Тема 1.6. Реакция якоря

При работе машины в режиме идеального холостого хода, т. е. при отсутствии тока в обмотке якоря, в воздушном зазоре существует только магнитное поле, создаваемое МДС обмотки возбуждения, которое принято называть основным полем. Линии магнитной индукции этого поля для двухполюсной машины (рис. 1.11) на всех участках магнитной цепи от северного до южного полюсов (в том числе в воздушном зазоре) являются параллельными прямыми. Поэтому поток магнитной индукции данного поля можно представить вектором Ф₀.

При работе машины с нагрузкой по обмотке якоря течет ток. Вокруг проводников обмотки создается собственное магнитное поле. Естественно, что основное магнитное поле машины и поле обмотки якоря, взаимодействуя, образуют в воздушном зазоре машины результирующее магнитное поле.

Воздействие МДС поля обмотки якоря на МДС основного поля машины называют реакцией якоря.

При принятом на рис. 1.11. направлении вращения ротора в случае работы машины, например, генератором во всех проводах, находящихся в данный момент выше нейтральной линии, направление тока будет «от нас», в проводах, находящихся ниже нейтральной линии, направление тока будет «к нам» (согласно правилу правой руки). При этом линии магнитной индукции проводов обмотки якоря образуют поле катушки, ось которой совпадает с нейтральной линией машины. Поток магнитной индукции этого поля можно представить вектором Фя. Щетки машины в таких случаях принято условно изображать в контакте с проводами, которые образуют закороченные витки, находящиеся в плоскости нейтрали машины, т. е. щетки условно принимают расположенными на нейтральной линии.

Вектор Фя направлен перпендикулярно вектору Ф₀, т. е. поток обмотки якоря по отношению к основному потоку является поперечным. Реакция якоря при этом называется поперечной. Взаимодействие основного поля и поля реакции заставляет машину работать в режиме двигателя или генератора. В этом заключается положительное качество взаимодействия полей. Но оно имеет и отрицательные качества, основными из которых являются: искажение поля в воздушном зазоре машины, смещение нейтрали и ухудшение коммутации тока обмотки якоря.

Рис 1.11. Основное магнитное поле и поле обмотки якоря двухполюсной машины постоянного тока.

Из рис. 1.11. видно, что под краями 1 и 3 магнитных полюсов линии магнитной индукции основного поля и поля реакции якоря направлены навстречу друг другу, вследствие чего результирующее поле в этих частях воздушного зазора уменьшается. Под краями 2 и 4 полюсов направления линий обоих полей совпадают, вследствие чего результирующее поле в этих частях воздушного зазора увеличивается. Края 1 и 3 полюсов в практике часто называют по отношению к направлению вращения ротора набегающими краями применительно к генераторам или сбегающими краями применительно к двигателям. Края 2 и 4 полюсов называют сбегающими краями у генераторов или набегающими краями у двигателей.

При холостом ходе машины распределение магнитной индукции основного поля в воздушном зазоре соответствует кривой ОП (рис. 1.12.).

Линии магнитной индукции реакции якоря Р_я располагаются симметрично относительно оси главных полюсов, поэтому в точках 1 и 1' магнитная индукция реакции якоря равна нулю. По мере удаления от этих точек вправо и влево магнитная индукция Р_я будет возрастать, в связи с тем что охватывается все большее количество проводов и увеличивается МДС реакции якоря. Вправо от осей полюсов направление линий основного поля совпадает с линиями поля реакции якоря. Поэтому магнитная индукция реакции якоря здесь совпадает с направлением индукции основного поля (отрезки 1—2 и 1'—2'). Влево от осей полюсов направление линий основного поля и реакции якоря встречное.

Рис. 1.12. Магнитная индукция в воздушном зазоре

Поэтому магнитная индукция реакции якоря здесь должна приниматься отрицательной по отношению к индукции основного поля (отрезки 1—3, 1'—3')- Закон изменения магнитной индукции реакции якоря при этом может быть принят линейным (т. е. с равномерным нарастанием от центра к краям полюсов), поскольку величина воздушного зазора под полюсами одинакова, а провода обмотки якоря равномерно распределены по поверхности ротора. В промежутках между полюсами машины величина воздушного зазора увеличивается, поэтому магнитная индукция реакции якоря в этих местах уменьшается (отрезки 2—3' и 2'—3), но не до нулевых значений. Поэтому оказывается, что на нейтральной линии индукция при нагрузке машины не равна нулю, как это было при холостом ходе машины.

Выполнив геометрическое сложение значений индукций основного поля ОП и поля реакции якоря P_я, можно построить кривую индукции результирующего поля РП машины. Эта кривая показывает искажение поля в воздушном зазоре и различие значений его индукции под противоположными краями главных полюсов. Такое искажение приводит к уменьшению среднего значения индукции в воздушном зазоре машины (полюсные наконечники по причине насыщения не допускают увеличения индукции под соответствующими краями полюсов) и уменьшению значения ЭДС, индуцированной в обмотке якоря. Кривая РП проходит через нулевые значения в точках, расположенных несколько правее по сравнению с кривой ОП, Следовательно, при нагрузке машины происходит смещение нейтрали, и в этом случае пользуются понятием о двух нейтралях: геометрической и физической. Геометрическая нейтраль (НГ) всегда проходит посередине между полюсами машины. Физическая нейтраль НФ проходит через точки, где равна нулю индукция результирующего поля. При изменении нагрузки машины физическая нейтраль изменяет свое местоположение относительно геометрической нейтрали.

Рис.1.13. Основное магнитное поле и поле реакции якоря двухполюсной машины при сдвиге щеток с геометрической нейтрали: а– против часовой стрелки; б– по часовой стрелке.

Иногда (для улучшения коммутации машин без дополнительных полюсов) щетки машины смещаются относительно геометрической нейтрали. Вектор поля реакции якоря Фя, всегда проходящий вдоль оси щеток, при этом оказывается направленным под острым (рис. 1.13 а) или тупым (рис. 1.13 б) углом по отношению в вектору основного поля Ф₀, и его можно разложить на две составляющие, одна из которых Ф_яq направлена под прямым углом к вектору Ф₀, а другая Ф_яd совпадает с направлением вектора Ф₀ или противоположна ему. Первая из этих составляющих является поперечной реакцией якоря, действие которой на основное поле рассмотрено выше, вторая — продольной, которая равномерно увеличивает (см. рис. 1.13 а) или уменьшает (см. рис. 1.13 б) магнитную индукцию основного поля, и поэтому называется продольно-намагничивающей или продольно-размагничивающей реакцией якоря.

Чтобы предотвратить вредное воздействие реакции якоря на основное поле, машины большой мощности снабжают компенсационной обмоткой. Провода компенсационной обмотки ОК, размещают в пазах наконечников главных полюсов машины (рис. 1.14).

Данная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря OЯ, но таким образом, чтобы МДС обмоток действовали навстречу друг другу. При этом поток реакции якоря компенсируется потоком обмотки, расположенной в полюсах, при всех нагрузках машины автоматически. Следовательно, при наличии компенсационной обмотки магнитное поле в воздушном зазоре машины сохраняется неизменным при переходе от холостого хода к нагрузке любой величины. Однако практически полная компенсация наблюдается только в пределах длины полюсных наконечников. В зоне между ними полная компенсация реакции якоря не достигается. Для компенсации реакции якоря в это зоне устанавливают дополнительные полюса.

Рис.1.14. Размещение проводов компенсационной обмотки и направление тока в них.

При вращении якоря каждая щетка периодически соприкасается то с одной, то двумя коллекторными пластинами. В последнем случае каждая щетка замыкает накоротко одну из секций обмотки якоря. Щетки располагаются на коллекторе так, чтобы в момент соприкосновения с двумя коллекторными пластинами активные провода короткозамкнутой секции находились в точках, где магнитная индукция поля полюсов равна нулю или очень мала. Вследствие действия реакции якоря результирующий магнитный поток в плоскости геометрической нейтрали уже не равен нулю, и в активных проводах обмотки якоря, проходящих плоскость геометрической нейтрали, возникает э.д.с. Если щетки расположены на коллекторе так, что замыкают секции, проходящие плоскость геометрической нейтрали, то в результате наличия э.д.с. в короткозамкнутых секциях между щетками и коллектором возникает искрение, которое может привести к обгоранию коллекторных пластин, т. е. выходу машины из строя.

На рис.1.15в показано результирующее поле машины. Под двумя противоположными краями полюсов машина намагничивается, но вследствие насыщения полюсов намагничивание невелико. Под двумя другими краями полюсов машина размагничивается весьма значительно, что приводит к снижению общей величины магнитной индукции в воздушном зазоре. Таким образом, реакция якоря, искажая магнитное поле генератора, размагничивает генератор, понижая напряжение на нагрузке и вызывает искрение между щетками и коллектором.

Рис 1.15. Реакция якоря

а) магнитный поток основных полюсов; б) магнитный поток якоря; в) результирующий магнитный поток машины.

Если машина работает в режиме двигателя, то при направлении магнитного потока полюсов и тока в обмотке якоря, показанном на рис. 1.15, в, якорь двигателя должен вращаться против движения часовой стрелки, т. е. против движения якоря генератора.

Следовательно, у двигателей реакция якоря вызывает отклонение физической нейтрали не по направлению движения якоря, как у генератора, а против движения якоря.

Реакция якоря у двигателей приводит к уменьшению вращающего момента и появлению искрения между щетками и коллектором.

Для устранения искрения в машине, работающей генератором, нужно сдвинуть щетки по направлению вращения якоря на угол а. Тогда они будут замыкать накоротко секции, проходящие плоскость физической нейтрали, в которых э. д. с. отсутствует.

Если машина работает двигателем, то щетки нужно сдвинуть на угол а против направления вращения якоря.

При увеличении нагрузки на машину ток в обмотке якоря и магнитный поток якоря, а значит и реакция якоря, возрастают и, наоборот, при уменьшении нагрузки — уменьшаются. Следовательно, реакция якоря при изменении нагрузки на машину тоже изменяется и для устранения искрения нужно каждый раз при изменении нагрузки менять положение щеток на коллекторе. Так как практически менять каждый раз положение щеток на коллекторе невозможно, то щетки устанавливают в определенное положение, которое соответствует номинальной нагрузке на машину. При нагрузке, отличной от номинальной между щетками и коллектором возникает искрение, поэтому указанный способ применяется только в машинах малой мощности.

Более действенным способом устранения искрения, возникающего в результате реакции якоря, является применение дополнительных полюсов, которые располагаются между основными полюсами так, чтобы их магнитный поток был направлен против магнитного потока якоря и, следовательно, компенсировал его. Для этого необходимо, чтобы у генераторов за северным основным полюсом располагался по направлению вращения якоря южный дополнительный полюс и т. д., а у двигателей, наоборот, за северным основным полюсом находился северный дополнительный полюс.

Так как величина реакции якоря с изменением нагрузки изменяется, то магнитный поток дополнительных полюсов должен тоже автоматически изменяться вместе с изменением нагрузки машины. Поэтому обмотка возбуждения дополнительных полюсов включается последовательно с об моткой якоря. Тогда при увеличении нагрузки происходит возрастание как магнитного потока якоря, так и магнитного потока дополнительных полюсов, а так как эти потоки направлены друг против друга, то они компенсируются.

Размагничивающее действие реакции якоря обычно устраняется увеличением магнитного потока основных полюсов, что достигается увеличением тока в обмотках возбуждения основных полюсов или увеличением числа витков обмоток возбуждения.

Дата добавления: 2014-04-17; просмотров: 543; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!