ЛЕКЦІЯ 23

РОЗДІЛ 3 ЗАГАЛЬНІ ПИТАННЯ ТЕОРІЇ БЕЗКОЛЕКТОРНИХ МАШИН

Безколекторні машини – це найчастіше машини змінного струму, що складають основу сучасної електроенергетики як у сфері виробництва, так і у сфері споживання електричної енергії.

В машинах змінного струму, на відміну від машин постійного струму, обертається не лише ротор, але й магнітне поле, створюване обмоткою статора. Якщо поле і ротор обертаються з однаковою частотою обертання, то машина називається синхронною, якщо частоти обертання різні, то – асинхронною. Відрізняючись робочими властивостями, ці машини мають багато спільного як в конструкції, так і в питаннях теорії, особливо, що стосуються їх робочої обмотки – обмотки статора.

ТЕМА 3.1 КОНСТРУКЦІЯ СТАТОРА ТА ПРИНЦИП ВИКОНАННЯ ОБМОТОК СТАТОРА МАШИН ЗМІННОГО СТРУМУ

Функціональне призначення статора і його обмоток у машин змінного струму різне: у синхронних машин – це якір, де створюється ЕРС, а в асинхронних – індуктор, що індукує основне магнітне поле. Незважаючи на це, за конструктивною побудовою статори асинхронних та синхронних машин не відрізняються.

3.1.1 КОНСТРУКЦІЯ СТАТОРА БЕЗКОЛЕКТОРНОЇ МАШИНИ ЗМІННОГО СТРУМУ

Статор машини змінного струму має досить просту конструкцію. Він складається з корпусу 3, осердя 4 та статорної обмотки 1 (рис. 3.1). Як приклад розглянемо конструкцію статора асинхронного двигуна потужністю до 100 кВт. Корпус такого двигуна виконується, як правило, відлитим із чавуну або сплавів алюмінію з ребристою поверхнею для збільшення площі охолодження. Необхідність в цьому виникає через електричні втрати в обмотці статора та магнітні втрати, що мають місце в осерді статора (в машині постійного струму такі втрати відсутні і тому її зовнішня поверхня не має ребер). Разом з корпусом відливаються лапи 5 для кріплення машини на фундаменті (у деяких двигунів малої потужності кріплення здійснюється за один з підшипникових щитків – фланцеве кріплення). Зовні на корпусі розташовується клемна коробка 2, в яку виводяться кінці фазних обмоток. У трифазних двигунів таких кінців, як правило, шість, що дає змогу з’єднати обмотки використовуючи три мідні пластини за зіркою (рис. 3.2, а), чи трикутником (рис. 3.2, б). В деяких двигунів у клемну коробку виводиться тільки три лінійні відводи. При цьому кінці фаз сполучуються за схемою зірка всередині машини.

З боків корпус має спеціальні проточки для посадки підшипникових щитів. Щити також відливаються (матеріал корпуса і підшипникових щитків може бути різним: корпус – зі сплаву алюмінію, а підшипникові щитки – чавунні).

Осердя має циліндричну форму і шихтовану конструкцію, тобто набирається із штампованих пластин ізотропної холоднокатаної електротехнічної сталі марки 2013 (машини малої потужності) та марки 2212, 2311 і 2411 (для машин середньої та великої потужності) товщиною (0,35 – 0,5) мм. Ці пластини виготовляються шляхом штампування з подальшим двостороннім покриттям ізоляційною плівкою, наприклад шаром лаку. На внутрішній поверхні осердя статор має повздовжні пази, в які закладаються провідники обмотки статора. Обмотка виконується із мідного (алюмінієвого) дроту круглого чи прямокутного перерізу.

3.1.2 СПОСОБИ ВИКОНАННЯ ОБМОТОК

Обмоткою статора машини змінного струму називається розімкнена система провідників, визначеним

способом укладена в пази і з’єднана у фази.

Пази, в яких розміщують провідники обмотки, мають трапецоїдну чи овальну форму (такі пази називаються напівзакритими) для машин потужністю до 100 Вт (рис. 3.3, а, б) і прямокутну форму (відкритий паз) для машин більшої потужності (рис. 3.3, в, г).

Трапецоїдні та овальні пази з боку, зверненого до повітряного проміжку, напівзакриті, що дозволяє знизити магнітний опір шару “зубці – пази – повітряний проміжок”.

В машинах потужністю до 100 кВт виконується всипна обмотка із круглого ізольованого дроту. Для ізоляції обмотки від корпусу в пази закладаються вигнуті по формі пазу короби, що складаються з одного чи кількох шарів ізоляційного матеріалу (електрокартон, лакотканина, міканіт тощо). Провідники по черзі опускаються (всипаються, звідси назва “ всипна обмотка ”) в паз через щілину, яку створюють сусідні зубці. Після укладки обмотки в пази осердя, її просочують в спеціальних лаках, що надає їй монолітної конструкції, покращує теплопровідність, вологостійкість, електричну та механічну міцність.

В машинах потужністю більше 100 кВт і напругою вище 660 В, для підвищення електричної та механічної міцності ізоляції, обмотки виконуються із жорстких секцій (котушок), які вкладаються в прямокутні відкриті пази (рис. 3.3, в). Ці секції виготовляються із прямокутного обмоткового дроту на спеціальних шаблонах, де їм надається закінчена форма з усіма характерними вигинами, потім вони ізолюються, просочуються у компаундах і в готовому вигляді укладаються у пази.

В машинах потужністю більше 100 кВт і напругою менше 660 В секції по ширині напіввідкритого паза (рис. 3.3, г) підрозділяються на дві рівні частини, що дозволяє знизити ширину пазової щілини і відповідно магнітний опір шару “зубці – пази – повітряний проміжок”. Обмотка також виконується на шаблоні із прямокутного ізольованого дроту, але пазова ізоляція в ній така ж, як і у всипної обмотки.

3.1.3 КЛАСИФІКАЦІЯ СТАТОРНИХ ОБМОТОК МАШИН ЗМІННОГО СТРУМУ

Обмотка складається із секцій. Секція може бути одновитковою (складається із одного витка) та багатовитковою (має кілька витків).

Частини секції 1, що розташовані в пазу називаються пазовими або активними, а частини 2, розташовані поза пазом – лобовими (рис. 3.4) (по аналогії з частинами секції обмоток якоря машини постійного струму). Ширина секції визначається кроком обмотки у. Для того, щоб ЕРС провідників обох активних сторін секції складались, ці сторони повинні розміщуватись під полюсами різної полярності. Тому крок обмотки має бути приблизно рівним полюсній поділці τ. Полюсна поділка, як і в машинах постійного струму, найчастіше задається в пазах

τ = Z₁ /2 p, (3.1)

де Z₁ – число пазів обмотки статора, або ж, по аналогії з (1.2), в метрах, τ = π _* D₁ /2 p, де D₁ – діаметр розточки статора, м.

Якщо крок обмотки дорівнює полюсній поділці (у = τ), то обмотка називається з повним або діаметральним кроком, якщо крок менший полюсної поділки (у < τ) то обмотка зветься з укороченим кроком. Найчастіше така обмотка має у = 0,8 τ, її ЕРС дещо менша, ніж ЕРС секції з діаметральним кроком.

За розташуванням секційних сторін в пазу, обмотки поділяються на одношарові, коли в пазу розміщена тільки одна секційна сторона (рис. 3.3, а, в) та двошарові з двома активними сторонами в пазу (рис.3.3, б). Найбільше поширення отримали саме двошарові обмотки, що дозволяють виконати будь-яке укорочення кроку. Одношарові обмотки звичайно більш прості при виконанні, але в них досить складно виконати укорочення кроку обмотки і тому застосовуються лише для машин потужністю не більше 18 кВт.

В цілому, статорна обмотка складається з кількох самостійних частин, які називаються обмотками фаз. Розрізняються одно-, дво- та трифазні обмотки. Обмотка фази складається з секційних груп (частіше їх називають котушковими групами). Число котушкових груп для одношарової обмотки дорівнює числу пар полюсів р, а для двошарової – числу полюсів 2 р. Сама ж котушкова група складається з такої кількості секцій, скільки пазів припадає на полюс та фазу машини q.

q = Z₁ /2 p _* m₁, (3.2)

де m₁ – число фаз обмотки статора.

Число q в обмотці, частіше всього, є цілим числом від 1 до 6, але може бути і дробовим (у багатополюсних машинах великої потужності). Якщо q = 1, то обмотка називається скупченою,а якщо q = 2 і більше – розподіленою.

За формою лобових частин, як і обмотки якоря машин постійного струму, статорні обмотки машин змінного струму поділяються на петлясті та хвилясті. Останні застосовуються в машинах значної потужності, наприклад, синхронні генератори теплових та атомних електростанцій з числом витків у секції W_S = 1, що дає перевагу в порівнянні з петлястими обмотками, за рахунок зменшення з’єднань між секційними групами. Такі обмотки мають в кожному пазу тільки два провідника, або два стрижня великого перерізу (найчастіше з низки паралельних транспонованих провідників). Сама секція виконується з двох однакових частин – стрижнів 1 (рис.3.5), що мають одну пазову частину та дві половини лобових. Після укладання в пази стрижні з’єднують між собою хомутиками 2 так, що утворюється виток обмотки. Такі обмотки називаються стрижневими. При значних струмах стрижні виконуютьcя з окремих паралельних провідників, які перекладаються по довжині стрижня (транспонуються), щоб кожен паралельний провідник мав однакові умови в магнітному полі машини.

Петлясті обмотки виконуються концентричними котушковими, цепними та рівносекційними (рис. 3.6), останні можуть бути одношаровими і двошаровими, а котушкові та цепні тільки одношарові.

3.1.4 ВИМОГИ, ЩО СТАВЛЯТЬСЯ ДО СТАТОРНИХ ОБМОТОК МАШИН ЗМІННОГО СТРУМУ

До обмоток статора машин змінного струму ставляться ті ж загальні вимоги, що і до будь-яких обмоток електротехнічних пристроїв:

- мінімальність затрат обмоткового матеріалу;

- зручність і найменші затрати при виготовленні – технологічність;

- надійність та довговічність при експлуатації;

- висока електрична та механічна міцність;

- конструкція обмотки повинна бути такою, щоб втрати в ній (втрати в міді) були найменшими, а охолодження - по можливості кращим.

Деякі з перерахованих вимог вступають в протиріччя між собою. Так, наприклад, щоб знизити витрату міді на обмотку даної конструкції, слід підвищити густину струму, але при цьому зростають втрати, погіршуються умови охолодження і знижується ККД машини; електричну міцність обмотки можна забезпечити, використовуючи ізолювальні матеріали підвищеної якості або збільшуючи їх кількість, а це приводить до підвищення вартості обмотки і, відповідно, всієї машини.

Поряд із загальними вимогами до таких обмоток ставляться і спеціальні вимоги:

- форма кривої ЕРС, що створюється в обмотці, повинна бути близькою до синусоїдальної;

- осі фазних обмоток мають бути зсунуті в просторі магнітної системи статора на визначений просторовий кут α (при m₁ = 3; α = 120 ⁰);

- активні та індуктивні опори фазних обмоток повинні бути відповідно рівними (R_A = R_B = R_C; Х_A = Х_B = Х_C).

Стосовно до генераторів змінного струму ці вимоги зумовлені тим, що при не синусоїдальних або несиметричних ЕРС в фазах, в електричних колах, що споживають енергію цих генераторів, будуть мати місце вищі гармоніки струму (від не синусоїдальних ЕРС) та струми різної послідовності (від несиметричних струмів). Це приводить до негативного впливу на роботу всієї енергосистеми: зростають втрати, виникають небезпечні перенапруги, зростає шкідливий вплив ліній електропередач на кола зв’язку тощо. Стосовно ж двигунів змінного струму, невиконання перерахованих вимог, призводить до зростання втрат і зниження корисної потужності двигуна через появу гальмівних електромагнітних моментів, що діють на ротор.

ЦЕ НЕОБХІДНО ЗАПАМ’ЯТАТИ:

– безколекторні машини – це переважно машини змінного струму – синхронні та асинхронні;

– синхронна машина – це машина, у якої ротор і магнітне поле обертаються одночасно (синхронно), у асинхронних машин рух ротора не співпадає з рухом магнітного поля;

– статор машини змінного страму має найпростішу конструкцію у порівнянні з нерухомими частинами будь-яких інших машин;

– обмотка статора машини змінного страму складається з фаз, фази – з секційних груп, секційні групи – з секцій, секції – з витків, витки – з провідників;

– конструктивне виконання статорних обмоток машини змінного страму мало відрізняється від виготовлення обмоток якоря машини постійного страму;

– пази статора машини змінного страму бувають відкриті, напіввідкриті та напівзакриті;

До обмоток статора машини змінного страму ставиться низка загальних, часом таких, що виключають одна одну, вимог та три спеціальні вимоги, не виконання яких значно ускладнює роботу як самої машини, так і електричної мережі.

Дата добавления: 2015-07-14