Реакция якоря машины постоянного тока

Реакция якоря в машинах постоянного тока

Магнитный поток в машине постоянного тока создается всеми ее обмотками, по которым протекает ток. В режиме холостого хода по обмотке якоря генератора ток не протекает, а по обмотке якоря двигателя протекает ток холостого хода, небольшой по значению. Поэтому в машине существует только основной магнитный поток Ф0, создаваемый обмоткой возбуждения полюсов и симметричный относительно их осевой линии (рис. 1, а).

На рис. 1, а (коллектор не показан) щетки расположены рядом с проводниками обмотки якоря, от которых идут отпайки к тем коллекторным пластинам, с которыми в данный момент соединены щетки. Такое положение щеток называется положением на геометрической нейтрали, т. е. на линии, проходящей через центр якоря и проводники обмотки, в которых индуцируемая основным магнитным потоком э. д. с. равна нулю. Геометрическая нейтраль перпендикулярна осевой линии полюсов.

Когда к обмотке якоря генератора присоединена нагрузка Rn или когда на вал двигателя действует тормозной момент, по обмотке протекает ток якоря 1Я, который создает магнитный поток якоря Фя (рис. 1, б). Магнитный поток якоря направлен по линии, на которой расположены щетки. Если щетки расположены на геометрической нейтрали, то поток якоря направлен перпендикулярно основному магнитному потоку и поэтому называется поперечным магнитным потоком.

Рис. 1. Магнитные потоки в машине постоянного тока: а — магнитный поток полюсов; б — магнитный поток обмотки якоря; в — результирующий магнитный поток

Влияние магнитного потока якоря на основной магнитный поток называется реакцией якоря. В генераторе постоянного тока под «сбегающим» краем полюса магнитные потоки складываются, под «набегающим» — вычитаются. У двигателя — наоборот. Таким образом под одним краем полюса результирующий магнитный поток Ф увеличивается по сравнению с основным магнитным потоком, под другим краем полюса — уменьшается. В результате он становится несимметричным по отношению к осевой линии полюсов (рис. 1, в).

Физическая нейтраль — линия, проходящая через центр якоря и проводники обмотки якоря, в которых индуцируемая результирующим магнитным потоком э. д. с. равна нулю, поворачивается на угол а по отношению к геометрической нейтрали (в сторону опережения у генераторов, в сторону отставания — у двигателей). При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геометрической.

В результате реакции якоря магнитная индукция в зазоре машины становится еще более неравномерной. В проводниках якоря, находящихся в точках повышенной магнитной индукции, индуцируется большая э. д. с, что приводит к увеличению разности потенциалов между соседними пластинами коллектора и к возникновению искрения на коллекторе. Иногда электрическая дуга перекрывает весь коллектор, образуя «круговой огонь».

Кроме того, реакция якоря приводит к уменьшению э. д. с. якоря, если машина работает в области, близкой к насыщению. Это связано с тем, что когда основной магнитный поток Ф0 создает насыщенное состояние магнитопровода, то увеличение магнитного потока на +ΔФ под одним краем полюса будет меньшим, чем уменьшение на —ΔФ под другим (рис. 2). Это приводит к уменьшению суммарного потока полюса и э. д. с. якоря, так как

Отрицательное влияние реакции якоря можно уменьшить, сдвигая щетки на физическую нейтраль. При этом поток якоря поворачивается на угол α и встречный поток под набегающим краем полюса генератора уменьшается. Сдвиг щеток осуществляют у генератора по направлению вращения якоря, а у двигателя — против направления вращения якоря. Угол α меняется с изменением тока якоря Iя. На практике щетки обычно устанавливают на угол, соответствующий средней нагрузке.

Рис. 2. Влияние степени намагничивания на результирующий магнитный поток ( Iв•wв – м.д.с обмотки возбуждения; Iя•wя – м.д.с обмотки якоря).

В машинах средней и большой мощностей применяют компенсационную обмотку, расположенную в пазах главных полюсов и включаемую последовательно с обмоткой якоря так, чтобы ее магнитный поток Фк был противоположен магнитному потоку Фя. Если при этом Фк = Фя, то магнитный поток в воздушном зазоре из-за реакции якоря практически не искажается.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Реакция якоря машины постоянного тока

Смещение магнитного поля генератора. Под реакцией якоря понимают явление воздействия магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов.

При холостом ходе генератора магнитное поле машины образовано только главными полюсами (рис. 1.10, а). Оно симметрично относительно оси полюсов и его ось совпадает с осью полюсов. Когда генератор работает с нагрузкой, по обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное поле (рис. 1.10.б), называемое полем якоря. Ось магнитного поля якоря совпадает с линией, соединяющей щетки, т.е. с геометрической нейтралью, и перпендикулярна оси главных полюсов. При вращении якоря распределение тока в проводниках якоря остается неизменным и поле якоря — неподвижным в пространстве. Индукция этого поля пропорциональна току в якоре.

При работе генератора с нагрузкой поле якоря накла­дывается на поле полюсов. В генераторе создаётся результирующее поле (рис 1.10, В), повернутое по направлению вращения якоря на некоторый угол у относительно поля главных полюсов. Физическая нейтральная линия оказывается повернутой на тот же угол относительно геометрической нейтральной линии. При изменении нагрузки индукция поля якоря изменяется, изменяется и угол .

Результаты смещения магнитного поля. Смещение физической нейтральной линии вызывает нежелательные последствия, приводящие к ухудшению работы генератора: Ø уменьшается ЭДС, так как щетки оказываются установленными в точках, между которыми разность потенциалов не максимальная;

Ø переключение проводников обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую происходит не на физической нейтрали, а на геометрической, где расположены щетки и где результирующее поле В′ ≠ 0, что, как будет показано в следующем параграфе, приводит к искрению щеток и обгоранию коллекторных пластин;

Ø индукция магнитного поля под полюсами распределяется неравномерно; под краем полюса, на который якорь набегает, она уменьшается, а под краем полюса, с которого сбегает, – увеличивается (штриховая линия на рис. 1.7) настолько, что может создаться насыщение сбегающего края полюса и зубцов якоря. В результате появится продольная размагничивающая составляющая поля якоря, направленная против поля главных полюсов, что также приведет к уменьшению ЭДС якоря. Кроме того, в части проводников, находящихся в зоне магнитного насыщения, наводится значительная ЭДС, которая может вызвать пробой изоляции между соседними коллекторными пластинами и повышенное искрение на коллекторе.

Смещение магнитного поля двигателя. У двигателя постоянного тока при том же направлении тока в якоре направление вращения якоря по сравнению с генератором противоположное (штриховая стрелка на рис. 1.10, в), а картина распределения полей одинаковая. Результирующее поле и физическая нейтральная линия оказываются повернутыми на угол против направления вращения якоря.

Это приводит к нежелательным последствиям: уменьшается вращающий момент двигателя, так как часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и физической нейтралью, будет находиться в зоне полюса противоположной полярности – эта часть проводников будет создавать тормозной момент.

Как и у генератора, возможно искрение щеток и обгорание коллектора, а также появление продольного размагничивающего поля.

Способы уменьшения влияния реакции якоря. Наиболее действенным и распространенным средством уменьшения влияния реакции якоря на работу машины является применение дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы устанавливаются на геометрической нейтральной линии между главными полюсами (рис. 1.11).

Их обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и намотана так, что ее магнитное поле направлено против магнитного поля якоря. В зоне геометрической нейтральной линии создаются условия, благоприятные для безыскровой работы щеток (более подробно этот вопрос рассмотрен в следующем параграфе). Дополнительные полюсы выполняют свои функции во всех режимах работы маши­ны: при изменении нагрузки одновременно изменяются ток и поле якоря, ток и поле дополнительных, полюсов; при переходе машины в режим двигателя одновременно изменяется направление токаи поля якоря и направление тока и поля дополнительных полюсов.

Для выравнивания индукции под полюсами в быстроходных машинах большой мощности (свыше 80 кВт на один полюс) применяют компенсационную обмотку, которую закладывают в специальные пазы в полюсных наконечниках (рис. 1.12).

Компенсационная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и обмоткой дополнительных полюсов. Магнитное поле компенсационной обмотки всегда направлено навстречу магнитному полю якоря и таким образом оно компенсирует поле якоря в зоне главных полюсов.

В машинах малой мощности (до нескольких сотен ватт) вместо дополнительных полюсов применяют сдвиг щеток с геометрической нейтральной линии. При этом, как будет показано в § 1.7, создаются условия, уменьшающие искре­ние щеток из-за влияния реакции якоря.

Словарь специальных терминов

Физическая сущность реакции якоря. При холостом ходе магнитный поток в машине создается только магнитодвижущей силой обмотки возбуждения 1 (рис. 1). В этом случае магнитный поток возбуждения Фв, пронизывающий якорь 2, распределяется симметрично относительно продольной оси. Поток возбуждения направлен по продольной оси полюсов, поэтому магнитное поле возбуждения называют продольным (рис. 2, а).

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит

Рис. 1. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме холостого хода

ток, который создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Ф_я, созданный током якоря, в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины (рис. 2,б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным.

В результате действия потока якоря Ф_я симметричное распределение магнитного поля машины искажается и результирующий поток Ф_рез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов (рис. 2, в). Рис. 3 поясняет распределение магнитного поля машины вдоль окружности якоря (кривые распределения индукции).

Вредные последствия реакции якоря.

1. Физическая нейтраль б — б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а — а на некоторый угол (см. рис. 2, в и 3, в). В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, в двигателях — против направления вращения. Как будет показано далее, это ухудшает коммутацию машины, т. е. способствует возникновению искрения под щетками
2. Результирующий магнитный поток машины Ф_рез при насыщении магнитной цепи уменьшается, т. е. уменьшается и ЭДС. E, индуцированная при нагрузке, по сравнению с э ЭДС. Е₀ при холостом ходе.
3. В кривой распределения результирующей индукции в воздушном зазоре (см. рис. 3, в) возникают пики индукции В_мах под краями главных полюсов, способствующие образованию в машине кругового огня.

Размагничивающее действие реакции якоря. Поток якоря Ф_я усиливает результирующий магнитный поток под одной половиной полюса и ослабляет его под другой половиной (см. рис. 2, в). Однако благодаря насыщению магнитной цепи машины увеличение потока под одной половиной полюса оказывается меньшим, чем ослабление потока под другой его половиной, вследствие чего общий поток машины уменьшается. Это наглядно видно на магнитной характеристике магнитной цепи машины (рис. 4), на которой показаны потоки под «правой» и под «левой» половинами полюса Ф_пр и Ф_лев и их приращение Ф_пр и Ф_лев, обусловленные действием реакции якоря.

Рис. 2. Магнитное поле машины постоянного тока: а — от обмотки возбуждения; б — от обмотки якоря; в — результирующее; 1 — обмотка возбуждения; 2 — якорь

Поток Ф_пр создается совместным действием МДС возбуждения F_B и МДС якоря F_я, направленных согласно, т. е. F_B + F_я, поток Ф_лев — действием этих МДС, направленных встречно, т. е. F_B— F_я. Поэтому в данном случае : Ф_пр < Ф_лев.

Рис. 3. Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока: а — от обмотки возбуждения; б — от обмотки якоря; в — результирующее

Рис. 4. Магнитная характеристика машины постоянного тока

При холостом ходе, когда м. д. с. F_я = 0, потоки Ф_пр и Ф_лев будут равны.

Хотя уменьшение магнитного потока под действием м. д. с. якоря обычно невелико и составляет всего 1—3 %, это существенно сказывается на характеристиках генераторов постоянного тока и приводит к уменьшению ЭДС. Е машины при нагрузке по сравнению с ЭДС. Е₀ при холостом ходе.

Круговой огонь на коллекторе. Круговым огнем называют мощную электрическую дугу, возникающую в некоторых случаях на коллекторе машин постоянного тока. Эта дуга замыкает накоротко всю или значительную часть обмотки якоря (рис. 5, а), вследствие чего резко возрастает ток машины. Круговой огонь является крупной аварией. Образовавшаяся дуга сильно повреждает коллекторные пластины, изоляторы щеткодержателей и изоляцию лобовых частей машины, выводя ее из строя. В тяговых двигателях дуга часто перебрасывается на ближайшие заземленные части машины — корпус и наконечник главного полюса (рис. 5, б), вызывая также тяжелые повреждения. Появление такой дуги называют вспышкой на коллекторе электрической машины.

Причинами возникновения кругового огня могут быть вытягивание дуги из-под щетки или образование дуги между соседними коллекторными пластинами из-за замыкания их осколками щеток или щеточной пылью. Однако для того, чтобы эти причины могли вызвать круговой огонь, вдоль коллектора должно действовать сильное электрическое поле.

Напряжение u_к между смежными коллекторными пластинами практически равно ЭДС е_с, индуцированной в одной секции обмотки якоря, которая согласно закону электромагнитной индукции пропорциональна индукции в воздушном зазоре машины.

Рис. 5. Образование кругового огня на коллекторе

Рис. 6. Возникновение напряжения U_к max

Рис. 7. Схема образования кругового огня при замыкании коллекторных пластин посторонними частицами: 1 — замыкание; 2 — посторонняя частица; 3 — наволакивание меди; 4 — щеточная пыль; 5 — прогоревший миканит; 6 — первичная дуга; 7 — газы и пары меди; 8 — мощная дуга

При перемещении секций 1 (рис. 6) обмотки якоря они проходят под краями полюсов, где результирующая индукция в воздушном зазоре В_рез достигает максимального значения В_mах При этом напряжение между смежными коллекторными пластинами также будет максимальным u_{K max}. Увеличение u_{K mах} свыше 36—40 В для машин большой мощности, какими являются тяговые двигатели и тяговые генераторы, недопустимо, так как это приводит к возникновению кругового огня на коллекторе. Следовательно, реакция якоря, создавая пики индукции В_maх под краями полюсов и увеличивая этим напряжение u_{K max} способствует возникновению в машине кругового огня. Чем больше ток якоря и максимальная индукция В_в по отношению к индукции В_в, тем больше неравномерность распределения индукции вдоль окружности якоря и тем больше «склонность» машины к круговому огню. По этой причине при работе тяговых двигателей в режиме ослабления возбуждения, когда индукция В_в уменьшается, а ток якоря и индукция В_в возрастают, увеличивается опасность кругового огня. То же имеет место и при боксовании, колесных пар, при этом возрастает напряжение на коллекторе двигателя, связанного с боксующей колесной парой, что приводит к увеличению напряжения u_к.

Круговой огонь на коллекторе обычно развивается из небольших дуг, возникающих между соседними коллекторными пластинами А, Б в результате замыкания их накоротко посторонней частицей 2 (угольной пылью, осколками щеток) (рис. 7, а), а у тепловозных генераторов также частицами дизельного топлива и масла, попадающими на коллектор вместе с охлаждающим воздухом. Замыканию коллекторных пластин угольной пылью способствует плохой уход за коллектором, некачественная его шлифовка, наволакивание меди 3 в верхней части пластин (медь под действием силы трения и нагрева коллектора и щеток сползает в сторону, обратную вращению якоря) (рис. 7,б) и пр. Через электропроводящие мостики, образованные этими посторонними частицами, проходит ток, и мостик сгорает; если при этом между соседними пластинами имеется достаточно большое напряжение u_к, то между ними возникает первичная дуга 6 (рис. 7, в). В результате горения первичной дуги пространство, прилегающее к коллектору, заполняется раскаленными газами и парами меди, т. е. становится ионизированным. Поэтому может легко произойти его пробой с образованием мощной электрической дуги 8, охватывающей ряд коллекторных пластин (рис. 7, г).

Сильное искрение щеток также способствует возникновению кругового огня. В этом случае резко увеличивается износ щеток, поверхность коллектора загрязняется щеточной пылью и возрастает вероятность попадания этой пыли и осколков щеток между коллекторными пластинами. Поэтому в машинах с большим значением напряжения u_к опасность появления кругового огня в значительной мере зависит от состояния коллектора. При сильном искрении может произойти вытягивание дуги из-под щетки в направлении вращения коллектора. Если такая дуга доходит до места на коллекторе, где напряжение u_к достигает 36—40 В, то она не гаснет, а продолжает гореть, вследствие чего дуги между отдельными пластинами быстро сливаются в сплошную дугу.

Устранение вредных последствий реакции якоря. «Склонность» машины к круговому огню, вызванную увеличением индукции под краями полюсных наконечников, устраняют, применяя компенсационную обмотку (рис. 8). Ею снабжают крупные машины постоянного тока, в частности генераторы тепловозов и тяговые двигатели мощных электровозов переменного и постоянного тока. Компенсационную обмотку включают таким образом, чтобы поток Ф_к, создаваемый ею, был направлен, против потока якоря Ф_я. При условии равенства МДС этих обмоток F_K = F_я происходит полная компенсация поперечного потока якоря и устраняются все вызываемые им вредные последствия. Компенсационную обмотку включают последовательно с обмоткой якоря, что обеспечивает компенсацию потока якоря при любой нагрузке машины. При увеличении тока якоря возрастает поток якоря Ф_я, но одновременно увеличивается и поток компенсационной обмотки, вследствие чего результирующий поперечный поток машины Ф_п = Ф_я— Ф_к = 0.

Рис. 8. Схема компенсации потока якоря (а) и расположение компенсационной обмотки на главных полюсах (б): 1 — компенсационная обмотка; 2 — обмотка якоря; 3 — добавочный полюс; 4 — обмотка добавочного полюса; 5 — обмотка возбуждения: 6 — главный полюс; 7 — якорь

В машинах без компенсационной обмотки для предотвращения сильного увеличения индукции под краями полюсных наконечников искусственно увеличивают магнитное сопротивление в указанных местах. Для этого делают больше воздушный зазор под краями полюсных наконечников, внутреннюю поверхность которых располагают эксцентрично относительно наружной поверхности якоря. Так как магнитный поток стремится пройти по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, то большая часть потока полюса проходит в этом случае в якорь через среднюю часть полюса, а потоки, проходящие через края полюсных наконечников, будут минимальными.

§ 26.2. 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 . Магнитное поле машины в этом случае симметрично относительно оси полюсов (рис. 26.4, 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 . До­пустим, что МДС возбуждения равна нулю и в машине действует лишь МДС якоря. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС, будет иметь вид, представленный на рис. 26.4, 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 (рис. 26.4, 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 (рис. 26.4, б, кривая 2). Объясняется это увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межполюсном про­странстве. МДС обмотки якоря на пару полюсов пропорциональна числу проводников в обмотке N и току якоря :

. (26.6)

Введем понятие линейной нагрузки (А/м), представляющей со­бой суммарный ток якоря, приходящийся на единицу длины его окружности по наружному диаметру якоря :

, (26.7)

где — ток одного проводника обмотки, А.

Значение линейной нагрузки для машин постоянного тока общего назначения в зависимости от их мощности может быть (100÷500)·10 2 А/м. Воспользовавшись линейной нагрузкой, запишем выражение для МДС якоря: . Таким образом, в нагруженной машине постоянного тока действуют две МДС: возбужде­ния и якоря .

Влияние МДС обмотки якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Реакция якоря искажает магнитное поле машины, делает его несимметричным относительно оси полюсов.

На рис. 26.4, 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 под 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 (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали 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.