Реферат: Реакция якоря
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
КАФЕДРА лЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Реферат по общей электротехнике
на тему:
лТрансформатор постоянного тока
Выполнил: студент группы ТОА-328
Лангмеер Н.Н.
Проверил: доц. Николаева С.И.
ВОЛГОГРАД 2004
Содержание
1. Реакция якоря.............................3
2. Реакция якоря в машинах постоянного тока...............9
3. Влияние реакции якоря на магнитный поток машины.............15
1. Реакция якоря
Реакцией якоря называется воздействие тока якоря на магнитное поле машины.
Реакция якоря в большинстве случаев - явление нежелательное, искажающее
главное магнитное поле и тем самым ухудшающее условия работы машины, поэтому
при конструировании машины предусматриваются меры для уменьшения ее влияния.
Пока магнитное поле машины создается только током в обмотке возбуждения (I
Я = 0), оно симметрично по отношению к оси сердечников полюсов и под
полюсами почти равномерно. На рис. 1.1, a показано схематически такое
поле двухполюсной (р = 1) машины. Геометрическая нейтраль п-п' -
линия, перпендикулярная оси полюсов и разделяющая на дуге якоря области
северного и южного полюсов, совпадает в этих условиях с физической
нейтралью - линией, проходящей через точки окружности якоря, где магнитная
Рис. 1.1
индукция равна нулю. Щетки, условно показанные опирающимися на якорь (хотя
фактически они установлены на коллекторе), находятся на геометрической
нейтрали.
При токе в обмотке якоря он становится электромагнитом, ось которого направлена
по оси щеток (рис. 1.1, б). По отношению к оси поля главных полюсов
ось поля якоря направлена перпендикулярно, пока щетки стоят на геометрической
нейтрали: в этих условиях поле якоря поперечное.
В современных машинах постоянного тока щетки устанавливаются на
геометрической нейтрали. Но если щетки смещены с нее, то кроме поперечного
поля возникает и продольное поле реакции якоря.
При нагрузке машины реакция якоря, воздействуя на главное поле, создает
результирующее поле, характер которого примерно показан на рис. 1.1, в.
Линии магнитного поля в машине смещаются по направлению ее вращения в
генераторном режиме или против направления вращения в двигательном режиме. При
этом поток распределяется несимметрично но отношению к оси полюсов -
ослабляется под одним краем и усиливается под другим. Вместе с тем в результате
реакции якоря физическая нейтраль т-т' смещается по отношению к
геометрической n - п' на угол β и щетки оказываются вне
физической нейтрали.
Рассмотрим, как распределяется магнитная индукция под полюсами вследствие
реакции якоря. Пока поле создается только главными полюсами, оно симметрично по
отношению к оси полюсов и под полюсами почти равномерно (рис. 1.1, кривая
1). Обмотка якоря распределяется вдоль окружности якоря в пазах. Поэтому
ток в обмотке якоря создает МДС, которая изменяется ступенчато вдоль этой
окружности. Но так как число пазов довольно велико, то можно заменить
ступенчатую кривую прямой. Наибольшее значение МДС якоря достигается на оси
щеток (кривая 2). Если рассматривать поле якоря независимо от
главного, то распределение его магнитной индукции будет в большой мере
определяться магнитным сопротивлением на пути потока якоря. Это сопротивление
относительно мало и постоянно вдоль окружности под полюсами машины и сильно
возрастает в промежутке между полюсами. Вследствие такого влияния кривая 3
распределения индукции поля якоря имеет седлообразный характер.
Если сердечники полюсов машины в рабочих условиях не насыщаются, то поле машины
при нагрузке можно определить путем наложения на главное поле поля якоря. При
таком наложении магнитный поток, возбуждающий ЭДС якоря, остается прежним, но
изменится его распределение вдоль окружности якоря (кривая 4).
При этом физическая нейтраль не будет совпадать с геометрической, и так как
щетки стоят на геометрической нейтрали, то из-за реакции якоря при нагрузке
они окажутся вне физической нейтрали.
Искажение магнитного поля под полюсами сопровождается значительным местным
повышением магнитной индукции. Мгновенные значения ЭДС, индуктируемой в
секции обмотки при ее движении, пропорциональны этой индукции. Следовательно,
искажение поля может вызвать такое повышение напряжения между соседними
пластинами коллектора (свыше 30 - 50 В), при котором между этими пластинами
возможно возникновение опасных устойчивых дуговых разрядов (кругового огня по
коллектору).
До сих пор не учитывалось влияние насыщения магнитопровода при реакции якоря.
Под одним краем полюса магнитная индукция возрастает настолько, что зубцы якоря
и сердечника полюсов вдоль этого участка насыщаются (рис. 1.2, заштрихованная
часть графика 4), в результате чего поле якоря ослабляет главное
магнитное поле под одним краем полюса больше (-ΔB рис. 1.3), чем
усиливает это поле под другим краем полюса (+ΔB). Таким образом,
реакция якоря вызывает еще уменьшение главного магнитного потока, которому
пропорциональна ЭДС якоря.
При работе машины в генераторном режиме это вызывает понижение напряжения,
при работе в двигательном режиме - уменьшение вращающего момента и частоты
вращения.
Рис. 1.2
Рис. 1.3
Для ослабления реакции якоря при конструировании машины предусматривается
увеличение магнитного сопротивления на пути потока якоря - воздушный зазор
между якорем и полюсными наконечниками делается относительно большим, а
сечение зубцов якоря выбирается таким, чтобы индукция в них была велика.
Дальнейшее увеличение индукции вызывает насыщение зубцов и возрастание их
магнитного сопротивления, что эквивалентно некоторому увеличению воздушного
зазора на пути потока якоря. Однако для поддержания нужного потока в машине
при увеличении магнитного сопротивления необходимо соответствующее увеличение
МДС главных полюсов, а следовательно, увеличение габаритов и массы машины.
Для того чтобы улучшить условия коммутации, большинство современных машин
постоянного тока снабжается дополнительными полюсами (см. рис.1.3).
Они устанавливаются на станине машины по линии геометрической нейтрали. Обмотки
дополнительных полюсов соединяются через щетки последовательно с обмоткой якоря
так, чтобы направление напряженности поля от дополнительных полюсов было
противоположно направлению напряженности поля реакции якоря. Таким образом,
дополнительные полюсы компенсируют поле реакции якоря в относительно узкой зоне
коммутируемых секций. Тем самым предупреждается смещение физической нейтрали по
отношению к геометрической.
Поскольку поле от дополнительных полюсов создается током якоря, компенсация
реакции якоря автоматически устанавливается при любых нагрузках машины; при
этом необходимо, чтобы магнитная цепь дополнительных полюсов не насыщалась.
При работе машины в режиме генератора дополнительные полюсы должны иметь
полярность тех главных полюсов, на которые якорь набегает, а при работе в
режиме двигателя - полярность тех главных полюсов, из-под которых якорь
выбегает (рис. 1.3).
Дополнительные полюсы не устраняют создаваемые реакцией якоря неравномерное
распределение индукции под главными полюсами и уменьшение полезного потока. В
крупных машинах и в машинах, работающих в особо тяжелых условиях (например,
часто реверсируемые двигатели), сильное местное повышение индукции под
главными полюсами может вызвать перекрытие изоляционного промежутка между
пластинами коллектора, а затем и круговой огонь. Чтобы предупредить
возможность такой аварии, необходимо полностью компенсировать реакцию якоря.
Рис. 1.4
Хотя якорь вращается, его магнитный поток остается неподвижным по отношению к
станине машины. Следовательно, можно полностью компенсировать действие реакции
якоря встречным действием неподвижной (компенсационной) обмотки, размещенной в
пазах, сделанных в несколько расширенных полюсных наконечниках главных полюсов.
Компенсационная обмотка К соединяется последовательно с якорем, таким
образом, каждый из ее стержней как бы образует с находящимся под ним стержнем
обмотки якоря бифилярную систему, магнитное поле у которой почти отсутствует.
Компенсационная обмотка дополняет действие дополнительных полюсов, и вместе
они почти полностью компенсируют реакцию якоря. Однако устройство
компенсационной обмотки существенно удорожает машину и увеличивает потери в
ней; поэтому компенсационная обмотка у машины постоянного тока есть лишь в
случаях крайней необходимости.
2. Реакция якоря в машинах постоянного тока.
При отсутствии тока якоря магнитное поле машины образуется только обмоткой
возбуждения.
Оно симметрично относительно оси полюсов, а магнитная индукция
вдоль воздушного зазора распределяется почти по синусоидальному закону. На рис.
1, а изображена картина распределения основного магнитного потока.
Рис. 2.1. Линии магнитной индукции МПТ
Здесь кружочками условно изображены сечения обмоток возбуждения и якоря, а
крестиками и точками - направления токов в них. Крестик обозначает направление
тока от нас, точка - к нам. Тогда направления силовых линий поля, согласно
правила буравчика, соответствуют пунктирным линиям, изображенным на рис. 2.1,
а. При вращении якоря генератора по часовой стрелке с
угловой скоростью со по правилу правой руки можно определить направление
индуктированных в обмотке якоря ЭДС и тока, если внешняя цепь замкнута (рис.
2.1, б). Токи якоря создают собственное магнитное поле Фя,
которое оказывается также неподвижным относительно корпуса машины (при
неизменных по величине токах). На рис. 2.1, б оно изображено
пунктирными линиями. Поля возбуждения и якоря взаимодействуют и образуют
результирующее магнитное поле (рис. 2.1, в). Таким образом, магнитное
поле машины, в котором движутся проводники обмотки якоря, создается не только
обмоткой возбуждения, но и обмоткой якоря. При этом поле возбуждения неизменно,
а поле якоря изменяется при изменении тока нагрузки генератора.
Воздействие магнитного поля якоря на магнитное поле возбуждения машины
называется реакцией якоря.
Вследствие реакции якоря нарушается симметрия магнитного поля, происходит
смещение оси поля в направлении вращения якоря генератора.
Там, где наблюдается сгущение силовых линий, происходит насыщение участков
магнитной цепи. Поэтому усиление магнитного поля на этих участках оказывается
относительно меньшим, чем его ослабление на других участках. Это приводит к
тому, что среднее значение магнитного потока в нагруженной машине становится
меньше, чем в ненагруженной. Следовательно, уменьшается и величина ЭДС,
индуктированная в обмотке якоря, а также вырабатываемая мощность генератора,
а в двигателях это приводит к уменьшению вращающего момента, а следовательно,
скорости вращения якоря, а также к уменьшению КПД и мощности.
В реальных машинах щетки располагают на коллекторе вдоль осей полюсов, так как
закороченные щетками проводники секций оказываются между полюсами с минимальной
магнитный индукцией и ЭДС. Однако с целью более простого объяснения физической
сущности явлений, происходящих в машине постоянного тока, щетки считают
расположенными непосредственно на поверхности якоря вдоль линий n-о-
n (рис. 1.1 в), проходящих посередине между соседними полюсами. Эти
линии называются геометрическими нейтралями. Будем в дальнейшем считать, как
это принято, щетки расположенными на геометрической нейтрали. При отсутствии
реакции якоря магнитная индукция вдоль геометрической нейтрали равна нулю.
Поэтому в проводниках, пересекающих геометрическую нейтраль, ЭДС равна нулю.
Под воздействием реакции якоря оси результирующего магнитного поля
поворачиваются относительно осей полюсов и на геометрической нейтрали магнитная
индукция угла не будет равна нулю. Можно найти новые линии m-о-m
, где магнитная индукция в этом случае будет равна нулю. Эти
линии называются физическими нейтралями. В ненагруженной машине (при токе якоря
равном нулю) геометрическая и физическая нейтрали совпадают. В нагруженном
генераторе физическая нейтраль поворачивается относительно геометрической на
угол α по направлению вращения якоря. Мысленно представим себе, что на
рис. 2.1, в изображен не генератор, а двигатель. Тогда при тех же
направлениях токов в обмотке якоря и возбуждения, якорь начал бы вращаться в
другую сторону (против часовой стрелки), в чем нетрудно убедиться, применив
правило левой руки. Следовательно, в нагруженном двигателе физическая нейтраль
поворачивается на угол а против вращения якоря. В результате смещения
физической нейтрали в каждой параллельной ветви обмотки якоря окажется одна или
несколько секций, расположенных внутри угла α (рис. 2.1, в),
направление ЭДС в которых будет противоположно направлению ЭДС в остальных
секциях, что вызовет уменьшение ЭДС якоря генератора. Таким образом, реакция
якоря вызывает уменьшение: среднего значения результирующего магнитного поля,
ЭДС и электромагнитного момента и, в результате, приводит к плохому
использованию машины.
Машина постоянного тока выполняется так, что имеется возможность поворачивать
щетки вокруг оси якоря. Рассмотрим случаи, когда щетки повернуты в сторону
физической нейтрали (рис. 2.2). При этом поворачивается и поле якоря, так как
изменяется направление тока в секции, находящейся на геометрической нейтрали.
Его направление и величину можно показать в виде вектора МДС якоря Fa
= IWa, где Wa - число витков одной
параллельной ветви. МДС Fa, суммируясь с МДС возбуждения
образует результирующую МДС F. Картина распределения МДС, изображенная
на рис.2.2, справедлива, как при работе машины генератором, при вращении якоря
по часовой стрелке, так и при ее работе двигателем, когда якорь вращается
против часовой стрелки с угловой скоростью ω. МДС якоря можно разбить на
две составляющие: Faq, направленная по геометрической нейтрали,
называется МДС поперечной реакции якоря; Fad - направленная
вдоль оси полюсов, называется МДС продольной реакции якоря. Как видно на рис.
2.2, продольная реакция якоря, как и поперечная оказывает размагничивающее
воздействие.
Однако при этом, в секциях, расположенных внутри угла α, индуктированная
ЭДС будет направлена согласно с ЭДС остальных секций параллельных ветвей. Это
способствует улучшению работы машины.
Таким образом, расположение щеток на физической нейтрали является одним из
способов уменьшения вредного воздействия реакции якоря. При этом для
восстановления среднего магнитного потока до необходимой
величины увеличивают число витков обмотки возбуждения Wв.
Этот способ приемлем лишь в том случае, когда машина работает всегда при
постоянной нагрузке (положение физической нейтрали не меняется) и при
постоянном направлении вращения и скорости.
Рис. 2.2. Направление МДС
Если же нагрузка переменная и машина является реверсивной, то вредное
воздействие реакции якоря уменьшается благодаря применению дополнительных
полюсов, которые располагают так, что их МДС оказывается направленной против
МДС поперечной реакций якоря (см. рис. 2.2).
Щетки при этом располагаются на геометрической нейтрали и продольная реакция
якоря будет отсутствовать. Обмотка дополнительных полюсов соединяется
последовательно с обмоткой якоря. Поэтому при увеличении тока нагрузки и,
следовательно, поперечной реакции якоря одновременно увеличивается и
компенсирующее воздействие МДС дополнительных полюсов так, что физическая
нейтраль оказывается почти совпадающей с геометрической. В машинах большой
мощности применяют также компенсационную обмотку, которую закладывают в пазы
полюсных наконечников и соединяют последовательно с обмоткой якоря, в
результате чего создается магнитное поле в зоне расположения полюсов,
противоположное по направлению полю реакции якоря.
3. Влияние реакции якоря на магнитный поток машины
Вопросы количественного учета влияния реакции якоря на магнитный поток машины
рассмотрим при следующих допущениях:
- якорь не имеет пазов, их влияние учитывают введением в рассмотрение
эквивалентного воздушного зазора δ = Кδ δ;
- проводники якоря распределены равномерно по окружности якоря. При
существенном упрощении анализа получаемые результаты достаточно точны для
практических целей.
Удобно рассматривать машину (рис. 3.1) развернутой на плоскость. МДС вдоль
одной из единичных трубок магнитной индукции, выделенной на рис. 3.1 жирной
линией, по закону полного тока составит
(3.1)
так как на единицу длины окружности приходится А Ампер, а контур охватывает
две единицы длины. Под центром полюса МДС Fяδ = 0; для трубки,
проходящей на расстоянии х = τ / 2 от центра, МДС
(3.2)
МДС Fяδ достигает максимального значения на линии геометрической
нейтрали (рис. 1, а):
(3.3)
поскольку МДС контура затрачивается на то, чтобы провести элементарный поток
через зазор дважды - в прямом и обратном направлениях.
Поток единичной трубки ФЯδ через некоторое сечение
(3.4)
Пренебрегая весьма малым сопротивлением стальных участков сравнительно с
сопротивлением воздушного зазора, можно записать, что магнитное сопротивление
контура
(3.5)
тогда по (3.4) с учетом (3.1) и (3.5) получим
(3.6)
откуда
(3.7)
Из (3.2) и (3.7) следует, что форма кривой магнитной индукции повторяет форму
распределения МДС Fя (рис. 3.1, б).
Провалы индукции в межполюсной зоне возникают вследствие резкого увеличения
магнитного сопротивления этих участков под полюсом.
Кривая 3 результирующей индукции в зазоре машины В δрез сильно
искажена (рис. 3.1, в), причем искажение увеличивается с ростом нагрузки.
Рис. 3.1. Распределение индукции на поверхности якоря
Искажение поля машины приводит к неравномерному распределению напряжения по
коллектору (к увеличению напряжения между одними соседними пластинами и к
уменьшению между другими), что способствует появлению кругового огня по
коллектору, крайне опасного для сохранности машины.
Список литературы:
Были использованы материалы сайта www.edulib.ru
