§ 33. Реакция якоря и коммутация тока
Реакция якоря.
При нагрузке генератора в обмотке якоря появляется ток, в результате чего сердечник якоря намагничивается и становится источником дополнительного магнитного потока - потока якоря Фя. Поток якоря накладывается на поток основных полюсов Ф, в результате чего изменяется результирующее поле и появляется ряд нежелательных явлений, ухудшающих работу электрической машины.
Влияние магнитного потока якоря на поток основных полюсов при нагрузке называют реакцией якоря. Для уяснения действия реакции якоря воспользуемся методом наложения. На рис. 146, а изображено магнитное поле в генераторе при отключенной нагрузке, когда по обмотке якоря ток не проходит. Перпендикулярно потоку основных полюсов через ось якоря проходит геометрическая нейтраль ГН, на которой установлены щетки. Направление магнитных линий поля якоря (рис. 146, б) легко определить по правилу буравчика. При указанном направлении вращения якоря токи в активных проводах обмотки, расположенных выше нейтрали ГН, направлены за плоскость чертежа, а ниже нейтрали в противоположную сторону.
Рис. 146. Магнитные поля полюсов (а), якоря (б) и результирующее магнитное поле (в)
Ось магнитного поля якоря перпендикулярна оси поля основных полюсов. На рис. 146, в представлена картина совмещенного поля, когда ток имеется в обмотках возбуждения и якоря.
Поясним распределение магнитной индукции результирующего поля под полюсными наконечниками. В данном случае область под набегающими краями полюсов (см. рис. 146, а и б) расположена под левым краем северного и правым краем южного полюсных наконечников. Магнитные линии основных полюсов и якоря направлены в разные стороны, поэтому здесь ослабляется результирующее поле, т. е. снижается магнитная индукция. 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 увеличивается.
Таким образом, магнитная индукция результирующего поля оказывается перераспределенной, а ось результирующего потока — повернутой относительно оси полюсов у— у на угол β (рис. 146, е). На этот же угол повернется и нейтральная плоскость, которую в данном случае называют физической нейтралью ФН. В результате 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 снижается его значение. Под набегающими краями полюсов магнитный поток Ф основных полюсов уменьшается полем якоря на ΔФ1, а под сбегающими краями полюсов этот же поток увеличивается на ΔФ2. Так как магнитная цепь машины достаточно насыщена, то сбегающие края полюсов подмагничиваются незначительно и ΔФ2 < ΔФ1. Поэтому результирующий магнитный поток Фрез: Ф -— ΔФ1+ΔФ2 < 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. 147) создают поток Фдп, равный потоку якоря Фя и направленный навстречу ему. 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 1. С увеличением нагрузки (т. е. с уменьшением сопротивления) поток якоря Фя увеличивается, а с уменьшением нагрузки — уменьшается. Таким же образом должен изменяться и поток дополнительных полюсов Фд1. Такая автоматическая компенсация потоков Фк и Фдп осуществляется благодаря последовательному соединению обмотки дополнительных полюсов и обмотки якоря, а также тщательному расчету магнитной цепи машины.
В двигателях постоянного тока в результате реакции якоря результирующий магнитный поток и физическая нейтраль смещаются в направлении, противоположном вращению якоря. Поэтому при том же направлении вращения якоря дополнительные полюсы двигателя должны иметь полярность, противоположную полярности дополнительных полюсов генератора.
Внутреннее сопротивление генератора складывается из сопротивления обмотки якоря и обмотки дополнительных полюсов. Чтобы снизить внутреннее падение напряжения, необходимо снизить внутреннее сопротивление генератора. Поэтому обмотки якоря и дополнительных полюсов имеют малое сопротивление.