Электрическая машина
— электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую (генератор), либо электрическую энергию в механическую (электродвигатель), либо электрическую энергию с одними параметрами (напряжением, частотой и т.д.) в электрическую с другими параметрами.
В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.
На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.
Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:
- генераторы
— источники электрической энергии; - электродвигатели
— источники механической энергии; - специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением
Области применения электрических машин
Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т.д. Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10-17 — 109 Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.
Рисунок 1 – Области распространения электрических машин
Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].
КОНСТРУКЦИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБМОТОК
Электрических машин
В современных электрических машинах наибольшее распространение получили цилиндрические разноименнополюсные (барабанные) обмотки. Проводники таких обмоток располагаются вдоль воздушного зазора машины и не охватывают магнитопровода статора и ротора. Другие типы обмоток встречаются только в некоторых специальных типах электрических машин [6].
ТИПЫ ОБМОТОК И ИХ ИЗОЛЯЦИЯ
Обмотки бывают сосредоточенными или распределенными. В сосредоточенных обмотках витки, образующие полюс, объединены в одну, как правило, многовитковую катушку, которая насаживается на ферромагнитный сердечник. Полюс, образованный катушкой и сердечников, называют явно выраженным.
Сосредоточенные обмотки полюсов машин постоянного и переменного тока одинаковы по схемам соединения и различаются между собой лишь особенностями конструктивного исполнения и способами крепления катушек. Обмотки возбуждения почти всех машин постоянного тока выполняют сосредоточенными. В машинах переменного тока сосредоточенными выполняют обмотки возбуждения синхронных машин с частотой вращения не более 1500 об/мин. Такие машины называют машинами с явно выраженными полюсами на роторе или машинами с явнополюсными роторами (рис. 3.1).
Рис. 3.1. роторы синхронных машин с явно выраженными полюсами:
а —
многополюсный;
б —
четырехполюсный
Распределенные обмотки состоят из катушек с относительно небольшим числом витков каждая (в машинах большой мощности — до одного-двух витков в катушке). Катушки размещают равномерно по всей длине окружности воздушного зазора в пазах статора или ротора (рис. 3.2). Соединенные между собой по определенной схеме катушки образуют так называемые неявно выраженные полюсы машины.
Рис. 3.2. Статор машины переменного тока Рис. 3.3. Катушки распределенной
с распределенной обмоткой обмотки из прямоугольного провода:
а —
подразделенная;
б
— цельная;
1
— пазовые части;
2 —
лобовые части;
3
— выводные концы
Распределенные обмотки приняты в статорах и фазных роторах асинхронных машин, в статорах синхронных машин, якорях машин постоянного тока и в роторах синхронных машин с частотой вращения 3000 об/мин (в неявнополюсных роторах). В ряде конструкций машин постоянного тока обмотки возбуждения также выполняют распределенными.
Катушки распределенной обмотки (рис. 3.3) наматывают обмоточным проводом. Прямолинейные части витков, располагающиеся в пазах магнитопровода, называют пазовыми частями; криволинейные, которые соединяют пазовые части между собой, — лобовыми частями витка. Аналогичные названия — пазовые и лобовые части — имеют соответствующие части катушки. Участки изгибов лобовых частей называют головками катушек, начала и конец обмоточного провода, которым намотана катушка, — выводными концами катушки.
Стороны катушек распределенных обмоток могут занимать либо целый паз, либо только половину (рис. 3.4). В первом случае обмотку называют однослойной, во втором — двухслойной, так как стороны катушек располагают в пазах в два слоя: одна в нижней половине паза — нижний слой, вторая в верхней половине — верхний слой.
| Рис. 3.4. Поперечное сечение полузакрытых пазов статора с обмоткой из круглого провода: а — машин малой мощности, однослойная обмотка; б — машин средней мощности, двухслойная обмотка | Рис. 3.5. Схематическое изображение элементов катушечных обмоток: а — петлевой; б — волновой, стержневой обмотки; в — петлевой; г — волновой |
Некоторые типы обмоток изготовляют не из катушек, а из стержней — стержневая обмотка (рис. 3.5). Каждый стержень представляет собой как бы катушку, разрезанную пополам по лобовым частям, и состоит из одной пазовой и двух половин разных лобовых частей. Витки стержневой обмотки образуются после укладки обмотки в пазы и соединения головок стержней друг с другом. В расчетах и схемах стержневая обмотка рассматривается как катушечная с одним витком в катушке.
По направлению отгиба лобовых частей катушек или стержней, который определяет последовательность их соединений между собой, различают петлевые и волновые обмотки (см. рис. 3.5).
Почти все обмотки электрических машин наматывают изолированным обмоточным проводом. Значительно реже для обмоток используют неизолированную прямоугольную проволоку или медные шины, на которые изоляцию наносят в процессе изготовления катушек. Лишь короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных двигателей и демпферные или пусковые обмотки синхронных машин не имеют изоляции. Стержни этих обмоток устанавливают в неизолированные пазы магнитопровода, а в большинстве асинхронных двигателей мощностью до 300…400 кВт выполняют заливкой в пазы алюминия или его сплавов.
К изоляции электрических машин предъявляют ряд требований, целью которых является обеспечение надежной работы машины на протяжении всего расчетного срока ее эксплуатации. Изоляция, прежде всего, должна иметь достаточную электрическую прочность для предотвращения возможного замыкания витков обмотки на металлические части машины или между собой. Для обеспечения этого требования изоляции должна обладать хорошей теплопроводностью, так как иначе тепло, выделяемое в проводниках обмотки, нагреет ее выше допустимых пределов, и электрическая прочность изоляции снится. Кроме того, изоляция обмоток не должна заметно ухудшать свои электрические свойства под воздействием механических усилий, которым она подвергается в процессе укладки обмотки в пазы, а также при работе машины, под воздействием влаги, паров масел и различных газов, которые может содержать окружающий машину воздух. Эти требования определяют необходимые для изоляции термическую и механическую прочность, влаго- и маслостойкость и т. п.
По своему функциональному назначению изоляция обмоток подразделяется на корпусную — наружную изоляцию катушек, изолирующую их от стенок пазов в сердечниках (пазовая изоляция) и от других металлических частей машины (изоляция лобовых частей катушек); междуфазную, изолирующую катушки каждой фазы обмотки от других фаз; витковую, изолирующую каждый виток катушки от других витков; проводниковую — изоляцию каждого из проводников обмотки. Каждый из видов изоляции имеет свою, специфическую конструкцию и к ним предъявляются различные требования.
В общем случае толщина и конструкция всех видов изоляции определяются ее функциональным назначением, уровнем номинального напряжения машины, ее типом и условиями эксплуатации, для которых предназначена данная машина.
В наиболее тяжелых условиях при эксплуатации находится корпусная изоляция пазовых частей катушек обмотки. Ограниченные размеры паза приводят к необходимости выполнения пазовой изоляции в виде тонкого и механически прочного слоя, отвечающего всем перечисленным выше требованиям к изоляции электрических машин, т. е. электрической и механической прочности, теплопроводности и др. Современные электроизоляционные материалы позволяют выполнить пазовую изоляцию машин с номинальным напряжением до 660 В толщиной, не превышающей нескольких десятых долей миллиметра на сторону, а машин высокого номинального напряжения — толщиной, не превышающей нескольких миллиметров на сторону.
Корпусная изоляция по своей конструкции бывает непрерывной или гильзовой. Непрерывную изоляцию образуют обертыванием проводников катушки по всей их длине лентой изоляционного материала, например микалентой, стекломикалентой или стеклослюдинитовой лентой. Ленту обычно наносят вполперекроя (вполнахлеста) в несколько слоев, число которых зависит от номинальное напряжение машины. В большинстве случаев конструкций после наложения ленты изоляцию пропитывают изолирующими составами — лаками или компаундами для создания монолитного изолирующего слоя и увеличения ее теплопроводности и механической прочности.
Гильзовую изоляцию образуют обертыванием прямолинейных пазовых частей катушек широким листовым изоляционным материалом с последующей горячей обкатной наложенных слоев (мягкая гильза) или горячей обкаткой, опрессовкой и запечкой (твердая гильза). На изогнутые лобовые части катушек с гильзовой изоляцией наносят непрерывную ленточную изоляцию.
Непрерывную и гильзовую изоляцию применяют для обмоток всех машин напряжением 3000 В и выше, в обмотках якорей машин постоянного тока большой мощности, стержневых волновых обмотках фазных роторов асинхронных двигателей, а также в машинах специального, например, влагостойкого исполнения при любом номинальном напряжении.
Пазовые части обмотки машин напряжением до 600 В изолируют коробами из одного или двух слоев изоляционного материала — пленкосинтокартон, электронита, имидофлекса и т. п. Пазовые короба устанавливают в пазы до укладки обмотки. Они не могут служить надежной корпусной изоляцией для обмоток машин более высокого напряжения.
Примеры выполнения изоляции обмоток приведены при описании конкретных конструкций обмоток.
Таблица 3.10. Изоляция катушечной обмотки фазных роторов асинхронных двигателей мощностью до 100 кВт класса нагревостойкости B
| Часть обмотки | Позиция на рисунке | Материал | Количество слоев | Двусторонняя толщина изоляции, мм | |||
| Наименование | Марка | Толщина, мм | по ширине | по высоте | по ширине | по высоте | |
| Пазовая | Разбухание изоляции от промазки лаком | — | — | — | — | 0,1 | 0,1 |
| 1 | Стеклянная лента | ЛЭС | 0,1 | 1 слой вразбежку | 0,2 | 0,2 | |
| Всего на одну катушку | — | — | — | — | 0,3 | 0,3 | |
| 2 | Стеклолакоткань | ЛСБ | 0,2 | 0,4 | 0,6 | ||
| 3 | Гибкий миканит | ГФС | 0,2 | 0,4 | 0,6 | ||
| 4 | Стеклолакоткань | ЛСБ | 0,2 | 0,4 | 0,6 | ||
| 5 | Стеклотекстолит | СТ | 0,5 | — | — | 0,5 | |
| 6 | То же | СТ | 0,5 | — | — | 0,5 | |
| 7 | « | СТ | 0,5 | — | — | 0,5 | |
| Допуск на укладку | — | — | — | — | 0,5 | 0,8 | |
| Всего на паз без клина | — | — | — | — | 4,7 |
Продолжение таблицы 3.10
| Часть обмотки | Пози ция на рисунке | Материал | Количество слоев | Двусторонняя толщина изоляции, мм | ||||
| Наименование | Марка | Толщина, мм | по ширине | по высоте | по ширине | по высоте | ||
| Лобовая | Средние катушки в катушечной группе | 8 | Стеклянная лента | ЛЭС | 0,2 | 1 слой вполнахлеста | 0,8 | 0,8 |
| Крайние катушки в катушечной группе | 9 | Стеклолакоткань | ЛСБ | 0,2 | 1 слой вполнахлеста | 0,8 | 0,8 | |
| 10 | Стеклянная лента | ЛЭС | 0,2 | 1 слой вполнахлеста | 0,8 | 0,8 | ||
| Толщина изоляции крайних катушек | — | — | — | — | 1,6 | 1,6 |
Стержневые обмотки фазных роторов асинхронных двигателей применяют в машинах мощностью более 100 кВт, а в некоторых исполнениях — начиная с мощности 40…50 кВт. Обмотки выполняют из прямоугольной шинной меди. Механическая жесткость стержней дает возможность выполнить пазы ротора полузакрытыми с узкой прорезью, что способствует улучшению рабочих характеристик двигателей. Стержни вставляют в пазы с торца ротора, поэтому до укладки изгибают только одну лобовую часть стержня. Вторую лобовую часть изгибают после установки стержня на место в паз [2].
Конструкция изоляции стержневых обмоток роторов приведена в табл. 3.11. В этой таблице даны два значения числа слоев и толщины изоляции в зависимости от напряжения на контактных кольцах ротора, которое определяется обмоточными данными машины.
Гильзы для роторных стержней изготовляют из микафолия, стекломикафолия или из листовых материалов на основе слюдинитов: слюдинитофолия, стеклослюдинитофолия. В качестве связующих для изготовления гильз применяют термореактивные лаки. Лобовые части стержней изолируют ленточными материалами. Слабым в электрическом отношении местом изоляции роторных стержней, так же как и в катушечных обмотках статоров с гильзовой изоляцией, является место стыка двух видов изоляции — гильзовой на пазовой части и непрерывной на лобовой.
Таблица 3.11. Изоляция стержневых обмоток фазных роторов асинхронных двигателей с высотой оси вращения ≥ 280 мм
| Часть обмотки | Позиция на рисунке | Материал | Напряжение до 750 В | Напряжение до 1200 В | ||||||||||
| Наименование, марка | Толщина, мм | Число слоев | Двусторонняя толщина изоляции, мм | Число слоев | Двусторонняя толщина изоляции, мм | |||||||||
| Класс нагревостойкости | Класс нагревостойкости | Класс нагревостойкости | по ширине | по высоте | Класс нагревостойкости | по ширине | по высоте | |||||||
| B | F | H | B | F и H | B | F и H | B | F и H | ||||||
| Пазовая | 1 | Стеклослюдо пластифолий ИФГ-Б | Синтофолий — F | Синтофолий — H | 0,15 | 0,16 | 4,5* оборота | 3,5 оборота | 1,1 | 2,2 | 9,5* оборота | 7,5 оборота | 2,4 | 4,5 |
| Стеклолакоткань | ||||||||||||||
| 2 | ЛСБ-105/120 | ЛСП-130/155 | ЛСК-155/180 | 0,15 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | ||||||
| Стеклотекстолит | ||||||||||||||
| 3 | СТ | СТЭФ-1 | СТК | 0,5 | — | 0,5 | — | 0,5 | ||||||
| 4 | СТ | СТЭФ-1 | СТК | 0,5 | — | 0,5 | — | 0,5 | ||||||
| 5 | СТ | СТЭФ-1 | СТК | 0,5 | — | 0,5 | — | 0,5 | ||||||
| Допуск на укладку обмотки | — | — | 0,3 | 0,5 | — | — | 0,3 | 0,5 | ||||||
| Общая толщина изоляции в пазу (без клина) | — | 1,7 | 4,5 | — | — | 6,6 | ||||||||
| Лобовая | 6 | Стеклослюдинитовая лента ЛС-ПЭ-934-ТП | Пленка полиимидная 0,05 3 = 0,15 | 0,15 | 1 слой вполнахлеста | 0,6 | 0,6 | 2 слоя вполнахлеста | 1,2 | 1,2 | ||||
| 7 | Стеклянная лента ЛЭС | 0,1 | 1 слой вполнахлеста | 0,4 | 0,4 | 2 слоя вполнахлеста | 0,8 | 0,8 | ||||||
| Общая толщина изоляции стержня в лобовой части | 1,0 | 1,0 | 2,0 | 2,0 |
* С учетом усадки на 15…20%
Для того чтобы увеличить электрическую прочность изоляции этого участка, его изолируют с постепенным переходом от гильзовой к непрерывной изоляции по типу конуса или обратного конуса.
Изоляцию стержней фазных роторов для двигателей некоторых типоразмеров выполняют непрерывной из ленточного материала по всей длине стержня с последующей опрессовкой и запечкой изоляции в горячих прессах.
Короткозамкнутые обмотки.В роторах асинхронных двигателей широко распространены короткозамкнутые обмотки. Они также применяются как демпферные и пусковые в роторах синхронных машин.
Основное их отличие от всех остальных обмоток электрических машин заключается в отсутствии изоляции между пазовой частью обмотки и стенками паза. Встречающиеся иногда — фазные изолированные и замкнутые накоротко обмотки роторов асинхронных машин специального исполнения здесь не рассматриваются.
Короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных двигателей делятся по конструкции и технологии изготовления на два типа: сварные и литые (рис. 3.10).
Демпферные и пусковые обмотки синхронных машин выполняют только сварной конструкцией. Стержни обмоток в подавляющем большинстве случаев круглого сечения располагают в пазах полюсных наконечников.
Демпферные обмотки синхронных двигателей более мощные, чем синхронных генераторов, так как их используют так же, как и пусковые. У генераторов демпферные обмотки выполняют из меди. В двигателях для улучшения пусковых характеристик часто применяют латунь.
Рис. 3.10. Короткозамкнутые роторы асинхронных двигателей:
— со вставными стержнями; — с литой обмоткой;
1
— стержни обмотки;
2
—замыкающие кольца;
3
— вентиляционные лопатки
КОЭФФИЦИЕНТ ЗАПОЛНЕНИЯ ПАЗА
Зубцовая зона — наиболее напряженный в магнитном отношении участок магнитопровода, поэтому при проектировании машин стремятся выбрать наименьшие размеры пазов, обеспечивающие размещение в них необходимого числа проводников и изоляции. Степень использования объема паза для размещения меди обмотки оценивается коэффициентом заполнения паза медью ,представляющим собой отношение суммарной площади поперечного сечении всех проводников в пазу к площади поперечного сечения паза «в свету» :
, (3.1)
где q
эл
—
площадь поперечного сечения элементарного проводника;
n
эл— число элементарных проводников в одном эффективном;
u
п — число эффективных проводников в пазу.
Коэффициент k
м зависит от общего количества изоляции в пазу, т. е. от толщины корпусной, витковой и проводниковой изоляции и наличия различных изоляционных прокладок. При возрастании толщины изоляции, например, в машинах с более высоким номинальным напряжением или при использовании худших изоляционных материалов, коэффициент заполнения паза медью уменьшается. Это приводит к ухудшению использования пазового пространства, а следовательно, и всей зубцовой зоны машины.
Средние значения для современных электрических машин в зависимости от номинального напряжения и типа обмоток приведены в табл. 3.12.
Таблица 3.12. Средние значения коэффициента заполнения паза медью
| Тип обмотки | Коэффициент |
| Обмотки из круглого провода с эмалевой изоляцией на напряжение до 660 В | 0,3 |
| Обмотки из прямоугольного провода на напряжение 3000 В (провод марки ПСД) | 0,22…0,37 |
| Обмотки из прямоугольного провода на напряжение 6000 В | 0,14…0,25 |
Для машины с обмотками из прямоугольных проводов можно рассчитать достаточно точно, так как при проектировании заранее определяют местоположение каждого проводника в пазу.
В обмотках из круглого провода положение каждого проводника в пазу заранее определить нельзя. Кроме того, плотность размещения проводников в пазу непостоянна. Она зависит от усилий, прикладываемых обмотчиком при уплотнении проводников по мере укладки их в пазы. Опытом установлено, что при чрезмерно большой плотности укладки круглых проводов трудоемкость обмоточных работ неоправданно возрастает, а надежность обмотки резко ухудшается из-за возникающих при этом механических повреждений проводниковой изоляции.
Плотность укладки проводников в пазы оценивается технологическим коэффициентом заполнения проводниками свободной от изоляции площади поперечного сечения паза:
. (3.2)
Числителем этого выражения является произведение площади квадрата, описанного вокруг изолированного элементарного проводника с диаметром на число всех элементарных проводников в пазу , а знаменателем — площадь поперечного сечения паза, свободная от изоляции т. е. та площадь, в которой располагаются проводники обмотки. Коэффициент обычно называют коэффициентом заполнения паза. Он характеризует только технологичность укладки обмотки из круглого провода, а не степень использования объема паза для размещения проводников обмотки. Так, при одной и той же плотности укладки обмотки будет одинаков для обмоток машин с разной толщиной пазовой или проводниковой изоляции, при двухслойной или однослойной обмотках и т. п.
В современном электромашиностроении плотность укладки обмотки стремятся выполнить такой, чтобы был в пределах 0,7…0,75, причем меньшие значения — в машинах с числом полюсов, равным двум.
Следует отметить, что увеличение числа элементарных проводников в одном эффективном, т. е. применение обмоточного провода меньшего диаметра при прежней площади эффективного проводника, приводит к некоторому возрастанию коэффициента заполнения, и наоборот. Это объясняется тем, что толщина изоляции обмоточного провода остается постоянной при сравнительно больших изменениях диаметра круглых обмоточных проводов (см. приложение П3).
ЭЛЕМЕНТЫ СХЕМ И ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВЫВОДОВ ТРЕХФАЗНЫХ ОБМОТОК
Основным элементом обмотки электрической машины является виток. Несколько последовательно соединенных витков, находящихся в одних и тех же пазах, объединяют между собой общей корпусной изоляцией, в результате чего образуется катушка обмотки. Каждую из сторон катушки располагают в одном пазу. Если весь паз занят стороной только одной катушки (стороны катушек располагают в один слой), то обмотку называют однослойной. Если в каждом пазу размещены стороны двух катушек, одна над другой, то обмотку называют двухслойной.
Несколько последовательно соединенных в соседних пазах, образуют катушечную группу, представляющую собой обмотку полюса или пары полюсов одной из фаз машины. Число катушек в катушечной группе обозначают q.
Так как
q
катушек располагают в соседних пазах, то одноименные стороны этих катушек занимают
q
пазов, образующих обмотку полюса одной фазы машины.
В одной катушечной группе все катушки могут быть соединены только последовательно, так как векторы ЭДС катушек, находящихся в различных пазах, сдвинуты относительно друг друга на пазовый угол и при параллельном соединении возникают большие уравнительные токи. Параллельное соединение катушек в одной группе применяют в некоторых обмотках крупных двухполюсных турбогенераторов.
Несколько соединенных между собой катушечных групп образуют фазу обмотки. Катушечные группы в фазе соединяются последовательно, параллельно или смешанно, последовательно-параллельно. Количество катушечных групп в каждой из фаз зависит от числа полюсов и типа обмотки. Число параллельных ветвей при соединении катушечных групп определяют при расчете обмоток.
Концы фаз в большинстве случаев внутри машины не соединяют, а подводят к зажимам коробки выводов все начала и все концы фаз, что позволяет включать машины на два напряжения сети, соединяя фазы в звезду или в треугольник. Напряжение, приходящееся на фазу обмотки статора, при этом не изменяется.
| Изображение схемы обмотки.Порядок соединения между собой отдельных катушек, катушечных групп и фаз обмотки задают в технической документации в виде чертежа, который называют схемой обмотки. При вычерчивании схем принят ряд условностей: чертеж с изображением схемы обмотки выполняется без соблюдения масштаба и не отражает никаких соотношений размеров машины и обмотки и ее частей; каждая катушка изображается одной линией независимо от числа витков в ней и элементарных проводников в каждом эффективном проводнике; все катушки изображают в одной плоскости и т. п. | Рис. 3.11. Торцевая схема однослойной концентрической обмотки z =24, 2р = 4, а = 1 |
Известны несколько способов изображения схем, из которых наибольшее распространение получили так называемые развернутые и торцевые схемы. Торцевая схема представляет собой как бы вид с торца на обмотанный сердечник (рис. 3.11). На ней хорошо прослеживаются положения лобовых частей катушек, но недостаточно места для изображения межкатушечных и межгрупповых соединений, что неудобно в сложных схемах, имеющих несколько параллельных ветвей.
Развернутые схемы представляют собой развертку статора или ротора с обмоткой и позволяют показать все соединения между элементами обмотки — катушками и катушечными группами.
Фазная зона.Стороны катушек одной катушечной группы распределены в q
лежащих друг за другом пазах. В симметричной m-фазной обмотке на каждом полюсном делении таких групп будет m по
q
пазов в каждой. Следовательно, стороны катушек, принадлежащих одной фазе, расположены на каждом полюсном делении τ в пазах, занимающих 1/m-ю его часть, или [π
D
/(2рm)
=
τ/m]-ю часть окружности зазора, называемую фазной зоной. В обмотках трехфазных машин, построенных по такому принципу, фазная зона занимает дугу окружности, содержащую электрический угол τ/m = 180°/3 = 60°, поэтому такие обмотки называют обмотками с 60-градусной фазной зоной.
Иногда применяют обмотки, в которых mq
пазов располагают на двух полюсных делениях. Фазная зона таких обмоток занимает 2τ/m-ю часть окружности, что соответствует электрическому углу 120° в трехфазных машинах. Такие обмотки называют обмотками с 120-градусной фазной зоной.
В большинстве трехфазных машин общего назначения применяют обмотки с 60-градусной фазной зоной. Однако встречаются и машины с обмотками, имеющими 120-градусную фазную зону. Например, в многоскоростных асинхронных двигателях с полюсно-переключаемой обмоткой при включении на большее число полюсов обмотка имеет 60-градусную фазную зону, а при включении на работу с меньшим числом полюсов — 120-градусную фазную зону.
Ниже рассматриваются наиболее распространенные схемы обмоток с 60-градусной фазной зоной. Принципиально схемы обмоток со 120-градусной фазной зоной не отличаются от рассматриваемых ниже, однако при их составлении и расчете обмоточных коэффициентов необходимо учитывать особенности этого вида обмоток.
Обозначение выводов обмоток трехфазных машин. В настоящее время действуют две системы обозначений выводов обмоток электрических машин. Одна из них, установленная ГОСТ 183—74, сохраняется для разработанных до 1987 г. и модернизируемых машин. Выводы обмоток этих машин обозначают буквами русского алфавита: обмоток статора — С, обмоток ротора асинхронных двигателей — Р, обмоток возбуждения синхронных машин — И. Цифрами после букв обозначают начала и концы фаз: первой фазы соответственно 1 и 4, второй фазы 2 и 5, третьей фазы 3 и 6. В табл. 3.13 приведены установленные ГОСТ 183—74 обозначения в зависимости от числа выводов и схемы соединения обмоток. Обозначения должны быть нанесены непосредственно на концы выводов: на кабельные наконечники, шинные концы или специальные обжимы, плотно закрепленные на выводах.
Таблица 3.13. Обозначения выводов обмоток электрических машин переменного тока, разработанных до 1987 г. и модернизируемых (ГОСТ 183 – 74)
| Наименование и схема соединения обмотки | Число выводов | Наименование фазы или вывода | Обозначение выводов |
| начало | конец | ||
| Обмотка статора: Открытая схема | Первая фаза | С1 | С4 |
| Вторая фаза | С2 | С5 | |
| Третья фаза | С3 | С6 | |
| Соединение звездой | 3 или 4 | Первая фаза | С1 |
| Вторая фаза | С2 | ||
| Третья фаза | С3 | ||
| Нулевая точка | |||
| Соединение треугольником | Первый вывод | С1 | |
| Второй вывод | С2 | ||
| Третий вывод | С3 | ||
| Обмотка возбуждения (индукторов) синхронных машин | И1 | И2 | |
| Обмотка фазного ротора асинхронных двигателей | Первая фаза | Р1 | |
| Вторая фаза | Р2 | ||
| Третья фаза | Р3 |
Продолжение табл. 3.13
| Наименование и схема соединения обмотки | Число выводов | Наименование фазы или вывода | Обозначение выводов |
| Схема звезда | Первая фаза | Р1 | |
| Вторая фаза | Р2 | ||
| Третья фаза | Р3 |
Примечания: 1. В чертежах электрических схем соединения обмоток с 6 выводными концами (в рисунках на свободном поле схемы) допускается применение двойных обозначений (С1C6; C2C4; C3C5) при соединении фаз в треугольник и тройного обозначения (С4С5С6) точки звезды (нулевой точки) при соединении фаз в звезду.
2 .Выводы составных и секционированных обмоток статором машин следует обозначать теми же буквами, что и простые обмотки, но с дополнительными цифрами впереди букв. Например, выводы первой обмотки (первой секции) первой фазы; начало 1С1, конец 1С4, выводы второй обмотки (секции) первой фазы: начало 2С1, конец 2С4.
3. Контактные кольца ротора асинхронных двигателей обозначают также, как присоединенные к ним выводы обмотки ротора, при этом расположение колец должно быть в порядке цифр, указанных в таблице, а кольцо 1, соединенное с выводом Р1, должно быть наиболее удаленным от обмотки ротора.
В машинах малых размеров, в которых буквенно-цифровые обозначения затруднены из-за недостатка места, ГОСТ разрешает использовать цветовые обозначения (табл. 3.14) проводами с разноцветной изоляцией, красками и т. п.
Таблица 3.14. Цветовое обозначение выводов обмоток статора трехфазных машин переменного тока
| Схема соединения обмотки | Число выводов | Наименование фазы или вывода | Цветовой код выводов | |
| начало | конец | |||
| Открытая схема | Первая фаза | Желтый | Желтый с черным | |
| Вторая фаза | Зеленый | Зеленый с черным | ||
| Третья фаза | Красный | Красный с черным | ||
| Звезда | 3 или 4 | Первая фаза | Желтый | — |
| Вторая фаза | Зеленый | — | ||
| Третья фаза | Красный | — | ||
| Нулевая точка | Черный | — | ||
| Треугольник | Первый вывод | Желтый | — | |
| Второй вывод | Зеленый | — | ||
| Третий вывод | Красный | — |
Для машин, разработанных после 1 января 1987 г., установлена система обозначений выводов обмоток (ГОСТ 26772—85), соответствующая международным стандартам. По этой системе (табл. 3.15) выводы обозначают буквами латинского алфавита: первой фазы обмотки статора — буквой U,
второй фазы — буквой V
,
третьей фазы — буквой W
;
выводы обмотки ротора соответственно по фазам — буквами K, L и М
;
выводы обмотки возбуждения синхронных машин — буквой F
.
Начала и концы фаз обозначаются соответствен
o
цифрами 1 и 2
,
стоящими после букв. При наличии промежуточных выводов они обозначаются буквой, определяющей фазу, и последующими цифрами: 3, 4и т. д.
Таблица 3.15. Обозначение выводов обмоток электрических машин переменного тока, разработанных после 1.01.1987 г. (ГОСТ 26772—85)
| Наименование и схема соединения обмотки | Число выводов | Наименование фазы или вывода | Обозначение выводов | |
| начало | конец | |||
| Обмотка статора: | ||||
| открытая схема | Первая фаза | UI | U2 | |
| Вторая фаза | V1 | V2 | ||
| Третья фаза | Wl | W2 | ||
| соединение в звезду | З или 4 | Первая фаза | U | |
| Вторая фаза | V | |||
| Третья фаза | W | |||
| Точка звезды | N | |||
| соединение в треугольник | Первый вывод | U | ||
| Второй вывод | V | |||
| Третий вывод | W | |||
| секционированная обмотка | Первая фаза | U1 | U2 | |
| Выводы от первой фазы | U3 | U4 | ||
| Вторая фаза | VI | V2 | ||
| Выводы от второй фазы | V3 | V4 | ||
| Третья фаза | WI | W2 | ||
| Выводы от третьей фазы | W3 | W4 | ||
| расщепленные обмотки, предназначенные для последовательного или параллельного включения | — | Первая фаза | U1 | U2 |
| U5 | U6 | |||
| Вторая фаза | VI | V2 | ||
| V5 | V6 | |||
| Третья фаза | W1 | W2 | ||
| W5 | W6 | |||
| раздельные обмотки, предназначенные для последовательного или параллельного включения | _ | Первая фаза | 1U1 | 1U2 |
| 2U1 | 2U2 | |||
| Вторая фаза | 1V1 | 1V2 | ||
| 2VI | 2V2 | |||
| Третья фаза | IW1 | IW2 | ||
| 2WI | 2W2 | |||
| Обмотка фазного ротора асинхронного двигателя: | ||||
| открытая схема | Первая фаза | KI | K2 | |
| Вторая фаза | L1 | L2 | ||
| Третья фаза | Ml | M2 | ||
| соединение в звезду | З или 4 | Первая фаза | К | |
| Вторая фаза | L | |||
| Третья фаза | М | |||
| Точка звезды | Q | |||
| соединение в треугольник | Первый вывод | K | ||
| Второй вывод | L | |||
| Третий вывод | М | |||
| Обмотка возбуждения синхронных машин | — | F1 | F2 |
Цветовые обозначения выводов обмоток для машин, в которых буквенно-цифровые обозначения затруднены, сохраняют такими же, как и при прежней системе
Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах
Закон Ампера
Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила
- где F
– сила, Н, - I
– сила тока, А, - – длина проводника, м,
- B
— магнитная индукция, Тл, - — угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.
Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем — одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:
Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]
,
- где E – напряженность электрического поля, В/м,
- ds – элемент контура, м,
- Ф — магнитный поток, Вб,
- t — время, с
Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции
,
- где – электродвижущая сила индукции, В
Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.
РАЗДЕЛ 4
ОБМОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
4.1. Типы обмоток электрических машин
В электрических машинах наиболее распространены цилиндрические разноименно-полюсные (барабанные) обмотки с фазной зоной, равной электрическому углу тс/m. Проводники обмотки этого типа располагаются вдоль зазора и соединяются между собой в витки, не охватывая магнитопровода статора или ротора, как это имеет место в спиральных или граммовских обмотках.
Цилиндрическая разноименнополюсная обмотка может быть сосредоточенной или распределенной. В сосредоточенной обмотке витки, образующие один полюс, объединены в одну катушку, как правило, многовитковую, расположенную на явно выраженных полюсах (обмотки возбуждения машин постоянного тока или синхронных машин с явнополюсным ротором). Распределенные обмотки состоят из катушек с относительно небольшим числом витков каждая, размещенных равномерно по длине окружности воздушного зазора в пазах магнитопровода статора или ротора.
Сосредоточенные обмотки машин переменного и постоянного тока одинаковы по схемам соединений и различаются лишь конструктивными особенностями. Распределенные обмотки машин переменного тока отличаются от распределенных обмоток машин постоянного тока (обмоток якорей) как по схемам соединений, так и по конструкции самих обмоток [2, 9, 18].
исполнение обмоток
машин переменного тока
Распределенные обмотки машин переменного тока подразделяются на петлевые и волновые — по направлению отгиба лобовых частей и последовательности соединения и на однослойные и двухслойные — по числу сторон катушек, расположенных в одном пазу.
Обмотка статоров m-фазных электрических машин состоит из т
частей, называемых фазами обмотки. В симметричных обмотках, например трехфазных, все фазы обмотки одинаковы, т. е. состоят из одного и того же числа витков и катушек, симметрично расположенных в пазах магнитопро-
вода и одинаково соединенных между собой катушечных групп. Фазы обмоток однофазных и двухфазных машин могут быть одинаковыми или различаться по числу витков, катушек и по площади поперечного сечения обмоточного провода.
По конструктивному исполнению различают обмотки из круглого и прямоугольного проводов. Обмотки называют катушечными, если витки каждой катушки образуются непрерывным проводом, или стержневыми, если обмотка состоит из отдельных стержней, а витки образуются лишь после укладки в пазы соединением стержней в их лобовых частях.
Катушечные обмотки в машинах переменного тока выполняются только петлевыми. Стержневые обмотки в зависимости от направления отгиба лобовых частей могут быть петлевыми или волновыми. То или иное конструктивное исполнение обмоток определяется типом и мощностью машины, номинальным напряжением и требованиями к их изоляции.
Обмотки из круглого провода (всыпные)
укладывают в полузакрытые пазы статора (рис. 4.1) или ротора. Конструкция изоляции обмоток из круглого провода (пазовый короб, устанавливаемый в пазы до укладки обмотки) не рассчитана на высокие напряжения, поэтому такую обмотку применяют лишь в машинах с номинальным напряжением, не превышающим 660 В. Малая жесткость лобовых частей обмотки не может противостоять динамическим нагрузкам, возникающим во время пуска при больших токах в проводниках, поэтому обмотку из круглого провода не применяют в машинах мощностью более 100 кВт.
Для всыпных обмоток применяют провода диаметром не более 1,8 мм. При необходимости увеличить сечение эффективных проводников обмотку наматывают одновременно из нескольких параллельных проводов, называемых элементарными. В этом случае площадь поперечного сечения эффективного проводника
9эф = «э9э.
где щ
— число элементарных проводников в одном эффективном;
q3
— площадь поперечного сечения элементарного проводника. Плотность укладки проводников в пазы определяется технологическим коэффициен-
Рис. 4.1. Примеры заполнения пазов статора проводниками обмотки из круглого провода
и изоляцией:
а —
однослойная обмотка;
б —
двухслойная обмотка машины с
h <
250 мм;
в
— двухслойная обмотка машины с
h >
280 мм; / — проводники обмотки;
2 —
корпусная изоляция (пазовый короб);
3 —
пазовая крышка;
4 —
прокладка между слоями; 5 — пазовый клин;
6 —
прокладка под клин; 7 — прокладка на
дно паза
том заполнения паза:
К
= d|,H3«3″n/Sn,
где <1ЭЮ —
диаметр изолированного элементарного проводника; ип — число эффективных проводников в пазу;
S^ —
площадь поперечного сечения паза, свободная от изоляции.
Обычные значения коэффициента заполнения к3
= 0,68 -т- 0,75.
Коэффициент к3,
характеризуя плотность расположения проводников в пазу, не позволяет судить об эффективности использования всего объема паза для размещения в нем меди проводников. Этот фактор учитывает коэффициент заполнения паза медью:
кз,м
= ?эПэ«п/5п,
где Sn — полная площадь поперечного сечения паза.
При современных материалах и марках обмоточных проводов для обмоток из круглого провода удается достигнуть към = =
0,3 -г- 0,4 (большие значения — в однослойных обмотках с более тонкой корпусной изоляцией в пазу).
Обмотки из прямоугольного обмоточного провода
применяют во всех машинах с номинальным напряжением 3000 В и выше, в машинах мощностью более 100 кВт и в машинах некоторых специальных исполнений с повышенными требованиями к изоляции. Для обмоток используют провод с поперечным сечением не более 17 — 20 мм2. При больших номинальных токах машин эф-
фективные проводники обмоток образ’уют из нескольких элементарных проводников указанного сечения.
Катушки из прямоугольного провода выполняются либо цельными, либо подразделенными (рис. 4.2). Подразделенными называют катушки, разделенные вдоль на две одинаковые самостоятельные в конструктивном отношении части. В пазы машины их укладывают поочередно, а после укладки каждую пару соединяют параллельно между собой. Принятые последовательность и конструкция катушек позволяют укладывать обмотку такого типа в полуоткрытые пазы (рис. 4.3, а), шлиц которых уже, чем ширина цельной катушки.
Низкая электрическая прочность корпусной изоляции обмотки из подразделенных катушек, имеющей такую же конструкцию.
Рис. 4.2. Катушки из прямоугольного провода:
а —
подразделенная;
б —
цельная
Рис. 4.3. Примеры заполнения пазов статора
проводниками обмотки из прямоугольного
провода и изоляцией:
а
— полуоткрытые пазы статора с проводниками подразделенных катушек;
б —
открытые пазы статора машины с номинальным напряжением 6 кВ; / — проводники обмотки;
2
— обволакивающее покрытие (для скрепления проводников);
3 —
скрепляющая лента:
4 —
корпусная изоляция (пазовый короб); 5 — прокладка на дно паза;
б —
прокладка между слоями обмотки; 7 — прокладка под клин;
8
— пазовый клин;
9—
проводники обмотки с дополнительной витковой изоляцией;
10 —
гильзовая корпусная изоляция;
11 —
внешняя защитная лента
как и во всыпных обмотках, не позволяет использовать обмотку этого типа в машинах с номинальным напряжением выше 660 В.
Цельные катушки из прямоугольного провода, как правило, изолируют до укладки, поэтому их можно укладывать, только в открытые пазы (рис. 4.3,6). Корпусная изоляция катушек может быть непрерывной по всей длине, выполненной из ленточного изоляционного материала, либо гильзовой в пазовой и непрерывной в лобовых частях. И та и другая конструкция находит широкое распространение в современных электрических машинах.
При напряжении более 6 кВ на внешнюю поверхность катушек обмотки наносят полупроводящее покрытие, служащее для предотвращения явления коронирования, возникающего на поверхности катушек в местах концентрации напряженности электрического поля, например в местах выхода прямолинейной части катушек из пазов.
Стержневая обмотка
применяется в статорах крупных электрических машин, например в турбогенераторах и гидрогенераторах, а также в фазных роторах асинхронных двигателей мощностью более 50— 60 кВт.
Стержни статорных обмоток для снижения потерь от вихревых токов выполняют из большого числа параллельных элементарных проводников с площадью поперечного сечения 17 — 20 мм2, которые для уменьшения влияния эффекта вытеснения тока определенным образом переплетаются между собой — транспонируются (рис. 4.4). Конструкция корпусной изоляции стержней такая же, как и катушек из прямоугольного провода машин с высоким номинальным напряжением.
Стержни обмоток фазных роторов асинхронных двигателей выполняют из медных прямоугольных проводов с большой площадью поперечного сечения. В пазовой части стержни обмотки крепятся пазовыми клиньями, в лобовых частях — проволочными бандажами или бандажами из стеклоленты.
Короткозамкнутые обмотки
применяют как основные в роторах асинхронных двигателей и как пусковые или демпферные в синхронных машинах.
Короткозамкнутые обмотки роторов асинхронных двигателей выполняют либо заливкой пазов алюминием или его сплавами, либо из стержней. Литые обмотки применяют в подавляющем большинстве роторов асинхронных двигателей мощностью до нескольких сотен киловатт. Одновременно с заливкой стержней отливают замыкающие кольца обмотки с вентиляционными лопатками. Изготовление обмотки ротора методом заливки позволяет выполнять стержни ротора практически любой нужной конфигу-
Рис. 4.4. Транспонированный стержень обмотки статора:
а
— стержень без корпусной изоляции;
б —
положение стержней в пазу статора
Рис. 4.5. Пазы короткозамкнутых роторов с литыми обмотками:
а —
одноклеточных;
6
— двухклеточных;
в —
с неравномерной зубцовой зоной (с чередующимися
пазами)
рации, включая двойные клетки со сложными профилями поперечного сечения каждого из стержней или с чередующимися пазами (рис. 4.5).
Для обмотки из вставных стержней в большинстве случаев используют медь, в двухклеточных роторах для рабочей обмотки — медь, а для пусковой — латуни, имеющие большее сопротивление и теплоемкость, чем медь, что особенно важно в двигателях, предназначенных для работы с тяжелыми условиями пуска.
В некоторых сериях асинхронных двигателей, например АНЗ, короткозамкнутая обмотка роторов выполняется из алюминиевых стержней прямоугольного сечения, которые устанавливаются в открытые пазы ротора.
Демпферные и пусковые обмотки синхронных машин выполняют из медных или латунных стержней, размещенных в пазах на полюсных наконечниках. В демпферных обмотках генераторов стержни каждого полюса замыкаются между собой по торцам с помощью сегментов. Стержни пусковых обмоток синхронных двигателей имеют общие замыкающие кольца для всех стержней обмотки.
Обмоточным коэффициентом называют отношение геометрической суммы векторов ЭДС проводников, последовательно соединенных в фазу обмотки (ЭДС фазы), к алгебраической сумме ЭДС этих же проводников:
^об = 1Е-£шр1/Х!етр-
Обмоточный коэффициент для любой обмотки может быть найден по векторной диаграмме — звезде пазовых ЭДС [5,10]. Для обмоток с фазной зоной п/т
общим анали-
тическим выражением для расчета большинства симметричных обмоток, кроме обмоток специальных машин (обмоток с q <
1, с не-равновитковыми катушками, с несплошной фазной зоной и ряда других), является
где v — номер гармоники ЭДС (для основной гармоники v = 1); N
определяется по числу пазов на полюс и фазу: если
q
— целое число,
N
=
q,
если
q
— дробное число,
N
=
dq,
здесь
d —
знаменатель дробного числа
q (q
=
b
+ +
c/d
=
N/d,
где
b —
целая и
c/d
— дробная части числа
q, N/d
— несократимая дробь); Р — относительный шаг обмотки (укорочение или удлинение шага).
В расчетной практике /соб удобнее представить в виде произведения коэффициента укорочения fcy на коэффициент распределения fcp:
/Cq6 ~ ^у ^р-
Коэффициент укорочения шага обмотки
[п \
fey = sinlyPvl
учитывает уменьшение ЭДС витка по отношению к алгебраической сумме ЭДС двух проводников, являющихся его сторонами. В зависимости от укорочения (удлинения) шага
Р = >»расчА,
где урасч — расчетный шаг обмотки.
Расчетный шаг обмотки для различных типов обмоток принимают:
для двухслойных обмоток (за исключе-
| Номер | Число пазов ш | t полюс и фазу | ||||
| гармоники | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | со |
| 1 | 0,966 | 0,960 | 0,958 | 0,957 | 0,957 | 0,955 |
| 5 | 0,259 | 0,217 | 0,205 | 0,200 | 0,197 | 0,191 |
| 7 | -0,259 | -0,177 | -0,158 | -0,149 | -0,145 | -0,136 |
| 11 | -0,966 | -0,177 | -0,126 | -0,110 | -0,102 | -0,087 |
| 13 | -0,966 | 0,217 | 0,126 | 0,102 | 0,092 | 0,073 |
| 17 | -0,259 | 0,960 | 0,158 | 0,102 | 0,084 | 0,056 |
| 19 | 0,259 | 0,960 | -0,205 | -0,110 | -0,084 | -0,050 |
| 23 | 0,966 | 0,217 | -0,958 | -0,149 | -0,092 | -0,041 |
| 25 | 0,966 | -0,177 | -0,958 | 0,200 | 0,102 | 0,038 |
| 29 | 0,259 | -0,177 | -0,205 | 0,957 | 0,145 | 0,033 |
| 31 | -0,259 | 0,217 | 0,158 | 0,957 | -0,197 | -0,051 |
| 35 | -0,966 | 0,960 | 0,126 | 0,200 | -0,957 | -0,027 |
| 37 | -0,966 | 0,960 | -0,126 | -0,149 | -0,957 | 0,026 |
| 41 | -0,259 | 0,217 | -0,158 | -0,110 | -0,197 | 0,022 |
| 43 | 0,259 | -0,177 | 0,205 | 0,102 | 0,145 | -0,042 |
| 47 | 0,966 | -0,177 | 0,958 | 0,102 | 0,102 | -0,020 |
изменение кр
различных гармоник ЭДС в зависимости от числа
q
обмоток трехфазных машин.
обмоток машин
переменного тока
Обозначение выводов обмоток асинхронных и синхронных машин в зависимости от назначения обмотки, ее размещения в машине (на статоре или на роторе), числа концов, выведенных из машины для подсоединения к внешней цепи, и типа машины установлено ГОСТ 26772-85, который введен с 1.01.1987 г. взамен соответствующих пунктов (пп. 5.1-5.9) ГОСТ 183-74. ГОСТ 26772-85 предусматривает две системы обозначений: для ранее разработанных и модернизируемых машин и для вновь разрабатываемых электрических машин.
Для ранее разработанных и модернизируемых машин сохраняется система обозначений, установленная ГОСТ 183-74, в соответствии с которой выводы обмоток синхронных и асинхронных машин обозначаются буквами русского алфавита (обмоток статора — буквой С, ротора — буквой Р, обмоток возбуждения синхронных машин — буквой И) и цифрами. Обозначение выводов трехфазных асинхронных и синхронных машин приведено в табл. 4.2. Выводы обмоток статора однофазных синхронных машин обозначаются: С/ — начало фазы,С2 —
конец фазы; обмотки возбуждения:
И1
— начало,
И2
— конец.
Выводы обмоток однофазных асинхронных двигателей обозначаются: начало главной обмотки — С1,
конец —
С2;
начало вспомогательной обмотки —
В1,
конец —
В2.
Концы обмоток, соединенные между собой внутри машины и не выведенные на клеммную доску коробки выводов или к контактным кольцам, не обозначаются. Например, в обмотке статора трехфазной машины, соединенной в звезду внутри машины, обозначаются только начала фаз С1, С2
и
СЗ,
а при наличии четырех выводов — вывод нулевой точки (точки звезды) О. В фазных роторах асинхронных двигателей обозначения наносят только на выводы обмотки, соединенные с контактными кольцами. Вывод первой фазы
Р1
должен быть присоединен к наиболее удаленному от обмотки ротора контактному кольцу; вывод
Р2
— к среднему, вывод
РЗ
— к ближайшему к обмотке кольцу. Обозначение самих колец не обязательно.
На чертежах схем обмоток обычно обозначают все начала и все концы фаз, причем концы фаз обмотки ротора обозначают аналогично концам фаз обмотки статора, т. е. Р4, Р5, Р6.
Начала и концы фаз секционированных обмоток машины обозначаются теми же буквами и цифрами, что и простые обмотки, но с добавлением перед прописными буквами цифр, определяющих каждую из обмоток. Так, при двух обмотках в машине выводы первой из них обозначаются 1 Cl, 1C2, 1СЗ —
начала фаз и
1С4, 1С5, 1С6
— концы фаз; выводы второй обмотки — соответ-
Таблица 4.2. Обозначения выводов обмоток трехфазных асинхронных и синхронных
машин (по ГОСТ 183-74)
| Наименование обмотки | Схема соединения | Число выводов | Название выводов | Обозначение выводов буквенное | |
| Начало | Конец | ||||
| Обмотка статора асинхронных и синхронных трехфазных машин | Открытая схема | 6 | Первая фаза Вторая фаза Третья фаза | С1 С2 СЗ | С4 С5 С6 |
| Звезда | 3 или 4 | Первая фаза Вторая фаза Третья фаза Нулевая точка | С1 С2 СЗ 0 | I I I I | |
| Треугольник | 3 | Первый зажим Второй зажим Третий зажим | С1 С2 СЗ | — | |
| Обмотка фазного ротора асинхронной машины | Звезда или треугольник | 3 | Первая фаза Вторая фаза Третья фаза | Р1 Р2 РЗ | — |
| Звезда | 4 | Первая фаза Вторая фаза Третья фаза Нулевая точка | Р1 Р2 РЗ 0 | 1 I I I | |
| Обмотка возбуждения (индуктора) синхронной машины | 2 | И1 | И2 | ||
| Обмотка статора однофазной машины | — | 2 | — | С1 | С2 |
| Обмотка статора однофазного (двухфазного) асинхронного двигателя | — | 4 | Главная обмотка Вспомогательная обмотка | С1 В1 | С2 В2 |
| 3 | Главная обмотка Вспомогательная обмотка Общая точка | С1 В1 0 | — | ||
ственно 2С1, 2С2, 2СЗ
и
2С4, 2С5, 2С6.
В многоскоростных машинах выводы отдельных и полюснопереключаемых обмоток обозначаются так же, как и выводы простых обмоток, но с дополнительными цифрами впереди прописных букв, указывающими число полюсов обмотки при соединении с сетью данных выводов. Например, выводы полюснопереключаемой обмотки машины на 2р =
4 и 6 обозначаются соответственно
4С1, 4С2, 4СЗ
и
6С1, 6С2, 6СЗ.
Для выводов обмоток вновь разрабаты-
ваемых машин ГОСТ 26772-85 устанавливает обозначения, соответствующие СТ СЭВ 3170-81 и Публикации МЭК. 34-8 (табл. 4.3). Выводы обозначаются буквами латинского алфавита U, V, W,
причем начала и концы каждой фазы — дополнительно цифрами, стоящими после букв: начало — цифрой /, конец — цифрой 2, например
Ul, U2, VI, V2; Wl, W2,
а промежуточные выводы — буквами и последующими цифрами 3, 4 и т. д. При наличии обмоток, имеющих одинаковые буквенные обозначения, вводятся до-
Таблица 4.3. Обозначение выводов трехфазных асинхронных и синхронных машин
(по ГОСТ 26772-85)
| Обозначение | ||||
| Наименование. Схема | Число | Наименование фазы | выводов | |
| соединения обмотки | выводов | и вывода | ||
| Начало | Конец | |||
| Обмотка статора. Открытая схе- | 6 | Первая фаза | U1 | U2 |
| ма | Вторая фаза | VI | V2 | |
| Третья фаза | W1 | W2 | ||
| Обмотка статора. Звезда | 3 или 4 | Первая фаза | 1 | J |
| Вторая фаза | V | |||
| Третья фаза | W | |||
| Точка звезды | N | |||
| Обмотка статора. Треугольник | 3 | Первый вывод | и | |
| Второй вывод | \ | |||
| Третий вывод | W | |||
| Секционированная обмотка ста- | 12 | Первая фаза | VI | U2 |
| тора | Выводы от первой фазы | из | U4 | |
| Вторая фаза | VI | V2 | ||
| Выводы от второй фазы | V3 | V4 | ||
| Третья фаза | (VI | W2 | ||
| Выводы от третьей фазы | W3 | W4 | ||
| Расщепленные обмотки статора, | __ | Первая фаза | U1 | U2 |
| предназначенные для последова- | U5 | U6 | ||
| тельного или параллельного | Вторая фаза | VI | V2 | |
| включения | V5 | V6 | ||
| Третья фаза | W1 | W2 | ||
| W5 | W6 | |||
| Раздельные обмотки статора, | Первая фаза | 1U1 | 1U2 | |
| предназначенные для последова- | 2U1 | 2U2 | ||
| тельного или параллельного | Вторая фаза | IV 1 | 1V2 | |
| включения | 2 VI | 2V2 | ||
| Третья фаза | 1W1 | 1W2 | ||
| 2W1 | 2W2 | |||
| Обмотки статора многоскорост- | 6 | Выводы первой фазы | 1U-2N | 2U |
| ных асинхронных двигателей. | Выводы второй фазы | 1V-2N | 2V | |
| Закрытая схема | Выводы третьей фазы | 1W-2N | 2W | |
| 9 | Выводы первой фазы | 1U-3N | 2U; 3U | |
| Выводы второй фазы | 1V-3N | 2V; 3V | ||
| Выводы третьей фазы | 1W-3N | 2W; 3W | ||
| 12 | Выводы первой фазы | 1U-2N | 2U | |
| 3U-4N | 4U | |||
| Выводы второй фазы | 1V-2N | 2V | ||
| 3V-4N | 4V | |||
| Выводы третьей фазы | 1W-2N | 2W | ||
| 3W-4N | 4W | |||
| Обмотка фазного ротора асин- | Первая фаза | К1 | К2 | |
| хронного двигателя, открытая | 6 | Вторая фаза | L1 | L2 |
| схема | Третья фаза | Ml | М2 | |
Продолжение табл. 4.3
| Наименование. Схема /соединения обмотки | Число выводов | Наименование фазы и вывода | Обозначение выводов | |
| Начало | Конец | |||
| Обмотка фазного ротора асинхронного двигателя. Звезда | 3 или 4 | Первая фаза Вторая фаза Третья фаза Точка звезды | К L М Q | |
| Обмотка фазного ротора асинхронного двигателя. Треугольник | 3 | Первый вывод Второй вывод Третий вывод | к L М | |
| Обмотка возбуждения синхронных машин | — | — | F1 | F2 |
полнительные цифры, стоящие перед буквами, например 1U1, 2U1
и т. д.
В обозначении раздельных обмоток двигателей, переключаемых на разное число полюсов, меньшая цифра, стоящая перед буквенным обозначением вывода, соответствует меньшей частоте вращения, а большая цифра — большей частоте вращения.
Двойное обозначение, например IV — 2N, IV — 3N
и др., применяется для выводов, которые при одной частоте вращения многоскоростных двигателей присоединяются к сети, а при другой замыкаются накоротко между собой. Если на доске выводов отсутствует место для нанесения двойного обозначения, допускается не указывать вторую половину двойного обозначения, но при этом к машине должна быть обязательно приложена схема соединения обмоток.
На чертежах схем обмоток с шестью выводными концами допускается при соединении фаз в треугольник применение на свободном поле рисунка двойных обозначений (U1W2, V1U2, W1V2),
а при соединении фаз в звезду — обозначений начал фаз
(U1, VI, W1)
и тройного обозначения точки звезды
(V2, V2, W2).
При применении обозначений для внутренних присоединительных выводов обмоток их следует указывать в скобках, например, точка соединения обмоток фазного ротора асинхронного двигателя в звезду обозначается
(Q).
Обозначения выводов обмоток двухфазных машин переменного тока образуются из обозначений трехфазных машин (см. табл. 4.3) без букв W
и
М.
Выводы однофазных синхронных и асинхронных машин обозначаются в соответствии с табл. 4.4.
Выводы датчиков температурной за-
Таблица 4.4. Обозначения выводов обмоток
однофазных асинхронных и синхронных машин
(по ГОСТ 26772-85)
| Обозначения | ||
| Наименование обмотки | выводов | |
| или выводов | ||
| Начало | Конец | |
| Обмотки статора: | ||
| главная обмотка | VI | U2 |
| вспомогательная | Z1 | Z2 |
| обмотка | ||
| Обмотка возбуждения | F1 | F2 |
| синхронных машин | ||
| Выводы обмотки для ре- | R1 | R2 |
| ле частоты вращения | ||
| Дополнительные выводы | XI | Х2 |
| (конденсатор, разъеди- | ||
| нитель и др.) | ||
щиты вновь разрабатываемых машин, которые реагируют только на температуру, следует обозначать: 77 — начало, 72 — конец, а датчиков, реагирующих на температуру и ток: начало — Р1,
конец —
Р2.
Все обозначения выводов наносятся непосредственно на концы обмоток (на кабельные наконечники, на шинные концы или на специальные обжимы, плотно закрепленные на проводах). Навеска на концы обмоток бирок с обозначениями не допускается.
Для всех машин, разработанных ранее, модернизируемых и вновь разрабатываемых с диаметром корпуса не более 40 мм, в которых буквенное обозначение выводных концов затруднено недостатком места, допускается применять обозначения выводов цветовым кодом — проводами с разноцветной изоляцией, краской и т. п. Цветовые обозна-
чения выводных концов обмоток приведены в табл. 4.5 и 4.6.
Выводы обмоток статоров двухфазных асинхронных двигателей могут иметь буквенно-цифровой, цифровой или цветовой коды обозначений (табл. 4.7).
Обозначения выводов шаговых двигателей и информационных машин (тахогенера-торов, сельсинов, индукционных датчиков
Таблица 4.5. Цветовое обозначение
выводов обмоток статора трехфазных машин
переменного тока
| Схема соединения обмотки | Число ВЫВОДОВ | Наименование фазы или вывода | Цветовой код выводов | |
| Начало | Конец | |||
| Открытая схема | 6 | Первая фаза Вторая фаза Третья фаза | Желтый Зеленый Красный | Желтый с черным Зеленый с черным Красный с черным |
| Звезда | 3 или 4 | Первая фаза Вторая фаза Третья фаза Нулевая точка | Желтый Зеленый Красный Черный | 1111 |
| Треугольник | 3 | Первый вывод Второй вывод Третий вывод | Желтый Зеленый Красный | — |
Таблица 4.6. Цветовое обозначение выводов обмоток статора однофазных двигателей
| Число выводов | Наименование обмотки или выводов | Цветовой код выводов | |
| Начало | Конец | ||
| 4 | Главная обмотка Вспомогательная обмотка | Красный Синий | Красный с черным Синий с черным |
| 3 | Главная обмотка Вспомогательная обмотка Общая точка | Красный Синий Черный | — |
угла и т. п.) приведены во втором томе Справочника.
Взаимное расположение по пазам статора или ротора начал фаз распределенных
Таблица 4.7. Обозначения выводов обмоток двухфазных асинхронных двигателей (по ГОСТ 183-74)
| Наименование обмотки | Буквенно-цифровой код | Цифровой код | Цветовой код |
| Возбуждения | Bl, B2 | 1, 2 | Красный, синий |
| Управления | У1, У2 УЗ, У4 | 3, 4 5, 6 | Белый, черный Белый, черный |
обмоток должно подчиняться следующему правилу: электрический угол между началами фаз обмотки должен быть равен углу между векторами питающего напряжения или в целое число раз больше него. Таким образом, электрический угол между началами фаз трехфазной обмотки должен быть равен 120 °к,
где
к
— любое целое число, не кратное 3. Электрический угол между началами фаз двухфазной обмотки должен быть равен 90
«к,
где
к —
любое целое число, не кратное 2.
В статорах стремятся расположить выводы обмоток как можно более компактно, поэтому в большинстве случаев принимают к = 1.
При этом в трехфазных обмотках начала фаз располагаются через 120°, т. е. через
2q
зубцовых делений, а в двухфазных обмотках — через 90 °, т. е. через
q
зубцовых делений.
Начала фаз обмоток фазных роторов асинхронных двигателей стремятся расположить симметрично по окружности ротора для того, чтобы избежать дисбаланса, который появится при неравномерном по окружности расположении начал фаз и перемычек в фазах. В трехфазных машинах оба условия совместимы при к = р.
В машинах с
р,
кратным 3, достигнуть полной геометрической симметрии в расположении выводных концов обмотки ротора не удается.
содержание .. 11 12 15 ..
Вращающиеся электрические машины
Вращающаяся электрическая машина
— электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга [2].
Вращающаяся машина постоянного тока
, или машина постоянного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием только постоянного электрического тока.
Вращающаяся машина переменного тока
— вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием переменного электрического тока.
Глава 1. Общие сведения об электрических машинах
1-1. Основные определения и классификация электрических машин
Электрические машины являются основными элементами электрических установок. Они используются как источники (генераторы) электрической энергии, как двигатели, чтобы приводить в движение самые разнообразные рабочие механизмы на заводах и фабриках, в сельском хозяйстве, на строительных работах и т. д.
Электрические машины, предназначенные для преобразования механической энергии в электрическую, называются генераторами; электрические машины, предназначенные для обратного преобразования электрической энергии в механическую, называются двигателями.
Электрические машины применяются также для преобразования рода тока (например, переменного тока в постоянный), частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения. Такие машины называются электромашинными преобразователями.
Электрическая машина имеет две основные части — вращающуюся, называемую ротором, и неподвижную, называемую статором (рис. 1-1).
Рис. 1-1. Обычная конструктивная схема электрической машины, 1
— статор;
2
— ротор;
3
— подшипники.
К электрическим машинам относят также трансформатор. Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, который служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты. Хотя он и не является машиной (не имеет движущихся частей), все же его теория изучается вместе с теорией электрических машин, так как основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс трансформатора, применимы и к электрическим машинам.
Различают машины переменного и постоянного тока в зависимости от того, какой ток они генерируют или потребляют.
Машины переменного тока разделяются на синхронные и асинхронные. В тех и других машинах при их работе возникает вращающееся магнитное поле. Ротор синхронной машины вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора асинхронной машины отличается от скорости вращения поля.
Машины переменного тока бывают однофазные и многофазные (чаще всего трехфазные); первые генерируют или потребляют однофазный ток, вторые — многофазный ток.
Машины постоянного тока, как правило, снабжаются коллектором, который здесь служит для получения на щетках машины э. д. с., постоянно действующей в одном направлении. В то же время коллектор служит для переключения токов в частях обмотки ротора (якоря) таким образом, чтобы результирующая электромагнитных сил, получающихся от взаимодействия магнитного поля электромагнитов статора и токов в обмотке ротора, действовала на ротор все время в одном направлении.
Находят себе применение также асинхронные коллекторные машины переменного тока. Их ротор выполняется так же, как ротор машины постоянного тока. Они в отличие от бесколлекторных асинхронных машин позволяют плавно и экономично регулировать их скорость вращения. Однако область их применения весьма ограничена вследствие их высокой стоимости, сложности ухода за ними и относительно малой надежности в работе.
Приведенная здесь вкратце практическая классификация электрических машин не исчерпывает всего их многообразия. В дальнейшем при рассмотрении машин переменного и постоянного тока мы будем обращаться к различным их видам, различающимся как по назначению, так и по выполнению.
1-2. Принцип действия электрической машины и трансформатора
Принцип действия электрической машины основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Согласно указанным законам, а также законам Ома, Джоуля-Ленца и магнитной цепи можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс машины. Обратимся для этого к рис. 1-2. Здесь показаны два полюса электромагнита, создающего магнитное поле. В магнитном поле между полюсами помещен проводник, сечение которого изображено кружком. Если этот проводник передвигать, например, слева направо, то в нем согласно закону электромагнитной индукции возникнет э.д.с.
, (1-1)
где В
— индукция в месте, где находится проводник;
l
— активная длина проводника, т. е. та его часть, которая находится в магнитном поле;
v
—скорость движения проводника относительно поля (если индукция
B
выражена в В·с/см2,
l
—в сантиметрах,
v
—в см/с, то получим э. д. с.
e
в вольтах; если
B
выражена в гауссах, то для получения
e
в вольтах надо правую часть (1-1) умножить на 10-8).
Рис. 1-2. К объяснению принципа действия электрических машин.
Направление наведенной э. д. с. определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления э. д. с. в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля (рис. 1-3).
Рис. 1-3. Правило правой руки.
Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по нему пойдет ток, имеющий такое же направление, как и э.д.с. Это направление (от нас) указано крестиком на рис. 1-2.
В результате взаимодействия тока i
в проводнике и поля возникнет электромагнитная сила
, (1-2)
направление которой определяется по правилу левой руки (рис. 1-4) (если B
выражена в В·с/см2,
i
— в амперах,
l
— в сантиметрах, то получим силу
F
ЭМ, в Вт·с/см или в Дж/см; для получения
F
ЭМ в килограммах надо правую часть (1-2) умножить на 10,2 и при
B
в гауссах — еще на 10-8).
Рис. 1-4. Правило левой руки.
При равномерном движении проводника к нему должна быть извне приложена механическая сила F
, равная
F
ЭМ, т. е.
F
=
F
ЭМ. (1-3)
Если умножить обе части равенства сил на скорость v
, то получим равенство мощностей
Fv
=
F
ЭМ
v
. (1-4)
Подставляя в правую часть этого равенства F
ЭМ из (1-2) и
v
из (1-1), получим:
Fv
=
ei
. (1-5)
Отсюда видим, что механическая мощность Fv
в нашем элементарном генераторе преобразуется в электрическую мощность
ei
. Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь таким генератором, может быть найдена из уравнения напряжений
u
=
e
–
ir
, (1-6)
где u
— напряжение на зажимах внешнего сопротивления;
ir
— падение напряжения в проводнике, имеющем сопротивление
r
.
Умножив это уравнение на i
, получим:
ui
=
ei
–
i
2
r
, (1-7)
где ui
— электрическая мощность, отдаваемая проводником во внешнюю цепь (она является частью полной электрической мощности
ei
, полученной в результате преобразования механической мощности);
i
2
r
— электрические потери в проводнике.
Та же элементарная машина может работать двигателем, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. Подведем к проводнику напряжение u
так, чтобы ток
i
в проводнике имел указанное на рис. 1-2 направление. При этом возникнет электромагнитная сила, которая согласно правилу левой руки заставит проводник передвигаться влево. В проводнике появится э. д. с.
е
, направленная против тока
i
и против напряжения
u
, в чем можно убедиться при помощи правила правой руки. Следовательно, напряжение
u
должно уравновесить э.д.с.
е
и падение напряжения в проводнике
ir
, т. е.
u
=
e
+
ir
. (1-8)
От уравнения напряжений (1-8), умножив его на i
, перейдем к уравнению мощностей
ui
=
ei
+
i
2
r
. (1-9)
В этом уравнении i
2
r
— электрические потери в проводнике,
ei
— та часть подведенной электрической мощности
ui
, которая преобразуется в механическую мощность
F
ЭМ
v
, так как, учитывая (1-1) и (1-2), мы можем написать:
ei
=
Blvi
=
F
ЭМ
v
. (1-10)
Приведенные соотношения показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать и генератором и двигателем.
Принцип обратимости электрических машин был установлен русским академиком Э. X. Ленцем в 1833 г. Он применим к любой электрической машине.
Таким образом, мы видим, что наличие магнитного поля и проводников, по которым проходит ток, является необходимым условием для работы любой электрической машины. Для усиления магнитного поля применяются ферромагнитные материалы в виде сталей.
При работе электрической машины происходит относительное перемещение проводников и магнитного поля. Такое перемещение в обычных машинах осуществляется путем вращательного движения (рис. 1-1).
В основе работы трансформатора лежит явление взаимоиндукции. Трансформатор состоит обычно из двух обмоток с разными числами витков. Между обмотками существует магнитная связь; для ее усиления обмотки помещаются на стальном замкнутом магнитопроводе, называемом сердечником трансформатора. Энергия из одной обмотки в другую передается через посредство магнитного поля. Благодаря различию чисел витков обмоток получается трансформирование тока одного напряжения в ток другого напряжения, повышенного или пониженного по сравнению с первым.
1-3. Материалы, применяемые для трансформаторов и электрических машин
Для изготовления трансформаторов и электрических машин применяются следующие материалы: конструкционные, «активные» и изоляционные.
Конструкционные материалы идут на изготовление тех частей и деталей машин и трансформаторов, которые служат главным образом для передачи и восприятия механических воздействий. В электрических машинах в основном применяются те же конструкционные материалы, что и в общем машиностроении: чугун (простой, ковкий), сталь (литая, кованая), цветные металлы и их сплавы, пластмассы.
Активные материалы служат в качестве магнитных и проводниковых (токопроводящих) для создания в трансформаторах или машинах необходимых условий, в которых протекают электромагнитные процессы.
Некоторые части электрических машин работают в сложных физических условиях, поэтому к ряду материалов предъявляются требования, относящиеся одновременно как к механическим, так и к магнитным и электрическим свойствам их.
Изоляционные материалы имеют своим назначением электрически изолировать токопроводящие части трансформаторов и машин от других их частей и друг от друга.
а) Магнитные материалы
. Для сердечников трансформаторов применяется специальная электротехническая листовая сталь с относительно большим содержанием кремния (до 4—5%) толщиной обычно 0,5 или 0,35 мм при частоте переменного тока 50 Гц. При более высоких частотах тока, например при 300—400 Гц и выше, толщина стали выбирается 0,20 и 0,10 мм. В этом случае значительно снижаются потери от вихревых токов, наведенных переменным магнитным полем, имеющим место в сердечнике трансформатора.
Для изготовления отдельных частей магнитной системы электрических машин применяются различные ферромагнитные материалы: листовая электротехническая сталь различных сортов, чугун, стальное литье, листовая (конструкционная) сталь, кованая сталь.
Те части машины, где имеет место переменное магнитное поле, собираются из изолированных один от другого листов электротехнической стали с содержанием кремния до 2—3% обычно толщиной 0,5 мм.
Потери мощности в листовой стали от гистерезиса и вихревых токов характеризуются удельными потерями, т. е. потерями в 1 кг стали при частоте 50 Гц и синусоидальном изменении индукции при амплитуде, равной 10000 Гс. Они составляют для листовой стали, применяемой для нормальных машин, при толщине 0,5 мм — около 3 Вт/кг; для листовой стали с содержанием кремния до 4—5%, применяемой для трансформаторов, при толщине 0,5 мм — около 1,4— 1,5 Вт/кг, при толщине 0,35 мм — около 1,3—1,2 Вт/кг. Указанная листовая сталь называется горячекатаной (по способу изготовления). В последние годы она в ряде случаев вытесняется холоднокатаной листовой сталью, имеющей более высокие электромагнитные свойства (большее значение магнитной проницаемости и меньшие удельные потери). Холоднокатаная сталь в настоящее время широко применяется для трансформаторов и крупных электрических машин. Чугун применяется для частей магнитной системы крайне редко из-за его плохих магнитных свойств.
Стальное литье и кованая сталь, так же как и конструкционная листовая сталь, применяются для тех частей магнитной системы машин, в которых имеет место постоянное магнитное поле.
б) Проводниковые материалы
. К ним относится прежде всего медь — сравнительно недорогой материал, имеющий малое удельное сопротивление.
Наряду с медью для проводников применяются также алюминий и иногда некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза). Медные и алюминиевые провода для обмоток трансформаторов и электрических машин изготовляются круглых и прямоугольных сечений с различными видами изоляции. Для изоляции применяются хлопчатобумажная пряжа, телефонная бумага, асбест, стеклопряжа, пластмассы, синтетические пленки, специальные эмалевые лаки.
Провода с хлопчатобумажной изоляцией широко применяются для нормальных трансформаторов и электрических машин.
Для машин небольшой и средней мощности (примерно до 300 кВт) на напряжения до 700 В часто выбираются провода с эмалевой изоляцией. Применяемые при этом нагревостойкие эмалевые лаки позволяют получить тонкое и вместе с тем достаточно надежное изоляционное покрытие проводов.
Важное значение для работы электрических машин имеют щетки. Они накладываются на вращающиеся кольца или коллектор, соединенные с обмоткой, помещенной на роторе. Таким образом, осуществляется скользящий контакт, посредством которого обмотка соединяется с внешней цепью.
в) Изоляционные материал
ы. Изоляцию нужно считать одним из основных элементов трансформатора и электрической машины. Она большой степени определяет их надежность в работе.
Нагревостойкость изоляционных материалов, примененных для изоляции обмоток, определяет допустимые температуры обмоток, а следовательно, и нагрузки активных материалов (плотность тока для проводников, индукция для стали). Большое значение имеют теплопроводность изоляции, а также ее влагостойкость и химическая стойкость.
Требуется также, чтобы изоляция обладала достаточной механической прочностью, так как в процессе изолировки обмоток, укладки их на сердечники трансформаторов или в машины, а также в условиях эксплуатации изоляция подвергается значительным механическим усилиям.
На первое место должна быть поставлена слюдяная изоляция. Она наилучшим образом удовлетворяет перечисленным выше требованиям. Исходным материалом здесь служит слюда. Из слюды, щипаной на мелкие пластинки, изготовляются миканиты, микаленты, микафолий. Миканиты представляют собой листы, состоящие из мелких пластинок слюды, склеенных между собой при помощи специальных лаков. Микалента. состоит из одного слоя тонкой щипаной слюды, оклеенной с двух сторон бумагой. Микафолий состоит из одного—трех слоев щипаной слюды, наклеенной на бумагу; изготовляется в виде листов. Вместо бумаги применяется также стеклоткань. Микалента и микафолий являются относительно дорогими изоляционными материалами и применяются главным образом для машин на высокие напряжения (от 3 000 В и выше).
Наиболее часто для изоляции применяются волокнистые материалы: бумаги, картоны, ленты, ткани и т. п. Их основные достоинства — высокая механическая прочность и гибкость и сравнительно низкая стоимость. Однако непропитанные волокнистые материалы обладают гигроскопичностью, плохой теплопроводностью и невысокой электрической прочностью. Поэтому они применяются для изоляции электрических машин только в пропитанном виде, что значительно улучшает их свойства.
Большое практическое значение получили кремнийорганические изоляционные материалы для покрытия проводников, предложенные и разработанные в СССР.
Для улучшения свойств изоляции электрических машин необходимо применение пропиточных и покровных лаков, а также компаундов — специальных масс из битумов, высыхающих масел и канифоли.
Современные трансформаторы, как правило, делаются масляными. Их сердечник с обмотками помещается в баке, заполненном специальным трансформаторным маслом. Исходными продуктами для его получения являются масляные дистилляты нефти.
Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, по нагревостойкости разделяются на несколько классов. Из них наиболее часто применяются материалы классов А и В.
Класс изоляции А: хлопок, шелк, бумага и другие подобные органические материалы, пропитанные либо погруженные в масло, а также состав, называемый эмалью и применяемый при изготовлении эмалированной проволоки.
Класс изоляции В: изделия из слюды, асбеста, стеклянного волокна, содержащие вяжущие вещества.
Кроме классов изоляции А и В, в последние годы для электрических машин применяются классы изоляции Е, F и Н. Из них класс Е занимает промежуточное положение между классами А и В. К классам изоляции F и Н относятся наиболее нагревостойкие изоляционные материалы.
1-4. Режимы работы и номинальные величины
Режим работы электрической машины или трансформатора при условиях, для которых машина или трансформатор предназначены заводом-изготовителем, называется номинальным режимом работы. Он характеризуется величинами, указанными на заводском щитке машины или трансформатора и называемыми номинальными.
Обычно электрические машины и трансформаторы предназначаются для номинального продолжительного режима работы, при котором они могут работать с установившимися превышениями температуры их отдельных частей над температурой воздуха, не превосходящими допускаемых общесоюзными стандартами.
Другие номинальные режимы работы — кратковременный и повторно-кратковременный — характерны главным образом для электрических машин, работающих в условиях электрической тяги или обслуживающих подъемные краны, лифты, прессы и т. п.
1-5. Нагревание и охлаждение
Всякое преобразование энергии сопровождается потерями. В электрических машинах и особенно в трансформаторах потери относительно невелики, но от них зависят размеры машин и трансформаторов, а не только их коэффициент полезного действия (к.п.д.). Эти размеры рассчитываются таким образом, чтобы тепло, образующееся вследствие потерь в стали, в обмотках и на трение, могло быть отдано окружающей среде при некотором превышении температуры нагретых частей над температурой окружающей среды. Превышение температуры не должно быть больше определенных значений, зависящих от нагревостойкости примененных изоляционных материалов.
За температуру окружающей среды (воздуха) принимается условно температура 35° С. Допустимые превышения температуры над этой температурой при изоляции класса А принимаются равными 55—70° С; при изоляции класса В — 70—95° С; при изоляции классов Е, F и Н примерные допустимые значения превышений температуры соответственно равны: 70— 75, 90—105 и 115—130° С (указанные пределы допустимых значений превышения температуры зависят от выполнения обмоток и от способа измерения температуры).
Допустимые значения температуры, определенные на основании длительного опыта эксплуатации электрических машин и трансформаторов, соответствуют сроку службы изоляционных материалов примерно 20— 25 лет. Он заметно сокращается при увеличении температуры сверх допустимой При этом наблюдается более быстрое «старение» изоляции, которое проявляется прежде всего в ухудшении ее механических свойств (изоляция делается хрупкой и механически непрочной).
Отдача тепла зависит не только от размеров охлаждаемых поверхностей, но и от интенсивности движения Омывающего их воздуха (или другой охлаждающей среды). Применение правильно выбранной системы охлаждения (системы вентиляции) способствовало прогрессу электромашино- и трансформаторостроения и обусловило возможность строить машины и трансформаторы на огромные мощности (500000 кВт и выше в одной единице).
1-6. Краткие исторические сведения
Один из важнейших физических законов, определяющих принцип действия электрических машин и трансформаторов, — закон электромагнитной индукции — был установлен М. Фарадеем в 1831г.
В 1833 г. член Петербургской Академии наук и профессор Петербургского университета Э. X. Ленц представил работу, в которой он глубоко обобщил закон электромагнитной индукции, сформулировал принцип обратимости и показал, что оба явления — вращение под действием электромагнитных сил и электромагнитная индукция — теснейшим образом связаны между собой.
В последующем многие работы Э. X. Ленца были связаны с работами русского академика Б. С. Якоби — изобретателя первого электродвигателя с вращательным движением. Якоби также впервые применил коллектор, который является необходимой частью коллекторной машины.
Построенный им электродвигатель был первым в мире электродвигателем, примененным для практического использования. Двигатель был использован для приведения в движение лодки на Неве (1837 г.). Одновременно с работой по усовершенствованию своего двигателя Якоби занимался многими другими вопросами электротехники. Большое значение имели его работы по минному делу. Якоби для передачи импульсов электроэнергии к минным запалам на расстояние около 9 км применил индукционные катушки. Таким образом, была впервые осуществлена передача электроэнергии при ее трансформации при помощи индукционных катушек.
Однако изобретателем трансформатора следует считать П.Н. Яблочкова, впервые применившего его для преобразования переменного тока в установках промышленного типа в 70-х годах прошлого столетия.
Начиная с появления двигателя Якоби и до 80-х годов прошлого столетия развитие практической электротехники шло главным образом в направлении усовершенствования машины постоянного тока. Она во многих случаях вытеснила дорогие и малоэффективные гальванические элементы.
Первую практическую установку переменного тока осуществил П.Н. Яблочков в 1878 г. для питания изобретенных им «свечей Яблочкова». Им при этом был создан генератор переменного тока с обмоткой на статоре, в которой наводился переменный ток магнитным полем вращающихся электромагнитов. К обмоткам последних ток подводился при помощи контактных колец и наложенных на них щеток от особого генератора постоянного тока. Такой генератор переменного тока явился прототипом современных синхронных машин.
Индукционные катушки, как они назывались в то время, примененные Яблочковым в его установках со «свечами», имели две магнитно связанные обмотки, помещенные на разомкнутом сердечнике. Такие индукционные катушки служили для преобразования переменного тока и по существу являлись, следовательно, трансформаторами.
Несмотря на то, что к середине 80-х годов прошлого столетия преимущества переменного тока для передачи электрической энергии были выявлены, чему немало способствовали работы наших соотечественников Ф. А. Пироцкого, Д. А. Лачинова и др., все же в большинстве случаев при выборе системы тока останавливались на постоянном токе, так как не существовало еще достаточно совершенного двигателя переменного тока. Такой двигатель был создан в конце 80-х годов нашим соотечественником М. О. Доливо-Добровольским. Это был трехфазный асинхронный двигатель, который является в настоящее время наиболее распространенной электрической машиной.
1-7. Трансформаторостроение и электромашиностроение в СССР
В царской России своей электромашиностроительной промышленности совсем почти не было. Те небольшие заводы, которые существовали в Петербурге, Москве, Риге, Ревеле, не были самостоятельными. Они принадлежали иностранным фирмам, которым невыгодно было развивать электромашиностроение в России. Существовавшие заводы в действительности были скорее сборочными мастерскими, где машины обычно собирались из частей, привозившихся из-за границы.
Руководящими работниками на заводах были иностранные инженеры и техники.
Несмотря на такие условия, в России были свои талантливые инженеры и ученые. Они смогли применить в полной мере свои знания и способности только после Великой Октябрьской социалистической революции. Они сыграли немалую роль в деле развития электрификации СССР.
При их участии разрабатывался ленинский план ГОЭЛРО, расширялись и строились электрические станции и заводы электропромышленности.
Подлинного расцвета электротехника и ее важнейшая область — электромашиностроение — достигли в советское время. Быстро возникали большие заводы и электрические станции. Советские технические учебные заведения и заводы вырастали новые кадры квалифицированных специалистов, умеющих решать сложные технические задачи.
За годы советской власти, главным образом за первые две пятилетки, нашему электромашиностроению пришлось пройти путь, который заграничная техника проходила в течение почти полувека.
Быстро осваивая новые типы машин, широко внедряя в производство социалистические формы труда, на базе широкого планирования, электромашиностроительная промышленность СССР качественно и количественно достигла уже к концу второй пятилетки уровня заграничной техники.
Все основные и специальные типы трансформаторов и электрических машин — машины постоянного и переменного тока, крупнейшие генераторы и трансформаторы — изготовляются в настоящее время на заводах СССР. Успехи советского электромашиностроения обусловлены самой системой нашего планового хозяйства и стремлением советских людей работать ради общего подъема всего народного хозяйства.
Мощь нашей техники особенно сказалась в годы Великой Отечественной войны и в послевоенные годы. В это время были созданы новые электромашиностроительные заводы, которые снабжали промышленность необходимыми электрическими машинами и трансформаторами
В настоящее время мы имеем электромашиностроительные заводы почти во всех республиках Советского Союза, которые выпускают ежегодно миллионы электрических машин и трансформаторов самых различных типов на мощности от долей ватта до сотен тысяч киловатт
Советские электромашииостроители сохранили лучшие традиции своих знаменитых соотечественников — В В. Петрова, Э X. Ленца, Б. С. Якоби, А. Г. Столетова, П. Н. Яблочкова, Д. И. Лачинова, М. О. Доливо-Добровольского и других выдающихся ученых и инженеров, работавших в прошлом столетии, с самого начала развития электротехники, и много сделавших в этой области своими научными открытиями и изобретениями.
Советские ученые и инженеры в последние годы далеко шагнули вперед.
В Советском Союзе созданы такие машины, как турбогенераторы на 320000 кВт и 3000 об/мин, крупнейшие в мире по размерам гидрогенераторы, мощные трансформаторы на 500 кВ, многие типы нормальных и специальных электрических машин и трансформаторов. Мы теперь имеем много высококвалифицированных специалистов, число которых непрерывно растет.
Необходимо упомянуть коллективы имени С. М. Кирова в Ленинграде, «Динамо» имени С. М. Кирова в Москве, ХЭМЗ и завода тяжелого электромашиностроения в Харькове, ЯЭМЗ в Ярославле, «Уралэлектроаппарат» в Свердловске, МТЗ (Московский трансформаторный завод) имени В. В. Куйбышева в Москве, имеющие большие достижения.
Виды вращающихся электрических машин
По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре
Одноименнополюсная машина
— вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции во всех точках основного воздушного зазора имеет один и тот же знак.
Разноименнополюсная машина
— вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции в различных участках основного воздушного зазора имеет разные знаки.
Явнополюсная машина
— разноименнополюсная машина, в которой полюса выступают в сторону основного воздушного зазора.
Неявнополюсная машина
— разноименнополюсная машина с равномерным основным воздушным зазором.
Обмотки машин переменного тока
§ 90. ОБМОТКИ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Обмотка машины является очень существенной частью, так как в ней создается э. д. с. и происходит процесс преобразования энергии.
В зависимости от назначения мощности и условий работы машины обмотки имеют различное конструктивное устройство. В машинах переменного тока используются следующие основные типы обмоток: 1) катушечные, 2) стержневые, 3) специальные.
Катушечные обмотки изготовляют из изолированного медного или алюминиевого провода круглого по-1еречного сечения, стержневые и специальные —из шин прямоугольного поперечного сечения. Специальные обмотки применяют для коротко замкнутых обмоток роторов асинхронных двигателей, для пусковых и успокоительных обмоток синхронных машин, для одноякорных преобразователей и т. д.
Конструктивно обмотки могут быть выполнены в зависимости от расположения их в пазах однослойными и двухслойными, в зависимости от их изготовления — ручными и шаблонными, в зависимости от числа пазов на полюс и фазу q — с целым и с дробным числом.
В машинах переменного тока преимущественно применяют двухслойные обмотки. В машинах малой мощности используют однослойную обмотку, изготовление которой встречает затруднения. При однослойном расположении активных проводников в пазах лобовые соединения, находящиеся на торцовых сторонах статора или ротора, окажутся лежащими в одной плоскости, что делает невозможным выполнение шаблонной обмотки. На рис. 109, а
изображены две катушки одной фазы однослойной обмотки. Катушки состоят из активных проводников, отстоящих один от другого на расстоянии шага обмотки у, примерно равного полюсному делению, т. е. расстоянию между центрами разноименных полюсов. Лобовые соединения между проводами 1 и 1+у, 2 и 2+у и т. д. находятся в одной плоскости, и, следовательно, при намотке эти лобовые соединения необходимо выгибать в различных направлениях.
В однослойной обмотке лобовые соединения могут находиться в различных плоскостях, если изменен порядок соединения активных проводников, как это показано на рис. 109, б. Однако при такой обмотке катушки имеют различную величину, а, следовательно, требуется несколько шаблонов для изготовления такой обмотки.
В двухслойных обмотках (рис.109, в) активный проводник, расположенный в верхнем слое паза, соединяется с проводником, расположенным в нижнем слое паза, который отстоит от начального на расстоянии у. При такой обмотке лобовые соединения не пересекаются и находятся в различных плоскостях, что дает возможность выполнить шаблонную обмотку при одинаковых размерах и форме катушек.
Обмотки могут быть однофазными и многофазными. Наиболее широкое применение нашли трехфазные обмотки. Мощность трехфазной машины в 1,5 раза больше мощности однофазной при одинаковых габаритах и потери энергии. На рис. 110 изображена простейшая трехфазная обмотка и ее развернутая схема. Эта обмотка состоит из трех одинаковых катушек, оси которых сдвинуты в пространстве на 120°. При вращении магнита с полюсами N и S в этих катушках будут индуктированы э. д. с, равные по величине и сдвинутые по фазе на .1/3 периода.
Обмотки, в которых фаза состоит из одной катушки, не находят применения. На практике получили распространение распределенные обмотки, в которых витки, принадлежащие одной фазе, равномерно расположены между несколькими парами пазов. При такой обмотке форма кривой магнитной индукции в пространстве ближе к синусоиде.
Однако в распределенных обмотках происходит некоторое уменьшение э. д. с. Это объясняется тем, что оси катушек, последовательно включенных в одну фазу, не совпадают, а следовательно, не совпадают по фазе э. д. с, индуктированные в этих катушках. Э. д. с. фазы равна геометрической сумме э. д. с. составляющих, эту фазу катушек, которая окажется меньше арифметической сума мы этих э. д. с.
Для улучшения формы кривой э.д.с. обмотки машин переменного тока выполняют с шагом, меньшим полюсного деления (с укороченным шагом). Однако укорочение шага обмотки также приводит к некоторому уменьшению э. д. с, так как в том случае катушки обмотки пронизываются не всем потоком полюса, а только частью его.
Таким образом, действующее значение э.д.с. фазы машины переменного тока
где Ко — обмоточный коэффициент (меньше единицы), учитывающий уменьшение э. д. с. машины за счет распределения обмотки и укорочения шага ее,
w — число витков одной фазы обмотки, равное произведению числа витков одной катушки на число последовательно соединенных катушек.
Предыдущая | Содержание | Следующая >>
