Воздействие магнитного поля якоря на основное магнитное поле полюсов называют реакцией якоря.

На рисунке 41, а изображено магнитное поле полюсов машины при холостом ходе. При этом ось поля совпадает с осью полюсов.

На рисунке 41, б показано магнитное поле якоря нагруженного генератора. Магнитное поле полюсов на этом рисунке не изображено. Якорь представляет собой электромагнит, в котором обмоткой возбуждения служит обмотка

Рис. 41. Реакция якоря:

а - магнитное поле полюсов при холостом ходе, б - магнитное поле якоря, в - результирующее магнитное поле машины при нагр>зке

якоря. Ось магнитного поля якоря всегда совпадает с линией установки щеток, так как щетки являются точками токораздела обмотки якоря.

На рисунке 41, в показано результирующее магнитное поле машины при нагрузке. Как видно из рисунка, направления магнитного поля полюсов и якоря под сбегающими краями полюсов совпадают, а под набегающими не совпадают. Вследствие этого результирующее магнитное поле под сбегающими краями полюсов усилено, а под набегающими ослаблено.

Ось результирующего магнитного поля окажется расположенной под некоторым углом f> к оси полюсов.

Если теперь провести линию через две точки на окружности якоря, где магнитная индукция равна пулю, то

получим так называемую физическую нейтраль, которая повернута по отношению к геометрической нейтрали на угол р, у генераторов по направлению вращения якоря, а у двигателей против направления вращения.

Таким образом, следствием реакции якоря является смещение нейтрали с линии геометрической нейтрали, искажение и уменьшение магнитного поля машины. Уменьшение магнитного поля машины происходит потому, что ослабление магнитного поля под набегающими краями полюсов не полностью компенсируется усилением его под сбегающими краями полюсов вследствие насыщения стали магнитной цепи.

Так как во избежание искрения под щетками их нужно устанавливать на нейтрали, то при сдвиге физической нейтрали на угол р1 необходимо повернуть щетки на такой же угол и в ту же сторону, куда сдвигается нейтраль.

Величина магнитного поля якоря зависит от силы тока в нем; с ростом тока нагрузки магнитное поле якоря увеличивается, со снижением уменьшается.

Угол сдвига физической нейтрали р1 также изменяется. При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геометрической, и чем больше ток нагрузки, тем на больший угол р* сдвигается физическая нейтраль. Поэтому положение щеток на коллекторе определяется нагрузкой машины. Чем больше нагрузка машины, тем на больший угол от геометрической нейтрали нужно сдвигать щетки.

Практически положение щеток на коллекторе определяется степенью искрения под ними.

Щетки считаются установленными на физической нейтрали, когда искрение под ними наименьшее.

§ 2. Влияние реакции якоря на работу машины постоянного тока

Вследствие реакции якоря физическая нейтраль сдвигается на угол р* от линии геометрической нейтрали, поэтому, чтобы предотвратить искрение под щетками у генератора, их нужно сдвинуть на такой же угол по направлению вращения якоря, а у двигателя против направления вращения. Но при перемещении щеток перемещается и ось поля якоря, так как ось поля якоря всегда направлена по линии установки щеток.

Изобразим вектором FH м. д. с. якоря машины постоянного тока и разложим этот вектор на две составляющие - горизонтальную FHq и вертикальную Fad (рис. 42). Вертикальная составляющая Fnd, называемая

продольной, направлена против магнитного поля полюсов, т. е. она ослабляет магнитное поле полюсов, а горизонтальная составляющая, называемая поперечной, способствует искривлению магнитного поля машины.

Итак, вследствие ре-

акции якоря ослабляет- Рис. 42. Разложение м. д. с. якоря ся и искажается маг- на две составляющие,

нитпое поле полюсов.

Рассмотрим магнитную индукцию в воздушном зазоре машины при .нагрузке. Условимся направление вектора

Рис. 43. Распределение магнитной индукции в воздушном зазоре вследствие действия реакции якоря.

магнитной индукции рисовать совпадающим с направлением магнитных силовых линий.

На рисунке 43 представлена кривая Ввоя распределения магнитной индукции главных полюсов.

Если принять направление вращения якоря по часовой стрелке, то направление тока в проводах обмотки якоря будет следующее: под северным полюсом - от нас, под южным - к нам.

Для упрощения предположим, что щетки стоят на геометрической нейтрали, и рассмотрим картину магнитного поля вокруг проводов обмотки якоря. По мере удаления от середины полюса магнитное поле якоря увеличивается (рис. 43). Кривая Вак показывает распределение магнитной индукции поля якоря в воздушном зазоре.

Для получения кривой Z?pe3 результирующего значения магнитной индукции в воздушном зазоре сложим ординаты кривых Впол и Бяк.

Как видно из рисунка 43, результирующее значение магнитной индукции несимметрично относительно оси полюсов, слева от оси полюса магнитная индукция значительно ослаблена, а справа усилена. Такое неравномерное распределение магнитной индукции может привести к образованию кругового огня на коллекторе, так как в секциях обмотки, попадающих в поле с большим значением магнитной индукции, индуктируется повышенная э.д. с, что может привести к перекрытию изоляции между коллекторными пластинами и появлению кругового огня на коллекторе. Особенно опасно резкое изменение нагрузки, так как в этом случае к э. д. с, индуктируемой в секции магнитным полем полюсов, добавляется еще и э. д. с. самоиндукции.

В результате искажения магнитного поля полюсов магнитпое поле машины несколько ослабляется, так как усиление его в правой части полюса всегда меньше, чем ослабление его в левой части из-за насыщения стали полюсов.

Вопросы для самопроверки

1. В чем заключается процесс реакции якоря?

2. Что такое физическая нейтраль?

3. Какое действие оказывает реакция якоря на работу машины?

4. Как распределяется магнитная индукция в воздушном зазоре вследствие реакции якоря?

5. Что такое круговой огонь на коллекторе и каковы причины его появления?

Глава V

КОММУТАЦИЯ

§ 1. Сущность процесса коммутации

При вращении якоря щетки машины при переходе с одной коллекторной пластины на другую замыкают на короткий промежуток времени секции, соединенные с этими коллекторными пластинами. При этом происходит процесс переключения этих секций из одной параллельной ветви обмотки якоря в другую.

- Ill

\2i

\2ig

Рпс. 44. Изменение тока в короткозамкнутой секции за период коммутации, если в ней сумма э. д. с. равна нулю:

а - положение секции до начала коммутации, б - положение секции в середине периода коммутации, в - положение секции в конце периода коммутации.

Процесс переключения секций из одной параллельной ветви в другую и все явления, возникающие в коротко-замкнутых секциях при этом, называются коммутацией.

Рассмотрим явления, происходящие в короткозамкнутой секции при переходе щетки с одной коллекторной пластины на другую, если э. д. с. в этой секции равна нулю.

На рисунке 44, а показано положение щетки на первой коллекторной пластине. Ток в одной параллельной ветви обозначим через iB. Тогда к щетке подходит ток 2 гя, так как от коллекторной пластины отходят две параллельные ветви.

Если щетка стоит на двух коллекторных пластинах так, что изоляционная прослойка между ними приходится

посредине щетки, то ток в короткозамкнутой секции равен нулю (рис. 44, б). Если щетка перейдет на вторую коллекторную пластину, то ток в секции, замыкавшейся накоротко щеткой, изменит свое направление на противоположное (рис. 44, в). Таким образом, за время коммутации ток в короткозамкнутой секции меняет свое направление и величину от +гя до -гя.

При изменении тока в короткозамкнутой секции происходит изменение магнитного потока вокруг проводов секции, вследствие этого в витках этой секции индуктируется э. д. с. самоиндукции, а при изменении тока и магнитного потока в соседних витках в ней индуктируется

вие пересечения этими витками магнитного поля полюсов, называют коммутирующей э.д.с. и обозначают через ек.

Допустим, что сумма э. д. с. в короткозамкнутой секции равна нулю. Пренебрегаем сопротивлением секции и соединительных проводников между секцией и коллекторными пластинами. Ширину щетки примем равной ширине коллекторной пластины. Сопротивления переходных контактов между щеткой и коллекторными пластинами обозначим через гг и г2 (рис. 45, а). Но эти сопротивления обратно пропорциональны площадям соприкосновения щетки с коллекторными пластинами соответственно Fx и F2:

э. д. с. взаимной индукции, если ширина щетки больше ширины коллекторной пластины.

а - ток в короткозамкнутой секции; б - график изменения тока в короткозамкнутой секции.

Рис. 45. Прямолинейная коммутация:

Результирующую э. д. с. самоиндукции и взаимоиндукции называют реактивной э. д. с. и обозначают через ер. По правилу Ленца, реактивная э. д. с. противодействует изменению тока в короткозамкнутой секции. Э. д. с, индуктируемую в витках обмотки якоря вследст-

Площади соприкосновения щетки с коллекторными пластинами пропорциональны времени t, прошедшему с начала коммутации

Fx = t, a f9==T - t,

где Т - период коммутации, т. е. время, в течение кото- рого щетка перейдет со второй коллекторной пластины на первую.

Токи ix и £2 обратно пропорциональны сопротивлениям

Гл И Г„

l-± = -s- - 1 =

fj t

17 -Т=т;

но ток

i2 ~-- ia -j- i, a . ,

тогда

ia + i~ T-t

Решая это уравнение относительно i, получим

i = ia-у-(а), (30)

где i - ток в коротковаыкнутой секции в любой момент времени (а); Т - период коммутации (сек);

t - время, прошедшее с начала коммутации (сек); гя - величина тока в одной параллельной ветви (а). Формула (30) представляет собой уравнение прямой линии. Подставив разные значения t в это уравнение и получив соответствующие значения тока i, построим график изменения тока в короткозамкнутой секции за период коммутации (рис. 45, б).

Зависимость тока i от времени t

Так как ток i изменяется ив уравнению прямой линии, то такую коммутацию называют прямолинейной! Плотность тока под щетками при прямолинейной коммутации везде одинакова, искрения под щетками не наблюдается.

iSon

t О

, V , . v V

1 J L 1 ~*~ I is. i у.

а о

Рис. 46. Криволинейная коммутация: а - замедленная; б - ускоренная.

Таким образом, хорошая коммутация будет в том случае, если сумма э. д. с. в короткозамкнутой секции равна нулю, т. е.

ер + ек = 0. (31)

Но в действительности добиться такого положения, чтобы сумма э. д. с. в короткозамкнутой секции была равна нулю, очень трудно.

Если сумма э. д. с. в короткозамкнутой секции не равна нулю, то коммутация будет криволинейной.

Если реактивная э. д. с. ер больше коммутирующей ек, то процесс изменения тока в короткозамкнутой секции замедляется, и такую коммутацию называют замедленной (рис. 46, а).

В тот момент, когда половина щетки стоит на первой, а вторая половина щетки на второй коллекторной пластине, ток в короткозамкнутой секции не равен нулю, в ней проходит ток £доб, определяемый величиной суммарной э. д. с. и сопротивлением короткозамкнутой цепи. Так как добавочный ток £доб, складываясь с током ia, приводит к повышению плотности тока под сбегающим краем щетки, то под щеткой появляется искрение. Под набегающим краем щетки уменьшается плотность тока, так как ток £доб вычитается из тока £я.

Если коммутирующая э. д. с. ек больше реактивной ер, то коммутация ускоренная (рис. 46, б). В этом случае появление добавочного тока £доб вызывает искрение под набегающим краем щетки.

§ 2. Способы улучшения коммутации

Самой лучшей коммутацией считается прямолинейная, при которой ток £ДОб равен нулю.

Так как величина добавочного тока гдоб зависит от величины э. д. с. в коммутируемой секции и от сопротивления переходного контакта между щеткой и коллекторными пластинами

доб

(32)

то улучшать коммутацию можно, увеличивая сопротивление щеток или уменьшая э. д. с. в коммутируемой секции до нуля. Увеличение сопротивления щеток для улучшения коммутации может быть применено только в машинах малой мощности, так как при больших значениях тока якоря повышение сопротивления щеток приведет к перегреву щеток и коллектора и к увеличению потерь в машине.

Для улучшения коммутации стремятся уменьшить сумму э. д. с. до нуля.

Чтобы добиться равенства ер -f- ек - 0, нужно в зоне коммутации создать магнитное поле, которое индуктировало бы в коммутируемой секции коммутирующую э. д. с. ек, равную по величине реактивной э. д. с. ер и противоположную ей по знаку. Это может быть достигнуто сдвигом щеток с физической нейтрали по направлению вращения якоря у генераторов и против направления

вращения якоря у двигателей. При вращении якоря генератора по часовой стрелке в проводах обмотки якоря, находящихся под северным полюсом, э. д. с. и ток направлены от нас (+) (рис. 47). В проводах коммутируемой секции, находящихся на физической нейтрали, коммутирующая э. д. с. ек равна нулю, а реактивная ev имеет такой же знак, который имела коммутирующая э. д. с. в проводах, находящихся под северным полюсом. Это объясняется тем, что реактивная э. д. с. препятствует изменению тока в коммутируемой секции, который при коммутации сначала уменьшается, а затем увеличивается в противоположном направлении, поэтому реактивная э. д. с.

Рис. 47, Улучшение коммутации сдвигом щеток с физической

нейтрали.

направлена в ту же сторону, что и ток в коммутируемой секции до начала коммутации. Но нам необходимо добиться создания коммутирующей э. д. с. е„ в коммутируемой секции, равной и противоположной по знаку реактивной э. д. с. ер. Для этого нужно сдвинуть щетки с физической нейтрали по направлению вращения якоря генератора, т. е. поместить коммутируемую секцию в магнитное поле противоположной полярности, под южный полюс.

Однако равенство ер = - ек достигается только при какой-то определенной нагрузке, так как при изменении нагрузки физическая нейтраль смещается и это равенство нарушается. Поэтому при каждом изменении нагрузки для того, чтобы коммутация была безыскровой, нужно передвигать щетки, что практически трудно осуществить.