Якірні обмотки електромеханічних перетворювачів змінного струму

Якірні обмотки ЕМП змінного струму бувають однофазні і багатофазні. Найбільш розповсюджені трифазні обмотки.

Початки і кінці фаз трифазних обмоток позначають відповідно літерами A –X ; B – Y ; C – Z .

Щоб отримати трифазну обмотку, кожне полюсне ділення  розбивають на три рівні частини – фазні зони. Кожна фазна зона відведена для укладання однойменних (початкових чи кінцевих) активних сторін котушок, що створюють дану фазу (рис. 2.7). Кроки котушок розраховують за вже відомими формулами.

Я к можна бачити з рис. 2.7, при обертанні індуктора потік його полюсів послідовно перетинає фазні зони якоря, внаслідок чого ЕРС провідників різних фазних зон будуть зсунуті в часі за фазою на кут 60 град. ел., а не на кут 120 град. ел., як це потрібно для отримання симетричної зірки фазних ЕРС. Тому на рис. 2.7 між фазними зонами початків котушок фаз А і В обмотки розташована фазна зона Z кінців котушок фази С.

Рис. 2.7. Фазні зони трифазної обмотки двополюсного синхронного ЕМП (q =2 ; Z =12)

Напрями ЕРС у провідниках обмотки визначені правилом правої руки і позначені хрестиками та крапками. Виконуючи якірні обмотки, фазну зону зручно вимірювати не в електричних градусах, а у кількості пазів “q”. Величина q показує, скільки пазів якоря під кожним полюсним діленням виділено для укладання однойменних активних сторін котушок кожної фази багатофазної обмотки і називається кількістю пазів на полюс і фазу. Її розраховують за формулою (2.3):

, (2.3)

де m – кількість фаз багатофазної обмотки. Отже, q може бути і дробовим числом. Такі обмотки називають дробовими. Вони дуже розповсюджені в авіаційних синхронних генераторах, але їхнє виконання трохи ускладнене. Поки тут розглядаються тільки обмотки з цілим q.

Усі “q” котушок, що розташовані під кожним подвійним полюсним діленням і належать даній фазі, з’єднані послідовно і створюють котушкову групу.

Котушкові групи кожної пари полюсів можуть бути з’єднані між собою як паралельно, так і послідовно, і створюють фазу якірної обмотки.

Котушкові групи обмотки, зображеної на рис. 2.7, складаються з двох послідовно з’єднаних котушок при q = 2.

Коли обмотка має q = 1, її називають зосередженою, а у супротивному випадку – розподіленою.

Для ЕМП змінного струму важливе не тільки значення, але і форма кривої ЕРС у часі, яка повинна по змозі бути наближена до синусоїди.

Зосереджена обмотка має різко несинусоїдальну форму кривої ЕРС і тому майже не знаходить використання. Причина несинусоїдності кривої ЕРС полягає в тому, що магнітний потік, створений індуктором у повітряному зазорі, розподіляється у просторі уздовж окружності якоря несинусоїдально (крива В_ , рис.2.8).

П еріодична у просторі крива індукції у повітряному зазорі B_δ може бути розкладена у ряд Фур’є на першу і вищі просторові гармоніки. З вищих гармонік на рис.2.8 показана тільки третя гармоніка B₃. Її просторовий півперіод ₃ у три рази менший за півперіод ₁ першої гармоніки.

Коли обмотка діаметральна і зосереджена, в її котушках виникають ЕРС не тільки від першої, але і від вищих гармонік потоку.

З рис. 2.8 також можна бачити, що кількість полюсів третьої гармоніки втричі більша кількості полюсів першої. Таким чином, взагалі кількість полюсів гармоніки порядку ““ у  разів більша фактичної кількості полюсів індуктора 2р: 2р_ = 2р.

Нехай трифазна діаметральна розподілена обмотка має q = 2, тобто у котушковій групі містяться дві котушки. Тоді зсув за фазою ЕРС першої гармоніки котушок Е_к1 становить град. ел. У той же час зсув за фазою ЕРС третіх гармонік Е_к3 цих котушок становить град. ел.

Вектор ЕРС -тої гармоніки Ē_ групи котушок є геометричною сумою “q” векторів Ē _ ЕРС котушок, що складають цю групу. На рис.2.9 показані векторні діаграми ЕРС першої (рис. 2.9, а) і третьої (рис. 2.9, б) гармонік. При цьому ЕРС першої гармоніки групи дорівнює , а ЕРС третьої гармоніки групи – .

М ожна бачити, що ЕРС першої гармоніки групи внаслідок розподілення обмотки зменшилась в рази (практично залишилася незмінною), а ЕРС третьої гармоніки цієї групи зменшилась в рази.

Таким чином, розподілення обмотки, незначно зменшуючи ЕРС першої гармоніки, сприяє наближенню форми кривої ЕРС до синусоїдальної.

Зменшення ЕРС -тої гармоніки внаслідок розподілення обмотки у “q” пазах характеризує коефіцієнт розподілення обмотки для цієї гармоніки

, (2.4)

де m – кількість фаз.

Коефіцієнт К_р завжди менший за одиницю, тому що геометрична сума векторів менша за їхню арифметичну суму.

Форма кривої ЕРС поліпшується також внаслідок скорочення кроку обмотки.

Нехай обмотка має відносний крок β = = 0,8. Тоді кут зсуву фаз ЕРС першої гармоніки в активних сторонах котушки становить град. ел., а для п’ятої гармоніки він становить град. ел., тобто ЕРС п’ятої гармоніки в активних сторонах кожної котушки будуть спрямовані однаково, тобто зустрічно одна одній. Внаслідок цього ЕРС п’ятої гармоніки котушок буде дорівнювати нулю.

Зменшення ЕРС -тої гармоніки внаслідок скорочення кроку обмотки характеризує коефіцієнт скорочення для цієї гармоніки:

. (2.5)

Фізично скорочення кроку зменшує ЕРС першої гармоніки тому, що зменшується магнітний потік, який пронизує котушку. Іншими способами поліпшення кривої ЕРС є використання дробових обмоток, скіс пазів якоря чи полюсних наконечників індуктора ЕМП.

Добуток коефіцієнтів розподілення, скорочення кроку і скосу пазів для -тої гармоніки ЕРС називають обмотковим коефіцієнтом для цієї гармоніки.

Багатофазна обмотка здатна створювати магнітне поле у повітряному зазорі, яке обертається.

Таке поле буде створено лише за умови дотримання таких положень:

– осі фаз мають просторовий зсув уздовж окружності якоря;

– у фазах обмотки повинні протікати змінні струми, що зсунуті у часі.

Нехай маємо симетричну трифазну обмотку, по фазах А, В і С якої течуть змінні струми кутової частоти .

sin ; sin ; sin .

Кожний струм створює у відповідній фазі змінну у часі МРС. Напрям кожної МРС пов’язаний з напрямом її струму правилом правого гвинта.

Вектор результуючої МРС трифазної обмотки дорівнює геометричній сумі векторів МРС фаз: . Вектори МРС , і спрямовані відповідно по напрямах осей фаз А, В і С. У часі вектори МРС, природно, змінюються за законом:

sin ; sin ; sin .

Н а рис.2.10 показані МРС фаз трифазної обмотки і вектор F результуючої МРС для трьох різних моментів часу.

Рис. 2.10. Вектори МРС фаз і результуючий вектор МРС симетричної трифазної обмотки у моменти часу, що відповідають t = 0, t = 90, t =180

Розглядаючи рис. 2.10, можна впевнитися в наступному: незважаючи на те, що МРС кожної фази обмотки змінюється у часі з кутовою частотою , результуюча МРС усіх фаз залишається сталою і дорівнює 3/2 амплітуди фазної МРС, причому вона обертається у повітряному зазорі так, що зміні струму на часовий кут “” відповідає переміщення результуючої МРС на такий же просторовий електричний кут.

Визначимо кутову швидкість обертання  результуючої МРС.

З рис.2.10 випливає, що зміна у часі струму на проміжок спричиняє переміщення у просторі результуючої МРС на відстань полюсного ділення , що відповідає 180 град. ел. Тут – половина часового періоду струму.

З іншого боку можна записати:

,

де – лінійна швидкість переміщення результуючої МРС; r = – радіус розточки статора.

Підставляючи у написану вище формулу значення r і для кутової швидкості результуючої МРС, отримаємо:

. (2.6)

Кутову швидкість називають синхронною кутовою швид-кістю обертання магнітного поля. У практиці частіше викорис-товують поняття частоти обертання , об/хв. і циклічної частоти струму , Гц. Тому формула (2.6)може бути переписана у вигляді:

n = (2.7)

З формул (2.6) і (2.7) випливає що синхронна швидкість залежить тільки від частоти струму і кількості пар полюсів обмотки. Не важко бачити, що формула (2.7) збігається з формулою (2.1).

Вищі просторові гармоніки МРС порядку  створюють магнітні поля, що обертаються з їхніми синхронними частотами

.