Поле машины постоянного тока при нагрузке

При нагрузке в якоре машины протекает ток и результирующее поле в воздушном зазоре искажается в результате наложения поля якоря на поле возбуждения (рис. 5.27, а —в). Магнитный поток и его пространственное распределение при нагрузке определяются МДС обмоток возбуждения и якоря.

Влияние МДС якоря на поле машины называется реакцией якоря. Если щетки установлены на геометрической нейтрали, реакция якоря поперечная — ось поля якоря совпадает с поперечной осью машины (см. рис. 5.27, 6).

Поперечная реакция якоря искажает поле, которое было при холостом ходе. При этом смещается на угол Р физиче.

Рис. 5.27. Картины поля при холостом ходе (а), отсутствии тока в обмотке возбуждения (б) и при наложении полей возбуждения и якоря (в) ская нейтраль — линия, перпендикулярная силовым линиям поля или соединяющая точки на якоре машины, где В₈ = 0 (см. рис. 5.27, в). При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геометрической. В генераторном режиме физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря. В режиме работы двигателем ток в якоре меняет свое направление на обратное и физическая нейтраль смещается в сторону, противоположную вращению якоря.

В генераторном режиме под набегающим краем полюса поле ослабляется, а под сбегающим — усиливается. В режиме двигателя — обратная картина: под набегающим краем полюса поле усиливается, под сбегающим — ослабляется.

Из-за насыщения ослабление поля проявляется сильнее, чем усиление, поэтому поперечная реакция якоря не только.

Рис. 5.28. Поле реакции якоря.

искажает поле, но и уменьшает результирующий поток при нагрузке по сравнению с потоком при холостом ходе.

Чтобы определить уменьшение поля при нагрузке за счет влияния поперечной реакции якоря, рассмотрим поле реакции якоря в зоне между главными полюсами. Индукция в зазоре при холостом ходе распределена согласно кривой 1 (рис. 5.28). Магнитодвижущая сила обмотки якоря в зазоре имеет треугольное распределение 2 и проходит через нуль посередине главных полюсов. Из-за большого различия воздушных зазоров по продольной и поперечной осям машины кривая индукции поля 3 якоря отличается от МДС обмотки якоря.

Рис. 5.29. Реакция якоря искажает поле машины, а в насыщенной машине — уменьшает поле На рис. 5.29 показаны кривые индукции в зазоре от тока обмотки возбуждения 1 и тока обмотки якоря 2 при нагрузке. Кривая индукции в зазоре при нагрузке является результатом сложения кривых 1 и 2. В ненасыщенной машине уменьшение поля под одним краем полюса компенсируется увеличением поля под другим (кривая^). По в насыщенной машине при сложении полей увеличение поля происходит на меньшее значение, чем его уменьшение при вычитании полей (кривая 4). Таким образом, поперечная реакция якоря уменьшает результирующий ноток на размер заштрихованной площади на рис. 5.29.

Размагничивающее действие поперечной реакции якоря влияет на характеристики машины, и это необходимо учитывать при проектировании и анализе работы машин постоянного тока.

Количественный учет размагничивающего действия поперечной реакции якоря осуществляется графоаналитическим путем. Для определения продольной составляющей поперечной реакции якоря F_{q (}[ построим частичную или, как.

Рис. 530. К количественному определению размагничивающего действия реакции якоря ее иногда называют, переходную характеристику В₆ = = f (F& + F_z ⁺ F_fl), т. е. зависимость индукции в воздушном зазоре от МДС воздушного зазора и зубцов на один полюс (рис. 5.30). Ноток поперечной реакции якоря в воздушном зазоре и зубцах совпадает или направлен встречно с потоком возбуждения и оказывает значительное влияние на результирующее по;

ле, а в полюсах и ярме якоря имеет место продольно-поперечное намагничивание, когда влияние потока реакции якоря ослаблено. Следует иметь в виду, что F_s + F_z + F_a при расчете магнитной цепи машины составляет 7(Н80% Y.F и эти составляющие следует учитывать в первую очередь при расчетах.

Найдя по В_6тт на переходной характеристике рабочую точку D, отложим от нее по прямой в обе стороны отрезки 0,5Ь_ЬЛ, где А — линейная нагрузка, т. е. ток на единицу длины окружности якоря:

Здесь Ь_& — полюсное перекрытие (полюсная дуга).

Таким образом, Ь_ЪА характеризует МДС поперечной реакции якоря. При этом считают, что токи якоря, протекающие в витках, расположенных между главными полюсами, не создают поток поперечной реакции якоря, так как в этой зоне имеется большой воздушный зазор.

Треугольник BCD характеризует размагничивающее действие, а треугольник DEG — подмагничивающее действие поперечной реакции якоря. Площадь треугольника BCD больше площади треугольника DEC. Чтобы найти продольную составляющую поперечной реакции якоря F_qd, характеризующую размагничивающее действие поперечной реакции якоря, сдвигают вправо треугольники BCD и DEG до тех пор, пока площади новых треугольников B’C’D и DE’G' (рис. 5.31) не станут равными. В этом случае площади прямоугольника ACGF, характеризующего поток при холостом ходе, и фигуры A’B’DEF', характеризующей поток.

Рис. 531. К определению продольной составляющей поперечной реакции якоря F_qd

при нагрузке, будут одинаковы ми. Магнитодвижущая сила F_qd зависит от насыщения и тока в якоре. Аналитическое определение F_qd громоздко и даст не меньшие погрешности по сравнению с графоаналитическим способом, который применяется при практических расчетах.

Чтобы скомпенсировать влияние поперечной реакции якоря, надо к МДС обмотки возбуждения, рассчитанной при холостом ходе по выражению (5.19), добавить F_qd и тогда МД С обмотки возбуждения будет равна.

Поперечная реакция якоря зависит от воздушного зазора. Чем больше зазор, тем меньше F_qj, так как при большем зазоре стальные участки на вид переходной характеристики влияют слабее. Площади треугольников BCD и DEG близки друг к другу при переходной характеристике, близкой к линейной (см. рис. 5.30). Поэтому для уменьшения iv лучше выбирать большой воздушный зазор, однако при большом зазоре увеличивается ZF, а следовательно, и объем, и масса меди катушки возбуждения. Оптимальный воздушный зазор в машинах постоянного тока в 5—10 раз больше зазора, который необходим из механических условий.

Для компенсации поперечной реакции якоря можно использовать последовательную обмотку возбуждения с МДС, примерно равной F_{q (}j. Такая обмотка, применяемая в двигателях постоянного тока, называется стабилизирующей обмоткой.

При больших линейных нагрузках под частью полюса, где потоки возбуждения и реакции якоря направлены навстречу друг другу, может произойти не только значительное изменение индукции, но и изменение направления поля — так называемое опрокидывание поля. На рис. 5.32 показано это состояние машины. Заштрихованная площадь треугольника BCD характеризует опрокидывание поля.

Рис. 532. Опрокидывание поля в воздушном зазоре При опрокидывании поля в генераторном режиме происходит резкое падение напряжения, так как в части витков параллельной ветви машины ЭДС имеют разные знаки и вычитаются. В двигательном режиме опрокидывание поля приводит к уменьшению электромагнитного момента и останову двигателя. Как в генераторном, так и двигательном режиме опрокидывание поля является аварийным режимом, поскольку может сопровождаться нарушением комму тации и возникновением кру;

Рис. 5.33. Компенсация поперечной реакции якоря.

гового огня на коллекторе — перекрытием электрической дугой коллектора и замыканием щеток.

Поперечную реакцию якоря можно скомпенсировать, применив компенсационную обмотку (см. рис. 5.12). Компенсационная обмотка расположена в пазах наконечников главных полюсов (рис. 5.33). Поле поперечной реакции якоря неподвижно относительно полюсов. Поэтому, располагая в пазах на статоре обмотку, МДС которой направлена встречно с МДС обмотки якоря, можно скомпенсировать поле реакции якоря.

Для компенсации поля поперечной реакции якоря в переходных и установившихся режимах компенсационная обмотка включается последовательно с обмоткой якоря и МДС компенсационной обмотки примерно равна МДС поперечной реакции якоря, т.с. объемы меди компенсационной обмотки и обмотки якоря примерно одинаковы.

При проектировании в машинах постоянного тока до мощности 30-^60 кВт поперечная реакция якоря компенсируется стабилизирующей обмоткой, а в машинах мощностью выше 50-^60 кВт и в машинах с тяжелыми условиями коммутации выполняется компенсационная обмотка.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали в машинах постоянного тока появляется продольная реакция якоря. Если подключить щетки к источнику постоянного напряжения и поворачивать их относительно геометрической нейтрали, МДС обмотки якоря будет складываться или вычитаться с МДС обмотки возбуждения (рис. 5.34).

Рис. 534. К вопросу возникновения реакции якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали.

я коря с кл ад ы вается с МДС обмотки возбуждения или вычитается из нее.

Смещать щетки с геометрической нейтрали можно на одну-две коллекторные пластины. При больших сдвигах ухудшается коммутация. При этих условиях продольную реакцию якоря можно определить из выражения При повороте щеток генератора в направлении вращения и щеток двигателя против направления вращения возникает размагничивающая продольная реакция якоря. При сдвиге щеток в обратном направлении возникает подмагничивающая продольная реакция якоря. Таким образом, в зависимости от направления сдвига щеток МДС продольной реакции.

где с ~ 0,4(т — Ь_ь).

Нетрудно видеть, что т — — расстояние между главны ми полюсами. Результирующая реакция якоря.

Обычно щетки устанавливаются так, чтобы продольная реакция якоря складывалась с МДС обмотки возбуждения. Сдвиг щеток в другую сторону приводит к ухудшению коммутации.