Реакция якоря машины постоянного тока

При работе машины в режиме х.х. ток в обмотке якоря практически

отсутствует, а поэтому в машине действует лишь МДС обмотки возбуждения FВ0.

Магнитное поле машины в этом случае симметрично относительно оси полюсов

(рисунок 49,а). График распределения магнитной индукции в воздушном зазоре

представляет собой кривую, близкую к трапеции.

Если же машину нагрузить, то в обмотке якоря появится ток, который

создаст в магнитной системе машины МДС якоря Fa. Допустим, что МДС

возбуждения равна нулю и в машине действует лишь МДС якоря. Тогда

магнитное поле, созданное этой МДС, будет иметь вид, представленный на

рисуноке 49, б. Из этого рисунка видно, что МДС обмотки якоря направлена по

линии щеток (в данном случае по геометрической нейтрали). Несмотря на то, что

якорь вращается, пространственное положение МДС обмотки якоря остается

неизменным, так как направление этой МДС определяется положением щеток.

Наибольшее значение МДС якоря — на линии щеток (рисунок 49,б

кривая 1 ) , а по оси полюсов эта МДС равна нулю. Однако распределение

магнитной индукции в зазоре от потока якоря совпадает с графиком МДС лишь в

пределах полюсных наконечников. В межполюсном пространстве магнитная

индукция резко ослабляется (рисунок 17,б кривая 2 ) . Объясняется это

увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межполосном

пространстве. МДС обмотки якоря "на пару полюсов пропорциональна числу

проводников в обмотке N и току якоря Ia:

Fa= NIa /(4ap) (7)

Введем понятие линейной нагрузки ( А / м ) , представляющей собой

суммарный ток якоря, приходящийся на единицу длины его окружности по

наружному диаметру якоря Da:

А = Nia/( Da), (8)

где ia = la/(2a) — ток одного проводника обмотки, А.

Значение линейной нагрузки для машин постоянного тока общего

назначения в зависимости от их мощности может быть (100ч 500) 102 А/м.

Воспользовавшись линейной нагрузкой, запишем выражение для МДС якоря: Fa

= A . Таким образом, в нагруженной машине постоянного тока действуют две

МДС: возбуждения Fв0 и якоря Fa.

Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют

реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его

несимметричным относительно оси полюсов.

Рисунок 49 - Магнитное поле машины и распределение магнитной индукции в воздушном зазоре

На рисунке 49, в показано распределение магнитных силовых линий

результирующего поля машины, работающей в генераторном режиме при

вращении якоря по часовой стрелке. Такое же распределение магнитных линий

соответствует работе машины в режиме двигателя, но при вращении якоря

против часовой стрелки. Если принять, что магнитная система машины не

насыщена, то реакция якоря будет лишь искажать результирующий магнитный

поток, не изменяя его значения: край полюса и находящийся по ним зубцовый

слой якоря, где МДС якоря совпадает по направлению с МДС возбуждения,

подмагничиваются; другой край полюса и зубцовый слой якоря, где МДС

направлена против МДС возбуждения, размагничиваются. При этом

результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси

главных полюсов на некоторый угол, а физическая нейтраль mm' (линия,

проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается

относительно геометрической нейтрали nn' на угол . Чем больше нагрузка

машины, тем сильнее искажение результирующего поля, а следовательно, тем

больше угол смещения физической нейтрали.

При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по

направлению вращения якоря, а при работе двигателем - против вращения

якоря.

Искажение результирующего поля машины неблагоприятно отражается на ее

рабочих свойствах. Во-первых, сдвиг физической нейтрали относительно

геометрической приводит к более тяжелым условиям работы щеточного контакта

и может послужить причиной усиления искрения на коллекторе. Во-вторых,

искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение

магнитной индукции в воздушном зазоре машины. На рисунке 49, в показан

график распределения результирующего поля в зазоре, полученный

совмещением кривых, изображенных на рисунке 49а, б. Из этого графика

следует, что магнитная индукция в зазоре машины распределяется не-

симметрично относительно оси полюсов, резко увеличиваясь под

подмагниченными краями полюсов. Это приводит к тому, что мгновенные

значения ЭДС секций обмотки якоря в моменты попадания их пазовых сторон в

зоны максимальных значений магнитной индукции (под подмагниченные края

полюсных наконечников) резко повышаются. В результате возрастает напря-

жение между смежными коллекторными пластинами Uк. При значительных

нагрузках машины напряжение UK может превзойти допустимые пределы и

миканитовая прокладка между смежными пластинами будет перекрыта

электрической дугой. Имеющиеся на коллекторе частицы графита будут спо-

собствовать развитию электрической дуги, что приведет к возникновению

мощной электрической дуги, перекрывающей весь коллектор или

значительную его часть, - явления чрезвычайно опасного.

Таковы последствия влияния реакции якоря на машину с ненасыщенной

магнитной системой. Если же магнитная система машины насыщена, что имеет

место у большинства электрических машин, то подмагничивание одного края

полюсного наконечника и находящегося под ним зубцового слоя якоря

происходит в меньшей степени, чем размагничивание другого края и

находящегося под ним зубцового слоя якоря происходит в меньшей степени,

чем размагничивание другого края находящегося под ним зубцового слоя якоря.

Это благоприятно сказывается на распределении магнитной индукции в

зазоре, которое становится более равномерным, так как максимальное значение

индукции под подмагничиваемым краем полюсного наконечника уменьшается на

величину,определяемую высотой участка 1 на рисунке 49, в. Однако резуль-

тирующий магнитный поток машины при этом уменьшается. Таким образом,

реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой размагничивает

машину (так же как и у синхронной машины при активной нагрузке). В результате

ухудшаются рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у

двигателей уменьшается вращающий момент.

 

Рисунок 50 - Разложение МДС обмотки якоря на продольную и поперечную составляющие

Влияние реакции якоря на работу машины усиливается при смещении

щеток с геометрической нейтрали. Объясняется это тем, что вместе со щетками

смещается и вектор МДС якоря (рисунок 50, а). При этом МДС якоря Fa помимо

поперечной составляющей Faq = Fa cos приобретает и продольную состав-

ляющую Fad = Fa sin , направленную по оси полюсов. Если машина работает в

г е н е р а т о р н о м р е ж и м е , то при смещении щеток в направлении

вращения якоря продольная составляющая МДС якоря действует встречно МДС

обмотки возбуждения Fво, что ослабляет основной магнитный поток машины;

при смещении щеток против вращения якоря продольная составляющая МДС

якоря Fad действует согласованно с МДС FB0, что вызывает некоторое

подмагничивание машины и может явиться причиной искрения на коллекторе.

Если машина работает в д в и г а т е л ь н о м р е ж и м е , то при

смещении щеток по направлению вращения якоря продольная составляющая

МДС якоря Fad подмагничивает машину, а при смещении щеток против

вращения якоря продольная составляющая Fad размагничивает машину. При

дальнейшем рассмотрении вопросов, связанных с действием продольной

составляющей МДС якоря, будем иметь в виду лишь ее размагничивающее

действие, так как подмагничивающее действие Fad в машинах постоянного

тока общего назначения недопустимо из-за нарушения работы щеточного

контакта.

Следует обратить внимание на то, что смещение щеток с геометрической

нейтрали влияет и на поперечную составляющую

МДС якоря - величину, зависящую от угла , c ростом которого она

уменьшается (Faq = Facosfi). Таким образом, в коллекторных машинах возможны

два случая:

1) щетки установлены на геометрической нейтрали и реакция якоря является

только поперечной;

2) щетки смещены с геометрической нейтрали и реакция якоря имеет две

составляющие — поперечную и продольную (размагничивающую).

Принципиально также возможен случай, когда реакция якоря по поперечной

оси отсутствует. Это имеет место, когда щетки расположены по оси,

перпендикулярной геометрической нейтрали, т. е. когда = 90°

(рисунок 18, б ) . Однако такой случай не имеет практического применения, так

как машина становится неработоспособной: в генераторном режиме ЭДС

машины равна нулю, так как в параллельную ветвь обмотки входит равное

число секций со встречным направлением ЭДС, а в двигательном режиме

электромагнитные силы активных сторон обмотки якоря, действующие слева и

справа от оси щеток, равны и противоположно направлены, а поэтому

вращающего момента не создают.