Комбинированная обмотка электрической машины переменного тока

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к электрической машине с насыщением стали магнитопровода, питаемой трехфазным током, имеющей комбинированную обмотку. Сущность изобретения состоит в том, что одна часть обмотки соединена в звезду, а другая в треугольник, с пространственным сдвигом между этими частями не равным πm/3p, где m - целое число, р - число пар полюсов, при этом выполнено укорочение или удлинение β шага обмотки в интервале значений 0,5<β<1,5, за исключением значения β = 1, или/и выполнено распределение обмотки. Технический результат состоит в том, что изобретение обеспечивает уменьшение загрузки токами части обмотки, соединенной в треугольник, и уменьшение зависимости перегрузки треугольника от напряжения питания. 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике.

Аналогом изобретения является комбинированная обмотка, имеющая часть, соединенную по схеме звезда (далее применяются сокращения - обмотка звезды и звезда) и часть, соединенную по схеме треугольник (далее применяются сокращения - обмотка треугольника и треугольник), у которой подобрано такое соотношение числа витков в фазах этих частей, которое обеспечивает требуемую равномерность их загрузки [1].

Признаки аналога: 1) комбинированная обмотка; 2) параллельное соединение звезды и треугольника; 3) питание трехфазным током; 4) соотношение числа витков в фазах звезды и треугольника, которое обеспечивает требуемую равномерность их загрузки.

Первый и третий признаки совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения. Недостатком способа является достижение результата только при одном значении напряжения. При любом изменении питающего напряжения происходит перераспределение токов по частям обмотки.

Наиболее близким аналогом является изобретение "Расположение обмоток статора и (или) ротора трехфазного генератора или двигателя с улучшенными характеристиками" (патент США 4710661) [2].

Признаки аналога: 1) комбинированная обмотка; 2) питание трехфазным током; 3) взаимное смещение звезды и треугольника в пространстве на угол π/2p±π/6p, где p-число пар полюсов.

Первый и второй признаки аналога совпадают с существенными признаками заявляемого изобретения. К недостатку наиболее близкого аналога следует отнести увеличение расхода обмоточного провода и увеличение электрических потерь в обмотке, по причине уменьшение обмоточного коэффициента.

Изобретение направлено на решение задачи изменения и улучшения характеристик электрических машин, у которых присутствуют все нижеперечисленнные признаки: - комбинированная обмотка, содержащая части, одна из которых соединена в треугольник, а другая - в звезду.

- питание трехфазным током; - пространственный взаимный сдвиг частей обмотки не равен πm/3p, где m - целое число;
- насыщение стали магнитопровода.

Сущность изобретения состоит в уменьшении загрузки токами обмотки треугольника, а также уменьшения зависимости отношения токов треугольника к токам звезды от питающего напряжения в результате использования укорочения или удлинения или/и распределения комбинированной обмотки электрических машин. Под укорочением или удлинением комбинированной обмотки здесь понимается укорочение или удлинение шага секций обмотки и такая их укладка, при которой в одной фазной зоне части обмотки (части, соединенной по схеме треугольник, и части, соединенной по схеме звезда) находятся секции нескольких фаз, относящиеся к одной либо к обеим частям обмотки, то есть укорочение или удлинение в электрическом отношении. Под распределением обмотки понимается укладка обмотки в пазы, при которой число пазов на полюс и фазу части обмотки (части, соединенной по схеме треугольник и части соединенной по схеме звезда) больше единицы.

Применение изобретения, при наиболее эффективном укорочении, равном 2/3, дает такой же эффект, что и наиболее близкий аналог. Однако при этом происходит значительная экономия обмоточного провода, так как уменьшается (примерно на 1/3) длина лобовых частей комбинированной обмотки.

Совокупность существенных признаков, обеспечивающая получение технических результатов во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны:
1) комбинированная обмотка, содержащая части, одна из которых соединена в треугольник, а другая - в звезду;
2) питание трехфазным током;
3) насыщение стали магнитопровода;
4) пространственный взаимный сдвиг частей обмотки, не равен πm/3p;
5) укорочение или удлинение шага обмотки β в интервале значений 0,5n<β<(0,5n+0,5), где n = 1, 2, или/и распределение обмотки.

Признаки, характеризующие изобретение в конкретных формах выполнения:
1) укорочение или удлинение β = 2/3+2/3k, где k=0,1, или/и распределение, при котором фазный угол α = 2π/3p+2πk/3p;
2) последовательное соединение звезды и треугольника (см. фиг.1);
3) электрическая машина, является асинхронным двигателем.

Признаки, отличительные от наиболее близкого аналога:
1) укорочение или удлинение шага обмотки β в интервале значений 0,5n<β<(0,5n+0,5);
m/3p.
При осуществлении изобретения достигаются технические результаты:
1) уменьшение загрузки токами обмотки треугольника;
2) уменьшение зависимости отношения токов треугольника к токам звезды от напряжения питания.

В конкретных формах выполнения достигаются технические результаты:
1) все заявляемые технические результаты максимальны при наиболее эффективном укорочении или удлинении шага обмотки β = 2/3+2/3k или/и распределении обмотки, при котором фазный угол α = 2π/3p+2πk/3p.;
2) у электрических машин с последовательным соединением звезды и треугольника достигается приближение отношения токов звезды к токам треугольника к значению 1,732;
3) в электрической машине, являющейся асинхронным двигателем - увеличение скольжения.

Перечень иллюстраций
Фиг. 1 - схема последовательного соединения обмотки звезды и треугольника.

Фиг.2 - построение магнитного потока для витка U1.

Фиг.3 - построение магнитного потока для витка U2.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Рассмотрим случай, когда несинусоидальность магнитного потока электрической машины возникает только по причине насыщения стали магнитопровода и ограниченного числа фаз. Поток, создаваемый комбинированной обмоткой, является наложением потоков, создаваемых обмоткой треугольника и обмоткой звезды. которые, в свою очередь, являются наложением потоков их фаз. Разложив кривые изменения потоков фаз во времени и пространстве на гармонические составляющие, получим уравнения пространственно-временных составляющих потоков фаз:
1) для обмотки треугольника



Ф^Δ_μν- - максимальное значение μ-временной гармоники потока фазы треугольника, распределенной в пространстве как ν-гармоника;
μ - номер временной гармоники;
ν - номер пространственной гармоники;
t - переменная времени;
Т- период изменения потока во времени;
x - переменная пространства;
τ - период изменения потока в пространстве;
2) для обмотки звезды



Ф^Y_μν- максимальное значение μ- временной гармоники потока фазы звезды, распределенной в пространстве как ν-гармоника;
γ- угол пространственного сдвига обмотки звезды относительно обмотки треугольника.

У каждой из обмоток пространственно-временные гармоники потока с номерами μ = 3a и ν≠3d, где a и d - натуральные числа, равны нулю. Действительно, при таких а и d уравнения пространственно-временных составляющих потоков фаз будут представлять собой косинусоиды с равными амплитудами, сдвинутые на угол 2π/3. А сумма таких косинусоид равна нулю.

У каждой из обмоток пространственно-временные гармоники потоков фаз с номерами μ = 3a и ν = 3d имеют временной сдвиг μ2π/3 = a2π и пространственный сдвиг ν2π/3 = d2π.
Таким образом, для любой кратной трем временной гармонической составляющей потока трехфазной обмотки характерно наличие только кратных трем гармонических составляющих пространственного разложения. Кроме того, кратные трем временные гармоники потока трехфазной обмотки являются пульсирующими.

Как правило, большими по амплитуде среди временных гармоник потока электрической машины являются гармоники с меньшими порядковыми номерами, то есть первая и третья. Поэтому для дальнейшего качественного анализа можно пренебречь наличием в магнитном потоке электрической машины остальных временных гармонических составляющих. Рассмотрим поток трехфазной обмотки, соединенной по схеме звезда. Примем, что под действием трехфазного синусоидального напряжения в фазах трехфазной обмотки протекает синусоидальный ток. Амплитудное значение первой гармоники потока равно 1Ф, третьей гармоники потока 0,1Ф.

Рассмотрим магнитный поток машины, относительно диаметральных витков U1, V1, W1, оси которых совпадают с осями фаз обмотки, создающей магнитный поток. На фиг. 2 изображено построение магнитного потока для витка U1 и его разложение на первую и третью гармоники. Магнитный поток и его гармоники относительно других витков V1, W1, сдвинутых в пространстве на ±2π/3, имеют временной сдвиг на ±μ2π/3.
Рассмотрим поток машины относительно диаметральных витков U2, V2, W2, сдвинутых в пространстве между собой на угол 2π/3, а относительно соответствующих витков U1, V1, W1 на угол π/6. Связь пульсирующего потока с витком определяется косинусом угла сдвига оси пульсирующего потока с осью витка δ [5]. Так как третья гармоника потока является пульсирующей и угол δ для рассматриваемых витков равен νπ/6 = π/2, то витки U2, V2, W2 не связаны с третьей гармоникой потока. Таким образом, с витками U2, V2, W2 имеет связь только первая гармоника потока. На фиг.3 приведено построение магнитного потока для витка U2. В рассматриваемом случае высшие временные гармоники потока создаются в результате нелинейной зависимости магнитного потока от создающей его МДС. При этом составляющая потока, имеющая связь с витками, и полный поток обмотки создаются одним и тем же током. А это означает, что часть рассматриваемого потока, связанная с витками U2, V2, W2, не может иметь мгновенное значение индукции большее, чем мгновенное значение индукции полного потока обмотки. Следовательно, максимальное значение составляющей потока, имеющей связь с витками U2, V2, W2, или амплитуда первой гармоники потока относительно витков U2, V2, W2 будет равна максимальному значению потока, которое в свою очередь равно 0,9Ф. Соответственно, амплитуда ЭДС первой гармоники в витках U2, V2, W2 пропорциональна 0,9Ф. В то же время амплитуда первой гармоники потока для витков U1, V1, W1 составляет 1Ф и амплитуда ЭДС первой гармоники в витках U1, V1, W1 пропорциональна 1Ф.

Теперь рассмотрим особенности потока обмотки треугольника. Кратные трем временные гармонические потока, создаваемого обмоткой, соединенной в треугольник, при равном уровне насыщения стали магнитопровода, меньше кратных трем временных гармонических потока, создаваемого обмоткой, соединенной в звезду. Это объясняется тем, что в обмотке треугольника, в отличие от обмотки звезды, существуют кратные трем временные гармонические составляющие токов фаз, уменьшающие кратные трем временные гармонические потока. Таким образом, поток обмотки треугольника содержит значительно уменьшенную третью временную гармоническую. Для дальнейшего качественного анализа можно пренебречь наличием в потоке обмотки треугольника третьей временной гармонической.

Рассмотрим комбинированную обмотку, в которой:
- число пазов на полюс и фазу в обмотках треугольника и звезды равно единице;
- фазы звезды состоят из диаметральных витков, сдвинутых в пространстве между собой на угол 2π/3;
- фазы треугольника состоят из диаметральных витков, сдвинутых в пространстве между собой на угол 2π/3;
- сдвиг обмотки звезды к обмотке треугольника π/6.
Если пренебречь наличием в магнитных потоках звезды и треугольника всех высших временных, кроме третьей, гармоник, а для магнитного потока треугольника пренебречь также и третьей временной гармоникой, то магнитный поток обмотки треугольника во времени будет представлять собой синусоиду. Магнитный поток звезды, связанный с обмоткой звезды, будет иметь тот же характер, что и рассмотренный ранее магнитный поток для витков U1, V1, W1. Магнитный поток обмотки звезды, связанный с обмоткой треугольника, будет иметь тот же характер, что и рассмотренный раннее магнитный поток относительно витков U2, V2, W2.

Таким образом, при одинаковых первых гармониках потоков звезды и треугольника, магнитный поток звезды, связанный с треугольником, имеет амплитуду первой гармоники меньшую, чем амплитуда первой гармоники потока треугольника, связанного с обмоткой звезды. Это означает, что при одинаковых первых временных гармонических магнитных потоков треугольника и звезды, в одном витке фазы звезды наводится большая ЭДС первой гармоники, чем в одном витке фазы треугольника. Причиной этого является сцепление кратных трем гармоник потоков звезды и треугольника только с обмотками их создающими, при неодинаковых значениях этих гармоник в потоках звезды и треугольника (мы рассмотрели только третью гармонику, чтобы упростить понимание, но полученный вывод о разных ЭДС в витках звезды и треугольника справедлив для всех кратных трем временных гармоник).

Все полученные выводы справедливы для пространственного сдвига, не равного πm/3p, между обмотками звезды и треугольника. Действительно, на всем интервале значений угла смещения обмоток, кроме значений πm/3p, для кратных трем гармоник потока электрический угол δ между осями гармоник, созданных обмоткой звезды/треугольника, и обмоткой треугольника/звезды не равен πm. Следовательно, кратные трем гармоники каждой обмотки сцеплены с другой обмоткой меньше, чем со своей, что приведет, путем рассуждений, аналогичных примененным для γ = π/6p, к выводу о большей (но в меньшей степени, чем для γ = π/6p) ЭДС первой гармоники в витке обмотки звезды.

Рассмотрим два случая - параллельное и последовательное соединение обмоток звезды и треугольника.

В первом случае большая ЭДС первой гармоники в витке обмотки звезды приводит к уменьшению доли потока звезды и увеличению доли потока треугольника в потоке, создаваемом комбинированной обмоткой. Что, в свою очередь, приводит к дополнительной загрузке обмотки треугольника токами всех гармоник
Во втором случае (фиг. 1) происходит перегрузка обмотки треугольника токами кратных трем гармонических, так как в обмотке треугольника, в отличие от обмотки звезды (по причине наличия контура для замыкания), присутствуют кратные трем гармонические составляющие тока, индуцируемые кратными трем гармоническими потока. А все не кратные трем гармонические имеют отношение амплитуды в звезде к амплитуде в треугольнике равное 1,732, определенное схемой соединения обмоток.

Таким образом, по причине наличия кратных трем временных гармонических магнитного потока, при любом соединении обмоток, параллельном или последовательном, происходит дополнительная загрузка треугольника током.

Для ее уменьшения достаточно уменьшить кратные трем временные гармонические потока. Как было показано выше, кратные трем временные гармонические потока трехфазной обмотки могут существовать в пространстве машины только как кратные трем пространственные гармонические. Для того чтобы уменьшить пространственно-временную гармонику, достаточно уменьшить ее только в пространстве.

Все кратные трем пространственные гармонические исчезают при укорочении (удлинении) шага обмотки β = 2/3+2/3k. Третья пространственная гармоническая имеет меньший коэффициент укорочения, чем первая пространственная гармоника при укорочении (удлинении) шага обмотки β в интервале значений 0,5<β<0,5+0,5n. Все кратные трем пространственные гармонические исчезают при распределении обмотки, при котором фазный угол α = 2π/3p+2πk/3p. Все кратные трем пространственные гармонические, кроме зубцовых, имеют меньший коэффициент распределения, чем первая пространственная гармоника при любом распределении обмотки по пазам, кроме случая, когда число пазов на полюс и фазу каждой из двух частей комбинированной обмотки равно единице.

Уменьшив или устранив кратные трем пространственно-временные гармонические потока, применением укорочения или удлинения или/и распределения обмотки, мы уменьшим или устраним вызываемые их наличием последствия. Так, при этом увеличивается сцепление первой временной гармонической потока звезды/треугольника с обмоткой треугольника/звезды, что приводит к увеличению индуцируемой результирующим потоком первой гармонической ЭДС обмоток, и, следовательно, к уменьшению первой временной гармонической потока комбинированной обмотки. Уменьшение первой временной гармонической потока вызывает уменьшение электромагнитного момента электрической машины при неизменном скольжении. Если электрической машиной является асинхронный двигатель, то это приводит к увеличению скольжения.

При уменьшении кратных трем гармонических потока достигается меньшая зависимость отношения токов треугольника к токам звезды от напряжения питания. Действительно, при изменении напряжения питания обмотки изменяется магнитный поток, следовательно, насыщение магнитопровода и кратные трем гармонические потока. Что приводит (см. выше) к перераспределению тока треугольника и звезды и изменению отношения тока треугольника к току звезды. Уменьшив кратные трем гармонические потока применением укорочения или удлинения или/и распределения, мы при изменении напряжения получим меньшее изменение уменьшенных гармонических, и значит, уменьшим изменение отношения тока звезды к току треугольника.

Кроме того, учитывая, что кратные трем гармоники отсутствуют в токе звезды, и при последовательном соединении звезды и треугольника все остальные гармоники тока имеют отношение амплитуды в звезде к амплитуде в треугольнике равное 1,732, то при укорочении или удлинении или/и распределении комбинированной обмотки с последовательным соединением звезды и треугольника, с уменьшением кратных трем гармоник тока треугольника, происходит приближение отношения тока фазы звезды к току фазы треугольника к значению 1,732.

Источники информации
1. Гаинцев Ю. В. Добавочные потери в асинхронных двигателях. - М.: Энергоиздат, 1981. - 183 с.

2. Изобретения стран мира: реф. журн. 17 - М., 1988. - вып.132 Производство, преобразование и распределение электрической энергии.

1. Токарев Б.Ф. Электрические машины: Учеб пособие для вузов. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 624 с.

2. Вольдек А.И. Электрические машины: Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. - 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 с.

3. Жерве Г. К. Обмотки электрических машин. -Л.: Энергоатомиздат, 1989. - 400 с.

Формула изобретения

1. Комбинированная обмотка электрической машины, питаемая трехфазным током, содержащая части, одна из которых соединена в треугольник, а другая - в звезду с пространственным сдвигом между этими частями, отличающаяся тем, что используется при наличии насыщения стали магнитопровода, пространственный сдвиг между частями обмотки не равен πm/3p, где m - целое число, р - число пар полюсов, при этом выполнено укорочение или удлинение β шага обмотки в интервале значений 0,5<β<1,5, за исключением значения β = 1, или/и выполнено распределение обмотки.

2. Комбинированная обмотка по п.1, отличающаяся тем, что укорочение шага обмотки составляет 2/3 или удлинение шага составляет 4/3, или/и выполнено распределение, при котором фазный угол α = 2π/3p+2/kπ/3p, где k=0,1.

3. Комбинированная обмотка по п.1 или 2, отличающаяся тем, что звезда и треугольник соединены последовательно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3