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 F _в.о. 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 F_a. 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.

Рис 26 4 Магнитное поле машины и распределение магнитной индукции

в воздушном зазоре

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 пропорциональна числу проводников обмотки якоря на полюсном делении и току в этих проводниках i_a:

(26.5)

где i_a=I_a/ (2a)—значение тока в одном проводнике обмотки яко­ря, равное току параллельной ветви; N/(πD_a) —число активных проводников обмотки якоря на единицу длины окружности сердеч­ника якоря.

Введем понятие линейной нагрузки (А), представляющей собой суммарный ток якоря, приходящийся на единицу (обычно на 1 м) длины его поверхности:

A=Ni_a (πD_a). (26.6)

Значение линейной нагрузки для машин постоянного тока об­щего применения в зависимости от их мощности может быть (100 500) • 10² А/м. Воспользовавшись линейной нагрузкой, запи­шем выражение для МДС якоря F_a=Aτ.

Таким образом, в нагруженной машине постоянного тока дейст­вуют две МДС: возбуждения F _в.о и якоря F_a.

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 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 пп' на угол α. 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 (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 активных сторон в зоны максимальных значений магнитной индукции (под подмагничен-иые края полюсных наконечников) резко повышаются. В резуль­тате возрастает напряжение между смежными коллекторными плас­тинами U _к. При значительных нагрузках машины напряжение U _к может 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).

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 F_a помимо поперечной составляющей F_aq = F_a cos β приобретает и продольную составляющую F_ad = = F _a sin β, 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 F_во, что ослабляет основной магнитный поток машины; при смещении щеток против вращения якоря продольная составляющая МДС якоря F_ad действует согла­сованно с МДС F _во, что вызывает некоторое подмагничивание ма­шины и может явиться причиной усиления искрения на коллекторе (см. гл. 27). Если машина работает в двигательном режиме, то при смещении щеток по на­правлению вращения яко­ря продольная состав­ляющая МДС якоря F_ad подмагничивает машину, а при смещении щеток против вращения якоря продольная составляю­щая F_ad 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 F_ad в машинах постоянного тока общего применения 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 β, с ростом которого она уменьшается (F_aq = F_a cos β). 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 β = 90° (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.