§29. Реакция якоря

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 Ф_я, 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 Ф_я симметричное распределение магнитного поля машины искажается и результирующий поток Ф_рез 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 Ф_рез при насыщении магнитной цепи уменьшается, т. е. уменьшается и э. д. с. E, индуцированная при нагрузке, по сравнению с э. д. с. Е₀ при холостом ходе.

3. В кривой распределения результирующей индукции в воздушном зазоре (см. рис. 106, в) возникают пики индукции В_мах 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 Ф_пр и Ф_лев и их приращение ?Ф_пр и ?Ф_лев, обусловленные действием реакции якоря. Поток Ф_пр создается совместным действием м. д. с. возбуждения F_B и м. д. с. якоря F_я, направленных согласно, т. е. F_B + F_я, поток Ф_лев — действием этих м. д. с, направленных встречно, т. е. F_B— F_я. Поэтому в данном случае ? Ф_пр < Ф_лев.

Рис. 106. Распределение индукции в воздушном зазоре машины постоянного тока: а — от обмотки возбуждения; б — от обмотки якоря; в — результирующее

Рис. 107. Магнитная характеристика машины постоянного тока

При холостом ходе, когда м. д. с. F_я = 0, потоки Ф_пр и Ф_лев будут равны.

Хотя уменьшение магнитного потока под действием м. д. с. якоря обычно невелико и составляет всего 1—3 %, это существенно сказывается на характеристиках генераторов постоянного тока и приводит к уменьшению э. д. с. Е машины при нагрузке по сравнению с э. д. с. Е0 при холостом ходе.

Круговой огонь на коллекторе. Круговым огнем называют мощную электрическую дугу, возникающую в некоторых случаях на коллекторе машин постоянного тока. Эта дуга замыкает накоротко всю или значительную часть обмотки якоря (рис. 108, а), вследствие чего резко возрастает ток машины. Круговой огонь является крупной аварией. Образовавшаяся дуга сильно повреждает коллекторные пластины, изоляторы щеткодержателей и изоляцию лобовых частей машины, выводя ее из строя. В тяговых двигателях дуга часто перебрасывается на ближайшие заземленные части машины — корпус и наконечник главного полюса (рис. 108, б), вызывая также тяжелые повреждения. Появление такой дуги называют вспышкой на коллекторе электрической машины.

Причинами возникновения кругового огня могут быть вытягивание дуги из-под щетки или образование дуги между соседними коллекторными пластинами из-за замыкания их осколками щеток или щеточной пылью. Однако для того, чтобы эти причины могли вызвать круговой огонь, вдоль коллектора должно действовать сильное электрическое поле.

Электрическое поле, действующее вдоль окружности коллектора, определяется напряжением между положительными и , тем интенсивнее электрическое поле в данном месте и тем больше его напряженность. Напряжение u_к между смежными коллекторными пластинами практически равно э. д. с. е_с, индуцированной в одной

Рис. 108. Образование кругового огня на коллекторе

Рис. 109. Возникновение напряжения U_к max

Рис. 110. Схема образования кругового огня при замыкании коллекторных пластин посторонними частицами: 1 — замыкание; 2 — посторонняя частица; 3 — наволакивание меди; 4 — щеточная пыль; 5 — прогоревший миканит; 6 — первичная дуга; 7 — газы и пары меди; 8 — мощная дуга

секции обмотки якоря, которая согласно закону электромагнитной индукции пропорциональна индукции в воздушном зазоре машины.

При перемещении секций 1 (рис. 109) обмотки якоря они проходят под краями полюсов, где результирующая индукция в воздушном зазоре В_рез достигает максимального значения В_mах При этом напряжение между смежными коллекторными пластинами также будет максимальным u_{K max}. Увеличение u_{K mах} свыше 36—40 В для машин большой мощности, какими являются тяговые двигатели и тяговые генераторы, недопустимо, так как это приводит к возникновению кругового огня на коллекторе. Следовательно, реакция якоря, создавая пики индукции В_maх под краями полюсов и увеличивая этим напряжение u_{K max} способствует возникновению в машине кругового огня. Чем больше ток якоря и максимальная индукция В_в по отношению к индукции В_в, тем больше неравномерность распределения индукции вдоль окружности якоря и тем больше «склонность» машины к круговому огню. По этой причине при работе тяговых двигателей в режиме ослабления возбуждения, когда индукция В_в уменьшается, а ток якоря и индукция В_в возрастают, увеличивается опасность кругового огня. То же имеет место и при боксовании, колесных пар, при этом возрастает напряжение на коллекторе двигателя, связанного с боксующей колесной парой, что приводит к увеличению напряжения u_к.

Круговой огонь на коллекторе обычно развивается из небольших дуг, возникающих между соседними коллекторными пластинами А, Б в результате замыкания их накоротко посторонней частицей 2 (угольной пылью, осколками щеток) (рис. 110, а), а у тепловозных генераторов также частицами дизельного топлива и масла, попадающими на коллектор вместе с охлаждающим воздухом. Замыканию коллекторных пластин угольной пылью способствует плохой уход за коллектором, некачественная его шлифовка, наволакивание меди 3 в верхней части пластин (медь под действием силы трения и нагрева коллектора и щеток сползает в сторону, обратную вращению якоря) (рис. 110,б) и пр. Через электропроводящие мостики, образованные этими посторонними частицами, проходит ток, и мостик сгорает; если при этом между соседними пластинами имеется достаточно большое напряжение u_к, то между ними возникает первичная дуга 6 (рис. 110, в). В результате горения первичной дуги пространство, прилегающее к коллектору, заполняется раскаленными газами и парами меди, т. е. становится ионизированным. Поэтому может легко произойти его пробой с образованием мощной электрической дуги 8, охватывающей ряд коллекторных пластин (рис. 110, г).

Сильное искрение щеток также способствует возникновению кругового огня. В этом случае резко увеличивается износ щеток, поверхность коллектора загрязняется щеточной пылью и возрастает вероятность попадания этой пыли и осколков щеток между коллекторными пластинами. Поэтому в машинах с большим значением напряжения u_к опасность появления кругового огня в значительной мере зависит от состояния коллектора. При сильном искрении может произойти вытягивание дуги из-под щетки в направлении вращения коллектора. Если такая дуга доходит до места на коллекторе, где напряжение u_к достигает 36—40 В, то она не гаснет, а продолжает гореть, вследствие чего дуги между отдельными пластинами быстро сливаются в сплошную дугу.

Устранение вредных последствий реакции якоря. «Склонность» машины к круговому огню, вызванную увеличением индукции под краями полюсных наконечников, устраняют, применяя компенсационную обмотку (рис. 111). Ею снабжают крупные машины постоянного тока, в частности генераторы тепловозов и тяговые двигатели мощных электровозов переменного и постоянного тока. Компенсационную обмотку включают таким образом, чтобы поток Ф_к, создаваемый ею, был направлен, против потока якоря Ф_я. При условии равенства м. д. с. этих обмоток F_K = F_я происходит полная компенсация поперечного потока якоря и устраняются все вызываемые им вредные последствия. Компенсационную обмотку включают последовательно с обмоткой якоря, что обеспечивает компенсацию потока якоря при любой нагрузке машины. При увеличении тока якоря возрастает поток якоря Ф_я, но одновременно увеличивается и поток компенсационной обмотки, вследствие чего результирующий поперечный поток машины Ф_п = Ф_я— Ф_к = 0.

В машинах без компенсационной обмотки для предотвращения сильного увеличения индукции под краями полюсных наконечников

Рис. 111. Схема компенсации потока якоря (а) и расположение компенсационной обмотки на главных полюсах (б): 1 — компенсационная обмотка; 2 — обмотка якоря; 3 — добавочный полюс; 4 — обмотка добавочного полюса; 5 — обмотка возбуждения: 6 — главный полюс; 7 — якорь

искусственно увеличивают магнитное сопротивление в указанных местах. Для этого делают больше воздушный зазор под краями полюсных наконечников, внутреннюю поверхность которых располагают эксцентрично относительно наружной поверхности якоря. Так как магнитный поток стремится пройти по пути с наименьшим магнитным сопротивлением, то большая часть потока полюса проходит в этом случае в якорь через среднюю часть полюса, а потоки, проходящие через края полюсных наконечников, будут минимальными.