Э. 6. Реакция якоря

Реакцией якоря называется воздействие тока якоря на магнитное поле машины. Реакция якоря в большинстве случаев явление нежела­тельное, искажающее основное магнитное поле и тем самым ухудшаю­щее условия работы машины, поэтому при конструировании машины предусматриваются меры для уменьшения ее влияния.

Пока магнитное поле машины создается только током в обмотке возбуждения (I_я = 0), оно симметрично по отношению к оси сердеч­ников полюсов и под полюсами почти равномерно. На рис. 13.15, а показано схематически такое поле двухполюсной (р = 1) машины. Геометрическая нейтраль п — п' — линия, перпендикулярная оси полюсов, разделяющая на дуге якоря области северного и южного полюсов, является в этих условиях и физической нейтралью —линией, проходящей через точки окружности якоря, где магнитная индукция равна нулю. Щетки условно показаны опирающимися на якорь (хотя фактически они установлены на коллекторе). Они поставлены по геомет­рической нейтрали.

Если в обмотке якоря имеется ток, то якорь становится электро­магнитом, ось которого направлена по оси щеток (рис. 13.15, б). По отношению к оси поля главных полюсов ось поля якоря направлена перпендикулярно — пока щетки стоят на геометрической нейтрали; в этих условиях поле якоря является поперечным полем.

В современных машинах постоянного тока щетки устанавливаются по геометрической нейтрали. Но если щетки смещены с нее, то кроме поперечного поля возникает и продольное поле реакции якоря.

При нагрузке машины реакция якоря, воздействуя на основное поле, создает результирующее поле, характер которого примерно пока­зан на рис. 13.15, е. Поток в машине смещается по направлению ее

вращения в генераторном режиме или против направления вращения
в двигательном режиме. При этом поток распределяется несимметрично по отношению к оси полюсов — ослабляется под одним краем и усили­вается под другим. Вместе с тем в результате реакции якоря физичес­кая нейтраль m — т' сме­щается по отношению к геометрической на угол и щетки оказываются вне физической нейтрали.

Рассмотрим, как рас­пределяется магнитная ин­дукция под полюсами вследствие реакции якоря. Пока поле создается толь­ко главными полюсами, оно симметрично по отно­шению к оси полюсов и под полюсами почти равномер­но (рис. 13.16, кривая 1). Обмотка якоря распределе­на вдоль окружности яко­ря по пазам. Поэтому ток в обмотке якоря создает МДС, которая изменяется ступенчато вдоль этой окружности. Но так как число пазов довольно велико, то можно за­менить ступенчатую кривую прямой. Наибольшее значение МДС яко­ря достигается на оси щеток (кривая 2). Если рассматривать поле якоря независимо от главного, то распределение его магнитной индук­ции будет в большой мере определяться магнитным сопротивлением на пути потока якоря. Это сопротивление относительно мало и постоян­но вдоль окружности под полюсами машины и сильно возрастает в промежутке между полюсами. Вследствие такого влияния кривая 3 — распределения индукции поля якоря — имеет седлообразный харак­тер.

Если сердечники полюсов машины в рабочих условиях не насы­щаются, то поле машины при нагрузке можно определить путем нало­жения на главное поле поля якоря. При таком наложении магнитный поток, возбуждающий ЭДС якоря, остается прежним, но изменится его распределение' вдоль окружности якоря (кривая 4).

При этом физическая нейтраль не будет совпадать с геометрической и так как щетки стоят на геометрической нейтрали, то из-за реакции якоря при нагрузке они окажутся вне физической нейтрали. Вследствие такого смещения в каждой параллельной ветви обмотки между щетками окажутся несколько секций, направление ЭДС которых будет проти­воположно направлению ЭДС всех остальных секций, что вызовет уменьшение ЭДС якоря Е_я.

При работе машины в генераторном режиме это вызывает понижение напряжения, при работе в двигательном режиме — изменение вращающего момента и частоты вращения.

Вместе с тем искажение магнитного поля под полюсами сопровождается значительным местным повышением магнитной индукции.

Мгновенные значения ЭДС, индуктируемой в секции обмотки при ее движении, пропорциональны этой индукции. Следовательно, искажение поля может вызвать такое повышение на­пряжения между соседними пластинами коллектора (свыше 30—50 В), при котором между этими пластинами возможно возникновение весь­ма опасных устойчивых дуговых разрядов (кругового огня по коллек­тору).

До сих пор мы не упоминали о влиянии насыщения магнитопровода при реакции якоря. Под одним краем полюса магнитная индукция возрастает настолько, что зубцы якоря и сердечника полюсов вдоль этого участка насыщаются (рис. 13.16, заштрихованная часть гра­фика 4), в результате чего поле якоря ослабляет основное магнитное поле под одним краем полюса больше, чем усиливает это поле под другим краем полюса (+ В). Таким образом, реакция якоря вызывает еще уменьшение полезного магнитного потока, кото­рому пропорциональна ЭДС якоря.

Для ослабления реакции якоря при конструировании машины предусматривается увеличение магнитного сопротивления на пути потока якоря — воздушный зазор между якорем и полюсными нако­нечниками делается относительно большим, а сечение зубцов якоря выбирается таким, чтобы индукция в них была велика. Дальнейшее увеличение индукции вызывает возрастание магнитного сопротивления зубцов, что эквивалентно некоторому увеличению воздушного зазора на пути потока якоря. Однако для поддержания нужного полезного потока в машине при увеличении магнитного сопротивления необходимо соответствующее увеличение МДС главных полюсов, а следова­тельно, увеличение габаритов и массы машины.

Для того чтобы предупредить смещение физической нейтрали из-за реакции якоря, большинство современных машин постоянного тока снабжается дополнительными полюсами. Эти полюсы необходимы также для улучшения коммутации (см. § 13.7). Они устанавливаются на станине машины по линии геометрической нейтрали. Обмотки до­полнительных полюсов соединяются через щетки последовательно с обмоткой якоря так, чтобы направление напряженности поля от до­полнительных полюсов было противоположно направлению напряжен­ности поля реакции якоря. Таким образом, дополнительные полюсы компенсируют поле реакции якоря в относительно узкой зоне комму­тируемых секций. Тем самым пре­дупреждается смещение физической нейтрали по отношению к геомет­рической.

Благодаря тому что напряжен­ность поля от дополнительных по­люсов создается током якоря, ком­пенсация реакции якоря автоматически устанавливается при любых нагрузках машины; при этом необ­ходимо, чтобы магнитная цепь до­полнительных полюсов не насыща­лась.

При работе машины в режиме ге­нератора дополнительные полюсы должны иметь полярность тех глав­ных полюсов, на которые якорь набегает, а при работе в режиме двигателя — полярность тех главных полюсов, из-под которых якорь выбегает (рис. 13.18).

Дополнительные полюсы не устраняют создаваемые реакцией якоря неравномерное распределение индукции под полюсами и умень­шение полезного потока. В крупных машинах и в машинах, работаю­щих в особо тяжелых условиях (например, часто реверсируемые дви­гатели), сильное местное повышение индукции под полюсами может вызвать перекрытие изоляционного промежутка между пластинами коллектора, а затем и круговой огонь. Чтобы предупредить возмож­ность такой аварии, необходимо полностью компенсировать реакцию якоря..

Хоть якорь вращается, его магнитный поток остается неподвижным по отношению к станине машины. Следовательно, можно полностью компенсировать действие реакции якоря встречным действием непод­вижной (компенсационной) обмотки, размещенной в пазах, сделанных в несколько расширенных полюсных наконечниках главных полюсов (рис. 13.19). Компенсационная обмотка К соединяется последовательно с якорем, таким образом, каждый из ее стержней как бы образует

с находящимся под ним стержнем обмотки якоря бифилярную систему, магнитное поле у которой почти отсутствует.

Компенсационная обмотка дополняет действие дополнительных полюсов, вместе они почти полностью компенсируют реакцию якоря.

Рис. 13.19.

Однако устройство компенсационной обмотки существенно удорожает машину и увеличивает потери в ней, поэтому компенсационной обмот­кой машины постоянного тока снабжаются лишь в тех случаях, когда это крайне необходимо.