РОЗДІЛ 2
Теоретичні відомості про електричні машини постійного струму

2.4 Реакція якоря

Машини постійного струму можуть працювати або в режимі холостого ходу, коли корисна потужність, що знімається з машини, дорівнює нулю, або в режимі навантаження, коли з неї знімається корисна потужність (електрична – у генераторі, механічна – у двигуні). Кожна машина розраховується на визначені значення потужності, напруги, струму і частоти обертання. Цей режим навантаження, у якому машина може тривалий час працювати, не перегріваючись вище допустимої температури, називається номінальним, а величини, що характеризують його – номінальними величинами. Останні наводяться в паспорті машини і перевищення їхніх значень є недопустимим (допускаються лише короткочасні перевантаження).

Корисна електрична потужність, яка знімається з обмотки якоря генератора, визначається з виразу

                                                                                                (2.15)

Оскільки вихідна напруга генератора практично постійна, то потужність Р₂ змінюється пропорційно струму навантаження (струму якоря). При відсутності навантаження І_а = 0 – P₂ = 0, що відповідає холостому ходу генератора.

Обмотка якоря двигуна споживає з мережі електричну потужність

                                                                                                (2.16)

яка перетворюється в ньому в корисну механічну потужність Р₂, що знімається з вала двигуна. При відсутності навантаження на валу двигуна (Р₂ = 0), він працює в режимі холостого ходу, але при цьому споживає з мережі невелику потужність

                                              Р₁₀ = U_номІ_а.0,                                            (2.17)

необхідну для компенсації його власних втрат. При збільшенні навантаження на валу збільшується потужність Р₁ і струм І_а. Отже, в генераторі і в двигуні струм якоря залежить від корисного навантаження машини.

В режимі холостого ходу в генераторі струм якоря I_а = 0, а в двигуні він дуже малий (І_а » 0) і ним можна знехтувати. Обмотка якоря в цьому режимі не створює магнітного поля і, як наслідок, в машині буде лише основне поле Ф₀, створене обмоткою збудження (рис. 2.8, а).

В режимі навантаження (І_а ¹ 0) по обмотці якоря протікатиме струм, що буде створювати своє власне магнітне поле Ф_а, картина якого при встановленні щіток на геометричну нейтраль і за відсутності збудження (І_з = 0) зображена на рис. 2.8, б.

Рисунок 2.8 – Магнітне поле індуктора (а) і якоря (б)

Як видно з рис. 2.8, б, вісь поля якоря спрямована по осі щіток 1–1. Поле якоря, накладаючись на поле індуктора, буде спотворювати закон його розподілу в межах полюсного розподілу (спотворювати форму поля), а також може змінити його величину. Цей вплив поля якоря на основне поле машини називається реакцією якоря.

Відносний напрямок основного поля і поля якоря залежить від положення щіток на колекторі. Якщо щітки розташовані на геометричній нейтралі, то поле обмотки якоря перпендикулярне до основного магнітного поля машини, і в такому випадку реакцію якоря називають поперечною (рис. 2.9). Полярність полюсів і напрям струмів якоря на цьому рисунку відповідають випадкові, коли в режимі генератора (Г) якір обертається за годинниковою стрілкою, а в режимі двигуна (Д) – проти годинникової стрілки.

Рисунок 2.9 –Результуюче магнітне поле при встановленні щіток на геометричну нейтраль

Як випливає з рис. 2.9, поперечна реакція якоря викликає послаблення поля під одним краєм полюса і його посилення під іншим, внаслідок чого вісь результуючого поля повертається в генераторі за напрямом обертання якоря, а в двигуні – у зворотну сторону.

Під впливом поперечної реакції якоря нейтральна лінія на поверхні якоря, на якій В_d = 0, повертається з положення геометричної нейтралі 1–1 на деякий кут α у положення 2–2 (рис. 2.9), що називається лінією фізичної нейтралі. У генератора фізична нейтраль повернена в напрямі обертання якоря, а в двигуні – у зворотну сторону.

З рис. 2.8, б випливає, що при обертанні якоря в провідниках, показаних у лівій частині рис. 2.8, б, поле поперечної реакції якоря індукує ЕРС одного напрямку, а в правій частині – іншого. В результаті цього при встановленні щіток на геометричну нейтраль сумарна ЕРС від поля реакції якоря в кожній паралельній вітці обмотки і на щітках дорівнює нулю.

Крім того, поле поперечної реакції якоря може здійснювати і кількісний вплив на результуюче поле машини:

а) якщо внаслідок сумарної дії основного поля і поля якоря магнітне коло машини залишається ненасиченим (μ = const), то збільшення поля під одним краєм полюса компенсується його зменшенням під іншим, внаслідок чого результуюче поле при навантаженні буде таким самим, як і при холостому ході, тобто Ф = Ф₀. Ненасичений режим роботи магнітного кола здебільшого виникає при малих значеннях струмів збудження і якоря;

б) якщо магнітне коло машини виявляється насиченим (μ ≠ const), що відзначається при струмах І_а і І_з, близьких до номінальних значень, то результуюче поле при навантаженні зменшується на деяке значення DФ:

                                                                                          (2.18)

Зменшення магнітного потоку приводить до відповідного зменшення ЕРС обмотки якоря:

                      (2.19)

де Е₀ – ЕРС від основного поля;

ΔЕ – зменшення ЕРС за рахунок поперечної реакції якоря.

Якщо щітки зміщені з геометричної нейтралі на 90⁰ електричних, то поле якоря діє вздовж осі полюсів і називається полем повздовжньої реакції якоря. Це поле в залежності від напрямку струму в якорі намагнічує або розмагнічує поле полюсів, і в результаті його взаємодії з полем полюсів електромагнітний момент не виникає. Індукована при обертанні якоря ЕРС на щітках буде в цьому випадку також рівна нулю.

Зв’язок між геометричним та електричним кутами такий:

                                                                                            (2.20)

При повороті щіток генератора в напрямі обертання і щіток двигуна проти напряму обертання виникає повздовжня розмагнічувальна реакція якоря, що викликає зменшення потоку полюсів. При зміщенні щіток у зворотному напрямі виникає повздовжня намагнічувальна реакція якоря, що викликає збільшення магнітного потоку полюсів.