5.4. Реакція якоря й комутація
При роботі машини без навантаження, у ній існує тільки основне магнітне поле – поле полюсів. При роботі ж машини під навантаженням, тобто коли по обмотці якоря проходить струм, у ній існують поле полюсів і поле якоря, створене струмом якоря. Накладаючи один на одного, ці поля утворять результуюче магнітне поле машини, що відрізняється від основного поля полюсів не тільки за величиною, але й за характером розподілу. Останнє пояснюється тим, що напрямки полів якоря й полів полюсів в одних місцях збігаються, від чого результуюче поле в цих місцях підсилюється, а в інших місцях не збігаються, унаслідок чого результуюче поле в цих місцях послабляється. Так, у генераторі поле підсилюється в країв полюсів, що збігають, і послабляється в країв, що набігають. В електродвигуні має місце зворотна картина: поле послабляється в країв полюсів, що збігають, і підсилюється у країв, що набігають.
Вплив поля якоря на основне поле машини називається реакцією якоря. Реакція якоря приводить до небажаних явищ, зокрема, погіршує комутацію в машинах, у генераторів змінює напругу, а в електродвигунів – момент і частоту обертання. Тому в машинах постійного струму передбачаються спеціальні міри для компенсації шкідливої дії реакції якоря.
При відсутності струму в якорі і, отже, реакції якоря (рис. 5.6, а) фізична нейтраль ФН – лінія, перпендикулярна до осі результуючого магнітного потоку, – збігається, з геометричною нейтраллю XX' – лінією, перпендикулярною до осі полюсів, яка поділяє на якорі області північного й південного полюсів.
Рис. 5.6. До пояснення реакції якоря в машині постійного струму
Рис. 5.7. Розташування додаткових полюсів
При дії реакції якоря фізична нейтраль зміщується (рис. 5.6, б) з геометричної нейтрали. У генераторів (Г) фізична нейтраль зміщується за напрямком обертання якоря, а в електродвигунів (Д) –проти напрямку обертання. У цьому випадку для нормальної роботи машини щітки треба зрушити в тім же напрямку на кут α, на який змістилася фізична нейтраль, чи небагато більший. При зсуві щіток із геометричної нейтралі потік якоря Ф0 також зміститься і не буде перпендикулярний до осі полюсів.
Тому його можна розкласти на дві складові: поперечну Фа, орієнтовану перпендикулярно до осі полюсів, і подовжню Фаq, спрямовану по осі полюсів. Вплив поперечної складової потоку якоря на основний потік машини Ф0 називається поперечною реакцією якоря, а вплив подовжньої складовий _ подовжньою реакцією якоря.
Для зменшення шкідливого впливу реакції якоря в більшості машин постійного струму замість зсуву щіток застосовують спеціальні пристрої – додаткові полюси (рис. 12.7). Вони встановлюються між основними полюсами на нейтральній лінії й створюють додатковий магнітний потік Фд, спрямований назустріч потокові якоря Фа і тим самим послаблює дію останнього. Магнітне поле якоря змінюється зі зміною навантаження машини, тому для компенсації дії поля якоря обмотку додаткових полюсів вмикають послідовно з обмоткою якоря, для того щоб по ній проходив струм якоря.
Під комутацією розуміють процес переключення секцій обмотки якоря з однієї паралельної вітки на іншу, супроводжуваний замиканням секції накоротко й зміною сили й напрямку струму в ній. Переключення відбувається під час проходження секції через нейтральну лінію.
Фізична сутність комутаційного процесу полягає в тому, що в секції обмотки, що піддається комутації, якоря унаслідок швидкої зміни струму виникають ЕРС самоіндукції та взаємоіндукції , які утворюють реактивну ЕРС. Ці ЕРС перешкоджають швидкій зміні струму і тим самим погіршують комутацію, викликаючи в момент сходу щітки з пластини колектора іскру між краєм щітки, що збігає, і пластиною колектора. Крім того, на зміну струму у короткозамкненій секції обмотки якоря впливає перехідний опір між щіткою й пластиною колектора. Для зменшення шкідливої дії комутації треба збільшувати перехідний опір і компенсувати реактивну ЕРС. Найбільше ефективно компенсація досягається шляхом встановлення додаткових полюсів.
Крім комутаційних процесів причинами іскріння на колекторі можуть бути: а) механічні дефекти; б) нерівномірний розподіл напруги на колекторі, що може досягати великих значень, особливо при перемінному навантаженні.