Что такое реакция якоря и как она влияет на работу генератора
Что такое реакция якоря и как она влияет на работу генератора
В результате смещения часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и нейтралью окажется под полюсом противоположной полярности и будет создавать тормозной момент.
Изменение нагрузки машины будет приводить к изменению тока якоря и соответствующему усилению или ослаблению его магнитного поля. Поэтому угол будет изменяться с нагрузкой.
Помимо смещения нейтрали реакция якоря уменьшает общий магнитный поток за счет того, что поле под главными полюсами искажается. Под одним краем полюса оно ослабляется, а под другим усиливается, но усиление поля в результате насыщения края полюса оказывается меньше ослабления и результирующий магнитный поток уменьшается, что отрицательно сказывается на энергетических показателях машины.
Наиболее эффективным средством уменьшения влияния реакции якоря является компенсационная обмотка. Она укладывается в специальные пазы главных полюсов и включается последовательно в цепь якоря. Магнитное поле компенсационной обмотки направлено встречно и, как следует из ее названия, компенсирует магнитное поле якоря. Ток компенсационной обмотки равен току якоря, поэтому компенсация происходит при всех режимах от холостого хода до полной нагрузки. В результате поле машины под главными полюсами остается практически неизменным. Однако в межполюсном простанстве часть МДС якоря остается не скомпенсированной и оказывает отрицательное влияние на работу щеточно-коллекторного узла. Компенсация реакции якоря в этой области осуществляется применением добавочных полюсов. Компенсационные обмотки сильно усложняют и удорожают машину, поэтому они используются только в специальных двигателях средней и большой мощности.
Другим способом компенсации является увеличение зазора между краями главных полюсов и якорем. Для сохранения потока при увеличении зазора требуется увеличение МДС обмотки возбуждения. Это приводит к увеличению полюсов, катушек и в целом к ухудшению массогабаритных показателей. Увеличение зазора используют в машинах малой и средней мощности.
Реакция якоря в генераторах постоянного тока и способы её устранения
При работе генератора в режиме холостого хода в магнитной системе генератора имеется только одно магнитное поле – поле индуктора от тока в ОВ (рис. 4.9). В параллельных ветвях ОЯ возникают лишь ЭДС, которые уравновешивают друг друга.
 |
Рис. 4.9. Магнитное поле генератора постоянного тока в режиме холостого хода
Щетки расположены на нейтральной линии ab, поэтому искрения на коллекторе нет, так как в секциях, коммутируемых щетками, ЭДС равны нулю.
Если к генератору подключить нагрузку, то электрическую схему можно будет представить так, как изображено на рис. 4.10, а магнитное поле генератора постоянного тока в режиме нагрузки – как на рис. 4.11.
Рис. 4.10. Электрическая схема генератора постоянного тока в режиме нагрузки
 |
Рис. 4.11. Магнитное поле генератора постоянного тока в режиме нагрузки
Ось магнитного поля якоря перпендикулярна к оси магнитного поля индуктора.
У набегающего края каждого полюса магнитные силовые линии поля якоря имеют направление, противоположное направлению магнитных силовых линий индуктора – ослабляют его – а у сбегающего края – одинаковое направление – усиливают поле индуктора.
Результирующее поле можно рассматривать, как исходное, искаженное в результате воздействия на него поля якоря.
Воздействие поля якоря на магнитное поле индуктора называется реакцией якоря в генераторе постоянного тока.
С увеличением Iа искажение поля увеличивается, магнитные силовые линии результирующего поля еще больше отклоняются от направления, перпендикулярного к нейтральной оси ab (угол α увеличивается) (рис. 4.12). Поэтому искрение под щетками увеличивается.
Рис. 4.12. Искажение основного магнитного поля машины постоянного тока магнитным полем реакции якоря
Если щетки переместить с геометрической нейтрали ab (ГН) на физическую нейтраль (ФН) 
, то искрение прекратится, так как щетки будут замыкать секции обмотки якоря в тот момент, когда эти секции не пересекают магнитные силовые линии.
Но этот способ борьбы с искрением не универсален, так как с изменением нагрузки положение щеток надо все время изменять.
Кроме этого: со сдвигом щеток на новую нейтраль появляется размагничивающая составляющая у поля якоря, которая ослабляет поле индуктора, следовательно уменьшает ЭДС.
Для устранения искрения щеток при любой нагрузке служат добавочные полюсы, расположенные на нейтрали (ab) (рис. 4.13).
Своим противоположным полем они размагничивают магнитное поле якоря и устраняют причину искажения магнитного поля индуктора.
Чтобы размагничивание происходило автоматически в соответствии с нагрузкой генератора, обмотка добавочных полюсов включается последовательно с внешней цепью.
Добавочные полюсы не устраняют создаваемое реакцией якоря неравномерное распределение индукции под главными полюсами и уменьшение полезного тока.
Рис. 4.13. Устранение влияния магнитного поля реакции якоря с помощью добавочных полюсов
В крупных электрических машинах, а также в электрических машинах, работающих в тяжелых условиях, сильное местное повышение индукции под главными полюсами может вызвать перекрытие изоляционного промежутка между пластинами коллектора, а затем и круговой огонь.
Необходимо полностью компенсировать реакцию якоря. Для этого делаются специальные компенсационные обмотки, которые размещаются в пазах, сделанных в несколько расширенных полюсных наконечниках главных полюсов (рис. 4.14).
 |
Рис. 4.14. Компенсационная обмотка
Компенсационные обмотки соединяются последовательно с якорем, таким образом, что каждый из её стержней как бы образует с находящимися под ним стержнем обмотки якоря бифилярную систему, магнитное поле у которой почти отсутствует. Однако компенсационные обмотки – дорогие, увеличиваются и потери в них.
Реакция якоря и ее влияние на работу машин постоянного тока
Смещение магнитного поля генератора. Под реакцией якоря понимают явление воздействия магнитного поля, создаваемого током якоря, на магнитное поле главных полюсов.
При холостом ходе генератора магнитное поле машины образовано только главными полюсами (рис. 1.10, а). Оно симметрично относительно оси полюсов и его ось совпадает с осью полюсов. Когда генератор работает с нагрузкой, по обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное поле (рис. 1.10.б), называемое полем якоря. Ось магнитного поля якоря совпадает с линией, соединяющей щетки, т.е. с геометрической нейтралью, и перпендикулярна оси главных полюсов. При вращении якоря распределение тока в проводниках якоря остается неизменным и поле якоря — неподвижным в пространстве. Индукция этого поля пропорциональна току в якоре.
При работе генератора с нагрузкой поле якоря накладывается на поле полюсов. В генераторе создаётся результирующее поле (рис 1.10, В), повернутое по направлению вращения якоря на некоторый угол у относительно поля главных полюсов. Физическая нейтральная линия оказывается повернутой на тот же угол 
относительно геометрической нейтральной линии. При изменении нагрузки индукция поля якоря изменяется, изменяется и угол .
Результаты смещения магнитного поля. Смещение физической нейтральной линии вызывает нежелательные последствия, приводящие к ухудшению работы генератора: Ø уменьшается ЭДС, так как щетки оказываются установленными в точках, между которыми разность потенциалов не максимальная;
Ø переключение проводников обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую происходит не на физической нейтрали, а на геометрической, где расположены щетки и где результирующее поле В′≠ 0, что, как будет показано в следующем параграфе, приводит к искрению щеток и обгоранию коллекторных пластин;
Ø индукция магнитного поля под полюсами распределяется неравномерно; под краем полюса, на который якорь набегает, она уменьшается, а под краем полюса, с которого сбегает, – увеличивается (штриховая линия на рис. 1.7) настолько, что может создаться насыщение сбегающего края полюса и зубцов якоря. В результате появится продольная размагничивающая составляющая поля якоря, направленная против поля главных полюсов, что также приведет к уменьшению ЭДС якоря. Кроме того, в части проводников, находящихся в зоне магнитного насыщения, наводится значительная ЭДС, которая может вызвать пробой изоляции между соседними коллекторными пластинами и повышенное искрение на коллекторе.
Смещение магнитного поля двигателя. У двигателя постоянного тока при том же направлении тока в якоре направление вращения якоря по сравнению с генератором противоположное (штриховая стрелка на рис. 1.10, в), а картина распределения полей одинаковая. Результирующее поле и физическая нейтральная линия оказываются повернутыми на угол против направления вращения якоря.
Это приводит к нежелательным последствиям: уменьшается вращающий момент двигателя, так как часть проводников параллельной ветви, расположенных между щеткой и физической нейтралью, будет находиться в зоне полюса противоположной полярности – эта часть проводников будет создавать тормозной момент.
Как и у генератора, возможно искрение щеток и обгорание коллектора, а также появление 
продольного размагничивающего поля.
Способы уменьшения влияния реакции якоря. Наиболее действенным и распространенным средством уменьшения влияния реакции якоря на работу машины является применение дополнительных полюсов. Дополнительные полюсы устанавливаются на геометрической нейтральной линии между главными полюсами (рис. 1.11).
Их обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и намотана так, что ее магнитное поле направлено против магнитного поля якоря. В зоне геометрической нейтральной линии создаются условия, благоприятные для безыскровой работы щеток (более подробно этот вопрос рассмотрен в следующем параграфе). Дополнительные полюсы выполняют свои функции во всех режимах работы машины: при изменении нагрузки одновременно изменяются ток и поле якоря, ток и поле дополнительных, полюсов; при переходе машины в режим двигателя одновременно изменяется направление токаи поля якоря и направление тока и поля дополнительных полюсов.
Для выравнивания индукции под полюсами в быстроходных машинах большой мощности (свыше 80 кВт на один полюс) применяют компенсационную обмотку, которую закладывают в специальные пазы в полюсных наконечниках (рис. 1.12).
Компенсационная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и обмоткой дополнительных полюсов. Магнитное поле компенсационной обмотки всегда направлено навстречу магнитному полю якоря и таким образом оно компенсирует поле якоря в зоне главных полюсов.
В машинах малой мощности (до нескольких сотен ватт) вместо дополнительных полюсов применяют сдвиг щеток с геометрической нейтральной линии. При этом, как будет показано в § 1.7, создаются условия, уменьшающие искрение щеток из-за влияния реакции якоря.
Реакция якоря и ее виды
Явление реакции якоря
Поля якоря и индуктора, действующие совместно, образуют результирующее поле, характер которого на основании рисунка 1, а и б показан на рисунке 2. Полярность полюсов и направлений токов якоря на этом рисунке соответствуют случаю, когда в режиме генератора (Г) якорь вращается по часовой стрелке, а в режиме двигателя (Д) – против часовой стрелки.
Из рисунка 2 видно, что под влиянием поля якоря результирующее поле машины изменяется. Это явление называется реакцией якоря.
Поперечная реакция якоря
При установке щеток на геометрической нейтрали 1 – 1 (рисунок 1, б) поле якоря направлено поперек оси полюсов, и в этом случае оно называется полем поперечной реакции якоря.
Рисунок 1. Магнитное поле индуктора (а) и якоря (б)
Как следует из рисунка 2, поперечная реакция якоря вызывает ослабление поля под одним краем полюса и его усиление под другим, вследствие чего ось результирующего поля поворачивается в генераторе по направлению вращения якоря, а в двигателе – в обратную сторону. Если условно, как это иногда делается, рассматривать линии магнитной индукции в качестве упругих нитей, то возникновение электромагнитного момента можно рассматривать как результат действия упругих сил этих нитей, стремящихся сократиться и повернуть якорь. Из рисунка 2 видно, что при такой трактовке явлений направления действия моментов совпадают с реальными как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
Под воздействием поперечной реакции якоря нейтральная линия на поверхности якоря, на которой Bδ = 0, поворачивается из положения геометрической нейтрали 1 – 1 на на некоторый угол β в положение 2 – 2 (рисунок 2), которое называется линией физической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе – в обратную сторону.
Из рисунка 1, б следует, что при вращении якоря в проводниках, показанных в левой части рисунка 1, б, поле поперечной реакции якоря индуктирует э. д. с. одного направления, а в правой – другого. В результате этого при установке щеток на геометрической нейтрали суммарная э. д. с. от поля реакции якоря в каждой параллельной ветви обмотки и на щетках равна нулю.
относительно геометрической нейтральной линии. При изменении нагрузки индукция поля якоря изменяется, изменяется и угол 
Их обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и намотана так, что ее магнитное поле направлено против магнитного поля якоря. В зоне геометрической нейтральной линии создаются условия, благоприятные для безыскровой работы щеток (более подробно этот вопрос рассмотрен в следующем параграфе). Дополнительные полюсы выполняют свои функции во всех режимах работы машины: при изменении нагрузки одновременно изменяются ток и поле якоря, ток и поле дополнительных, полюсов; при переходе машины в режим двигателя одновременно изменяется направление токаи поля якоря и направление тока и поля дополнительных полюсов.