Генератор с последовательным возбуждением

У этого генератора (рис. 4, а) ток возбуждения Iв равен току нагрузки Iн = Iя и напряжение сильно изменяется при изменении тока нагрузки. При холостом ходе в генераторе индуцируется небольшая э. д. с. Еост, создаваемая потоком остаточного магнетизма (рис. 4, б).

С увеличением тока нагрузки Iи = Iв = Iя возрастают магнитный поток, э. д. с. и напряжение генератора, это возрастание, как и у других самовозбуждающихся машин (генератора с параллельным возбуждением), продолжается до известного предела, обусловленного магнитным насыщением машины.

При увеличении тока нагрузки свыше Iкр напряжение генератора начинает уменьшаться, так как магнитный поток возбуждения из-за насыщения почти перестает увеличиваться, а размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи обмотки якоря IяΣRя продолжают возрастать. Обычно ток Iкр значительно больше номинального тока. Генератор может работать устойчиво только на части аб внешней характеристики, т. е. при токах нагрузки, больших номинального.

Так как в генераторах с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяется при изменении нагрузки, а при холостом ходе близко в нулю, они непригодны для питания большинства электрических потребителей. Используют их лишь при электрическом (реостатном) торможении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим. 

Рис. 4. Принципиальная схема генератора с последовательным возбуждением (а) и его внешняя характеристика (б)

Генератор со смешанным возбуждением.

В этом генераторе (рис. 5, а) чаще всего параллельная обмотка возбуждения является основной, а последовательная — вспомогательной. Обе обмотки находятся на одних полюсах и соединены так, чтобы создаваемые ими магнитные потоки складывались (при согласном включении) или вычитались (при встречном включении).

Генератор со смешанным возбуждением при согласном включении его обмоток возбуждения позволяет получить приблизительно постоянное напряжение при изменении нагрузки. Внешняя характеристика генератора (рис. 5, б) может быть в первом приближении представлена в виде суммы характеристик, создаваемых каждой обмоткой возбуждения. 

Рис. 5. Принципиальная схема генератора со смешанным возбуждением (а) и его внешние характеристики (б)

При включении только одной параллельной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв1, напряжение генератора U постепенно уменьшается с ростом тока нагрузки Iн (кривая 1). При включении одной последовательной обмотки, по которой проходит ток возбуждения Iв2 = Iн напряжение U возрастает с увеличением тока Iн (кривая 2).

Если подобрать число витков последовательной обмотки так, чтобы при номинальной нагрузке создаваемое ею напряжение ΔU_ПОСЛ компенсировало суммарное падение напряжения ΔU при работе машины с одной только параллельной обмоткой, то можно добиться, чтобы напряжение U при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения оставалось почти неизменным (кривая 3). Практически оно изменяется в пределах 2—3 %.

Увеличивая число витков последовательной обмотки, можно получить характеристику, при которой напряжение U_HOM будет больше напряжения Uо при холостом ходе (кривая 4), такая характеристика обеспечивает компенсацию падения напряжения не только во внутреннем сопротивлении цепи якоря генератора, но и в линии, соединяющей его с нагрузкой. Если последовательную обмотку включить так, чтобы создаваемый ею магнитный поток был направлен против потока параллельной обмотки (встречное включение), то внешняя характеристика генератора при большом числе витков последовательной обмотки будет круто падающей (кривая 5).

Встречное включение последовательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сварочных генераторах, работающих в условиях частых коротких замыканий. В таких генераторах при коротком замыкании последовательная обмотка почти полностью размагничивает машину и уменьшает ток к. з. до значения, безопасного для генератора.

Генераторы со встречно включенными обмотками возбуждения используют на некоторых тепловозах в качестве возбудителей тяговых генераторов, они обеспечивают постоянство мощности, отдаваемой генератором. Такие возбудители применяют также на электровозах постоянного тока. Они питают обмотки возбуждения тяговых двигателей, которые при рекуперативном торможении работают в генераторном режиме, и обеспечивают получение круто падающих внешних характеристик.

Объяснить характер внешней характеристики параллельного возбуждения.

Внешняя характеристика U=f (I) при r_в=const и n=const (рисунок 1) показывает влияние изменения нагрузки на напряжение генератора. При этом ток возбуждения не регулируется с помощью регулировочного реостата. Следует учесть, что при независимом возбуждении

 а при параллельном возбуждении

Последнее равенство означает, что при снятии внешней характеристики ток возбуждения генератора изменяется пропорционально напряже­нию на генераторе. Таким образом, уменьшение напряжения генератора параллельного возбуждения при увеличении его нагрузки вызывается не только размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря, но и уменьшением тока возбуждения. Поэтому внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рисунок 1 ) (кривая 1) располагается ниже внешней характеристики генератора независимого возбуждения (кривая 2).

В генераторе параллельного возведения ток нагрузки I будет увеличиваться только до определенного критического значения I_кр=(2...2,5) I_н, после чего он начнет уменьшаться до I_ко< I_н. Действительно , т.е. ток зависит от двух факторов — напряжения генератора U и сопротивления нагрузки r_н. Уменьшение сопротивления r_н ведет к увеличению тока I, а это приводит к уменьшению напряжения U по вышеуказанным причинам. Вначале, пока генератор насыщен, магнитный поток Ф при уменьшении тока возбуждения спадает не очень значительно. По этой причине и напряжение падает сначала медленно.

Сопротивление r_нв этот период снижается быстрее, чем напряжение U, и ток I растет. По мере увеличения тока I сверх номинального, напряжение U начинает уменьшаться быстрее, т.к. генератор переходит в ненасыщенное состояние (на прямолинейных участках характеристики холостого хода) и поток Ф начинает спадать пропорционально уменьшению тока возбуждения. Наступает момент, когда уменьшение напряжения опережает уменьшение r_н и ток I, достигнув критического значения I_кр, начинает уменьшаться (рисунок 1 ), пунктирная часть кривой I). Начиная с точки a , дальнейшее уменьшение r_н не вызывает увеличения тока I, а наоборот, происходит его уменьшение, т.к. напряжение U падает быстрее, чем сопротивление r_н. При коротком замыкании U=0, I_в=0 и ток I_ко определяется только потоком остаточ­ного намагничивания. Таким образом, короткое замыкание, вызванное постепенным уменьшением сопротивления нагрузки, не опасно для генераторов параллельного возбуждения. Однако, при внезапном ко­ротком замыкании ток успевает достигнуть значений I_кз=(8…15) I_н. Это обусловлено значительной индуктивностью обмотки возбуждения (большая постоянная времени обмотки), что приводит к постепенному уменьшению тока возбуждения I_в и процесс уменьшения магнитного потока происходит значительно медленнее, чем процесс нарастания тока в цепи якоря. Поэтому для защиты генераторов параллельного возбуждения от токов короткого замыкания необходимы быстродействующие автоматические выключатели, как и для генераторов независимого возбуждения.

Пояснить принцип работы генератора постоянного тока.

Генераторами называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую. Принцип действия электрического генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции, которое состоит в следующем. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет электродвижущая сила (э.д.с), называемая э.д.с индукции (Индукция от латинского слова inductio — наведение, побуждение) , или индуцированной э.д.с. Электродвижущая сила возникает и в том случае, когда проводник остается неподвижным, а перемещается магнит. Явление возникновения индуцированной э.д.с. в проводнике называется электромагнитной индукцией. Если проводник, в котором индуцируется э.д.с, включить в замкнутую электрическую цепь, то под действием э.д.с. по цепи потечет ток, называемый индуцированным током. Опытным путем установлено, что величина индуцированной э.д.с., возникающей в проводнике при его движении в магнитном поле, возрастает с увеличением индукции магнитного поля, длины проводника и скорости его перемещения. Индуцированная э.д.с. возникает только тогда, когда проводник пересекает магнитное поле. При движении проводника вдоль магнитных силовых линий э.д.с. в нем не индуцируется. Направление индуцированной э.д.с. и тока проще всего определить по правилу правой руки (рис.1): если ладонь правой руки держать так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, отогнутый большой палец показывал бы направление движения проводника, то остальные вытянутые пальцы укажут направление действия индуцированной э.д.с. и направление тока в проводнике. Магнитные силовые линии направлены от северного полюса магнита к южному.

Рис. 1. Определение направления индуцированной э.д.с. по правилу правой руки

Имея общее представление об электромагнитной индукции, рассмотрим принцип действия простейшего генератора (рис. 2). Проводник в виде рамки из медной проволоки укреплен на оси и помещен в магнитное поле. Концы рамки присоединены к двум изолированным одна от другой половинам (полукольцам) одного кольца. Контактные пластины (щетки) скользят по этому кольцу. Такое кольцо, состоящее из изолированных полу колец, называют коллектором, а каждое полукольцо — пластиной коллектора. Щетки на коллекторе должны быть расположены таким образом, чтобы они при вращении рамки одновременно переходили с одного полукольца на другое как раз в те моменты, когда э.д.с, индуцируемая в каждой стороне рамки, равна нулю, т. е. когда рамка проходит свое горизонтальное положение.

Рис. 2. Простейший генератор постоянного тока

С помощью коллектора переменная э.д.с, индуцируемая в рамке, выпрямляется, и во внешней цепи создается постоянный по направлению ток. Присоединив к контактным пластинам внешнюю цепь с электроизмерительным прибором, фиксирующим величину индуцируемого тока, убедимся, что рассмотренное устройство действительно является генератором постоянного тока. В любой момент времени t э.д.с. Е (рис. 3), возникающая в рабочей стороне Л рамки, противоположна по направлению э.д.с, возникающей в рабочей стороне Б. Направление э.д.с. в каждой стороне рамки легко определить, воспользовавшись правилом правой руки. Э.д.с, индуцируемая всей рамкой, равна сумме э.д.с, возникающих в каждой ее рабочей стороне. Величина э.д.с в рамке непрерывно изменяется. В то время, когда рамка подходит к своему вертикальному положению, количество силовых линий, пересекаемых проводниками в 1 с, будет наибольшим и в рамке индуцируется максимальная э.д.с. Когда рамка проходит горизонтальное положение, ее рабочие стороны скользят вдоль силовых линий, не пересекая их, и э.д.с. не индуцируется. В период движения стороны Б рамки к южному полюсу магнита (рис.3 , а, б) ток в ней направлен на нас. Этот ток проходит через полукольцо, щетку 2, измерительный прибор к щетке /ив сторону А рамки. В этой стороне рамки ток индуцируется в направлении от нас. Своего наибольшего значения э.д.с. в рамке достигает тогда, когда стороны ее расположены непосредственно под полюсами (рис.3, б).

Рис. 3. Схема работы генератора постоянного тока

При дальнейшем вращении рамки э.д.с. в ней убывает и через четверть оборота становится равной нулю (рис. 3, в). В это время щетки переходят с одного полукольца на другое. Таким образом, за первую половину оборота рамки каждое полукольцо коллектора соприкасалось только с одной щеткой. Ток проходил по внешней цепи в одном направлении от щетки 2 к щетке 1. Будем продолжать вращать рамку. Электродвижущая сила в рамке снова начинает возрастать, так как ее рабочие стороны будут пересекать магнитные силовые линии. Однако направление э.д.с. изменяется на противоположное, потому что проводники пересекают магнитный поток в обратном направлении. Ток, индуцируемый в стороне А рамки, направлен теперь на нас. Но ввиду того, что рамка вращается вместе с коллектором, полукольцо, соединенное со стороной А рамки, соприкасается теперь не со щеткой 1, а со щеткой 2 (рис.3, г) и по внешней цепи проходит ток того же направления, как и во время первой половины оборота. Следовательно, коллектор выпрямляет ток, т. е. обеспечивает прохождение индуцируемого тока во внешней цепи в одном направлении. К концу последней четверти оборота (рис.3, д) рамка возвращается в первоначальное положение (см. рис.3, а), после чего весь процесс изменения тока в цепи повторяется. Таким образом, между щетками 2 и 1 действует постоянная по направлению э.д.с, и ток по внешней цепи всегда проходит в одном направлении — от щетки 2 к щетке 1. Хотя этот ток остается постоянным по направлению, он меняется по величине, т. е. пульсирует. Такой ток практически трудно использовать. Рассмотрим, как можно получить ток с небольшой пульсацией, т. е. ток, величина которого при работе генератора мало изменяется. Представим себе генератор, состоящий из двух расположенных перпендикулярно один к другому витков (рис.4). Начало и конец каждого витка присоединены к коллектору, состоящему теперь из четырех коллекторных пластин.

Рис.4.  Генератор постоянного тока с двумя витками

При вращении этих витков в магнитном поле в них возникает э.д.с. Однако индуцированные в каждом витке э.д.с. достигают своих нулевых и максимальных значений не одновременно, а позднее одна другой на время, соответствующее повороту витков на четверть полного оборота, т. е. на 90°. В положении, изображенном на рис.4, в витке 1 возникает максимальная э.д.с, равная Емах. В витке 2 э. д. с. не индуцируется, так как его рабочие стороны скользят вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их. Величины э.д.с витков показаны на рис.5. По мере поворота витков э.д.с витка 1 убывает. Когда витки повернутся на 1/8 оборота , э.д.с. витка 1 станет равной Emin. В этот момент происходит переход щеток на вторую пару коллекторных пластин, соединенных с витком 2. Виток 2 уже повернулся на 1/8 оборота, пересекает магнитные силовые линии и в нем индуцируется э.д.с, равная той же величине Емах. При дальнейшем повороте витков э.д.с. витка 2 возрастает до наибольшей величины Емах. Таким образом, щетки оказываются все время соединенными с витками, в которых индуцируется э.д.с величиной от Emin до Емах.

Рис.5. Кривые пульсации электродвижущей силы двухвиткового генератора

Ток во внешней цепи генератора возникает в результате действия суммарной э.д.с. Поэтому он протекает непрерывно и только в одном направлении. Ток, как и прежде, будет пульсирующим, однако пульсация получается значительно меньше, чем при одном витке, так как э.д.с. генератора не снижается до нуля. Увеличивая число проводников (витков) генератора и соответственно число коллекторных пластин, можно сделать пульсации тока очень малыми, т. е. ток по величине станет практически постоянным. Например, уже при 20 коллекторных пластинах колебания э.д.с. генератора не превысят 1 % среднего значения. Во внешней цепи получим ток, практически постоянный по величине. Вместе с тем легко видеть, что генератор, изображенный на рис.4, имеет и очень существенный недостаток. В каждый определенный момент времени внешняя цепь присоединена посредством щеток лишь к одному витку генератора. Второй виток в этот же момент времени совершенно не используется. Электродвижущая сила, индуцируемая в одном витке, весьма мала, а значит и мощность генератора будет небольшой. Для непрерывного использования всех витков их соединяют между собой последовательно. С этой же целью число коллекторных пластин уменьшают до количества витков обмотки. К каждой коллекторной пластине присоединяют конец одного и начало следующего витка обмотки. Витки в этом случае представляют собой последовательно соединенные источники электрического тока и образуют обмотку якоря генератора. Теперь электродвижущая сила генератора равна сумме э.д.с, индуцируемых в витках, включенных между щетками. Кроме последовательной, существуют и другие схемы соединения витков обмотки. Число витков берется достаточно большим, чтобы получить необходимую величину э.д.с. генератора. Поэтому и коллекторы тепловозных электрических машин получаются с большим количеством пластин. Таким образом, благодаря большому числу витков обмотки удается не только сгладить пульсации напряжения и тока, но и повысить значение индуцируемой генератором э.д.с. Выше был рассмотрен электрический генератор, состоящий из постоянных магнитов и одного или нескольких витков, в которых возникает ток. Для практических целей такие генераторы непригодны, так как от них невозможно получить большую мощность. Объясняется это тем, что создаваемый постоянным магнитом магнитный поток очень мал. Кроме того, пространство между полюсами создает для магнитного потока значительное сопротивление. Магнитный поток еще более ослабляется. Поэтому в мощных генераторах, к которым относятся и тепловозные, применяются электромагниты, создающие сильный магнитный поток возбуждения (рис.6). Для уменьшения магнитного сопротивления магнитопровода генератора витки обмотки размещают на стальном цилиндре, который заполняет почти все пространство между полюсами. Этот цилиндр с помещенной на нем обмоткой и коллектором называется якорем генератора.

Рис. 6. Схема генератора с электромагнитной системой возбуждения и стальным массивным якорем

Обмотка возбуждения генератора расположена на сердечниках главных полюсов. При прохождении по ней тока создается магнитное поле, называемое полем главных полюсов. При разомкнутой внешней цепи генератора магнитные силовые линии располагаются в полюсах и якоре симметрично вертикальной оси (рис.7, а). Для уяснения особенностей работы электрической машины введем понятия о геометрической и физической нейтралях. Геометрической нейтралью называется линия, проведенная через центр якоря перпендикулярно оси противоположных полюсов (горизонтальная линия 01—01). Физическая нейтраль представляет собой условную линию, которая разделяет зоны влияния северного и южного полюсов на обмотку якоря и проходит перпендикулярно направлению магнитного потока электромашины. В проводнике обмотки, который при вращении якоря проходит физическую нейтраль, э.д.с. не индуцируется, так как такой проводник скользит вдоль магнитных силовых линий, не пересекая их. В случае отсутствия тока в якоре (см. рис.7, а) физическая нейтраль n—n совпадает с геометрической нейтралью.

Рис.7. Реакция якоря. а — магнитный поток главных полюсов; б — магнитный поток, создаваемый обмоткой якоря; в — суммарный магнитный поток нагруженного генератора

При замыкании внешней цепи электрической машины ток пойдет и по обмотке якоря. Весь якорь в этом случае будет представлять собой мощный электромагнит, состоящий из стального сердечника и обмотки, по которой проходит ток. Следовательно, кроме потока полюсов, в нагруженном генераторе существует второй магнитный поток, называемый потоком якоря (рис.7, б). Магнитный поток якоря направлен перпендикулярно потоку главных полюсов. Оба магнитных потока накладываются друг на друга и образуют суммарное, или результирующее, поле, показанное на рис.7, в. Направление магнитного поля генератора в результате действия поля якоря смещается в сторону вращения якоря. В ту же сторону смещается и физическая нейтраль, которая занимает в этом случае положение n1-n1. Влияние магнитного поля якоря на поле полюсов называется реакцией якоря. Реакция якоря отрицательно сказывается на работе генератора. Щетки М—М электрической машины должны быть всегда установлены по направлению физической нейтрали. Поэтому приходится смещать щетки генератора по отношению к геометрической нейтрали на некоторый угол Р (рис.7, в), так как в противном случае между щетками и коллектором возникает сильное искрение. Искрение вызывает подгар поверхности коллектора и щеток и выводит их из строя. Чем больше ток якоря, тем сильнее проявляется реакция якоря, тем на больший угол необходимо сдвигать щетки. При частых изменениях нагрузки тепловозного генератора пришлось бы почти непрерывно менять положение его щеток. Реакция якоря не только смещает магнитное поле главных полюсов, но и частично ослабляет его, что приводит к уменьшению индуцируемой генератором э. д. с. Для ослабления реакции якоря в генераторах между основными полюсами устанавливаются добавочные полюсы, а иногда с этой же целью в полюсные наконечники главных полюсов закладывают компенсационную обмотку. Добавочные полюсы создают дополнительное магнитное поле, которое в зонах установки щеток направлено навстречу полю якоря, вследствие чего действие его нейтрализуется (рис.8).

Рис. 8. Схема генератора с добавочными полюсами

Однако этим не ограничивается положительное влияние добавочных полюсов на работу генератора. После прохода через нейтраль генератора направление тока в каждом витке обмотки (см. рис.7) очень быстро изменяется на противоположное. На нейтрали виток оказывается замкнутым накоротко щетками. Такой виток называют коммутирующим (Коммутация от латинского слова commutatio — изменение, перемена). В коммутирующих витках (секциях) обмотки якоря вследствие очень быстрого изменения направления тока возникает довольно большая э.д.с. самоиндукции и взаимоиндукции, которую называют реактивной э.д.с. Эта э.д.с. в коммутирующих секциях усиливается действием магнитного потока якоря, который они пересекают. Действие реактивной э.д.с. приводит к сильному искрению щеток. Добавочные полюсы рассчитывают так, чтобы их магнитный поток был несколько больше магнитного потока якоря. Благодаря этому в коммутирующих секциях индуцируется дополнительная э.д.с. Новая э.д.с. имеет направление, противоположное реактивной э.д.с, и гасит ее, предотвращая интенсивное искрение. Магнитное поле якоря изменяется с изменением нагрузки (тока) генератора, поэтому для его нейтрализации необходимо изменять и поле компенсационных устройств. Обмотку добавочных полюсов включают последовательно с обмоткой якоря, и по ней проходит весь ток якоря. С увеличением тока генератора возрастает магнитный поток якоря, но вместе с этим возрастает и компенсирующий его магнитный поток добавочных полюсов. Компенсационная обмотка позволяет дополнительно улучшить распределение магнитного потока в электрической машине. Так, из рис.7 легко видеть, что в результате действия реакции якоря магнитный поток главных полюсов становится неравномерным — с одной стороны полюса он усиливается, а с другой — ослабляется. Это приводит к неравномерной нагрузке якорной обмотки, часть витков окажется перегруженной, ухудшаются условия работы щеток. С помощью компенсационной обмотки, расположенной на главных полюсах, устраняется искажение магнитного потока непосредственно под главными полюсами. Однако одновременное применение добавочных полюсов и компенсационной обмотки значительно усложняет конструкцию электрических машин. Если удается осуществить удовлетворительную работу электрической машины посредством применения добавочных полюсов, то компенсационную обмотку стараются не применять. Компенсационные обмотки нашли практическое применение лишь в мощных электрических машинах.

Как можно снизить влияние реакции якоря.

При работе машины постоянного тока в режиме холостого хода (I_а =0) ток в обмотке якоря практически отсутствует и в магнит­ной цепи машины действует лишь одна МДС обмотки возбуждения F_o. Магнитное поле машины в этом случае является симметричным отно­сительно полюсов и не зависит от направления вращения машины и расположения щеток на коллекторе (рис. 1).

Рис. 1 — Работа машины постоянного тока в режиме холостого хода

Обмотка возбуждения является сосредоточенной на главных полю­сах и любая замкнутая магнитная линия основного потока охваты­вает всю сумму токов обмотки. МДС такой обмотки в пределах по­люсного деления τпостоянна и равна F_o/τ (рис. 1.б). Распределение магнитной индукции поля вдоль окружности якоря зависит от величины воздушного зазора и приближенно показано на рис. 1.б.

При нагрузке машины по обмотке якоря протекает ток, который создает собственное магнитное поле. Поэтому магнитный поток в воздушном зазоре и пространственное распределение магнитного поля при нагрузке машины будет определяться совместным намагничивающим действием полюсов и якоря. Магнитный поток и распределение резуль­тирующего поля в воздушном зазоре будут уже иными, чем при хо­лостом ходе. Воздействие МДС якоря F_a на основное магнитное поле машины называется реакцией якоря.

На рис.2 показано поле, соз­даваемое токами в проводниках якоря при отсутствии МДС главных полюсов, когда щетки стоят на геометрической нейтрали qq . Под каждым полюсом располагается часть обмотки, в проводниках кото­рой проходит ток одного направления. Как видно из рис.2, ось поля якоря совпадает с осью щеток, обуславливающих токораздел в якоре. При щетках, установленных на геометрической нейтрали, кар­тина поля якоря симметрична относительно продольной и попереч­ной осей машины. Ось полученного поля направлена по поперечной оси qq, поэтому такое поле якоря называют поперечным, а ре­акцию якоря – поперечной.

Если наложить поле якоря на поле главных полюсов, то получим картину результирующего поля (рис.3).

Как видно из этого рисунка поле при нагрузке смещается по направлению вращения в генераторе (Г) и против направления вращения в двигателе (М), распределяясь несимметрично относительно оси полюсов. Под набе­гающим краем полюса генератора поле ослабляется, а под сбегаю­щим усиливается. В двигательном режиме наоборот. Под воздейст­вием поперечной реакции якоря физическая нейтраль (т.е. действительная, на которой В=0) смещается на некоторый угол β и занимает положение mm . У современных машин с добавочными полюсами щетки устанавливаются на геометрической нейтрали. Однако вследствие неточной установки щеточной траверсы может иметь мес­то некоторый сдвиг щеток относительно геометрической нейтрали. В этом случае распределение токов якоря относительно главных по­люсов становится несимметричным (рис.4).

МДС якоря F_a, нап­равленную всегда по линии щеток, можно разделить на иве состав­ляющие: поперечнуюF_aq, направленную по оси qq, образующую поперечную реакцию якоря и продольную F_ad, направленную вдоль оси dd, создающую продольную реакцию якоря. При сдвиге щеток с нейтрали в направлении вращения якоря продольная МДС якоря ге­нератора действует навстречу МЛС возбуждения, т.е. размагничи­вает машину; при сдвиге щеток против вращения действует согласно с МДС возбуждения, т.е. намагничивает машину. В двигательном ре­жиме получается обратная картина.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали возникает также реакция добавочных полюсов. В генераторах она воздает размагни­чивающий эффект при сдвиге щеток по направлению вращения якоря и намагничивающие – при сдвиге против вращения якоря. Добавоч­ные полюса в этом случае начинают частично выполнять роль глав­ных полюсов.

Таким образом, под действием реакции якоря происходит изме­нение магнитного потока машины и перераспределение поля в воз­душном зазоре. Это оказывает влияние на мгновенные значения ЭДС. отдельных секций якоря и результирующую ЭДС его обмотки. Для устранения вредного влияния реакции якоря на работу машины используются добавочные полюсы, последовательная и компенса­ционная обмотки.

Хз хз При нагрузке машины () обмотка якоря создает собственное магнитное поле. Поля якоря и индуктора, действующие совместно, образуют результирующее поле. Действие поля якоря на поле индуктора называется реакцией якоря. Реакция якоря в машине постоянного тока определяется положением щеток относительно линии геометрической нейтрали.Линия геометрической нейтрали–это линия, проходящая через ось вращения якоря в радиальном направлении посередине между двумя соседними главными полюсами.

Поперечная реакция якоря. При наличии тока в обмотке возбуждения и отсутствии тока в обмотке якоря (=0) в машине существует только магнитное поле индуктора, картина которого изображена на рис.а. Линия геометрической нейтрали 1-1 в этом случае одновременно является и линией физической нейтрали, так как индукция поля индуктора равна нулю в тех же точках на поверхности якоря, через которые проходит линия геометрической нейтрали. При наличии тока в обмотке якоря и отсутствии тока в обмотке возбуждения (= 0) и установке щеток на линии геометрической нейтрали 1-1, ось поля якоря направлена по поперечной оси индуктора и действует поперечная реакция якоря (рис.б). Если по обмоткам возбуждения и якоря протекают токи, то существуют одновременно поле индуктора и поле якоря. Как следует из рис. в, 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. Под воздействием поперечной реакции якоря линия физической нейтрали поворачивается из положения 1-1 на некоторый угол β в положение 2-2, которое называется линией физической нейтрали. В генераторе физическая нейтраль повернута в сторону вращения якоря, а в двигателе - в обратную.

Продольная реакция якоря. Если щетки сдвинуты с линии геометрической нейтрали на 90 эл. град.(рис. г), то ось поля якоря направлена по продольной оси индуктора и действуетполе продольной реакции якоря. Это поле в зависимости от направления тока якоря оказывает на поле индуктора намагничивающее или размагничивающее действие.

Общий случай. В случае если щетки сдвинуты с геометрической нейтрали на некоторый угол =90 эл. град., в машине существуют как поперечная, так и продольная (намагничивающая или размагничивающая) составляющие реакции якоря.

Влияние реакции якоря на магнитный поток машины. Для оценки влияния реакции якоря необходимо рассмотреть распределения индукции магнитных потоков индуктора и якоря в воздушном зазоре, и на основе их провести анализ результирующего магнитного поля (рис ниже).

Распределение индукции магнитного поля индуктора (1) является симметричным относительно оси полюсов, близким к трапецеидальному. Распределение МДС обмотки якоря (2) имеет наибольшее значение на линии геометрической нейтрали, а по оси полюсов - равна нулю. Однако распределение магнитной индукции поля якоря (3) в зазоре совпадает с распределением МДС якоря лишь в пределах полюсных наконечников. В междуполюсном промежутке магнитная индукция поля якоря резко уменьшается, что объясняется большим магнитным сопротивлением. Распределение индукции результирующего поля в воздушном зазоре получено путем суммирования распределений (1) и (3) и соответствует ненасыщенному состоянию магнитной цепи (4). Если магнитная цепь машины насыщена, то происходит не только искажение распределения индукции результирующего поля (5), но и уменьшение по величине. Реакция якоря в машине постоянного тока оказывает отрицательное влияние. За счет искажения магнитного поля возрастает напряжение между соседними коллекторными пластинами, что ухудшает условия коммутации. В случае уменьшения индукции результирующего поля ухудшаются рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у двигателей уменьшается вращающий момент. Эффективным средством борьбы с вредным влиянием реакции якоря является применение компенсационной обмотки. Компенсационная обмотка укладывается в пазы полюсных наконечников и включается последовательно с обмоткой якоря таким образом, чтобы ее МДС Fк была противоположна по направлению МДС обмотки якоря Fа. Компенсационная обмотка равномерно распределяется по поверхности полюсных наконечников главных полюсов. При наличии компенсационной обмотки магнитное поле машины при переходе из режима холостого хода к нагрузке остается практически неизменным.

В чем причина искрения коллектора? Как можно устранить искрение?

При работе машины постоянного тока щетки и коллектор образуют скользящий контакт. Площадь контакта щетки выбирают по значению рабочего тока машины, приходящегося на одну щетку, в соот­ветствии с допустимой плотностью тока для вы­бранной марки щеток. Если по какой-то причине щетка прилегает к коллектору не всей поверхно­стью, то возникают чрезмерные местные плотности тока, приводящие к искрению на коллекторе.

Причины, вызывающие искрение на коллекторе, разделяют на механические, потенциальные и ком­мутационные.

Механические причины искрения – сла­бое давление щеток на коллектор, биение коллекто­ра, его эллиптичность или негладкая поверхность, загрязнение поверхности коллектора, выступание миканитовой изоляции над медными пластинами, неплотное закрепление траверсы, пальцев или щет­кодержателей, а также другие причины, вызываю­щие нарушение электрического контакта между щеткой и коллектором.

Потенциальные причины искрения появ­ляются при возникновении напряжения между смежными коллекторными пластинами, превышаю­щего допустимое значение (см. § 25.5). В этом слу­чае искрение наиболее опасно, так как оно обычно сопровождается появлением на коллекторе электри­ческих дуг.

Коммутационные причины искрения соз­даются физическими процессами, происходящими в машине при переходе секций обмотки якоря из од­ной параллельной ветви в другую.

Иногда искрение вызывается целым комплексом причин. Выяснение причин искрения следует начи­нать с механических, так как их обнаруживают ос­мотром коллектора и щеточного устройства. Труд­нее обнаружить и устранить коммутационные причины искрения.

При выпуске готовой машины с завода в ней настраивают темную коммутацию, исключающую какое-либо искрение. Од­нако в процессе эксплуатации машины, по мере износа коллектора и щеток, возможно появление искрения. В некоторых случаях оно может быть значительным и опасным, тогда машину необходи­мо остановить для выяснения и устранения причин искрения. Однако небольшое искрение в машинах общего назначения обычно допустимо.

Согласно ГОСТу, искрение на коллекторе оценивается степе­нью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки.

Степень 1 — искрения нет (темная коммутация).

Степень 1^1/₄— слабое искрение под небольшой частью щет­ки, не вызывающее почернения коллектора и появления нагара на щетках.

Степень 1^1/₂— слабое искрение под большей частью щет­ки, приводящее к появлению следов почернения на коллекторе, легко устраняемого протиранием поверхности коллектора бензи­ном, и следов нагара на щетках.

Степень 2 — искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и при перегрузке. Приводит к появлению следов почернения на коллекторе, не уст­раняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках.

Степень 3 — значительное искрение под всем краем щетки с появлением крупных вылетающих искр, приводящее к значи­тельному почернению коллектора, не устраняемое протиранием поверхности коллектора бензином, а также к подгару и разруше­нию щеток. Допускается только для моментов прямого (безрео­статного) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для даль­нейшей работы.

Если допустимая степень искрения в паспорте электрической машины не указана, то при номинальной нагрузке она не должна превышать 1^1/₂.

При вращении якоря машины постоянного тока коллекторные пластины поочередно вступают в соприкосновение со щетками. При этом переход щетки с одной пластины (сбегающей) на дру­гую (набегающую) сопровождается переключением секции об­мотки из одной параллельной ветви в другую и изменением как значения, так и направления тока в этой секции. Процесс пере­ключения секции из одной параллельной ветви в другую и сопро­вождающие его явления называются коммутацией.

Секция, в которой происходит коммутация, называется ком­мутирующей, а продолжительность процесса коммутации — пе­риодом коммутации:

Т_к= [60/(Kn)](b_щ/b_к)

где b_щ— ширина щетки; К — число коллекторных пластин;n— частота вращения якоря, об/мин;b_к— расстояние между серединами соседних коллекторных пластин (коллекторное деление).

Сложность процессов коммутации не позволяет рассмотреть коммутацию в общем виде. Поэтому для получения аналитических и графических зависимостей, поясняющих коммутацию, допуска­ют, что ширина щетки равна коллекторному делению; щетки рас­положены на геометрической нейтрали; электрическое сопротив­ление коммутирующей секции и мест ее присоединения к коллектору по срав­нению с сопротив­лением переходного

контакта «щетка— коллектор» пренеб­режимо мало (обыч­но такое соотноше­ние указанных со­противлений соот­ветствует действи­тельности).

Рис. 27.1. Переход коммутирующей секции

из одной параллельной ветви в другую

В начальный момент коммутации (рис. 27.1, а) контактная поверхность щетки касается только пластины 1, а коммутирующая секция относится к левой параллельной ветви обмотки и ток в ней равен i_a. Затем пластина 1 постепенно сбегает со щетки и на смену ей набегает пластина 2. В результате комму­тирующая секция оказывается замкнутой щеткой и ток в ней по­степенно уменьшается. В середине процесса коммутации (t= 0,5T_К) контактная поверхность щетки равномерно перекрывает обе коллекторные пластины (рис. 27.1, б). В конце коммутации (t=T_к) щетка полностью переходит на пластину 2 и теряет контакт с пла­стиной 1 (рис. 27.1, в), а ток в коммутирующей секции становится равным —i_a, т. е. по значению таким же, что и в начале коммута­ции, а по направлению — противоположным. При этом коммути­рующая секция оказалась в правой параллельной ветви обмотки.