Реакция якоря машины постоянного тока: анализ и расчет
Реакция якоря оказывает существенное влияние на рабочие характеристики машин постоянного тока. В данной статье рассмотрим сущность этого явления, его негативные последствия и способы минимизации.
Сущность реакции якоря
Реакцией якоря называют влияние магнитного поля, создаваемого током якоря Ия, на основное магнитное поле машины. При холостом ходе поле создается только обмоткой возбуждения. В этом случае оно симметрично относительно оси полюсов.
При работе с нагрузкой по обмотке якоря протекает ток Ия, который создает собственное поперечное магнитное поле. Это поле накладывается на основное поле машины, в результате суммарный магнитный поток смещается на некоторый угол α относительно оси полюсов.
Реакция якоря приводит к тому, что физическая нейтраль смещается относительно геометрической нейтрали на угол α. Это оказывает негативное действие на работу машины.
Негативные последствия реакции якоря
К основным отрицательным эффектам от реакции якоря относят:
- Смещение физической нейтрали на угол α относительно геометрической
- Уменьшение результирующей ЭДС машины из-за уменьшения магнитного потока
- Неравномерное распределение магнитной индукции в воздушном зазоре под полюсами
- Возникновение кругового огня на коллекторе
Реакция якоря постоянного тока приводит к появлению поперечного магнитного потока, который уменьшает результирующий полезный поток машины. Это снижает ЭДС и может вызвать насыщение магнитной цепи под краями полюсов.
Влияние реакции якоря на генератор постоянного тока
Рассмотрим более подробно эффекты реакции якоря в генераторе постоянного тока:
- Результирующий магнитный поток смещается по направлению вращения якоря
- Снижается выходное напряжение генератора из-за уменьшения полезного потока
- Ухудшаются условия коммутации в месте установки щеток
Для генераторов рекомендуется выбирать режим с повышенным магнитным потоком возбуждения. Это позволит частично скомпенсировать влияние реакции якоря и сохранить требуемую величину ЭДС на выходе.
| Параметр | Обозначение | Единицы измерения |
| Магнитный поток возбуждения | Фв | Вб |
| Магнитный поток якоря | Фя | Вб |
| Результирующий магнитный поток | Фрез | Вб |
где Вб - вебер.
Влияние реакции якоря на двигатель постоянного тока
Реакция якоря машины постоянного тока оказывает негативное влияние и на рабочие показатели двигателя:
- Уменьшается вращающий момент из-за уменьшения результирующего магнитного потока
- Снижается КПД двигателя по той же причине
- Повышается вероятность искрения на коллекторе
Для двигателя рекомендуется выбирать режим с повышенным током якоря. Это позволит частично скомпенсировать падение вращающего момента из-за действия поперечной реакции якоря.
Способы уменьшения реакции якоря
Существует несколько эффективных методов для уменьшения негативного влияния реакции якоря на работу машин постоянного тока:
- Применение дополнительных полюсов с обмоткой, включенной последовательно с якорем
- Использование компенсационных обмоток в пазах главных полюсов
- Увеличение воздушного зазора под краями полюсных наконечников
- Оптимальный выбор места установки щеток
- Работа машины в режиме искусственной коммутации
Данные методы позволяют значительно ослабить поперечную реакция якоря синхронного генератора и улучшить характеристики машин постоянного тока.
Экспериментальное определение параметров реакции якоря
Для практического определения параметров реакции якоря проводят специальные лабораторные испытания машин постоянного тока.
Используется лабораторный стенд, включающий в себя исследуемый генератор/двигатель постоянного тока, регулируемый источник питания, электронные измерительные приборы (вольтметр, амперметр), датчики магнитного потока и вращающий момент.
В ходе испытаний машина последовательно выводится на различные режимы работы: холостой ход, 25%, 50%, 75% и 100% номинальной нагрузки. На каждом режиме замеряются:
- Ток якоря Ия
- ЭДС холостого хода E0
- ЭДС под нагрузкой E
- Магнитный поток Фв обмотки возбуждения
- Результирующий магнитный поток Фрез
- Угол сдвига физической нейтрали α
Полученные данные заносятся в таблицу и обрабатываются для расчета основных показателей реакции якоря.
Аналитический расчет реакции якоря
Кроме экспериментального метода используется аналитический расчет параметров реакции якоря.
Рассмотрим упрощенную математическую модель, включающую:
- Магнитный поток полюса Фп=f(Ив)
- Магнитный поток якоря Фя=f(Ия)
- Результирующий магнитный поток Фрез
- Зависимости этих потоков от конструкции машины и режима работы
На основании модели проводится анализ взаимного влияния магнитных полей и выводятся расчетные формулы для определения угла сдвига физической нейтрали:
α = f(Ия, Ив, g, w, μ)
Где:
- Ия – ток якоря
- Ив – ток возбуждения
- g – воздушный зазор
- w – число витков обмотки якоря
- μ - магнитная проницаемость стали
Данная формула позволяет рассчитать параметры реакции якоря в зависимости от режима работы машины и ее конструктивных особенностей.
Компенсация реакции якоря
Для устранения негативного влияния реакции якоря используют специальные методы компенсации:
- Применение компенсационных обмоток с регулируемым числом витков
- Использование активной компенсации с обратной связью по результирующему магнитному потоку
- Подмагничивание постоянными магнитами или дополнительной катушкой
Автоматическая система компенсации позволяет полностью устранить смещение физической нейтрали на любых режимах работы машины.
Выбор оптимального режима с учетом реакции якоря
При выборе режима работы машины постоянного тока необходимо учитывать влияние реакции якоря. Определяющими факторами являются:
- Требуемые электрические и механические характеристики
- Допустимый нагрев обмоток
- Технологические ограничения
Расчет оптимального режима ведется на основании конструктивных параметров машины, характеристик приводного двигателя или нагрузки. Результатом являются рекомендуемые значения токов и напряжений.
Адаптивные системы управления позволяют автоматически корректировать режим работы по данным датчиков обратной связи для компенсации реакции якоря.