Reakce kotvy
Kotva stejnosměrného stroje při zatížení se jeví jako cívka, jež je protékána stejnosměrným proudem a její osa má v prostoru stálý směr daný polohou kartáčů. Jsou-li kartáče v geometrické neutrální ose, má magnetické pole vytvořené proudem kotvy charakter příčný vzhledem k poli hlavních pólů, jehož poloha je definována jako podélná. Zpětné působení tohoto pole na pole hlavní je reakce kotvy. [1]
Magnetické pole hlavních pólů (budicího vinutí) a pole samostatného vinutí kotvy jsou naznačeny na obr. 1a a obr. 1b. Na obr. 1c je výsledné pole deformované tak, že v jedné polovině pólů dochází k zesílení magnetického pole, v druhé polovině pólů dochází k jeho zeslabení. Místa nulové magnetické indukce na obvodu kotvy, tj. magnetické neutrály, se natočí o úhel α.
Obr. 1: Magnetické pole hlavních pólů, vinutí kotvy a výsledné pole stejnosměrného stroje [4]
Pro zvolenou polaritu hlavního magnetického pole a proudu kotvy by se rotor motoru otáčel podle pravidla levé ruky doleva, u dynama podle pravidla pravé ruky doprava.
Vliv reakce kotvy na komutaci
Natočení kartáčů je třeba provést ve směru natočení magnetické neutrální osy o úhel větší, než je toto natočení, aby komutující cívky komutovaly v poli opačné polarity než před natočením. Pak se v komutujících cívkách indukuje napětí, kompenzující napětí reaktanční. Natáčení kartáčů se používá pouze u strojů malých výkonů, neboť má tyto nevýhody:
-
Natočení kartáčů o určitý úhel odpovídá jen určité reakci kotvy, a tedy jen určitému zatížení. Pro jiné zatížení by k zajištění optimální komutace bylo nutno kartáče natočit do jiné polohy.
-
Natočením kartáčů vzniká podélná složka reakce kotvy, jak plyne z obr. 2, v němž indukční čáry pole hlavních pólů směřují shora dolů. Reakci kotvy, jejíž smysl je definován polohou kartáčů, je možno rozložit na složku příčnou, která při zatížení ve stroji vznikne vždy, a na složku podélnou, která při natočení kartáčů správným směrem (tj. ke zlepšení komutace) působí proti poli hlavních pólů a odbuzuje stroj.
Obr. 2: Rozložení reakce kotvy na podélnou a příčnou složku [4]
-
Natočení kartáčů je možné pouze u strojů pro jeden smysl točení. Při otáčení stroje v opačném smyslu by stav odpovídal natočení kartáčů na opačnou stranu, kdy by sice podélná složka reakce kotvy přibuzovala stroj, komutace by se však podstatně zhoršila.
Pomocné (komutační) póly jsou nejčastějším prostředkem ke zlepšení komutace. Jsou umístěny mezi hlavními póly v geometrické neutrální ose, viz obr.3.
Obr. 3: Konstrukční uspořádání pomocných pólů [4]
Komutační póly mají dvě základní funkce:
- Zrušit pole reakce kotvy v geometrické neutrální ose.
- Vytvořit pole, které indukuje do komutujících cívek komutační napětí opačné polarity než má reaktanční napětí.
Má-li být působení pomocných pólů závislé na zatížení, musí být jimi vytvořené pole úměrné proudu kotvy. Jejich vinutí je tedy zapojeno do série s kotvou a je protékáno proudem kotvy. Jsou navrženy tak, aby byly magneticky málo syceny, aby jejich působení bylo přímo úměrné proudu kotvy. Polarita pomocných pólů je u dynama stejná jako polarita následujícího hlavního pólu ve smyslu otáčení rotoru, u motoru je polarita opačná. Při použití pomocných pólů se kartáče z geometrické neutrální osy nenatáčejí.
Vliv reakce kotvy na lamelové napětí
Deformací magnetického pole působením reakce kotvy se lokálně zvyšuje hodnota magnetické indukce ve vzduchové mezeře na obvodu stroje a tím se zvětšuje lamelové napětí (napětí mezi sousedními lamelami). Zvýšené lamelové napětí může způsobit vznik oblouku mezi lamelami (zejména za nepříznivých podmínek – prach, vlhkost, znečištění komutátoru apod.), který se může vlivem ionizace prostředí rozšířit na ostatní lamely, a může tak dojít k přejiskření mezi kartáči a tím k havárii stroje.
Maximální hodnota lamelového napětí nemá být proto větší než 25 ÷ 28 V u strojů velkých výkonů (30 ÷ 35 V u středních a 50 ÷ 60 V u malých strojů). Motory s hlubokou regulací otáček budicím proudem mohou pracovat silně odbuzené. Vlivem reakce kotvy může přitom dojít k tzv. “odfouknutí” magnetického pole stroje, což způsobí podstatné zhoršení komutace. Tyto nepříznivé účinky reakce kotvy lze odstranit kompenzačním vinutím uloženým v drážkách pólových nástavců hlavních pólů, viz obr. 4.
Obr. 4: Kompenzační vinutí [4]
Kompenzační vinutí je zapojeno do série s obvodem kotvy ke kompenzaci reakce kotvy při různém zatížení. Jeho osa je kolmá k ose hlavních pólů.
Za předpokladu rovnoměrného rozložení vinutí kotvy a kompenzačního vinutí po obvodu (při zanedbání drážkování) jsou průběhy magnetomotorických napětí lineární s opačnou směrnicí. Výsledné magnetomotorické napětí vzniklé jejich součtem je na obr. 5 vyznačeno silnější čarou. Podle uložení vodičů kompenzačního vinutí je zřejmé, že působí pouze pod hlavními póly. Výsledné magnetomotorické napětí v geometrické neutrální ose je menší než magnetomotorické napětí vinutí kotvy, a proto může být vinutí pomocných pólů stroje s kompenzačním vinutím dimenzováno slaběji.
Obr. 5: Působení kompenzačního vinutí [4]
Kompenzační vinutí je technologicky náročné, a zvyšuje tak výrobní náklady stroje, má však významné výhody. Snižuje možnost přejiskření na komutátoru, snižuje nerovnoměrné magnetické namáhání železa a příznivě ovlivňuje komutaci. Stroje opatřené kompenzačním vinutím jsou vždy navrhovány s pomocnými póly. Kompenzační vinutí se používá převážně jen u velkých strojů s vysokými nároky na komutaci, u strojů s velkými proudovými nárazy (např. válcovací stolice) a u regulačních motorů, které mohou při hluboké regulaci otáček pracovat silně podbuzeny. [3]
Zdroje
[1] VRÁNA, Václav, Stanislav KOCMAN a Václav KOLÁŘ: Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-27]. Dostupný na www: http://fei1.vsb.cz/kat420/vyuka/hgf/elektrotechnika/sylab_stejnosmerne_stroje_bc.pdf
[2] Autor neznámý. Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-27]. Dostupný na www: http://oldmotor.feld.cvut.cz/www/materialy/A1B14SP1/A1B14SP1_Stejnosmerne_stroje.pdf
[3] Autor neznámý. Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-27]. Dostupný na www: http://oldmotor.feld.cvut.cz/www/materialy/A1B14SP1/EMM-p-2-14-44--SS.doc
Obrázky
[4] Autor neznámý. Stejnosměrné stroje [online]. [cit. 2014-9-27]. Dostupný na www:http://oldmotor.feld.cvut.cz/www/materialy/A1B14SP1/EMM-p-2-14-44--SS.doc
