Улучшение формы кривой э. д. с.

Постановка вопроса. Если, как, например, в синхронных машинах высшие пространственные гармоники поля возбуждения индуктируют в обмотке высшие временные гармоники э. д. с, то полная э. д. с. обмотки будет изменяться во времени несинусоидально.

Как уже указывалось (см. § 13-1), высшие гармоники э. д. с. могут вызвать в электрических сетях и приемниках ряд нежелательных явлений. Поэтому необходимо принять меры к их подавлению. Первой из таких мер является улучшение формы кривой распределения самого магнитного поля и ее приближение к синусоидальной. Такая мера в отношении явнополюсной синхронной машины рассматривалась в начале §20-1. Однако получить вполне приемлемые результаты при этом не удается.

Поэтому стремятся подавлять высшие гармоники э. д. с. с помощью соответствующей конструкции обмоток. К таким конструктивным мерам относятся: 1) укорочение шага обмотки; 2) распределение обмотки по пазам таким образом, чтобы число катушек в катушечной группе было q > 1; 3) скос пазов обмотки.

Рассмотрим этот вопрос подробнее.

Э. д. с. от третьей гармоники поля. Три фазы обмотки А, В, С сдвинуты относительно друг друга по отношению к гармонике поля v = 1 на 120°, по отношению к гармонике v = 3 на 3-120° = = 360° или 0°, по отношению к гармонике v = 5 на 5 -120° = 600° или 240°, по отношению к гармонике v = 7 на 7-120° = 840° или 120° и т. д. (рис. 20-10). На такие же углы сдвинуты соответствующие гармоники э. д. с. этих фаз. Таким образом, э. д. с. гармоник v = 3 и кратных им (v = 9, 15, 21 и т. д.) в разных фазах обмотки совпадают по фазе и поэтому при соединении обмотки в звезду

ABC Рис. 20-10. Положение пространственных гармоник поля относительно отдельных фаз трехфазной обмотки

(рис. 20-11, а) в линейных напряжениях эти гармоники будут отсутствовать. При соединении обмотки в треугольник (рис. 20-11, б) _э. д. с. гармоник v = 3 складываются, вызывают ток третьей гармоники г₃, циркулирующий по замкнутому треугольнику, и расходуются на падения напряжения внутри обмотки. Поэтому и в данном случае линейные напряжения не содержат третьих гармоник,

Отметим, что соединения обмотки в треугольник стремятся избегать, так как появляющиеся при этом третьи гармоники тока вызывают излишние потери и нагрев обмоток. Кроме того, в однофазных обмотках с фазной зоной а = 120° э. д, с. гармоник v = 3, 9, 15... всегда равна нулю, так как на основании выражения (20-27) для этих гармоник k_pV = 0.

По изложенным причинам при конструировании обмоток обычно необходимо заботиться об уменьшении влияния гармоник, не кратных трем.

Укорочение шага обмотки. При Р = 1, согласно формуле (20-26), для всех нечетных гармоник k_yv = ±1, т. е. в э. д. с. витка э. д. с. всех гармоник проявляются в полной мере. Однако соответствующим выбором шага обмотки можно в принципе добиться уничтожения любой определенной гармоники э. д. с. Например, если сократить.

шаг на 1/5 полюсного деления, то Р = 4/5, в соответствии с формулой (20-26) для v = 5

k_yv — sin . ■ = sin 2я = 0

и поэтому также Е_ь = 0. Такой результат объясняется тем, что при указанном укорочении шага э. д. с. от 5-й гармоники поля в двух активных проводниках витка совпадают по фазе и в контуре

витка действуют встречно друг другу (см. рис. 20-4). Такого же результата можно достичь, если взять р = 6/5, однако удлинение шага невыгодно, так как в большинстве случаев это вызывает увеличение расхода обмоточного провода.

Если желательно уничтожить 7-ю гармонику, то следует укоротить шаг на 1/7 полюсного деления, т. е. взять р = 6/7 и-т. д.

Достичь одновременного уничтожения всех гармоник невозможно. Поэтому следует стремиться к наибольшему ослаблению

Рис. 20-11. Третьи гармоники э. д. с. в трехфазной обмотке.

т. е. основная гармоника э. д. с. уменьшается незначительно.

Укорочение шага возможно только на целое число зубцовых делений. Поэтому не всегда можно иметь |J = 5/6 и обычно берут р = 0,80 -н 0,86.

Распределение обмотки. При q — 1, согласно выражениям (20-27) и (20-28), для всех гармоник k_pV = ±1 и поэтому ослабления гармоник э. д. с. в обмотке за счет ее распределения в пазах не происходит. Однако если q > 1, то для многих гармоник | k_pV | < k_pl (см. табл. 20-1) и э. д. с. соответствующих гармоник значительно уменьшаются. Это объясняется тем, что э. д. с. катушек катушечной группы для v-й гармоники сдвинуты на углы vy вместо углов Y для v = 1 (см. рис. 20--6, 20-7 и 20-8), в результате чего эти э. д. с. складываются под большими углами и их сумма уменьшается. В то же время, как видно из табл. 20-1, для v = 1 значения k_pl = k_p близки к единице, т. е. распределение обмотки мало влияет на основную гармонику э. д. с.

Гармоники зубцового порядка и скос пазов. Из табл. 20-1 видно также, что и при q > 1 для ряда гармоник k_pV = ±k_pl (числа, выделенные жирным шрифтом), т. е. ослабления э. д. с. этих гармоник не происходит. Такие гармоники v = v_z называются гармониками зубцового поряд к_а. Их порядок

где k = 1, 2, 3,..., при k = 1 близок к количеству зубцов на пару полюсов Zip, чем и обусловлено их название. Для трехфазной обмотки

Например, при q = 2, согласно равенству (20-35), v_z = 11, 13, 23, 25... При q = 1 все гармоники v = 5, 7, 11, 13... являются гармониками зубцового порядка.

В поле возбуждения синхронной машины содержатся все гармоники порядка v_z. Угол сдвига проводников у двух соседних пазов для основной гармоники поля определяется равенством (20-11). Для э. д. с. от v_z-& гармоники поля этот угол в v^ раз больше, и на основании выражений (20-11) и (20-34)

что эквивалентно углу ±у. Таким образом, э. д. с. проводников отдельных пазов от v^-й гармоники поля сдвинуты относительно друг друга на такие же углы, как и э. д. с. от основной гармоники поля. Поэтому векторы этих э. д. с. складываются в контуре витка и в катушечной группе под одинаковыми углами сдвига фаз. В связи с этим не только коэффициенты распределения, но и коэффициенты укорочения шага для гармоник v = 1 и v = v_z одинаковы. Таким образом, укорочением шага обмотки и выбором целого числа q > 1 нельзя достичь уничтожения или ослабления высших гармоник э. д. с. от гармоник поля зубцового порядка. Однако при увеличении q увеличивается порядок гармоник \_г, и поскольку гармоники высших порядков в кривой поля выражены слабее, то увеличение q все же способствует улучшению формы кривой э. д. с. обмотки. Уменьшение высших гармоник э. д. с, в частности, от гармоник поля зубцового порядка возможно также осуществлением скоса пазов или полюсных наконечников. Если, например, выбрать величину скоса

Рис. 20-12. Случай,

когда при скосе

пазов E_v = 0

то, согласно выражению (20-29), &_Cv = 0 и по формуле (20-31) £„ = 0. Физически это объясняется тем, что при этом в отдельных участках проводника индуктируются одинаковые по величине и обратные по направлению э. д. с. (рис. 20-12).

Наиболее сильными являются первые гармоники зубцового порядка, для которых в выражениях (20-34) и (20-35) k = 1. Э. д. с. одной из этих гармоник будет равна нулю, если взять

На практике обычно величину скоса берут равной зубцовому делению:

и тогда э. д. с. от всех гармоник зубцового порядка будут значительно ослаблены.

Влияние пазов. Рассмотрим влияние пазов статора на кривую поля возбуждения синхронной машины и на э. д. с. обмотки статора.

На рис. 20-13, а схематически изображены полюсы синхронной машины и ее статор с пазами при Zip — 6. На рис. 20-13, б показан характер кривой распределения магнитной индукции поля возбуждения полюсов при отсутствии (сплошная линия) и при наличии (штриховая линия) пазов. На рис. 20-13, в представлены такие же кривые для случая, когда кривая поля возбуждения при отсутствии пазов содержит только основную гармонику.

Как следует из рис. 20-13, пазы искажают кривую поля. Можно представить себе, что наличие пазов и зубцов вызывает ряд дополнительных гармоник поля, которые накладываются на первоначальную кривую поля и могут быть названы зубцовыми гармониками поля.

Если первоначальное поле синусоидально (рис. 20-13, е), то при наличии пазов возникают дополнительные вращающиеся гармоники поля, имеющие порядок

Рис 20-13 Форма кривой поля

возбуждения синхронной машины

при наличии пазов на статоре

Эти гармоники содержат в v_s раз больше полюсов, чем основная гармоника, но вращаются, как можно показать, также с v_s раз меньшей скоростью и поэтому индуктируют в обмотке статора э. д. с. основной частоты.

Таким образом, если поле возбуждения при отсутствии пазов синусоидально, то наличие пазов, несмотря на искажение кривой поля, не приводит к искажению кривой э. д. с. Искажение кривой э. д. с. связано только с наличием высших гармоник в первоначальной кривой поля (сплошная линия на рис. 20-13, б). Более

подробный анализ этого вопроса показывает, что при Zip, равном целому четному числу, наличие пазов вызывает многократное увеличение тех высших гармоник э. д. с, которые индуктируются нечетными гармониками поля зубцового порядка v_z [см. равенство (20-34)], содержащимися в первоначальной кривой поля. В этом и заключается вредное влияние пазов на форму кривой э. д. с. При Zip, равном целому четному числу, эффективной мерой борьбы с этим влиянием является скос пазов или полюсных наконечников. При Zip, не равном целому четному числу, получаются так называемые дробные обмотки (см. § 21-2), которые обеспечивают хорошую форму кривой э. д. с.

Дата добавления: 2015-07-18