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.

Рисунок 3. Поле продольной реакции якоря

Продольная реакция якоря

Если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на 90° эл. (рисунок 3), то поле якоря вдоль оси полюсов и называется полем продольной реакции якоря. Это поле в зависимости от направления тока в якоре оказывает на поле полюсов намагничивающее или размагничивающее действие, и в результате его взаимодействия с полем полюсов электромагнитный момент не возникает. Индуктируемая при вращении якоря э. д. с. на щетках будет в этом случае также равна нулю.

Общий случай реакции якоря

Источник

Реакция якоря в машинах постоянного тока

Магнитный поток в машине постоянного тока создается всеми ее обмотками, по которым протекает ток. В режиме холостого хода по обмотке якоря генератора ток не протекает, а по обмотке якоря двигателя протекает ток холостого хода, небольшой по значению. Поэтому в машине существует только основной магнитный поток Ф0, создаваемый обмоткой возбуждения полюсов и симметричный относительно их осевой линии (рис. 1, а).

На рис. 1, а (коллектор не показан) щетки расположены рядом с проводниками обмотки якоря, от которых идут отпайки к тем коллекторным пластинам, с которыми в данный момент соединены щетки. Такое положение щеток называется положением на геометрической нейтрали, т. е. на линии, проходящей через центр якоря и проводники обмотки, в которых индуцируемая основным магнитным потоком э. д. с. равна нулю. Геометрическая нейтраль перпендикулярна осевой линии полюсов.

Когда к обмотке якоря генератора присоединена нагрузка Rn или когда на вал двигателя действует тормозной момент, по обмотке протекает ток якоря 1Я, который создает магнитный поток якоря Фя (рис. 1, б). Магнитный поток якоря направлен по линии, на которой расположены щетки. Если щетки расположены на геометрической нейтрали, то поток якоря направлен перпендикулярно основному магнитному потоку и поэтому называется поперечным магнитным потоком.

Рис. 1. Магнитные потоки в машине постоянного тока: а — магнитный поток полюсов; б — магнитный поток обмотки якоря; в — результирующий магнитный поток

Влияние магнитного потока якоря на основной магнитный поток называется реакцией якоря. В генераторе постоянного тока под «сбегающим» краем полюса магнитные потоки складываются, под «набегающим» — вычитаются. У двигателя — наоборот. Таким образом под одним краем полюса результирующий магнитный поток Ф увеличивается по сравнению с основным магнитным потоком, под другим краем полюса — уменьшается. В результате он становится несимметричным по отношению к осевой линии полюсов (рис. 1, в).

Физическая нейтраль — линия, проходящая через центр якоря и проводники обмотки якоря, в которых индуцируемая результирующим магнитным потоком э. д. с. равна нулю, поворачивается на угол а по отношению к геометрической нейтрали (в сторону опережения у генераторов, в сторону отставания — у двигателей). При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геометрической.

В результате реакции якоря магнитная индукция в зазоре машины становится еще более неравномерной. В проводниках якоря, находящихся в точках повышенной магнитной индукции, индуцируется большая э. д. с, что приводит к увеличению разности потенциалов между соседними пластинами коллектора и к возникновению искрения на коллекторе. Иногда электрическая дуга перекрывает весь коллектор, образуя «круговой огонь».

Кроме того, реакция якоря приводит к уменьшению э. д. с. якоря, если машина работает в области, близкой к насыщению. Это связано с тем, что когда основной магнитный поток Ф0 создает насыщенное состояние магнитопровода, то увеличение магнитного потока на +ΔФ под одним краем полюса будет меньшим, чем уменьшение на —ΔФ под другим (рис. 2). Это приводит к уменьшению суммарного потока полюса и э. д. с. якоря, так как

Отрицательное влияние реакции якоря можно уменьшить, сдвигая щетки на физическую нейтраль. При этом поток якоря поворачивается на угол α и встречный поток под набегающим краем полюса генератора уменьшается. Сдвиг щеток осуществляют у генератора по направлению вращения якоря, а у двигателя — против направления вращения якоря. Угол α меняется с изменением тока якоря Iя. На практике щетки обычно устанавливают на угол, соответствующий средней нагрузке.

В машинах средней и большой мощностей применяют компенсационную обмотку, расположенную в пазах главных полюсов и включаемую последовательно с обмоткой якоря так, чтобы ее магнитный поток Фк был противоположен магнитному потоку Фя. Если при этом Фк = Фя, то магнитный поток в воздушном зазоре из-за реакции якоря практически не искажается.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Что делает поперечная реакция якоря с магнитным полем машины

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.

Источник

3.3. Магнитное поле и параметры обмотки якоря

При наличии тока в обмотке якоря синхронной машины возникает магнитное поле, действие которого на магнитное поле обмотки возбуждения называется реакцией якоря.

Индуктор (ротор) явнополюсной машины имеет магнитную несимметрию вследствие большого магнитного сопротивления междуполюсного промежутка (поперечная ось q). Кроме того, ротор синхронной машины (как явнополюсной, так и неявнополюсной) имеет и электрическую несимметрию, так как ось обмотки возбуждения каждого полюса расположена только по продольной осиd.

Ввиду наличия магнитной несимметрии у явнополюсного индуктора возникает необходимость рассматривать действие реакции якоря по продольной и поперечной осям в отдельности. Метод такого рассмотрения называется методом или теорией двух реакций. При этом предполагается, что магнитные потоки, действующие по поперечной оси, не влияют на значение потоков, действующих по продольной оси, и наоборот.

3.3.1. Продольная и поперечная реакции якоря

Рассмотрим действие реакции якоря синхронного генератора при установившейся симметричной нагрузке (рис.3.5 – 3.7). Обмотка якоря изображена в виде упрощенной трехфазной обмотки, как при рассмотрении вращающегося магнитного поля асинхронной машины. Каждая фаза представляет собой виток с полным шагом (A — X, B — Y, C — Z).

Полярность поля обмотки возбуждения обозначена буквами N, Sа силовые линии этого поля не изображены.

Синхронные генераторы обычно работают на смешанную нагрузку (активно-индуктивную или активно-емкостную). Для выяснения влияния реакции якоря на работу синхронного генератора рассмотрим случаи его работы при нагрузках предельного характера: активного, индуктивного, емкостного.

Активная нагрузка. Для положения, которое занимает вращающийся ротор, ЭДС фазыАмаксимальна. Так как угол, то ток фазыАтакже максимален, а в остальных фазах(рис.3.5).

Направления ЭДС и токов нетрудно установить по правилу правой руки и обозначить крестиками и точками. При этих направлениях токов ось магнитного поля реакции якоря направлена по поперечной оси q. Направление поля реакции якоря для угла сохраняется для любого положения вращающегося ротора, т.к. ротор и поле реакции якоря вращаются синхронно.

Индуктивная нагрузка. В случае индуктивной нагрузки угол между ЭДС обмотки якоря и токомравен 90 эл. град. (рис.3.6).

Это означает, что максимум тока в фазе А наступит по сравнению с предыдущим случаем на четверть периода позднее, когда ротор повернется на по часовой стрелке. При отстающем токе реакция якоря действует по продольной оси и по отношению к полю обмотки возбуждения является размагничивающей (продольная размагничивающая реакция якоря).

Емкостная нагрузка. В случае емкостной нагрузки угол сдвига  между ЭДС обмотки якоря и токомравен –90 эл. град. (рис.3.7). Это означает, что максимум тока в фазеA наступит по сравнению со случаем рис.3.5 на четверть периода раньше. При опережающем токе реакция якоря действует по продольной оси и по отношению к полю обмотки возбуждения является намагничивающей (продольная намагничивающая реакция якоря).

При смешанной нагрузке, когда иток можно разложить на две составляющие (рис.3.8),где— продольная и поперечная составляющие тока якоря.

Источник

Влияние реакции якоря на магнитный поток машины

Намагничивающая сила поперечной реакции якоря

Рассмотрим вопросы количественного учета влияния реакции якоря на магнитный поток машины. При этом для простоты примем следующие допущения: 1) якорь не имеет пазов, однако влияние пазов на магнитное сопротивление зазора учитывается введением в рассмотрение эквивалентного воздушного зазора δ’ = k_δ × δ ; 2) проводники якоря распределены равномерно по окружности якоря. Получаемые при этом результаты достаточно точны для практических целей.

На рисунке 1, а изображена машина в развернутом виде на протяжении двойного полюсного деления, причем щетки установлены на геометрической нейтрали. Характер возникающего поля поперечной реакции якоря также показан на рисунке. Величины, относящиеся к поперечной реакции якоря, будем обозначать индексами aq, а к продольной реакции – индексами ad.

к линии магнитной индукции, пересекающей зазор в пределах полюсного наконечника на расстоянии x от центра полюса, и предположим сначала, что в стальных участках магнитной цепи μ_с = ∞ и поэтому в стали H = 0. Можно принять также, что вдоль магнитной линии в воздушном зазоре H_aqx = const. Тогда вместо указанного интегрального соотношения получим

где A_a – линейная нагрузка якоря.

Это соотношение можно представить в виде

представляет собой магнитную проводимость зазора на единицу площади, а

– намагничивающую силу поперечной реакции якоря в точке с координатой x.

На основании соотношения (3) можно построить зависимость F_aqx = f(x), причем надо учесть, что при изменении направления тока в проводниках якоря A_a меняет знак (рисунок 1, б). Максимальное значение F_aqx достигается на линии геометрической нейтрали:

а возле края полюсного наконечника

Размагничивающее действие поперечной реакции якоря

При λ_x = const кривая индукции B_aqx повторяла бы кривую F_aqx. Однако в междуполюсном пространстве λ_x уменьшается, и B_aqx = f(x) принимает форму кривой 1 на рисунке 1, в. На этом же рисунке кривая 2 представляет собой распределение индукции поля возбуждения в зазоре. Кривая индукции результирующего поля 3 получается при отсутствии насыщения путем сложения ординат кривых 1 и 2. В действительности в следствие насыщения магнитной цепи результирующая индукция на тех участках, где поля складываются, будет меньше арифметической суммы ординат кривых 1 и 2, а на участках где поля вычитаются, – больше арифметической разности ординат кривых 1 и 2. Поэтому с учетом насыщения кривая индукции результирующего поля примет вид штриховой кривой 4.

При отсутствии насыщения поперечная реакция якоря вызывает лишь искажение кривой поля в зазоре, однако поток одного полюса остается неизменным. Но при наличии насыщения уменьшение потока на том краю полюса, где поля вычитаются, будет больше, чем увеличение на том краю полюса, где поля складываются. Это объясняется тем, что насыщение сильнее там, где сильнее результирующее поле.

Вследствие этого под влиянием насыщения поперечная реакция якоря всегда вызывает некоторое уменьшение потока полюсов, и в этом смысле говорят, что поперечная реакция якоря действует размагничивающим образом.

Следует отметить, что в некоторых случаях в машинах мощностью 30 – 40 кВт при номинальной нагрузке, а также в других машинах в таких режимах работы, когда поток возбуждения ослаблен, под воздействием реакции якоря возможно изменение направления («опрокидывание») поля под одним краем полюса. При P_н > 50 кВт значение δ обычно выбирают таким, чтобы при номинальной нагрузке не происходило «опрокидывания» поля. С этой же целью в мощных машинах зазор под краями полюсных наконечников делают больше, чем под центром полюса. Это приводит также к улучшению условий коммутации сложных обмоток, так как распределение индукции поля возбуждения приближается к синусоидальному и электродвижущая сила от высших гармоник поля, которые могут вызвать большие разности напряжений между соседними коллекторными пластинами многоходовых петлевых обмоток, уменьшается.

Количественный учет влияния поперечной реакции якоря

Насыщение полюсных наконечников и тела якоря невелико, и поэтому при количественном учете влияния поперечной реакции якоря достаточно учесть лишь насыщение зубцов. Для такого учета по данным расчета магнитной цепи при холостом ходе строят так называемую переходную магнитную характеристику машины (рисунок 2), представляющую собой зависимость индукции в воздушном зазоре B_δ при холостом ходе от суммы намагничивающих сил зазора и зубцов: F_δz = F_δ + F_z.

Пусть при холостом ходе B_δ определяется ординатой аб на рисунке 2. Тогда намагничивающая сила воздушного зазора и зубцового слоя F_δz, создаваемая обмоткой возбуждения, будет равна абсциссе 0а. Согласно изложенному выше (смотрите рисунок 1), при нагрузке по центральной осевой линии полюсного наконечника (координата x = 0 на рисунке 1) действует такая же намагничивающая сила, однако в других точках воздушного зазора будет действовать намагничивающая сила

Если отложить на рисунке 2 от точки а вправо и влево намагничивающую силу F_aqb, вычисленную по формуле (5), то действующая в разных точках на протяжении полюсного наконечника намагничивающая сила F_вa будет равна абсциссам точек отрезка ваг, а индукция результирующего поля в зазоре в этих точках на протяжении полюсного наконечника определится ординатами участка кривой дбе.

Отрезок вг на рисунке 2 пропорционален ширине полюсного наконечника, и поэтому площадь фигуры вдбегав пропорциональна потоку полюса при нагрузке. В то же время площадь прямоугольника вжзг пропорциональна потоку полюса при холостом ходе. Поэтому площадь криволинейного треугольника без характеризует увеличение потока под одной половиной полюса, а площадь треугольника джб – его уменьшение под другой половиной полюса. Таким образом, разность площадей этих треугольников определяет уменьшение потока полюса под влиянием поперечной реакции якоря.

Заменим на рисунке 2 фигуру вдбегав равновеликим ей по площади прямоугольником вилг. Тогда ордината ак представляет собой среднюю индукцию B_δн в воздушном зазоре при нагрузке, а отрезок бк = ΔB_δ – уменьшение средней индукции при нагрузке. По данным расчета магнитной цепи при холостом ходе можно отложить по оси ординат вместо B_δ пропорциональное ей значение потока Ф_δ в воздушном зазоре. Тогда отрезок бк = ΔФ_δ непосредственно определяет уменьшение потока полюса под воздействием поперечной реакции якоря.

Отрезок ма = ΔF_qb на рисунке 2 представляет собой значение намагничивающей силы возбуждения, эквивалентное размагничивающему действию поперечной реакции якоря. Соответствующим увеличением намагничивающей силы возбуждения размагничивающее действие реакции якоря может быть скомпенсировано.

Если перемещать точку а на рисунке 2 при F_aqb = const вдоль оси абсцисс, то есть рассматривать влияние поперечной реакции при разных условиях насыщения, то ΔФ_δ будет изменяться так, как показано в нижней части рисунка 2. Значение ΔФ_δ максимально для точки, соответствующей колену переходной характеристики, и уменьшается от этой точки в обе стороны. Таким образом, влияние поперечной реакции якоря при I_a = const зависит от положения рабочей точки на магнитной характеристике машины.

При неизменной намагничивающей силе возбуждения зависимость ΔF_qb и ΔФ_δ от I_a является сложной функцией. Однако при изменении I_a в небольших пределах в области номинальной нагрузки можно без особой погрешности принять, что ΔF_qb

Подсчет площадей криволинейных треугольников вида джб и без на рисунке 2 трудоемок. Поэтому различными авторами предложены более удобные методы определения ΔФ_δ и ΔF_qb.

Метод В. Т. Касьянова предусматривает проведение (рисунок 3, а) прямых д’б и бе’ таким образом, чтобы были соответственно равны площади треугольников джб и д’жб и площади треугольников без и бе’з. Достаточно точное проведение таких прямых возможно по глазомерной оценке. Затем прямая бе’ продолжается до пересечения с линией вж в точке и. Тогда ΔФ_δ определяется площадью треугольника д’иб и

откуда нетрудно найти ΔФ_δ и затем соответствующее значение ΔF_qb.

Рисунок 3. Определение размагничивающего действия поперечной реакции якоря:
а – по методу В. Т. Касьянова; б – по методу Г. Н. Петрова

Метод Г. Н. Петрова исходит из определения площади фигур, ограниченных кривыми параболического характера, по формуле Симпсона. При этом поток при нагрузке (рисунок 3, б)

и уменьшение потока

С другой стороны, если увеличить намагничивающую силу возбуждения на ΔF_qb (рисунок 3, б), чтобы скомпенсировать таким образом влияние реакции якоря, это будет соответствовать увеличению потока на сумму площадей криволинейных прямоугольников джж’д’ и зее’з’, которая приближенно равна

Приравнивая два выражения для ΔФ_δ, имеем

Более точные результаты можно получить, если вычислить сначала ΔF_qb по формуле (7), отложить это значение ΔF_qb на рисунок 3, б от точек в и г вправо и вычислить затем ΔF_qb снова, подставив в выражение (7) вместо B’_δ и B’’_δ полусуммы (дж + д’ж’) / 2 и (зе + з’е’) / 2.

Учет реакции якоря при сдвиге щеток

Сдвиг щеток с геометрической нейтрали, измеряемый длиной дуги

по окружности якоря (смотрите рисунок 4, в статье «Реакция якоря и ее виды»), обычно невелик, так что τ – 2c > b_δ. При этом намагничивающая сила продольной реакции якоря на один полюс

в зависимости от ее направления непосредственно складывается с намагничивающей силой возбуждения или вычитается из нее. В результате получается намагничивающая сила по продольной оси

Для компенсации продольной оси реакции якоря в этом случае достаточно увеличить или уменьшить F_в на величину F_ad в зависимости от того, является ли действие F_ad размагничивающим или намагничивающим. При таком методе не учитывается погрешность, связанная с тем, что поток рассеяния полюсов создается не намагничивающей силой F_d, а намагничивающей силой F_в. Однако эта погрешность невелика.

Учет размагничивающего действия поперечной реакции якоря в рассматриваемом случае производится так же, как и при c = 0. Диаграмма намагничивающей силы якоря для этого случая показана на рисунке 4, где кривые 1, 2 и 3 представляют собой соответственно полную, поперечную и продольную намагничивающие силы реакции якоря.

Источник