Розділ третій електричні машини змінного струму Частина 10. Загальні питання теорії машин змінного струму.

10.1. Принцип виконаний обмоток статора

Електричні машини, що розглядаються у цьому розділі (асинхронні і синхронні), не дивлячись на відмінності в будові і властивостях, мають багато спільного в принципі роботи і теорії. Принцип дії найпростішого генератора змінного струму (див. рис. В.1) розглянутий в п. В.2. Наявність контактних кілець і щіток в колі якоря є його суттєвим недоліком, бо при значному струмі і високій напрузі робота ковзного контакту стає ненадійною. Тому, користуючись властивістю кінематичної зворотності електричних машин (див. п. В.4), обмотку якоря розміщують на статорі (цю обмотку дані будемо називатистаторною). Здійснити підведення струму до ротора машини, на якому розміщений індуктор (синхронні машини), значно простіше через невелику потужність і низьку напругу кола збудження.

У відповідності до прийнятої системи змінного струму статорні обмотки виконують, як правило, трифазними. Виконати таку обмотку можна зі звичайної обмотки якоря постійного струму (див. рис. 3.5), якщо від'єднати колектор зі щітками і розділити ЇЇ на три рівні частини; отримана трифазна обмотка, з'єднана трикутником (рис. 10.1а).

Запам'ятаємо, що виводи обмоток загальнопромислових і тягових машин, згідно ГОСТ 183-74, позначаються таким чином: ,і- початки,,, і- кінці фаз, які їм відповідають. Але через причини методичного характеру, з метою покращення засвоєння запропонованого матеріалу, збережемо тут позначення виводів фаз, як у трансформаторів.

Рис. 10.1. Принципи виконання трифазної обмотки з трьома (а) і шістьма (б) зонами

Якщо обмотка розміщена на колі статора, радіусом , то при значній кількості провідників (пазів) дугаАВ, що дорівнює¹/₃ довжини кола, буде еквівалентна алгебраїчній сумі наведених в них ЕРС, а хордавідповідає їх геометричній сумі, що дає напругу між виводамиА іВ.

Відношення геометричної суми ЕРС секцій фази обмотки до їх алгебраїчної суми є засобом використання обмотки і називається коефіцієнтом розподілу. В даному випадку

(10.1)

Таким чином, при трифазній обмотці ЕРС фази на виводах і на 17,3% менше алгебраїчної суми ЕРС, наведеної у фазі. Інакше кажучи, має місце значне недовикористання обмотки.

Кращий результат може бути отриманий при розподілі кіл на шість зон. При цьому кожна фаза складається з двох півфаз (рис.10.16), зсунутих одна відносно одної на 180° ел. Щоб ЕРС протилежних півфаз (наприклад) А та Х) діяли по контуру узгоджено, треба з'єднати перемичкоюкінці півфазА та Х. Наявність перемички є недоліком такого способу з'єднання, а коефіцієнт розподілушестизонної обмотки

тобто в цьому випадку втрачається лише 4-5% наведеної ЕРС, Тому обмотки змішаного струму виконують зазвичай шестизонними.

Для того, щоб всі півфази обмотки із зоною 60° ел. були однакові, потрібно мати однакове ціле число пазів у кожній зоні, тобто кількість пазів, що приходиться на полюс і фазу

(10.1)

де - кількість пазів всієї обмотки;/? - кількість нар полюсів машини;т - кількість фаз.

Обмотка статора складається з котушок, котрі виконані аналогічно котушкам якірної обмотки машини постійного струму. Її можна з'єднати трикутником або зіркою. Якщо машина має р пар полюсів, то коло статора діліться на 6р частин. Кількість півфаз у кожній фазі дорівнює кількості полюсів2р. Пари полюсів можуть бути з'єднані послідовно або паралельно.

В загальному випадку індукція магнітного кола на довжині подвійного полюсного поділу розподіляється по несинусоїдальній кривій, виключаючи наведення ЕРС за формою, аналогічною тій, що була зображена на рис. В.4а, Ця симетрична відносно осі абсцис крива носить періодичний характер. Отже, її можна розкласти в ряд гармонійних складових (ряд Фур'є), що представляє собою суму синусоїд непарного порядку. Діюче значення ЕРС цих складових, дорівнюють , , ,...,.

Згідно теорії змішаних струмів, діюче значення результуючої ЕРС

Звичайнім вираховуванням легко впевнитися в тому, що вищі гармонічні складові мало впливають на результуючу ЕРС; вони тільки спотворюють її форму. Тому в подальшому для простішого викладення розподілу індукції на довжині подвійної полюсної поділки і наведену ЕРС будемо вважати синусоїдальними.

Для того, щоб не мати вищих гармонійних складових ЕРС, обмотки виконують зі скороченим кроком, тобто . При цьому, як і в машинах постійного струму ( див. п. 3.1) трохи зменшується значення ЕРС. Відомо, що у трифазних обмотках, з'єднаних трикутником або зіркою, гармонічні складові струмів і ЕРС, кратні трьом, відсутні. Розглянемо, яким чином вкорочення обмотки впливає на знищення п'ятої обмотки.

Нарис.10.2а зображений розподіл у повітряному проміжку магнітної індукції першої і п'ятоїгармонік. Якщо обмотка виконана з діаметральним кроком, то ЕРС першої і п'ятої гармонік в обох боках секції (рис. 10.26) додаються арифметично; результуюча ЕРСе_к._д має поряд з першою і п'яту гармоніку.

Якщо крок секції вкоротити нає , тобто мати то ЕРС в обох сторонах секції будуть напрямлені назустріч і їх сума буде дорівнювати нулеві (рис. 10.2в): результуюча ЕРС утримує тільки першу гармоніку. А для зниження сьомої гармоніки треба прийняти.

Рис. 10.2. Усунення ЕРС п'ятої гармоніки

Для того, щоб одночасно істотно послабити 5-у, 7-у і кратні їм гармоніки, приймають. Інші гармоніки (11-, 13-, 17-а тощо) істотно не впливають на роботу машини.

З рис, 10.2в видно, що при вкороченні трохи зменшилась сумарна ЕРС першої гармоніки, тобто . Це зменшення вважаютькоефіцієнтом вкорочення:

Магнітним потоком Ф, частота якого у фазі статора з кількістю витків наводиться ЕРС, діюче значення якої визначається формулою, аналогічною (8.4):

(10.2)

де добуток називаєтьсяобмотковим коефіцієнтом.