Стартовая >> Оборудование >> Эл. машины >> Проектирование электрических машин переменного тока

Обмотки статоров - Проектирование электрических машин переменного тока

Оглавление
Проектирование электрических машин переменного тока
Требования, предъявляемые к проектируемой машине
Основные элементы конструкции
Формулировка задачи проектирования
Магнитная цепь
Рассеяние обмоток возбуждения
Магнитное поле в сердечнике статора и ротора
Ток ротора и поле в воздушном зазоре под нагрузкой
Обмотки статоров
Схемы статорных обмоток
Транспозиция элементарных проводников статорной обмотки
Роторные обмотки
Обмотки асинхронных машин
Основные условия разработки конструкции
Основные конструктивные элементы статоров
Основные конструктивные элементы роторов
Вопросы конструкции, связанные с системой охлаждения
Турбогенераторы
Основные параметры турбогенераторов
Параметры возбуждения и охлаждающей воды
Общая компоновка турбогенераторов
Особенности конструкции обмотки статора турбогенераторов
Особенности конструкции обмотки ротора турбогенераторов
Задание по проектированию
Основные принципы проектирования обмоток с непосредственным охлаждением
Основные размеры
Электрические нагрузки
Магнитные нагрузки
Обмоточные данные ротора
Предварительный выбор размеров асинхронных машин при проектировании
Конструктивное исполнение асинхронных общепромышленных серий
Конструктивное исполнение асинхронных двигателей для особых условий эксплуатации
Диаметр и длина сердечника явнополюсных синхронных машин
Конструктивное исполнение явнополюсных синхронных машин
Конструктивное исполнение полюсов явнополюсных  роторов гидрогенераторов
Конструктивное исполнение явнополюсных синхронных  компенсаторов
Оптимизация проекта
Проектирование гидрогенераторов с помощью ЭВМ
Проектирование асинхронных машин с частотным управлением на минимум веса
Проектирование асинхронных двигателей на минимум приведенной стоимости

ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ ОБМОТКИ СТАТОРОВ
4-1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Обмотки якорей машин переменного тока располагаются, как правило, на неподвижной части машины — статоре, и поэтому они обычно называются статорными обмотками. Такое наименование является общепринятым.
В тех особых случаях, когда якорь машины располагается на роторе (например, у так называемых обращенных синхронных машин), к обмоткам, расположенным на роторе, применяется название «обмотки якоря».

Статорные обмотки по электрической схеме соединении разделяются на петлевые и волновые (рис. 4-1).
Для петлевой обмотки первый (основной) шаг по пазам у принимается обычно несколько меньшим диаметрального шага, равного полюсному делению т. Второй (частичный) шаг по пазам у2 выполняется для таких схем па одно пазовое деление меньшим первого шага у. Поэтому обычно для петлевых обмоток указывается только первый шаг по пазам, и он обозначается как шаг по пазам у.
На рис. 4-1, а шаг по пазам составляет у= 1:18, при этом ширина катушки, определяемая числом пазовых делении в шаге у, будет В=17.
Отношение ширины катушки петлевой обмотки В к полюсному делению τ определяется как сокращение шага β: β = β/τ, (4-1).
Полюсное деление τ в (4-1) следует определять через число пазовых делений в нем: τ = mq,(4-2)
где т — число фаз статорной обмотки, q— число пазов на полюс и фазу.

По способу выполнения обмотки подразделяются на катушечные, стержневые и всыпные.
Катушечные обмотки выполняются из отдельных катушек, состоящих из двух или более витков (рис. 4-3). Реже могут встречаться одновитковые катушки. Катушечные обмотки выполняются, как правило, петлевыми.
Для крупных электрических машин каждая катушка формуется отдельно и затем укладывается в открытые пазы сердечника статора.
Катушки соединяются между собой с помощью перемычек в электрическую схему.
Стержневая обмотка выполняется из отдельных полукатушек—стержней (рис. 4-2). Формованные стержни укладываются в открытые пазы сердечника статора и затем соединяются между собой в общую электрическую схему.

Рис. 4-2. Стержень петлевой обмотки
Стержневые обмотки выполняются как петлевыми, так и волновыми. Например, в гидрогенераторах большой мощности применяются стержневые волновые обмотки, в турбогенераторах — стержневые петлевые обмотки.
Всыпные обмотки выполняются из непрерывных витков, всыпаемых в пазовые изоляционные гильзы, причем непрерывные витки могут образовывать катушки, катушечные группы или даже всю фазу. Всыпные обмотки могут выполняться как петлевыми, так и волновыми. Они применяются для машин малой мощности и низкого напряжения или машин специального назначения (например, для машин повышенной частоты). Катушечные обмотки преимущественно применяются для средних и крупных двигателей переменного тока и гидрогенераторов малой и средней мощности. Стержневые обмотки нашли применение для турбо- и гидрогенераторов средней и большой мощности.
В большинстве случаев статорные обмотки являются двухслойными и реже однослойными. В первом случае в пазу располагаются две стороны катушек, во втором случае в каждом пазу — только одна сторона катушек (рис. 4-4). Если число активных витков в пазу обозначить через snl, то для однослойной стержневой обмотки будем иметь snl = 1, для двухслойной стержневой snl = 2 и т. д. Сторона катушки двухслойном обмотки, расположенная ближе к расточке статора, называется верхней стороной; сторона катушки, расположенная на дне паза, называется нижней стороной. Счет катушек производят по одной стороне, обычно верхней.
Катушки, принадлежащие одной фазе и расположенные друг возле друга под одним полюсом, образуют катушечную группу, или фазную зону.

Катушечные группы определяются числом катушек, расположенных рядом. Очевидно, что для обмотки с целым q число катушек в катушечной группе будет равно q. Ширина фазовой зоны выражается в градусах или в долях электрической окружности. Катушечные группы при дробном числе пазов на полюс и фазу могут иметь различное число катушек под различными полюсами, причем в этом случае число катушек в катушечных группах будет b или b+1.
Сечение паза статорной обмотки
Рис. 4-4. Сечение паза статорной обмотки: а — однослойной; б — двухслойной
Все элементы обмотки находятся под электрическим напряжением относительно земли и друг друга поэтому они всегда изолируются. Изоляция катушки по отношению к земле и к другим катушкам обычно называется основной или корпусной. Изоляция между отдельными витками внутри катушки называется витковой.
Двухвитковая катушка петлевой обмотки
Рис. 4-3. Двухвитковая катушка петлевой обмотки
Если сечение одного витка достаточно велико, то с целью уменьшения дополнительных циркуляционных потерь оно образуется из отдельных транспонированных элементарных проводников. Изоляция элементарных проводников называется собственной изоляцией проводников.
Проектирование статорных обмоток состоит: а) в определении обмоточных данных, которые включают в себя число пазов, объем тика в пазу, число параллельных ветвей, тип обмотки и пр.; б) в составлении электрической схемы; в) в конструировании обмотки.
Выбор обмоточных данных удобней иллюстрировать на примерах проектирования конкретных типов машин, и поэтому эти вопросы будут рассмотрены во второй части книги. Здесь же рассматриваются общие вопросы, касающиеся составления схем.
Электрическая схема статорной обмотки машины переменного тока должна удовлетворять следующим требованиям;

  1. Обеспечивать наилучшее использование активного объема электрической машины и технологическую простоту выполнения самой обмотки.
  2. Обеспечивать высокую чистоту э. д. с. в соответствии с требованиями ГОСТ или технических условий на поставку.
  3. Обеспечивать отсутствие в кривой н. с. реакции якоря высших гармонических, нежелательных с точки зрения дополнительных потерь, магнитного шума, радиопомех, механической вибрации, а для асинхронных машин — заметных паразитных моментов.       

В специальных случаях перед электрической схемой могут быть поставлены и другие задачи.
В зависимости от конкретных условий схемы должны обеспечивать преимущества тем или иным требованиям. При целом числе пазов на полюс и фазу q принципы составления схем удобно иллюстрировать на примере двухполюсных машин, поскольку эти принципы без каких-либо ограничении могут быть распространены на обмотку с любым числом полюсов.

С точки зрения максимального использования заданного объема следует рассматривать э. д. с. и н. с. первой гармонической, поскольку только они участвуют в полезном преобразовании энергии. С точки зрения чистоты
э.  д. с. и дополнительных потерь следует рассматривать также э. д. с. и н. с. высших гармонических.

Рис. 4-5. Соединение фаз трехфазной обмотки: а — звезда, а1 = 1; б — треугольник, а2 = 2
Как уже отмечалось, в подавляющем большинстве случаев в машинах переменного тока применяются трехфазные (m = 3) шестизонные обмотки, которые обеспечивают достаточно высокое использование активной зоны, необходимые параметры и экономичность передачи и преобразования электрической энергии. При этом фазы соединяются в звезду или треугольник. На рис. 4-5 показаны такие соединения обмоток с одной и двумя параллельными ветвями.
Генераторы переменного тока, предназначенные для выработки и передачи энергии, соединяются с повышающим трансформатором.
Низкая сторона трансформатора обычно соединяется в Δ, а высокая сторона в ^.
Обычно напряжение одной фазы обозначают через Uф, а напряжение между фазами через U. Напряжение U, называемое еще и линейным напряжением, является номинальным напряжением машины. При соединении фаз в треугольник U= Uф; присоединении фаз в звезду, как следует из рис. 4-5, U = 2Uф sin (π/3) = √3Uф.
Высшие гармонические напряжения в линии при соединении обмотки в звезду по сравнению с гармоническими напряжениями в фазе составляют Uv = 2Uфv sin (νπ/3).
Очевидно, что для гармонических, кратных трем, sin (νπ/3) = 0 и U3.9. ... = 0, т. е. в линейном напряжении гармонические кратные трем, отсутствуют.
Гармонические не кратные трем, как следует из рис. 4-6, будут суммироваться в линии аналогично первой гармонической напряжения, т. е. Uv =√3 Uфν, где ν= 1, 5, 7, 11, 13,...
При соединении в треугольник гармонические, кратные трем, будут вызывать токи, циркулирующие по треугольнику, причем падение напряжения на обмотке будет равно возбуждающему напряжению и, следовательно, в линии напряжения гармонических, кратных трем, также не будет:
U3, 9, ... = 0.
Остальные гармонические будут присутствовать в линии, как и основная гармоническая, т. е. Uv =Uф, ν = 5, 7, 11, 13, . . .
Если применить к линейным выводам обмотки закон Кирхгофа для тока, то получим: для соединения в звезду I=Iф, т. е. равенство линейного и фазного тока; для соединения в треугольник I= √3Iф, т. е. линейный ток в √3 раза больше, чем фазный.
Если нет каких-либо дополнительных обстоятельств, то соединение в звезду является преимущественным, так как при этом в обмотке отсутствуют циркуляционные токи, кратные трём, и при одинаковых фазных напряжениях обеспечивается меньший линейный ток. Циркуляционные токи, кратные трем, при соединении обмотки в треугольник могут вызывать значительные дополнительные потери как в обмотке статора, так и в обмотке ротора. Поэтому при соединении обмоток в треугольник рекомендуется применять дополнительные меры для снижения содержания гармонических, кратных трем, в потоке холостого хода (в напряжении), например, за счет выбора обмоточных коэффициентов.
Кроме трехфазных обмоток, иногда применяются многофазные с числом фаз больше трех. Такие обмотки применяются с целью искусственного снижения напряжения мощных турбогенераторов, а также с целью повышения использования активного объема, уменьшения дополнительных потерь от высших гармонических н. с. Если генераторы работают на выпрямительную нагрузку, то многофазные обмотки имеют по сравнению с трехфазными преимущества как в отношении качества вырабатываемой энергии (меньшая пульсация выпрямленной э. д. с.), так и в отношении самой машины (меньшие дополнительные потери).
Однако многофазные обмотки требуют более сложного выполнения самой машины и зачастую усложняют элементы передачи и трансформации энергии, поэтому такие обмотки применяются в специальных случаях.
В большинстве случаев стремятся выполнять симметричные обмотки, к которым относятся обмотки с равными по величине э. д. с. в ветвях и фазах, с равными угловыми сдвигами между фазами. При этом для обмоток с дробным значением q н. с. реакции якоря будет несимметричной.
К несимметричным обмоткам относят обмотки, у которых имеется неравенство в индуктируемых э. д. с. в ветвях и фазах или неравные угловые сдвиги между ними. Очевидно, что многие теоретически несимметричные обмотки могут обладать достаточно небольшой несимметрией и практически по своим параметрам мало отличаться от симметричных. Такие обмотки с малой несимметрией также находят практическое применение.
Э. д. с., индуктируемые в обмотках, зависят от схемы соединения обмоток и от формы ноля в воздушном зазоре. Схема обмотки устанавливает порядок суммирования векторов э. д. с. отдельных катушек в фазе. Общепринято производить суммирование гармонических э. д. с. в катушке с помощью коэффициентов сокращения а суммирование э. д. с. отдельных катушек в фазе с помощью коэффициентов распределения kобq, которые учитывают расположение катушек в фазовой зоне.
Для катушек, образующих систему векторов э. д. с. с одинаковым угловым сдвигом между соседними векторами, коэффициент распределения обычно находится в общем виде; это прежде всего относится к симметричным обмоткам с целым и дробным q, когда катушечная группа занимает всю фазовую зону.



 
« Продолжительность сушки электрических машин   Пропитка и сушка электродвигателей »
электрические сети