§ 127. Реакция якоря. Коммутация. Добавочные полюсы

При работе генератора вхолостую в зависимости от типа генератора ток якоря очень мал или равен нулю. В этом случае магнитное поле, создаваемое обмоткой полюсов (обмоткой возбуждения) для двухполюсного генератора, имеет вид, представленный на рис. 299, а.

Рис. 299. Реакция якоря генератора постоянного тока

Линия проведенная через середину полюсных наконечников, называемся осью полюсов. Ось магнитного поля совпадает с осью полюсов.

Линия, перпендикулярная оси магнитного поля, - физическая нейтраль - в данном случае совпадает с геометрической нейтралью (линией а-б).

При работе генератора на внешнюю сеть по обмотке якоря машины будет протекать ток, создающий свое магнитное поле - поле якоря (рис. 299, б). Наложение двух магнитных полей - поля полюсов и поля якоря - приводит к образованию результирующего магнитного поля. На рис. 299, в показана картина результирующего магнитного поля генератора. Действие магнитного поля якоря на поле полюсов называется реакцией якоря.

Поле якоря, действуя на магнитное поле полюсов, приводит:

к размагничиванию набегающего края полюса, где направления магнитных линий полей полюса и якоря противоположны, и к подмагничиванию сбегающего края полюса, где магнитные линии полей полюса и якоря направлены в одну сторону. При небольшой величине магнитной индукции в сердечнике полюса размагничивание одной половины полюса происходит настолько же, насколько подмагничивается другая половина. При большой величине индукции вследствие магнитного насыщения ослабление магнитного потока у одной половины полюса не компенсируется усилением его у другой половины, в результате чего магнитный поток генератора уменьшается и напряжение машины падает;

к искажению поля машины и смещению физической нейтрали в сторону вращения генератора (положения а' и б' на рис. 299, в). Величина угла смещения физической нейтрали зависит от величины магнитного поля якоря, которая в свою очередь зависит от тока в обмотке якоря, т. е. от нагрузки генератора;

к необходимости сдвига щеток в сторону вращения якоря во избежание сильного искрообразования. Для того чтобы при непрерывном изменении нагрузки генератора не передвигать все время щетки, применяют специальные дополнительные полюсы, действие которых будет нами разобрано ниже.

При вращении якоря генератора проводники обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую. Это происходит в тот момент, когда секции обмотки, минуя один полюс, пересекают физическую нейтраль и входят в зону действия соседнего разноименного полюса. Направление индуктированной в секции э.д.с. меняется на обратное (рис. 300, а, б, в). Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной цепи в другую и связанные с ним явления называются коммутацией. В течение некоторого времени (периода коммутации) в коммутируемой секции ток меняет свое направление на обратное. Как известно, каждое изменение тока в проводнике приводит к возникновению в проводнике э.д.с. самоиндукции. По правилу Ленца, э.д.с. самоиндукции стремится задержать изменение тока в секции обмотки, вследствие чего процесс коммутации затягивается. Величина э.д.с. самоиндукции зависит от индуктивности коммутируемой секции и скорости изменения тока в ней:

Рис. 300. Коммутация тока в секции

Процесс коммутации, протекающий в машинах постоянного тока, очень сложен, поэтому рассмотрим его в упрощенном виде.

В положении б на рис. 300 коммутируемая секция, находясь в зоне коммутации, проходит нейтральную линию и поэтому э.д.с. в ней должна быть равна нулю. При этом щетка накоротко замыкает секцию, но так как э.д.с. в секции отсутствует, то добавочный ток также равен нулю. На самом деле за счет э.д.с. самоиндукции e_L и э.д.с. взаимоиндукции е_м(е_р = e_L + е_м) в коммутирующей секции будет проходить добавочный ток. Величина этого тока, если пренебречь сопротивлением самой секции, будет

где r_щ - сопротивление щетки.

Неодинаковая плотность тока в различных местах щетки приведет к искрению между щеткой и коллектором.

Уменьшить величину добавочного тока можно путем создания добавочной э.д.с. е_д в коммутирующей секции, которая была бы равна и противоположна э.д.с. самоиндукции. В этом случае

Для этого в зоне коммутации, т. е. на нейтральной линии, устанавливают добавочные полюсы.

Чтобы компенсировать изменяющуюся с нагрузкой реактивную э.д.с. самоиндукции, необходимо, чтобы магнитное поле добавочных полюсов изменялось пропорционально нагрузке генератора. Для этой цели обмотка добавочных полюсов включается последовательно с обмоткой якоря.

На рис. 301 дана схема включения обмоток добавочных полюсов у генераторов постоянного тока.

Рис. 301. Добавочные полюсы и схема включения обмоток добавочных полюсов

Одной из причин искрения щеток является плохая коммутация, но искрение щеток могут вызвать и другие причины, как, например, плохое состояние поверхности коллектора, загрязнение коллектора и щеток, вибрация машины, перегрузка генератора.

Для генераторов, работающих с резко изменяющейся нагрузкой (подъемники, краны, прокатные станы), применяют иногда компенсационную обмотку, закладываемую в пазы, специально сделанные в полюсных наконечниках. Направление тока компенсационной обмотки должно быть противоположно току в проводниках обмотки якоря. На дуге, охватываемой полюсным наконечником, магнитное поле компенсационной обмотки будет уравновешивать поле реакции якоря, не допуская искажения поля машины. Компенсационная обмотка, так же как обмотка дополнительных полюсов, включается последовательно с обмоткой якоря. На рис. 302 показано размещение компенсационной обмотки в полюсных наконечниках.

Рис. 302. Схема размещения компенсационной обмотки в полюсных наконечниках