Реакция якоря машины постоянного тока кратко
Обновлено: 05.07.2024
Автор: Евгений Живоглядов.
Дата публикации: 03 октября 2011 .
Категория: Статьи.
Явление реакции якоря
Поля якоря и индуктора, действующие совместно, образуют результирующее поле, характер которого на основании рисунка 1, а и б показан на рисунке 2. Полярность полюсов и направлений токов якоря на этом рисунке соответствуют случаю, когда в режиме генератора (Г) якорь вращается по часовой стрелке, а в режиме двигателя (Д) – против часовой стрелки.
Из рисунка 2 видно, что под влиянием поля якоря результирующее поле машины изменяется. Это явление называется реакцией якоря.
Поперечная реакция якоря
При установке щеток на геометрической нейтрали 1 – 1 (рисунок 1, б) поле якоря направлено поперек оси полюсов, и в этом случае оно называется полем поперечной реакции якоря.
Рисунок 1. Магнитное поле индуктора (а) и якоря (б)
Как следует из рисунка 2, поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краем полюса и его усиление под другим, вследствие чего ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращения якоря, а в двигателе – в обратную сторону. Если условно, как это иногда делается, рассматривать линии магнитной индукции в качестве упругих нитей, то возникновение электромагнитного момента можно рассматривать как результат действия упругих сил этих нитей, стремящихся сократиться и повернуть якорь. Из рисунка 2 видно, что при такой трактовке явлений направления действия моментов совпадают с реальными как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
Под воздействием поперечной реакции якоря нейтральная линия на поверхности якоря, на которой Bδ = 0, поворачивается из положения геометрической нейтрали 1 – 1 на на некоторый угол β в положение 2 – 2 (рисунок 2), которое называется линией физической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе – в обратную сторону.
Из рисунка 1, б следует, что при вращении якоря в проводниках, показанных в левой части рисунка 1, б, поле поперечной реакции якоря индуктирует э. д. с. одного направления, а в правой – другого. В результате этого при установке щеток на геометрической нейтрали суммарная э. д. с. от поля реакции якоря в каждой параллельной ветви обмотки и на щетках равна нулю.
Рисунок 3. Поле продольной реакции якоря
Продольная реакция якоря
Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на 90° эл. (рисунок 3), то поле якоря вдоль оси полюсов и называется полем продольной реакции якоря. Это поле в зависимости от направления тока в якоре оказывает на поле полюсов намагничивающее или размагничивающее действие, и в результате его взаимодействия с полем полюсов электромагнитный момент не возникает. Индуктируемая при вращении якоря э. д. с. на щетках будет в этом случае также равна нулю.
Общий случай реакции якоря
Обычно щетки устанавливаются на геометрической нейтрали. Однако в результате неточной установки щеток, а также сознательных действий персонала щетки могут быть сдвинуты с геометрической нейтрали на некоторый угол α (рисунок 4, а), причем 0
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.
В машине постоянного тока при работе в нагрузочном режиме существуют поля обмотки возбуждения и обмотки якоря. Эти поля взаимодействуют между собой и оказывают наибольшее влияние на эксплуатационные свойства машины. Линия, которая условно проходит между главными полюсами, называется геометрической нейтралью. Вдоль этой линии индукция магнитного поля машины . При вращении якоря часть секций его обмотки оказывается замкнутой накоротко через щётки. В этих секциях эдс должны быть минимальными и не вызывать большие токи. Они должны находиться на геометрической нейтрали или как можно ближе к ней. Установка щеток на геометрическую нейтраль осуществляется по схеме рис.6.20. В цепь возбуждения машины подаются импульсы напряжения от источника постоянного тока . Ток возбуждения ограничивается реостатом и контролируется амперметром . При замыкании и размыкании ключа наблюдают за показаниями стрелки милливольтметра . При нейтральном положении щёток стрелка милливольтметра будет неподвижна или отклоняться незначительно [11].
На рис.21,а поле обмотки возбуждения симметрично относительно оси полюсов. В невозбужденной машине (рис.21,б) по обмотке якоря протекает ток, создающий собственное магнитное поле. Оно симметрично относительно геометрической нейтрали (линия 1-1). На рис.22 представлен режим работы под нагрузкой. Магнитное поле является результатом взаимодействия магнитодвижущих сил обмоток возбуждения и якоря . Воздействие магнитодвижущей силы якоря на магнитное поле машины называется реакцией якоря. В результате взаимодействия этих полей обоих обмоток возникает электромагнитный момент.
На рис.21,б ток в обмотке якоря создаёт магнитное поле поперечной реакции якоря. При работе машины в нагрузочном режиме она вызывает ослабление поля под одним краем полюса и усиление под другим (рис.22). Вследствие этого ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращения якоря, а в двигателе – в противоположную сторону. Линия, где индукция магнитного поля машины , называетсяфизической нейтралью (2-2). Увеличение нагрузки приводит еще большему ее смещению. Поперечная реакция якоря всегда искажает распределение поля в зазоре. Она вызывает уменьшение потока главных полюсов, т.е. имеет размагничивающий характер. При насыщении магнитной цепи машины, малом воздушном зазоре и большом токе нагрузки искажение поля и размагничивание проявляются сильнее.
Если щётки установлены на оси полюсов, то поле якоря действует вдоль этой оси и называется полем продольной реакции якоря (рис. 6.23). В зависимости от направления тока в якоре оно оказывает на поле полюсов размагничивающее или намагничивающее действие. Электромагнитный момент в результате взаимодействия этих полей не возникает.
Обычно щётки сдвинуты с геометрической нейтрали на угол . Для двухполюсной машины (рис. 6.24) поверхность якоря можно разбить на две пары симметричных секторов – аб, вг и аг, бв. Токи первой пары секторов задают поле поперечной, а токи второй пары – поле продольной реакции якоря. При повороте щёток генератора в направлении вращения и щёток двигателя против направления вращения возникает размагничивающая продольная реакция якоря. Она вызывает уменьшение потока главных полюсов машины. Сдвиг щёток в обратном направлении вызывает намагничивающую продольную реакцию якоря. Поток главных полюсов возрастает [1].
В машине постоянного тока при работе в нагрузочном режиме существуют поля обмотки возбуждения и обмотки якоря. Эти поля взаимодействуют между собой и оказывают наибольшее влияние на эксплуатационные свойства машины. Линия, которая условно проходит между главными полюсами, называется геометрической нейтралью. Вдоль этой линии индукция магнитного поля машины . При вращении якоря часть секций его обмотки оказывается замкнутой накоротко через щётки. В этих секциях эдс должны быть минимальными и не вызывать большие токи. Они должны находиться на геометрической нейтрали или как можно ближе к ней. Установка щеток на геометрическую нейтраль осуществляется по схеме рис.6.20. В цепь возбуждения машины подаются импульсы напряжения от источника постоянного тока . Ток возбуждения ограничивается реостатом и контролируется амперметром . При замыкании и размыкании ключа наблюдают за показаниями стрелки милливольтметра . При нейтральном положении щёток стрелка милливольтметра будет неподвижна или отклоняться незначительно [11].
На рис.21,а поле обмотки возбуждения симметрично относительно оси полюсов. В невозбужденной машине (рис.21,б) по обмотке якоря протекает ток, создающий собственное магнитное поле. Оно симметрично относительно геометрической нейтрали (линия 1-1). На рис.22 представлен режим работы под нагрузкой. Магнитное поле является результатом взаимодействия магнитодвижущих сил обмоток возбуждения и якоря . Воздействие магнитодвижущей силы якоря на магнитное поле машины называется реакцией якоря. В результате взаимодействия этих полей обоих обмоток возникает электромагнитный момент.
На рис.21,б ток в обмотке якоря создаёт магнитное поле поперечной реакции якоря. При работе машины в нагрузочном режиме она вызывает ослабление поля под одним краем полюса и усиление под другим (рис.22). Вследствие этого ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращения якоря, а в двигателе – в противоположную сторону. Линия, где индукция магнитного поля машины , называетсяфизической нейтралью (2-2). Увеличение нагрузки приводит еще большему ее смещению. Поперечная реакция якоря всегда искажает распределение поля в зазоре. Она вызывает уменьшение потока главных полюсов, т.е. имеет размагничивающий характер. При насыщении магнитной цепи машины, малом воздушном зазоре и большом токе нагрузки искажение поля и размагничивание проявляются сильнее.
Если щётки установлены на оси полюсов, то поле якоря действует вдоль этой оси и называется полем продольной реакции якоря (рис. 6.23). В зависимости от направления тока в якоре оно оказывает на поле полюсов размагничивающее или намагничивающее действие. Электромагнитный момент в результате взаимодействия этих полей не возникает.
Обычно щётки сдвинуты с геометрической нейтрали на угол . Для двухполюсной машины (рис. 6.24) поверхность якоря можно разбить на две пары симметричных секторов – аб, вг и аг, бв. Токи первой пары секторов задают поле поперечной, а токи второй пары – поле продольной реакции якоря. При повороте щёток генератора в направлении вращения и щёток двигателя против направления вращения возникает размагничивающая продольная реакция якоря. Она вызывает уменьшение потока главных полюсов машины. Сдвиг щёток в обратном направлении вызывает намагничивающую продольную реакцию якоря. Поток главных полюсов возрастает [1].
Основной магнитный поток Фδ в машине постоянного тока всегда направлен от северного полюса к южному. Намагничивающая сила реакции якоря всегда направлена вдоль оси щеток от положительной щетки к отрицательной.
Виды реакции якоря генератора постоянного тока: а — Поперечная размагничивающая реакция якоря; б — Продольная размагничивающая реакция якоря; в — Продольная намагничивающая реакция якоря; г — Намагничивающая сила реакции якоря разделена на две составляющие.
Если щетки установлены на геометрической нейтрали, в генераторе действует поперечная размагничивающая реакция якоря, которая приводит в генераторе к уменьшению магнитного потока Фδ, а, следовательно, и к уменьшению ЭДС на зажимах генератора.
Fq = A · τ – поперечная реакция якоря.
A = Iа / (π · Dа) – линейная нагрузка.
Линейную нагрузку получают из условия, что якорь машины гладкий, т.е. зубцы и пазы отсутствуют, а весь ток Iа, протекающий по якорю распределяется равномерным слоем по поверхности якоря.
Линейная нагрузка показывает, какая доля якоря приходится на единицу длины его окружности.
Щетки могут быть установлены на оси полюсов. В этом случае в машине действует продольная реакция якоря.
Продольная реакция якоря в зависимости от сдвига щеток может быть размагничивающей и намагничивающей.
У генератора при сдвиге щеток по направлению вращения якоря действует продольная размагничивающая реакция якоря, а при сдвиге щеток против направления вращения, действует продольная намагничивающая реакция якоря.
Под действием вибрации щетки чаще всего сдвигаются на небольшой угол α относительно геометрической нейтрали. В этом случае действующая вдоль оси щеток намагничивающая сила реакции якоря разделяется на 2 составляющие: поперечную Fq и продольную Fd, которая может быть как размагничивающей, так и намагничивающей, в зависимости от направления сдвига щеток.
Читайте также: