Выбор шага и способа размещения совмещенной якорной обмотки при различных частотах ЭДС совмещенных подвозбудителей

Якорная обмотка совмещенных ПВ выполняется взаимоиндук-тивной двум гармоникам поля возбудителя: основной зубцовой гармонике результирующего поля, являющейся рабочей гармоникой ИПВ, и третьей гармонике поля реакции якоря, которая является рабочей гармоникой АПВ.

В результате введения фальшпазов в сердечнике якоря частота и полюсные деления рабочих гармоник совмещенного ПВ существенно различаются. Выбор шага осуществляется таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить максимальный обмоточный коэффициент по обеим гармоническим составляющим, а с другой стороны, получить простую и технологичную конструкцию катушек обмотки ПВ.

Максимальное значение обмоточного коэффициента укорочения соответствует для и-й гармоники шагу катушки, равному целому нечетному числу полюсных делений этой гармоники. В общем случае шаг катушки ПВ может быть выбран равным

Укпв = ту(2Л--1), (16.1)

где v - номер гармоники поля возбудителя, выбранный в качестве рабочей гармоники;

Tv = т/ V- полюсное деление v-й гармоники поля реакции якоря;

К = целое число (1, 2, 3,...).

Шаг катушки ПВ не может превысить длину дуги полюсного наконечника. Тогда для третьей гармоники поля реакции якоря шаг катушки ПВ, соответствующий максимальному значению коэффициента укорочения, должен иметь величину:

Ткпв = Тз(27<- 1) < ат. (16.2)

Для коэффициента полюсной дуги а = 0,65-0,8 условие (16.2) выполняется при К = 1. Таким образом, для обеспечения максимальной мощности по асинхронной составляющей ЭДС ПВ необходимо принять шаг катушки равным

Укпв = тз- (16.3)

Для основной гармоники зубцового порядка полюсное деление ти может быть найдено через число пазов на полюс и фазу якоря q^.

^ = Tl{2mqx (16.4)

где qx = zx/(2mp);

z - полное число пазов якоря СМБВ, включая фальшпазы;

р — число пар полюсов СМБВ.

Тогда максимальное использование мощности ПВ по индукторной составляющей ЭДС получим при условии

Ткпв = Ти(2Л'-1) < ат. (16.5)

Для четырехфазной обмотки якоря СМБВ при числе обмотанных пазов на полюс и фазу:

qQ = (zi -zln)/(2mp) = 0,5, (16.6)

где zln число пустых пазов.

Условие (16.5) может быть реализовано при К= 1 и К= 2. Таким образом, из условия обеспечения максимальной мощности ПВ по индукторной составляющей ЭДС шаг катушки ПВ может быть принят равным

Укпв = ти или укпв = Зти. (16.7)

В результате введения фальшпазов соотношение полюсных делений третьей гармоники поля реакции якоря и основной гармоники зубцового порядка для четырехфазной обмотки якоря при qQ = 0,5 с учетом выражений (16.6) и (16.4) принимает значение

т3 = 2я?#1Ти/3= 8ти/3. (16.8)

Для обеспечения максимальных коэффициентов укорочения и наибольших значений мощности ПВ по обеим рабочим гармоникам необходимо шаг катушки выбрать в пределах

Укпв =и/3-5-Зти. (16.9)

В промышленных образцах СМЕВ шаг катушек ПВ принят равным

Ткпв = Зти.

Соотношение мощностей асинхронного и индукторного ПВ определяется не только шагом якорной обмотки, но зависит и от пространственного распределения катушек фаз совмещенной якорной обмотки. Основными критериями выбора структуры ЯО остается получение максимального использования электромагнитного ядра ПВ как по индукторной, так и по асинхронной составляющей, а также простота конструкции и технологичность обмотки. Учитывая, что к форме кривой ЭДС ПВ не предъявляется никаких требований, нет необходимости выполнять распределение катушек обмотки в пределах фазной зоны. Для ПВ наиболее рациональное применение однослойной сосредоточенной обмотки, как обмотки, имеющей минимальное число катушек. Применение двухслойной (или двухрядной) обмотки усложнено из-за наличия межполюсных окон.

Для упрощения межполюсных соединений ЯО ПВ в совмещенных возбудительных устройствах число пазов на полюс и фазу qi якорной обмотки синхронного возбудителя принимается равным целому числу. При целом числе катушки якорной обмотки ПВ, размещенные на различных полюсах и сдвинутые относительно оси d на одинаковый угол, можно включать последовательно (или параллельно), т. к. ЭДС этих катушек имеют одну и ту же временную фазу или фазу, равную 180°. Поэтому главной задачей последующего синтеза является выбор структуры размещения катушек фаз в пределах полюсных наконечников.

Из-за различного шага обмотки формирование структуры обмотки в пределах полюсного деления имеет свои трудности. Например, в случае применения однофазной обмотки ПВ в СМБВ, имеющем четырехфазную обмотку якоря с qQ = 1 и коэффициентом полюсной дуги а = 0,75 (т. е. длину дуги полюсного наконечника /?пн = 6ти), с целью получения максимальной мощности ИПВ в пределах полюсного наконечника можно разместить три катушки ЯО ПВ с шагом Зти с пространственным сдвигом на величину ут = ти (см. рис. 16.1). В этом случае обмоточный коэффициент распределения по индукторной составляющей ЭДС будет равен 1 (индукторная ЭДС полюсной катушечной группы ?пи максимальна).

Модуль однофазной совмещенной якорной обмотки ПВ с максимальным использованием индукторной составляющей ЭДС

Рис. 16.1. Модуль однофазной совмещенной якорной обмотки ПВ с максимальным использованием индукторной составляющей ЭДС: полюсная катушечная группа - а; векторные диаграммы индукторной и асинхронной, составляющих ЭДС катушечной группы ПВ - б

Однако такая структура для полюсной катушечной группы якорной обмотки асинхронного ПВ неприемлема. Действительно, при условии (16.8) распределение катушек в пространстве с шагом ти приводит к фазовому сдвигу ут асинхронной составляющей ЭДС соседних катушек на угол, равный

Ута = ЛТИ3 = 3 ТГ/8. (16.10)

В случае размещения максимального числа (трех) катушек и их соединения в соответствии с рис. 16.1 асинхронная составляющая ЭДС полюсной катушечной группы Епа и коэффициент распределения по третьей гармонике близки к нулю. Такое же соотношение будет и между максимальными мощностями ИПВ и АПП.

Выходом из положения является пространственный сдвиг осей катушек на расстояние ут, кратное нечетному числу полюсных делений как по асинхронной, так и по индукторной составляющей, как это показано на рис. 16.2.

Размещение катушек полюсной группы однофазной ЯО совмещенного подвозбудителя СМБВ

Рис. 16.2. Размещение катушек полюсной группы однофазной ЯО совмещенного подвозбудителя СМБВ

В данном случае распределение катушек необходимо выполнить с шагом, находящимся в пределах ут = 8ти/3^-3ти. В результате, при Ут = 8ти/3 коэффициент распределения равен для индукторной и асинхронной составляющих ЭДС соответственно Кри = 0,866, Кра = 1 (эффективность использования АПВ по мощности максимальна), а при распределении с шагом ут = Зти - соответственно Кри = 1, 7<ра = 0,965. Последний вариант является более предпочтительным, т. к. эффективность использования по мощности индукторного возбудителя максимальна, а асинхронного - практически не меняется. При таком шаге распределения в пределах полюсного наконечника можно разместить только две катушки.

Однако такая структура имеет ряд недостатков. Во-первых, по сравнению с однослойной обмоткой она имеет в два раза больше катушек. Во-вторых, в обмотке такой структуры отсутствует эффект компаундирования по зубцовой гармонике поля поперечной реакции якоря возбуждения. Наиболее рациональной структурой полюсной группы однофазной совмещенной обмотки с шагом укпв = ЗТк является использование однослойной сосредоточенной обмотки, имеющей 1 катушку на пару полюсных делений по асинхронной составляющей, как это показано на рис. 16.3, а. Размещение этой катушки на сбегающем крае полюса даст эффект компаундирования: под действием поля поперечной реакции якоря поток под сбегающим краем полюса возрастает, что приведет к росту индукторной составляющей ЭДС

ПВ. Обмотка более технологична (в два раза меньше катушек, что снижает трудоемкость их приготовления и упрощает сборку). При этом использование по мощности ПВ сохраняется таким же, как и в схеме на рис. 16.2.

Варианты геометрии зубцовой зоны однофазной якорной обмотки подвозбудителей СМБВ

Рис. 16.3. Варианты геометрии зубцовой зоны однофазной якорной обмотки подвозбудителей СМБВ

При шаге катушки уКПв = Зти можно реализовать дополнительный эффект увеличения мощности, введя промежуточный фальшпаз на индукторе, как это показано на рис. 16.3, б. В соответствии с данными исследований, приведенными в п. 3.3, в этом случае можно увеличить мощность ПВ по индукторной составляющей в 1,5-е-2 раза.

Известным способом увеличения мощности является увеличение числа используемых пар полюсов по соответствующей гармонике. В пределах полюсного наконечника возможно размещение Z?hii/2tv периодов и соответственно полюсных катушечных групп однослойной обмотки совмещенного ПВ. Следовательно, при шаге якорной обмотки ПВ уКпв = Зти на полюсном наконечнике возможно размещение двух сосредоточенных катушек с шагом по полюсам

У ты ~ (16.11)

где «v = 1,2, 3...- целое четное или нечетное число, определяющее схему соединения катушек.

При нечетном nv = 3 схема соединения катушек приведена на рис. 16.4, а. Вторая катушка в данной схеме «вывернута» по отношению к первой. При данном шаге по полюсам коэффициент распределения катушечных групп по основной зубцовой гармонике равен единице, Ари = 1, а коэффициент распределения по асинхронной составляющей близок к единице (ух3 = 9т3/&, Ар3 = 0,98). Необходимо отметить, что в данном случае термин «распределение» используется не в классическом смысле, когда распределение осуществляется в пределах одной фазной зоны, а при распределении в фазных зонах, принадлежащих разным полюсным делениям v-й гармоники, т. е. при смещении катушек относительно друг друга от положения, соответствующего целому числу полюсных делений между ними по рассматриваемой гармонике. Схема на рис. 16.4, б соответствует шагу по полюсам, равным четному числу полюсных делений yTV = 2ти, по индукторной составляющей. В этой схеме шаг по полюсам по третьей гармонике поля округляется до 1. В результате в схеме на рис. 16.3, б ЭДС катушек от третьей гармоники поля практически действует встречно, ослабляя асинхронную составляющую ЭДС (ут3 = Зтз/4, ТСрЗ = 0,382). Кроме того, в отличие от схемы на рис. 16.4, а, где поток реакции якоря ПВ существует только в пределах контуров катушек, в схеме на рис. 16.4, б потоки реакции якоря совмещенного ПВ замыкаются вне контуров катушек. В результате индуктивное сопротивление взаимоиндукции ПВ в схеме на рис. 16.4, б будет зависеть от ширины полюсного наконечника.

К определению сопротивления взаимоиндукции полюсной катушечной группы якорной обмотки ПВ

Рис. 16.4. К определению сопротивления взаимоиндукции полюсной катушечной группы якорной обмотки ПВ

Выполним сравнение однофазных схем ПВ по рис. 16.3, б и 16.4, а по максимальной мощности при работе на ОВ СМБВ через однофазный мостовой преобразователь как для асинхронной, так и индукторной составляющих ЭДС. Внешняя характеристика такого преобразователя представляет собой прямую линию. В связи с этим максимальное значение выпрямленной мощности определяется через выпрямленное напряжение на холостом ходу U&0 и ток короткого замыкания Idk:

Pam = UM4 = Emt2/2nXlo (16.12)

где = Хтк + Х<зк - анодное сопротивление катушечной группы.

Оценку проведем при следующих допущениях:

  • - воздушный зазор 5 при двухсторонней зубчатости заменен эквивалентным гладким
  • - магнитная система ненасыщена;
  • - поток реакции якоря существует только в пределах полюсного наконечника (пренебрегается составляющей потока, замыкающейся по путям рассеяния ОВВ);
  • - не учитывается взаимное влияние асинхронной и индукторной составляющих (АПв = 1) при совместной работе на преобразователь;
  • - сравнение проводится для полюсных катушечных групп, стороны катушек которых размещены в пазах одинаковой формы;
  • - число витков катушек wk в схемах принимается одинаковым (как известно, максимум мощности не зависит от числа витков).

Сравнительную оценку по индукторной составляющей выполним в режиме холостого хода СМБВ при одинаковом значении индукции в зазоре В^= const. Примем за базовое значение магнитной проводимости проводимость для потока взаимоиндукции на единицу длины машины в схеме рис. 16.4, а:

Хи = цоти/(25А8). (16.13)

Тогда сопротивление взаимоиндукции катушечной группы указанной схемы с учетом взаимоиндукции между катушками будет пропорционально

(16.14)

В схеме на рис. 16.2, б проводимость для потока реакции ПВ возрастает пропорционально шагу катушки. Тогда при 6НП = 6ти

Хт = З^К- (16.15)

При одинаковых обмоточных коэффициентах и индукции ЭДС катушечных групп будут отличаться из-за разного числа витков и разных значений коэффициентов индукторной ЭДС КЕ2:

E'mka = KE2wk ; E"mka = 2wk. (16.16)

Для определения полного индуктивного сопротивления катушечной группы хк учтем проводимость для потока рассеяния одной катушки, величина которой для промышленных образцов СМБВ превышает величину Хи:

Ха > Хи.

Примем Ха = Хи, тогда

Хк = Хт + Ха = 4u7v2XH - для схемы на рис. 16.3, б и (16.17)

X"k = X"m + 2%o = 6и^2Хи - для схемы на рис. 16.4, «.(16.18)

Отношение максимальных значений выпрямленных мощностей с учетом сокращения одинаковых величин составит

/’^*H/^„to = 4w?vv?4V(^22H'42M'*26^)=16/(67C?22). (16.19)

При введении в схему рис. 16.3, б промежуточного паза шириной, равной ширине двух пазов, коэффициент Картера остается неизменным для обеих схем, эффект увеличения мощности ИПВ достигает максимального значения (ЭДС увеличивается в КЕ2 =1,5 раза). В результате соотношение (16.19) приближается к единице:

P"mkJP'mkn= 1Д9.

При переходе от схемы (см. рис. 16.3, б) к схеме (см. рис. 16.4, а) соотношение мощностей, обусловленных асинхронными составляющими ЭДС, практически не меняется. Действительно, с учетом обмоточных коэффициентов ЭДС пропорциональны значениям:

Р'т/са = К уК pWk, Е'пка = 2K»yK»pWk, (16.20)

где Кр=,

Ку = К'р (в соответствии с формулами (16.7) и (16.8)),

а соотношение между параметрами в формулах (16.7) и (16.8) остается неизменным.

Тогда с учетом выражений (16.7) и (16.8)

P"mta/P'„,ta= 16Ку2/6 = 0,985. (16.21)

В режиме нагрузки при размещении катушки на сбегающем крае полюсного наконечника (см. рис. 16.3) значение индукции в данной части зазора увеличивается по сравнению со средним значением индукции в схеме (см. рис. 16.4, а). В результате индукторная составляющая ЭДС в схеме (см. рис. 16.3) дополнительно увеличивается на 20-ь30 %, а мощность ИПВ растет соответственно в 1,45-s-l ,7 раза.

В результате однофазная схема с размещением одной катушки, имеющей шаг укпв = Зти на сбегающем крае полюса, при наличии промежуточного паза обеспечивает большую мощность ИПВ при сохранении мощности АПВ. Кроме того, указанная схема упрощает технологию изготовления и сборки СМЕВ. Такую схему целесообразно использовать при больших соотношениях 6ni/5, когда отсутствуют проблемы, связанные с дефицитом мощности совмещенного ПВ СМЕВ. Однако однофазные схемы уступают по мощности многофазным.

При относительно больших воздушных зазорах СМЕВ, особенно в конструкциях, используемых для возбуждения гидрогенераторов, наиболее эффективны четырехфазные схемы якорной обмотки совмещенного ПВ (типа АС-ВД), приведенные на рис. 16.5 и 16.6.

Четырехфазная схема якорной обмотки с наиболее эффективным использованием асинхронной составляющей ЭДС позвозбудителя

Рис 16.5. Четырехфазная схема якорной обмотки с наиболее эффективным использованием асинхронной составляющей ЭДС позвозбудителя

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >