального потоков. Такая компенсация циркуляционных э. д. с. весьма эффективна и находит применение в стержневых обмотках.
Обмотка на рис. 4-34, б имеет в правой лобовой части поворот на —180°. Такая транспозиция существенно хуже с точки зрения компенсации посторонних и радиальных потоков но сравнению с предыдущей при одинаковом технологическом выполнении.
При транспозиции в пазу на 540о дополнительная транспозиция в лобовых частях на 90 и 180о, как нетрудно видеть из рис. 4-35, а и 4-36, а, приводит к расстройству компенсации посторонних и радиальных потоков при полной компенсации собственных потоков. Понятно, что применение таких транспозиций нежелательно, так как 540-градусная транспозиция в пазу используется неполностью.
Если при 540-градусной транспозиции в пазу применить дополнительную транспозицию в лобовых частях на ±90°, то компенсация от всех потоков будет неполной, но достаточно высокой (рис. 4-35, б); при ± 180° (рис. 4-36, б) будет достигнута полная компенсация от всех потоков рассеяния в лобовых частях.
Столь же высокого результата можно добиться с помощью применения так называемой двухпоточной транспозиции в лобовых частях на 360° или ±360° при 540o в пазу (рис. 4-37, а и б). Здесь лобовые части разбиваются по высоте на два потока [4-15], и в пределах каждого потока осуществляется транспозиция на 360. Нетрудно видеть, что шаг транспозиции при этом сохраняется таким же, как и для 180-градусной транспозиции.
Чем в действительности закон изменения собственного потока больше отличается от линейного по высоте стержня и от постоянного подлине лобовой части, тем эффективней двухпоточная транспозиция по сравнению с транспозицией на ±90“ или ± 180 при «540° в пазу».
Иногда добиваются компенсирования циркуляционных э. д. с. за счет междукатушечной транспозиции. В этом случае стержень разбивается на ряд изолированных групп, которые транспонируются при переходе из одного стержня в другой.
