Магнитное поле машины при нагрузке

При нагрузке машины обмотка якоря создает собственное магнитное поле. Поля якоря и индуктора, действующие совместно, образуют результирующее поле. Действие поля якоря на поле индуктора называется реакцией якоря. В синхронной машине реакция якоря зависит от величины и характера нагрузки генератора. В отличие от синхронной машины реакция якоря в машине постоянного тока зависит от величины тока обмотки якоря, насыщения магнитной цепи и положения щеток относительно линии геометрической нейтрали.

Под линией геометрической нейтрали понимают линию, проходящую через ось вращения якоря в радиальном направлении посередине между двумя соседними главными полюсами.

Поперечная реакция якоря. При наличии тока в обмотке возбуждения и отсутствии тока в обмотке якоря в машине существует только магнитное поле индуктора, картина которого изображена на рис. 4.8,а. Линия геометрической нейтрали 1–1 в этом случае одновременно является и линией физической нейтрали, так как индукция поля индуктора равна нулю в тех же точках на поверхности якоря, через которые проходит линия геометрической нейтрали.

При наличии тока в обмотке якоря, отсутствии тока в обмотке возбуждения и установке щеток на линии геометрической нейтрали 1-1, ось поля якоря направлена по поперечной оси индуктора и вызывает поперечную реакцию якоря (рис. 4.8,б).

Если по обмоткам возбуждения и якоря протекают токи, то существуют одновременно поле индуктора и поле якоря. Как следует из рис. 4.8,в, 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.

Под воздействием поперечной реакции якоря линия физической нейтрали поворачивается из положения 1-1 на некоторый угол в положение 2-2, которое называется линией физической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе - в обратную.

 

Рис. 4.8

 

Продольная реакция якоря. Если щетки сдвинуты с линии геометрической нейтрали на 90 эл. град. (рис. 4.8,г), то ось поля якоря направлена по продольной оси индуктора и называется полем продольной реакции якоря. Это поле в зависимости от направления тока якоря оказывает на поле индуктора намагничивающее или размагничивающее действие.

Общий случай. В случае, если щетки сдвинуты с геометрической

нейтрали на некоторый угол эл. град., в машине существуют как поперечная, так и продольная (намагничивающая или размагничивающая) составляющие реакции якоря.

Влияние реакции якоря на магнитный поток машины. Для оценки влияния реакции якоря необходимо рассмотреть распределения индукции магнитных потоков индуктора и якоря в воздушном зазоре, и на основе их провести анализ результирующего магнитного поля (рис. 4.9).

Рис.4.9

 

Распределение индукции магнитного поля индуктора (1) является симметричным относительно оси полюсов, близким к трапецеидальному. Распределение МДС обмотки якоря (2) имеет наибольшее значение на линии геометрической нейтрали, а по оси полюсов - равна нулю. Однако распределение магнитной индукции поля якоря (3) в зазоре совпадает с распределением МДС якоря лишь в пределах полюсных наконечников. В междуполюсном промежутке магнитная индукция поля якоря резко уменьшается, что объясняется большим магнитным сопротивлением.

Распределение индукции результирующего поля в воздушном зазоре получено путем суммирования распределений (1) и (3) и соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи (4). Если магнитная цепь машины насыщена, то происходит не только искажение распределения индукции результирующего поля (5), но и уменьшение по величине.

Реакция якоря в машине постоянного тока оказывает отрицательное влияние. За счет искажения магнитного поля возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами, что ухудшает условия коммутации. В случае уменьшения индукции результирующего поля ухудшаются рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у двигателей уменьшается вращающий момент.

Эффективным средством борьбы с вредным влиянием реакции якоря является применение компенсационной обмотки. Компенсационная обмотка укладывается в пазы полюсных наконечников и включается последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее МДС была противоположна по направлению МДС обмотки якоря Компенсационная обмотка равномерно распределяется по поверхности полюсных наконечников главных полюсов.

При наличии компенсационной обмотки магнитное поле машины при переходе из режима холостого хода к нагрузке остается практически неизменным.

Однако компенсационная обмотка удорожает машину и усложняет ее конструкцию, поэтому применяется в машинах большой мощности, работающих с резкими колебаниями нагрузки.

Коммутация

Процесс изменения тока в секции при переключении ее из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией и может сопровождаться искрением на коллекторе. Причины, вызывающие искрение, подразделяются на механические, потенциальные и коммутационные (электромагнитные).

К механическим причинам относятся: слабое давление щеток на коллектор, выступание изоляции над коллекторными пластинами, загрязнение коллектора, перекос щеток и т.д.

Потенциальные причины появляются при возникновении напряжения между соседними коллекторными пластинами, превышающего допустимые пределы (например, для машин средней мощности 30 35 В). Превышение указанных пределов может вызвать в машине возникновение “кругового огня” - явления опасного для машины.

Коммутационные причины искрения вызываются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секции из одной параллельной ветви в другую.

Качество коммутации, согласно ГОСТ, оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки. Установлено пять степеней искрения . Степени искрения допускаются при любых режимах работы.

В готовой машине настраивается так называемая темная коммутация (степень искрения 1), обеспечивающая отсутствие искрения на коллекторе. В процессе эксплуатации машины, по мере износа щеток, коллектора, возможно появление искрения, которое может быть значительным, опасным для машины (степень искрения 2,3). Значительное искрение ведет к подгоранию щеток и к появлению почернения на коллекторе, что способствует дальнейшему усилению искрения.