Меню

Конструктивное исполнение обмоток переменного тока

Обмотки статора и ротора электрических машин переменного тока

Обмотка электротехнического изделия (устройства) — совокупность определенным образом расположенных и соединенных витков или катушек, предназначенная для создания или использования магнитного поля, или для получения заданного значения сопротивления электротехнического изделия (устройства). Катушка обмотки электротехнического изделия (устройства) — обмотка электротехнического изделия (устройства) или ее часть, выполненные в виде отдельной конструктивной единицы (ГОСТ 18311-80).

В статье рассказано про устройство обмоток статора и ротора электрических машин переменного тока.

Пространственное расположение обмоток статора:

Пространственное расположение обмоток статора:

Ротор беличья клетка

Статор с двенадцатью пазами, в каждый из которых уложено по одному проводнику, схематично показан на рис. 1, а. Соединения между проводниками, уложенными в пазах, указаны только для одной из трех фаз; начала фаз А, В, С обмотки обозначены С1, С2, С3; концы — С4, С5, С6. Части обмотки, уложенные в пазах (активная часть обмотки), условно показаны в виде стержней, а соединения между проводниками, находящимися в пазах (лобовые соединения),— сплошной линией.

Сердечник статора имеет вид полого цилиндра, представляющего собой пакет или ряд пакетов (разделенных вентиляционными каналами) из листов электротехнической стали. Для машин малой и средней мощности каждый лист штампуется в виде кольца с пазами вдоль внутренней окружности. На рис. 1,б дан лист статора с пазами одной из применяемых форм.

Расположение обмотки в пазах статора и распределение токов в проводниках

Рис. 1. Расположение обмотки в пазах статора и распределение токов в проводниках

Пусть мгновенное значение тока iA первой фазы в некоторый момент времени максимально и ток направлен от начала С1 фазы к ее концу С4. Будем считать такой ток положительным.

Определяя мгновенные токи в фазах как проекции вращающихся векторов на неподвижную ось ON (рис. 1, в), получим, что токи фаз В и С в данный момент времени отрицательны, т. е. направлены от концов фаз к началам.

Проследим по рис. 1, г образование вращающегося магнитного поля. В рассматриваемый момент времени ток фазы А направлен от ее начала к концу, т. е. если в проводниках 1 и 7 он идет от нас за плоскость чертежа, то в проводниках 4 и 10 он идет из-за плоскости чертежа к нам (см. рис. 1, а и г).

В фазе В ток в этот момент времени идет от конца фазы к ее началу. Соединив проводники второй фазы по образцу первой, можно получить, что ток фазы В проходит по проводникам 12, 9, 6, 3; при этом по проводникам 12 и 6 ток идет от нас за плоскость чертежа, а по проводникам 9 и 3 — к нам. Картину распределения токов в фазе С получим по образцу фазы В.

Направления токов даны на рис. 1,г; штриховыми линиями показаны магнитные линии поля, создаваемого токами статора; направления линий определены по правилу правого винта. Из рисунка видно, что проводники образуют четыре группы с одинаковыми направлениями тока и число полюсов 2р магнитной системы получается равным четырем. Участки статора, где магнитные линии выходят из него, представляют собой северные полюсы, а участки, где магнитные линии входят в статор, — южные полюсы. Дуга окружности статора, занятая одним полюсом, называется полюсным делением.

Магнитное поле в различных точках окружности статора различно. Картина распределения магнитного поля вдоль окружности статора повторяется периодически через каждое двойное полюсное деление. Угол дуги 2 принимается за 360 электрических градусов. Так как вдоль окружности статора размещается р двойных полюсных делений, то 360 геометрических градусов равны 360р электрическим градусам, а один геометрический градус равен р электрическим градусам.

На рис. 1, г показаны магнитные линии для некоторого фиксированного момента времени. Если же рассмотреть картину магнитного поля для ряда последовательных моментов времени, можно убедиться в том, что поле вращается с постоянной скоростью.

Найдем скорость вращения поля. По истечении времени, равного половине периода переменного тока, направления всех токов изменяются на обратные, поэтому магнитные полюсы меняются местами, т. е. за половину периода магнитное поле поворачивается на часть оборота. Скорость вращения магнитного поля статора, т. е. синхронная скорость, равна (в оборотах в минуту)

Число р пар полюсов может быть только целым, поэтому при частоте, например, 50 Гц синхронная скорость может равняться 3000; 1500; 1000 об/мин и т. д.

Развернутая схема трехфазной однослойной обмотки

Рис. 2. Развернутая схема трехфазной однослойной обмотки

Обмотки машин переменного тока можно разделить на три группы:

К специальным обмоткам относятся:

а) короткозамкнутая обмотка в виде беличьей клетки;

б) обмотка асинхронного двигателя с переключением на разные числа полюсов;

в) обмотка асинхронного двигателя с противосоединеннями и т. д.

Кроме вышеуказанного деления, обмотки отличаются по ряду других признаков, а именно:

1) по характеру исполнения — ручные, шаблонные и полушаблонные;

2) по расположению в пазу — однослойные и двухслойные;

3) по числу пазов на полюс и фазу — обмотки с целым числом q пазов на полюс и фазу и обмотки с дробным числом q .

Витком называется контур, образованный двумя последовательно соединенными проводниками. Секция, или катушка, представляет собой ряд последовательно соединенных витков, лежащих в двух пазах и имеющих общую изоляцию от корпуса.

Секция имеет две активные стороны. Левую активную сторону называют началом секции (катушки), а правую — концом секции. Расстояние между активными сторонами секции называют шагом секции. Его можно измерять или числом зубцовых делений или в долях полюсного деления.

Шаг секции называют диаметральным, если он равен полюсному делению и сокращенным, если он меньше полюсного деления, так как шаг секции больше полюсного деления не делают.

Читайте также:  Вектор магнитной индукции линейного тока

Характерной величиной, определяющей выполнение обмотки, является число пазов на полюс и фазу, т. е. число пазов, занимаемых обмоткой каждой фазы в пределах одного полюсного деления:

где z— число пазов статора.

Обмотка, приведенная на рис. 1, а, имеет следующие данные:

Даже для этой простейшей обмотки пространственный чертеж проводников и их соединений получается сложным, поэтому он обычно заменяется развернутой схемой, где проводники обмотки изображаются расположенными не на цилиндрической поверхности, а на плоскости (цилиндрическая поверхность с пазами и обмоткой «развертывается» в плоскость). На рис. 2, а дана развернутая схема рассмотренной обмотки статора.

На предыдущем рисунке было для простоты показано, что часть фазы А обмотки, уложенная в пазах 1 и 4, состоит всего из двух проводников, т. е. из одного витка. В действительности же каждая такая часть обмотки, приходящаяся на один полюс, состоит из w витков, т. е. в каждой паре пазов помещается по w проводников, объединенных в одну катушку. Поэтому при обходе по развернутой схеме, например, фазы А от паза 1 нужно w раз обойти пазы 1 и 4, прежде чем перейти к пазу 7. Расстояние между сторонами витка одной катушки, или шаг обмотки, у показан на рис. 1, г; он обычно выражается в числах пазов.

Щиток асинхронной машины

Рис. 3. Щиток асинхронной машины

Приведенная на рис. 1 и 2 обмотка статора называется однослойной, так как она укладывается в каждом пазу в один слой. Для того чтобы разместить лобовые части, пересекающиеся на плоскости, их изгибают по разным поверхностям (рис. 2, б). Однослойные обмотки выполняются с шагом, равным полюсному делению (рис. 2, а), или этот шаг равен в среднем полюсному делению для разных катушек одной фазы, если y > 1 , y . В настоящее время более распространены двухслойные обмотки.

Начало и конец каждой из трех фаз обмотки выводятся на щиток машины, где имеется шесть зажимов (рис. 3). К верхним зажимам C1, С2, СЗ (начала фаз) подводятся три линейных провода от трехфазной сети. Нижние зажимы С4, С5, С6 (концы фаз) либо соединяются в одну точку двумя горизонтальными перемычками, либо каждый из этих зажимов соединяется вертикальной перемычкой с лежащим над ним верхним зажимом.

В первом случае три фазы статора образуют соединение звездой, во втором — треугольником. Если, например, одна фаза статора рассчитана на напряжение 220 В, то линейное напряжение сети, в которую включается двигатель, должно быть 220 В в случае включения статора треугольником; при включении его звездой линейное напряжение сети должно быть

При соединении статора звездой нейтральный провод не подводится, так как двигатель является для сети симметричной нагрузкой.

Ротор асинхронной машины набирается из штампованных листов изолированной электротехнической стали на валу или на специальной несущей конструкции. Радиальный зазор между статором и ротором делается возможно меньшим для обеспечения малого магнитного сопротивления на пути магнитного потока, пронизывающего обе части машины.

Наименьший зазор, допустимый по технологическим требованиям, составляет от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров в зависимости от мощности и габаритов машины. Проводники обмотки ротора располагают в пазах вдоль образующих ротора непосредственно у его поверхности с тем, чтобы обеспечить наибольшую связь обмотки ротора с вращающимся полем.

Асинхронные машины выпускаются как с фазным, так и с короткозамкнутым ротором.

Фазный ротор

Рис. 4. Фазный ротор

Фазный ротор имеет, как правило, трехфазную обмотку, выполняемую, подобно статорной, с тем же числом полюсов. Обмотка соединяется звездой или треугольником; три конца обмотки выводятся на три изолированных контактных кольца, вращающихся вместе с валом машины. Через щетки, укрепленные на неподвижной части машины и скользящие по контактным кольцам, в ротор включается трехфазный пусковой или регулировочный реостат, т. е. в каждую фазу ротора вводится активное сопротивление. Внешний вид фазного ротора представлен на рис. 4, на левом конце вала видны три контактных кольца. Асинхронные двигатели с фазным ротором применяются там, где требуется плавное регулирование скорости приводимого в движение механизма, а также при частых пусках двигателя под нагрузкой.

Конструкция короткозамкнутого ротора значительно проще, чем фазного. Для одной из конструкций на рис. 5, а показана форма листов, из которых набирается сердечник ротора. При этом отверстия вблизи наружной окружности каждого листа составляют в сердечнике продольные пазы. В эти пазы заливается алюминий, после его затвердения в роторе образуются продольные токопроводящие стержни. По обоим торцам ротора заодно отливаются алюминиевые кольца, замыкающие накоротко алюминиевые стержни. Полученная при этом токопроводящая система обычно называется беличьей клеткой.

Короткозамкнутый ротор

Рис. 5. Короткозамкнутый ротор

Короткозамкнутый ротор с беличьей клеткой представлен на рис. 5,б. На торцах ротора видны вентиляционные лопатки, отливаемые заодно с короткозамыкающими кольцами. В данном случае пазы скошены на одно пазовое деление вдоль ротора. Беличья клетка проста, не имеет скользящих контактов, поэтому трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором наиболее дешевы, просты и надежны; они наиболее распространены.

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

Читайте также:  Виды электрического тока их физическая характеристика

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

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

Получить полный текст Подготовиться к ЕГЭ Найти работу Пройти курс Упражнения и тренировки для детей

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.

Читайте также:  Сила тока в переменной сети 220в

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

Конструктивное исполнение обмоток переменного тока

КЛАССИФИКАЦИЯ ОБМОТОК

Обмотки состоят из секций. Секция может быть одновитковой (состоят из одного витка) и м н о г о в и т к о в о й (иметь несколько витков) (рис. 3). Части секции, укладываемые в пазы, называ­ются пазовыми или активными, а располагаемые вне паза — лобовыми. Ширина секции определяется ша­гом обмотки y.

Для того чтобы ЭДС про­водников двух активных сто­рон секции суммировались, эти активные стороны должны рас­полагаться под полюсами раз­ной полярности.

Поэтому шаг у должен быть примерно равен полюсному делению. Шаг у задается в зубцовых (пазовых) делениях. 3 у б ц о в о е (пазовое) деление tZ(п) представляет собой расстояние между серединами соседних зубцов (пазов):

где D — диаметр статора; Z — число зубцов (пазов).

На полюсном делении в общем случае укладывается τ/tZ(п)=Z/(2p) зубцовых (пазовых) делений. Если шаг ра­вен полюсному делению yп=Z/(2p), то обмотка назы­вается обмоткой с диаметральным шагом, а если y При одновитковых катушках волновая двухслойная об­мотка имеет в каждо м пазу только два проводника или стержня большого сечения. Катушки таких обмоток часто выполняют из двух одинаковых частей — стержней (рис. 7). Каждый стержень имеет пазовую часть и две поло­винки лобовых. После укладки в пазы их соединяют между собой в лобовых частях хомутиком так, чтобы образовался виток обмотки. Обмотки, вы­полненные таким образом, на­зываются стержневыми.

В обмотках статора, в ко­торых протекают токи частотой 50 Гц и выше, для уменьшения потерь на вихревые то­ки стержни выполняют из многих изолированных прямоугольных проводников, кото­рые на протяжении пазовой части переплетаются так, что­бы каждый из них поперемен­но занимал все возможные по­ложения по высоте стержня. Такое переплетение называет­ся транспозицией (рис. 8). В обмотках ротора, в кото­рых протекают токи неболь­шой частоты, стержни не подразделяют на элементарные проводники. Иногда (редко) из стержней выполняют и петлевые обмотки.

Источник



Конструктивное исполнение электрических машин переменного тока

Статор электрических машин переменного тока несет на себе двух- или трехфазную обмотку, которая подключается соответственно к двух- или трехфазной сети переменного тока. Назначение статора с обмоткой – создание вращающегося магнитного поля (ВМП).

Условие создания вращающегося магнитного поля неподвижными обмотками: необходимо, чтобы фазы обмоток были сдвинуты в пространстве относительно друг друга, а питающие напряжения фаз были смещены во времени. Для трехфазной обмотки пространственный сдвиг составляет 120° (рис.13.1), а питающее напряжение соответствует следующим уравнениям:

где uA – мгновенное значение напряжения в фазе А;

UMA, UMB, UMC – амплитудные значения соответственно в фазах А, В, С.

Для двухфазной обмотки пространственный и временной сдвиг составляет 90°.

Рис. 13.1. Статор асинхронного двигателя Рис. 13.2 – Статор

Частота вращения ВМП:

где f – частота переменного тока (f =50 Гц), р – число пар полюсов
(на рис. 13.2 р=1).

Соединим фазы статора по схеме треугольник, тогда выводы фаз обмоток подключаются к трехфазной сети переменного тока через выводную коробку, расположенную на корпусе электрической машины (рис. 13.3).

а) б)
Рис. 13.3. Соединение фаз статора: а) по схеме «треугольник»; б) по схеме «звезда»

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник