Что такое реакция якоря

Что такое реакция якоря

Реакцией якоря называется воздействие магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов машины. В режиме холостого хода ток якоря равен нулю и магнитное поле машины образуется только главными полюсами (рис (а)). Оно симметрично относительно оси главных полюсов и относительно геометрической нейтрали . Если отключить обмотку возбуждения и подключить якорь к источнику питания, то протекающий в обмотке якоря ток создаст магнитное поле, показанное на рисунке (б). Магнитная ось полюсов этого поля совпадает с осью щеток и перпендикулярна оси поля главных полюсов. Вращение якоря не влияет на картину поля якоря, т.к. распределение тока в обмотке якоря остается постоянным. В рабочем режиме машины включены обе обмотки и магнитное поле образуется суммированием обоих полей. В результате ось магнитного поля поворачивается на некоторый угол и на этот же угол поворачивается физическая нейтраль . Так как при одинаковом направлении вращения, направление тока якоря двигателя и генератора разное, то направление магнитного поля якоря и смещение физической нейтрали в этих режимах будет противоположеным. В режиме генератора нейтраль смещается в сторону вращения, а в режиме двигателя – против вращения.

В результате смещения часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и нейтралью окажется под полюсом противоположной полярности и будет создавать тормозной момент.

Изменение нагрузки машины будет приводить к изменению тока якоря и соответствующему усилению или ослаблению его магнитного поля. Поэтому угол будет изменяться с нагрузкой.

Помимо смещения нейтрали реакция якоря уменьшает общий магнитный поток за счет того, что поле под главными полюсами искажается. Под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим усиливается, но усиление поля в результате насыщения края полюса оказывается меньше ослабления и результирующий магнитный поток уменьшается, что отрицательно сказывается на энергетических показателях машины.

Смещение физической нейтрали оказывает также негативное влияние на процесс коммутации .

Наиболее эффективным средством уменьшения влияния реакции якоря является компенсационная обмотка. Она укладывается в специальные пазы главных полюсов и включается последовательно в цепь якоря. Магнитное поле компенсационной обмотки направлено встречно и, как следует из ее названия, компенсирует магнитное поле якоря. Ток компенсационной обмотки равен току якоря, поэтому компенсация происходит при всех режимах от холостого хода до полной нагрузки. В результате поле машины под главными полюсами остается практически неизменным. Однако в межполюсном простанстве часть МДС якоря остается не скомпенсированной и оказывает отрицательное влияние на работу щеточно-коллекторного узла. Компенсация реакции якоря в этой области осуществляется применением добавочных полюсов. Компенсационные обмотки сильно усложняют и удорожают машину, поэтому они используются только в специальных двигателях средней и большой мощности.

Другим способом компенсации является увеличение зазора между краями главных полюсов и якорем. Для сохранения потока при увеличении зазора требуется увеличение МДС обмотки возбуждения. Это приводит к увеличению полюсов, катушек и в целом к ухудшению массогабаритных показателей. Увеличение зазора используют в машинах малой и средней мощности.

При холостом ходе машины магнитное поле в ней создается только обмоткой возбуждения, так как только по этой обмотке будет проходить ток. При нагрузке ток проходит и по обмотке якоря, н.с. которой изменяет поле машины, на что впервые была указано Э. X. Ленцем.

Воздействие н.с. якоря на поле машины называется реакцией якоря. При помощи рисунка 4.18 мы можем выяснить, как изменяется поле машины в результате этого воздействия. На рисунке 4.18,а изображено поле машины при ее холостом ходе, когда оно создается только н.с. обмотки возбуждения. На рисунке 4.18,б показано поле якоря. Такое поле получается в машине при наличии тока только в обмотке якоря. При этом сам якорь превращается в электромагнит. Его н.с. имеет ось, всегда совпадающую с линией щеток.

Рис. 4.18. Реакция якоря при положении щеток на геометрической нейтрали.
а — поле при холостом ходе; б — поле якоря, в — поле при нагрузке (nn’ — геометрическая нейтраль, mm’ — физическая нейтраль)

Читайте также:  Сорт томата марфа отзывы

Мы расположили щетки на геометрической нейтрали, т. е. на линии, перпендикулярной оси полюсов. В этом случае токи в проводниках якоря верхней и нижней его частей имеют противоположные направления. Намагничивающая сила якоря, действующая по линии щеток, будет наибольшей, так как соответствующая магнитная линия охватывает наибольший полный ток. Далее н.с. убывает и под серединой полюса становится равной нулю. Можно приближенно считать, что она убывает по закону прямой линии, как это показано на рисунке 4.19, где кривая 2 представляет собой кривую н.с. якоря, ординаты которой равны соответствующей н.с. якоря на половину обхода (на один полюс).

Рис. 4.19. Реакция якоря при положении щеток на геометрической нейтрали.
1 — кривая поля при холостом ходе, 2 — кривая н.с, якоря, 3 — кривая поля якоря, 4 — кривая результирующего поля без учета изменения насыщения, 5 — кривая действительного поля машины при нагрузке (nn’ — геометрическая нейтраль, mm’ -физическая нейтраль)

На рисунке 4.18,в показано поле машины при ее нагрузке. Мы видим, что в результате реакции якоря поле машины, работающей генератором, изменилось: произошло усиление поля под сбегающей половиной полюса и ослабление его под набегающей половиной полюса. Другим следствием реакции якоря является смещение физической нейтрали, т.е. линии, проходящей через точки окружности якоря, где индукция равна нулю.

При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геометрической. При нагрузке она смещается относительно геометрической нейтрали: при работе генератором — в сторону вращения, при работе двигателем — против вращения (при принятых на рисунке 4.18,в направлениях поля и токов в обмотке якоря машина при работе двигателем будет вращаться в обратную сторону).

На рисунке 4.19 показаны кривые поля машины при холостом ходе и при нагрузке: здесь также приведена кривая поля якоря. Если кривую поля машины при ее нагрузке будем определять, исходя из принципа наложения, т. е. складывая ординаты кривой поля при холостом ходе 1 и кривой поля якоря 3, то получим кривую результирующего поля 4. Однако принцип наложения здесь не может дать точных результатов, так как поле в ферромагнитных телах не является линейной функцией тока. Кривая действительного поля машины при нагрузке 5 отличается от кривой результирующего поля 4. Кривая 5 показывает, что ослабление поля под набегающей половиной полюса будет больше, чем усиление поля под сбегающей половиной полюса (вследствие насыщения главным образом зубцов якоря). В результате получается ослабление общего поля и, следовательно, уменьшение полезного потока Ф, определяющего значение ЭДС якоря.

Уменьшение ЭДС якоря при положении щеток на геометрической нейтрали также вызвано смещением физической нейтрали, так как при этом и параллельные ветви будут входить проводники с обратными ЭДС (см. рис. 4.18,в, где крестами и черточками внутри якоря показаны направления ЭДС, наведенных в проводниках).

В машинах мощностью от 0,3 кВт и выше обычно применяются дополнительные полюсы. Они помещаются между главными полюсами (рис. 4.1), оси их совпадают с геометрическими нейтралями машины. Их обмотка соединяется последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее н.с. действовала против н.с. обмотки якоря. Действие н.с. дополнительных полюсов ограничивается сравнительно неширокой зоной поверхности якоря, где находятся проводники замыкаемых щетками секций. Щетки при наличии дополнительных полюсов должны стоять на геометрической нейтрали.

В небольших машинах, не имеющих дополнительных полюсов, щетки нужно сдвинуть вслед за физической нейтралью: в генераторе — по вращению, в двигателе — против вращения.

В этом случае для определения влияния реакции якоря его н.с. Fa, действующую по линии щеток, заменяют двумя н.с. Fq и Fd, действующими по продольной и поперечной осям машины и в сумме равным Fa (рис. 4.20,а и б; на рис. 4.20,а стрелки показывают направления н.с.).

Поперечная н.с. Fq реакции якоря практически действует так же, как н.с. якоря Fa при положении щеток на геометрической нейтрали, т. е. искажает поле под главными полюсами и несколько уменьшает полезный поток Ф (рис. 4.20).

Читайте также:  Чем покрасить емкость для воды от ржавчины

Продольная н.с. Fd реакции якоря действует против н.с. обмотки возбуждения и, следовательно, уменьшает полезный поток Ф. При сдвиге щеток в обратную сторону от геометрической нейтрали мы получили бы продольную н. с. Fd, действующую согласно с н.с. обмотки возбуждения и, следовательно, увеличивающую полезный поток Ф.

Рис. 4.20. Разложение н.с. якоря Fа на поперечную Fq и продольную Fd н.с

Поперечная н.с. якоря, как мы видели искажает поле под главными полюсами и вместе с этим уменьшает полезный поток Ф, которым определяется ЭДС якоря Еа при данной скорости вращения. Мы можем пренебречь действием н.с. якоря вне полюсной дуги и считать, что поле под полюсами искажается вследствие действия н.с. якоря, равной на полюс bdА; здесь bd — длина полюсной дуги (обычно bd » 0,68t [см]), А/см;

, (4.11)

есть линейная нагрузка, условно показывающая нагрузку в амперах, приходящуюся на 1 см длины окружности якоря (Iа/2а — ток в проводнике обмотки).

Рассматриваемая н.с. bdА действует по обходу, включающему воздушные зазоры, зубцы якоря, пути по ярму якоря и поперек полюса. Последними двумя магнитными сопротивлениями можно пренебречь и считать, что поперечная н.с. якоря изменяет лишь магнитные напряжения воздушных зазоров и зубцов. Поэтому используется «переходная» характеристика (рис. 4.21), представляющая собой зависимость:

где Bd = Ф/ bd ld — индукция в воздушном зазоре (расчетная длина по оси

,

где lm — длина полюса; l — длина якоря за вычетом радиальных вентиляционных каналов).

Под каждой половиной полюса действует н.с. якоря 0,5bdA. Отложим 0,5bdA вправо и влево от н.с., соответствующей индукции BdE. Последняя определяется по ЭДС якоря:

. (4.13)

где U — напряжение на зажимах машины, В;

Srx — сумма сопротивлений внутренней цепи якоря, Ом;

2DUщ — падение напряжения в переходных контактах щеток, которое практически можно принять постоянным при изменении тока якоря в пределах 0,2…1,5 Iн и приближенно равным 2 В при угольных и графитных щетках.

В формуле (4.13) нужно взять знак плюс для генератора, знак минус для двигателя.

Из рисунка 4.21 видим, что поток, который при холостом ходе можно принять пропорциональным площади прямоугольника ACHF, при нагрузке уменьшается, так как теперь он будет определяться площадью криволинейного четырехугольника ABGF. Уменьшение потока под одной половиной полюса будет больше, чем увеличение потока под другой половиной полюса. При этом мы принимаем, что при холостом ходе машины индукция в воздушном зазоре по длине дуги якоря bd (практически равной длине дуги полюсного наконечника) распределена равномерно, а при нагрузке она распределена соответственно кривой BEG.

Рис. 4.21. Переходная характеристика (к определению размагничивающей н.с. Fqd обусловленной поперечной реакцией якоря)

Для того чтобы поток при нагрузке остался неизменным, необходимо н.с. обмотки возбуждения увеличить на некоторую величину Fqd, которая находится следующим образом.

Передвинем отрезок вправо настолько, чтобы заштрихованные площади были равны между собой. При этом мы получаем площадь криволинейного четырехугольника A1B1G1F1 равной площади прямоугольника ACHF. Найденная указанным способом Fqd и представляет собою ту н.с., которую должна добавочно создать обмотка возбуждения, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие поперечной н.с. якоря.

Значение нс. Fqd будет, очевидно, зависеть от насыщения машины, т. е. от положения точки Е на переходной характеристике, и от тока якоря Iа. Обе эти зависимости имеют сложный характер и не могут быть точно выражены аналитически. Если принять, что машина (как это обычно бывает) работает при насыщении, соответствующем точке E на переходной характеристике, то можно допустить, что при небольшом отклонении от этой точки, вызванном изменением Еа из-за изменения внутреннего падения напряжения, н.с Fqd зависит только от Ia. Как показывают опыт и расчеты, для машин, у которых поперечная реакция якоря резко проявляется, зависимость Fqd от Iа может быть приближенно представлена следующим уравнением:

Читайте также:  Стерилизовать банки в электродуховке

, (4.14)

где k — постоянный коэффициент;

a » 1,5…2 для тока якоря Iа = (0,6…1,5) Iн.

Величина Fqd будет относительно тем больше, чем меньше воздушный зазор машины. Действительно, при уменьшении воздушного зазора будет уменьшаться Fd и, следовательно, будет уменьшаться масштаб mа (A/мм) для н.с. на оси абсцисс (рис 4.21). Тогда отрезки и , равные 0,5bdA/ma [мм], будут увеличиваться, что приведет к возрастанию Fqd.

Для небольших машин (до 30…40 кВт) иногда при Iа=Iн отрезок получается несколько больше отрезка . В этом случае под одним краем полюсного наконечника будет иметь место «опрокидывание» поля, т.е. изменение его направления. Для машин средней и большой мощности (примерно свыше 50 кВт) воздушный зазор обычно выбирается таким образом, чтобы при номинальной нагрузке не было опрокидывания поля под одним из краев полюсного наконечника (

Физическая сущность реакции якоря. При холостом ходе магнитный поток в машине создается только магнитодвижущей силой обмотки возбуждения 1 (рис. 104). В этом случае магнитный поток возбуждения Фв, пронизывающий якорь 2, распределяется симметрично относительно продольной оси. Поток возбуждения направлен по продольной оси полюсов, поэтому магнитное поле возбуждения называют продольным (рис. 105, а).

При работе машины под нагрузкой по обмотке якоря проходит

Рис. 104. Магнитное поле машины постоянного тока в режиме холостого хода

ток, который создает свое магнитное поле. Воздействие поля якоря на магнитное поле машины называют реакцией якоря. Магнитный поток Фя, созданный током якоря, в двухполюсной машине при установке щеток на геометрической нейтрали направлен по поперечной оси машины (рис. 105,б), поэтому магнитное поле якоря называют поперечным.

В результате действия потока якоря Фя симметричное распределение магнитного поля машины искажается и результирующий поток Фрез оказывается сосредоточенным в основном у краев главных полюсов (рис. 105, в). Рис. 106 поясняет распределение магнитного поля машины вдоль окружности якоря (кривые распределения индукции).

Вредные последствия реакции якоря. 1. Физическая нейтраль б — б (линия, соединяющая точки окружности якоря, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали а — а на некоторый угол ? (см. рис. 105, в и 106, в). В генераторах физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, в двигателях — против направления вращения. Как будет показано далее, это ухудшает коммутацию машины, т. е. способствует возникновению искрения под щетками.

2. Результирующий магнитный поток машины Фрез при насыщении магнитной цепи уменьшается, т. е. уменьшается и э. д. с. E, индуцированная при нагрузке, по сравнению с э. д. с. Е при холостом ходе.

3. В кривой распределения результирующей индукции в воздушном зазоре (см. рис. 106, в) возникают пики индукции Вмах под краями главных полюсов, способствующие образованию в машине кругового огня.

Размагничивающее действие реакции якоря. Поток якоря Фя усиливает результирующий магнитный поток под одной половиной полюса и ослабляет его под другой половиной (см. рис. 105, в). Однако благодаря насыщению магнитной цепи машины увеличение потока под одной половиной полюса оказывается меньшим, чем ослабление потока под другой его половиной,

Рис. 105. Магнитное поле машины постоянного тока: а — от обмотки возбуждения; б — от обмотки якоря; в — результирующее; 1 — обмотка возбуждения; 2 — якорь

вследствие чего общий поток машины уменьшается. Это наглядно видно на магнитной характеристике магнитной цепи машины (рис. 107), на которой показаны потоки под «правой» и под «левой» половинами полюса Фпр и Флев и их приращение ?Фпр и ?Флев, обусловленные действием реакции якоря.
Поток Фпр создается совместным действием м. д. с. возбуждения FB и м. д. с. якоря Fя, направленных согласно, т. е. FB + Fя, поток Флев — действием этих м. д. с, направленных встречно, т. е. FB— Fя. Поэтому в данном случае ? Фпр

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector