6.4. Эдс якоря и электромагнитный момент машины постоянного тока

При вращении якоря в магнитном поле в его обмотке наводится эдс. Она осуществляет связь между электрической и механической системами, т.е. между отдачей энергии машиной и ее потреблением. В генераторном режиме под действием эдс во внешней цепи протекает ток. В двигательном режиме противоэдс уравновешивает большую часть приложенного напряжения сети.

Э дс обмотки якоря рассчитывают по закону электромагнитной индукции. При этом для одного проводника среднее значение эдс определяется выражением

, (6.7)

где – окружная скорость якоря:

. (6.8)

Выражение (6.7) с учетом (6.8) примет вид

, (6.9)

где – поток на полюс (полезный поток).

Обмотка в общем случае состоит из активных проводников и содержит параллельных ветвей, т.е. в каждой параллельной ветви последовательно соединено проводников (рис. 6.19). Эдс обмотки якоря при этом равна

, (6.10)

где – конструктивная постоянная для машины данного исполнения.

Если считать, что частота вращения , то (6.10) будет

, (6.11)

где .

Электромагнитный момент определяют на основе закона электромагнитного взаимодействия магнитного поля и проводника с током. Для одного проводника на поверхности якоря электромагнитная сила равна

, (6.12)

где – ток во внешней цепи по отношению к якорю.

. (6.13)

Если на полюсном делении проводников (рис. 6.19), то суммарный электромагнитный момент с учетом (6.8), (6.9) и (6.12) определяется выражением

. (6.14)

Выражения (6.11) и (6.14) используют в теории электропривода. Они справедливы как для генератора, так и для двигателя. В генераторном режиме ток в обмотке якоря совпадает по направлению с эдс, а момент является тормозным. В двигательном режиме эдс направлена встречно относительно тока в обмотке якоря, а момент является вращающим.

Электромагнитную мощность можно представить как

, (6.15)

где – угловая скорость идеального холостого хода.

Зубцы пазов, в которые уложена обмотка якоря, снижают магнитное поле в них. При этом уменьшаются электромагнитные силы, которые действуют непосредственно на проводники с током, а силы, приложенные к зубцам, возрастают [19].

6.5. Реакция якоря машины постоянного тока

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].

Н а 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.

Н а 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 , называется физической 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].