§ 3. Реакция якоря
В машине постоянного тока, кроме главных, устанавливаются дополнительные полюсы. Чтобы понять назначение и действие этих полюсов, необходимо изучить явление реакции якоря, возникающее в генераторах и электродвигателях постоянного тока.
При нагрузке генератора в обмотке якоря появляется ток. Сердечник якоря намагничивается и становится источником дополнительного магнитного потока — потока якоря Фя. Поток якоря накладывается на поток основных полюсов Ф. В результате изменяется результирующее поле, появляется ряд нежелательных явлений, ухудшающих работу электрической машины. Влияние магнитного потока якоря на поток полюсов при нагрузке называется реакцией якоря. Для уяснения действия реакции якоря воспользуемся методом наложения.
На рис. 8, а изображено магнитное поле в генераторе при отключенной нагрузке, когда по обмотке якоря ток не проходит. Перпендикулярно к потоку основных полюсов через ось якоря проходит геометрическая нейтраль ГН, на которой установлены щетки. На рис. 8, б отдельно представлено поле якоря. Направление магнитных линий этого поля легко определить по правилу буравчика. При указанном направлении вращения якоря токи в активных проводах обмотки, расположенных выше нейтрали ГН, направлены от наблюдателя за плоскость чертежа, а ниже нейтрали — в противоположную сторону. Из рис. 8, б видно, что ось магнитного поля якоря перпендикулярна к оси поля основных полюсов. На рис. 8, в представлена картина совмещенного поля, когда имеется ток в обмотке возбуждения и в обмотке якоря.
Поясним распределение магнитной индукции результирующего поля под полюсным наконечником. Сначала рассмотрим область под набегающими краями полюсов (см. рис. 8, а и б). В данном случае она расположена под левым краем северного и правым краем южного полюсных наконечников.
Рис. 8. Магнитное поле полюсов
В этой области магнитные линии основных полюсов и намагниченного якоря направлены в разные стороны, поэтому здесь происходит ослабление результирующего поля, т. е. снижение магнитной индукции. В противоположной части, т. е. под сбегающими краями полюсных наконечников, магнитные линии основных полюсов и якоря имеют одинаковое направление. Поэтому магнитная индукция поля в этой области, наоборот, увеличивается.
Рис. 9. Дополнительные полюсы генератора
Таким образом, магнитная индукция результирующего поля оказывается перераспределенной, а ось результирующего потока повернутой относительно оси полюсов у — у на угол β (см. рис. 8, в). На этот же угол повернется и нейтральная плоскость, которую в данном случае называют физической нейтралью ФН. Ниже будет показано, что такое смещение нейтральной плоскости ухудшает процесс, называемый коммутацией. В результате этого между щетками и вращающимся коллектором усиливается искрение, нагреваются и преждевременно выходят из строя щетки.
Под действием реакции якоря не только меняется направление результирующего магнитного потока, но и уменьшается его значение. Последнее можно объяснить следующим образом. Под набегающими краями полюсов магнитный поток Ф основных полюсов уменьшается полем якоря на величину ΔΦ1. Под сбегающими краями полюсов этот же поток увеличивается на ΔΦ2. Так как магнитная цепь машины достаточно насыщена, то сбегающие края полюсов подмагничиваются незначительно и ΔΦ2<ΔΦ1. Поэтому результирующий магнитный поток Фрез — ΔΦ1 + ΔΦ2 < Ф. Уменьшение магнитного потока снижает э. д. с. и напряжение генераторов постоянного тока, ухудшает работу подключенных к ним приемников энергии. Для уменьшения размагничивающего действия якоря на нейтральной плоскости устанавливают дополнительные полюсы.
Дополнительные полюсы (рис. 9) создают поток Фдп, равный по значению потоку якоря Фя, но направленный ему навстречу. При этих условиях потоки Фдп и Фя уравновешивают друг друга, и в машине действует только магнитный поток Ф основных полюсов.
Магнитный поток якоря зависит от тока якоря, равного току нагрузки I. С увеличением нагрузки поток Фя якоря возрастает, а с уменьшением нагрузки снижается. Таким же образом должен изменяться и поток Фдп дополнительных полюсов. Такая автоматическая компенсация потоков Фя и Фдп осуществляется благодаря последовательному соединению обмотки дополнительных полюсов и обмотки якоря, тщательному расчету магнитной цепи машины.
В двигателях постоянного тока в результате реакции якоря происходит смещение результирующего магнитного потока и физической нейтрали в направлении, противоположном вращению якоря. Поэтому при том же направлении вращения якоря дополнительные полюсы двигателя должны иметь полярность, противоположную полярности дополнительных полюсов генератора. Из рис. 9 видно, что внутреннее сопротивление генератора складывается из сопротивления обмотки якоря и обмотки дополнительных полюсов. Чтобы снизить внутреннее падение напряжения, необходимо уменьшить внутреннее сопротивление генератора. Поэтому обмотки якоря и дополнительных полюсов имеют очень малое сопротивление.
§ 4. Коммутация тока
В процессе вращения якоря каждая секция его обмотки включается то в одну, то в другую параллельную ветвь. Переключение происходит тогда, когда стороны секции находятся на нейтрали машины.
Совокупность всех явлений, имеющих место при переключении секции из одной параллельной ветви обмотки в другую, называется коммутацией, а время, в течение которого происходит этот процесс,— периодом коммутации.
Сущность коммутационного процесса в упрощенном виде поясним при помощи рис. 10. На них показаны секции I, II и III обмотки якоря, часть пластин коллектора и щетка 1Д, к которой от приемника энергии поступает ток I. До коммутации первой секции (рис. 10, а) щетка Щ касается пластины I коллектора. Ток I из внешней цепи, пройдя щетку и первую коллекторную пластину, разветвляется. Одна половина его I/2 идет в верхнюю ветвь обмотки (по секциям I, III и другим), а другая — в нижнюю ветвь обмотки (по секции II и другим).
После окончания процесса коммутации первой секции (рис. 10, в) щетка Щ касается второй пластины коллектора. Ток I по-прежнему делится на две равные части. Однако в секции I, которая переключалась в нижнюю параллельную ветвь, ток 1/2 изменил направление. На рис. 10, а он направлен против вращения часовой стрелки, а на рис. 10, в— по ходу вращения этой стрелки. Следовательно, за время, равное периоду коммутации, ток в секции изменяется с 1/2 до — 12. На рис. 10, б показано положение щетки Щ в середине периода коммутации. Изоляционная прослойка между коллекторными пластинами 1 и 2 находится посередине щетки, ток внешней цепи I делится между параллельными ветвями обмотки поровну, секция I замкнута щеткой Щ накоротко.
Изменение тока в короткозамкнутой секции от 1/2 до —1/2 приводит к появлению в ней э. д. с. самоиндукции ер, называемой в данном случае реактивной э. д. с. Направление реактивной э. д. с. согласно правилу Ленца совпадает с направлением тока 1/2 в рассматриваемой секции I до начала коммутации. Под действием реактивной э. д. с. ер в короткозамкнутой секции (см. рис. 10, б) возникает добавочный ток ίκ, который складывается с основным током под сбегающим краем щеток и вычитается под набегающим.
Увеличенная плотность тока под сбегающим краем щетки вызывает перегрев его и искрение, что может привести к порче коллектора, щеток и машины в целом. Особенно опасен для машины круговой огонь по коллектору. Это мощная электрическая дуга между разноименными щетками, возникающая при большом значении реактивной э. д. с. ер.
Рис. 1. Простейший генератор постоянного тока
Рис. 2. Временные диаграммы э. д. с., напряжения и тока генератора
Рис. 4. Статор машины постоянного тока
Рис. 5. Якорь машины постоянного тока
Рис. 10. Положение секции в процессе коммутации
Чтобы улучшить коммутацию тока, нужно устранить или ограничить добавочный ток коммутации
— сопротивление цепи, по которой проходит ток iк.
В этом случае ток 1 будет проходить равномерно по всей поверхности щетки, и искрение на коллекторе прекратится. Для улучшения коммутации применяют следующие способы.
- Щетки сдвигают с нейтрали таким образом, чтобы э.д.с. ер, возникающая в короткозамкнутой секции от внешнего поля, была равна э. д. с. ер, но направлена ей навстречу.
Тогда
Для этого в генераторах щетки следует сдвигать за геометрическую нейтраль по направлению вращения якоря, а в двигателях — против вращения якоря. Этот способ можно применить только при постоянной нагрузке, когда физическая нейтраль занимает определенное положение.
- В машинах устанавливают дополнительные полюсы, которые, как и щетки, располагают по линии геометрической нейтрали. Магнитное поле добавочных полюсов не только компенсирует поле якоря, но и наводит э. д. с. в короткозамкнутой секции обмотки якоря. Благодаря последовательному соединению обмотки якоря и обмотки дополнительных полюсов увеличение нагрузки приводит к автоматическому возрастанию э. д. с. ер и ек, компенсирующих одна другую. В настоящее время все машины постоянного тока снабжают дополнительными полюсами.
- Увеличивают переходное сопротивление rк за счет применения щеток соответствующих марок. На величину rк оказывает влияние давление на щетку, скорость по окружности коллектора, состояние коллектора и щеток.