6.4. Реакция якоря
На холостом ходу в обмотке генератора постоянного тока индуцируется ЭДС, но тока нет, поскольку ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. При этом машина имеет только один магнитный поток — поток полюсов. Но при включении нагрузки в обмотке якоря появляется ток, который, как известно, создает свой магнитный поток, который будет накладываться на магнитный поток полюсов, т.е. будет происходить явление, которое называется реакцией якоря.
а) б) в)
Рис.6.4
На рисунке 6.4 (а) изображено магнитное поле полюсов двухполюсной (p=1) машины. Линия п - п' — это геометрическая нейтраль, перпендикулярная оси полюсов и разделяющая на якоре области северного и южного полюсов. В данном случае геометрическая нейтраль совпадает с физической нейтралью — линией, проходящей через точки окружности якоря, где магнитная индукция равна нулю. Щетки условно показаны опирающимися на якорь (хотя фактически они установлены на коллекторе). Они поставлены по геометрической нейтрали.
На рисунке 6.4 (б) изображено магнитное поле якоря. Мы видим, что ось поля якоря перпендикулярна оси поля главных полюсов, т.е. поле якоря поперечно по отношению к полю полюсов.
При нагрузке машины реакция якоря, воздействуя на основное поле, создает результирующее поле, характер которого примерно изображен на рисунке 6.4 (в). Поток в машине смещается в направлении ее вращения в режиме генератора или против направления вращения в режиме двигателя. При этом поток распределяется несимметрично по отношению к оси полюсов — ослабляется под одним краем и усиливается под другим. Поэтому в результате реакции якоря физическая нейтраль т - т' смещается по отношению к геометрической на угол β.
Реакция якоря приводит к тому, что в секциях, расположенных на геометрической нейтрали, ЭДС отлична от нуля. Следовательно, при закорачивании секций щетками могут появиться токи, порождающие искрение и подгорание коллектора и щеток. От этого нежелательного явления можно избавиться перемещением щеток по коллектору с геометрической нейтрали на физическую нейтраль, где ЭДС в секциях равна нулю. Если учесть, что положение физической нейтрали изменяется с изменением нагрузки (при возрастании нагрузки угол β возрастает), то полностью ликвидировать искрение таким способом не удастся (придется непрерывно поворачивать щетки одновременно с изменением нагрузки). На практике щетки устанавливают по наименьшему искрению при номинальной нагрузке. При работе в режиме двигателя физическая нейтраль смещается против направления вращения.
Влияние реакции якоря можно ослабить путем увеличения воздушного зазора между полюсами и якорем, но это приведет (как и в синхронной машине) к излишнему расходу меди и увеличению габаритов машины. Для ослабления реакции якоря в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы и (или) компенсационные обмотки. Компенсационная обмотка вместе с дополнительными полюсами практически полностью компенсирует реакцию якоря. Вместе с тем, компенсационная обмотка существенно удорожает машину и увеличивает в ней потери, поэтому машины постоянного тока снабжают компенсационной обмоткой лишь в случаях крайней необходимости.
Во время работы машины постоянного тока происходит непрерывное переключение секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую, при этом ток в переключенных секциях изменяет свое направление на противоположное. Так как время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если учесть то, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндукции и, возможно, искрением.
Процесс переключения секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую и все сопровождающие его явления называют процессом коммутации. Неудовлетворительная коммутация является электрической причиной искрения. Кроме электрической причины искрения существует и механическая — ухудшение контакта между коллектором и щетками. Необходимым условием долговечности машины постоянного тока является отсутствие искрения под щетками, поскольку искры быстро разрушают пластины коллектора и щетки.
Рис.6.5
Рассмотрим подробнее
процесс коммутации на примере обмотки
с двумя параллельными ветвями. Перед
началом коммутации, когда щетка
соприкасается только с коллекторной
пластиной 1 (рис. 6.5, а), ток нагрузки Iя
протекает от пластины 1 до точки а,
где разветвляется в две параллельные
ветви. Как только правый край щетки
коснется пластины 2, начнется процесс
коммутации, который будет продолжаться
до тех пор, пока левый край щетки не
сойдет с пластины 1, при этом в течение
всего периода коммутации выделенная
нами секция будет замкнута накоротко
щеткой (рис. 6.5, б). Так как за все время
коммутации значение и направление токов
в проводах 2 и 3 не изменится, то по мере
перехода щетки с коллекторной пластины
1 на пластину 2 ток под набегающим краем
будет увеличиваться, а под сбегающим —
уменьшаться, распределяясь обратно
пропорционально площади соприкосновения.
При этом плотность тока везде будет
постоянной. Но так было бы при очень
медленном движении щетки. На самом же
деле период коммутации длится лишь
тысячные доли секунды и за это время
ток в выделенной секции (провода 1—4)
изменяется от +
- до нуля и от нуля до −
.
Поскольку секция имеет большую
индуктивность, то под действием ЭДС
самоиндукции в ней появится дополнительный
ток, направление которого (по правилу
Ленца) совпадет с убывающим током в
секции. Этот дополнительный ток сильно
увеличит плотность тока под сбегающим
краем щетки, и в момент схождения щетки
с пластины 1 между этой пластиной и
щеткой произойдет искрение. Теперь,
когда щетка касается только пластины
2 (рис.6.5, в), выделенная нами секция 1-4
оказалась в левой параллельной ветви
и ток в ней изменил свое направление на
противоположное. После этого начнется
коммутация следующей секции, т.е. под
щеткой снова будет наблюдаться искрение.
Мы рассмотрели коммутацию под щеткой одной полярности. В таких же условиях находится и щетка другой полярности, где направление токов в проводниках будет противоположным. Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока осуществляется, главным образом, с помощью дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы действуют следующим образом. ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значения тока нагрузки. Если в этот момент каким-либо дополнительным полем создать в коммутируемой секции ЭДС, равную по величине и противоположную по направлению, то дополнительный ток при этом может быть скомпенсирован. Для создания этого дополнительного поля на геометрической нейтрали размещают дополнительные полюсы, обмотки которых включают последовательно в цепь нагрузки (рис. 6.6). Поле дополнительных полюсов индуцирует в коммутируемых секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки и компенсирующую ЭДС самоиндукции в этих секциях. При этом поле дополнительных полюсов ослабляет также и влияние реакции якоря.
У генераторов за главным полюсом по направлению его вращения размещают дополнительный полюс противоположной полярности, а у двигателей — такой же полярности. Полярность дополнительных полюсов сохраняется и при переходе машины из режима работы генератора в режим двигателя, поскольку направление тока изменяется на противоположное.
Рис.6.6