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)·10² 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.

26.4. Магнитное поле машины и распределение магнитной индукции

в воздушном зазоре

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 (см. § 27.1). Во-вторых, искажение результирующего поля машины влечет за собой перераспределение магнитной индукции в воздушном зазоре машины. На рис. 26.4, в показан график распределения результирующего поля в зазоре, полученный совмещением кривых, изображенных на рис. 26.4, а, б. Из этого графика сле­дует, что магнитная индукция в зазоре машины распределяется несимметрично 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 напряжение между смежными коллекторными пластинами . При значительных нагрузках машины напряжение можем превзойти допустимые пределы (см. § 25.5) и миканитовая прокладка между смежными пластинами будет перекрыта электрической дугой. Имеющиеся на коллекторе частицы графита бу­дут способствовать развитию электрической дуги, что приведет к возникновению мощной электрической дуги, перекрывающей весь коллектор или значительную его часть, — явления чрезвычайно опасного (см. § 27.5).

Рис. 26.5. Разложение МДС обмотки якоря

на продольную и поперечную составляющие

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. 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 рис. 26.4, в. Однако результирующий 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.

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 (рис. 26.5, а). При этом МДС якоря помимо поперечной составляю­щей приобретает и продольную составляющую , направленную по оси полюсов. Если машина работает в генераторном режиме, то при смещении щеток в направ­лении вращения якоря продольная составляющая МДС якоря дей­ствует встречно МДС обмотки возбуждения , что ослабляет ос­новной магнитный поток машины; при смещении щеток против вращения якоря продольная составляющая МДС якоря дейст­вует согласованно с МДС ,что вызывает некоторое подмагни­чивание машины и может явиться причиной искрения на коллек­торе (см. гл. 27). Если машина работает в двигательном режиме, то при смещении щеток по направлению вращения якоря продольная составляющая МДС якоря подмагничивает машину, а при смещении щеток против вращения якоря продольная составляющая 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 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 , с ростом которого она уменьшается . 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 = 90⁰ (рис. 26.5, 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.

Дата добавления: 2014-12-27