Механические характеристики производственных механизмов и электрических двигателей.

При рассмотрении работы электродвигателя, приводящего в действие производственный механизм, необходимо прежде всего выявить соответствие механических характеристик двигателя характеристике производственного механизма.

Механической характеристикой производственного механизма называют зависимость между приведенными к валу двигателя скоростью и моментом сопротивления механизма .

Различные производственные механизмы обладают различными механическими характеристиками. Однако можно получить некоторые обобщающие выводы, если воспользоваться следующей эмпирической формулой для механической характеристики производственного механизма:

. (2.9)

где – момент сопротивления производственного механизма при скорости ;

– момент сопротивления трения в движущихся частях механизма;

– момент сопротивления при номинальной скорости ;

– показатель степени, характеризующий изменение момента сопротивления при изменении скорости.

Приведенная формула позволяет классифицировать механические характеристики производственных механизмов ориентировочно на следующие основные категории.

1. Не зависящая от скорости механическая характеристика (рис. 2.3, прямая 1). При этом и момент сопротивления не зависит от скорости. Такой характеристикой обладают, например, подъемные краны, лебедки, механизмы подач металлорежущих станков, поршневые насосы при неизменной высоте подачи, конвейеры с постоянной массой передвигаемого материала. Сюда же могут быть отнесены с известным приближением все механизмы, у которых основным моментом сопротивления является момент трения, так как обычно в пределах рабочих скоростей момент трения изменяется мало.

2. Линейно-возрастающая механическая характеристика (рис. 2.3, прямая 2). В этом случае и момент сопротивления линейно зависит от скорости , увеличиваясь с ее возрастанием (для упрощения принято ). Такая характеристика получится, например, в приводе генератора постоянного тока с независимым возбуждением, если последний будет работать на постоянный внешний резистор.

Рис. 2.3. Механические характеристики производственных механизмов.

3. Нелинейно-возрастающая (параболическая) механическая характеристика (рис. 2.3, кривая 3). Этой характеристике соответствует ; момент сопротивления здесь зависит от квадрата скорости. Механизмы, обладающие такой характеристикой, называют иногда механизмами с вентиляторным моментом, поскольку у вентиляторов момент сопротивления зависит от квадрата скорости. К механизмам, обладающим параболической механической характеристикой, относятся также центробежные насосы, гребные винты и т. п.

4. Нелинейно-спадающая механическая характеристика (рис. 2.4, кривая 4). При этом и момент сопротивления изменяется обратно пропорционально скорости, а мощность, потребляемая механизмом, остается постоянной. Такой характеристикой обладают, например, некоторые токарные, расточные, фрезерные и другие металлорежущие станки, моталки в металлургической промышленности и т. п.

Эти характеристики не исчерпывают всех практически возможных случаев, но дают представление о характеристиках некоторых типичных производственных механизмов.

Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его угловой скорости от вращающего момента, т. е. . Почти все электродвигатели обладают тем свойством, что скорость их является убывающей функцией момента двигателя. Степень изменения скорости с изменением момента у разных двигателей различна и характеризуется так называемой жесткостью их механических характеристик.

Жесткость механической характеристики электропривода – это отношение разности электромагнитных моментов, развиваемых электродвигательным устройством, к соответствующей разности угловых скоростей электропривода, т. е.

. (2.10)

Обычно на рабочих участках механические характеристики двигателей имеют отрицательную жесткость . Линейные механические характеристики обладают постоянной жесткостью. В случае нелинейных характеристик их жесткость не постоянна и определяется в каждой точке как производная момента по угловой скорости

. (2.11)

Понятие жесткости может быть применено и к механическим характеристикам производственных механизмов. Эти характеристики можно оценивать жесткостью

. (2.12)

Механические характеристики электродвигателей можно разделить на четыре основные категории.

1. Абсолютно жесткая механическая характеристика ( ) – это характеристика, при которой скорость с изменением момента остается неизменной. Такой характеристикой обладают синхронные двигатели (рис. 2.4, кривая 1).

Рис. 2.4. Механические характеристики двигателей.

2. Жесткая механическая характеристика – это характеристика, при которой скорость с изменением момента хотя и уменьшается, но в малой степени. Жесткой механической характеристикой обладают двигатели постоянного тока независимого возбуждения, а также асинхронные двигатели в пределах рабочей части механической характеристики (рис. 2.4, кривая 2).

3. Мягкая механическая характеристика – это характеристика, при которой с изменением момента скорость значительно изменяется. Такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока последовательного возбуждения, особенно в зоне малых моментов (рис. 2.3, кривая 3). Для этих двигателей жесткость не остается постоянной для всех точек характеристик.

Двигатели постоянного тока смешанного возбуждения могут быть отнесены ко второй или третьей группе в зависимости от значения жесткости механической характеристики.

4. Абсолютно мягкая механическая характеристика ( ) – это характеристика, при которой момент двигателя с изменением угловой скорости остается неизменным. Такой характеристикой обладают, например, двигатели постоянного тока независимого возбуждения при питании их от источника тока или при работе в замкнутых системах электропривода в режиме стабилизации тока якоря (рис. 2.3, кривая 4).

Работе электрического двигателя и производственного механизма в установившемся режиме соответствует равновесие момента сопротивления механизма и вращающего момента двигателя при определенной скорости, т. е. .

Изменение момента сопротивления на валу двигателя приводит к тому, что скорость двигателя и момент, который он развивает, могут автоматически изменяться и привод будет продолжать устойчиво работать при другой скорости с новым значением момента.

Для восстановления равновесия между изменившимся моментом сопротивления и моментом двигателя во всех неэлектрических двигателях требуется участие специальных регуляторов, которые воздействуют на источник энергии, увеличивая или соответственно уменьшая подачу воды, топлива или пара. В электрических двигателях роль автоматического регулятора может выполнять ЭДС двигателя. Эта особенность электродвигателей автоматически поддерживать равновесие системы при изменяющемся моменте сопротивления является весьма ценным свойством, так как во многих случаях момент может изменяться в той или иной степени.

Изложенное иллюстрируется рисунком 2.5, где приведены механическая характеристика 3 двигателя постоянного тока независимого возбуждения и две характеристики 1 и 2 производственного механизма, например конвейера, приводимого в движение этим двигателем.

Рис. 2.5. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения и приводимого им механизма.

Характеристика 1 соответствует моменту сопротивления при холостом ходе конвейера. Характеристика 2 получается при большом моменте сопротивления после того, как на конвейер положены транспортируемые им детали. Вначале при холостом ходе конвейера двигатель работает со скоростью . С увеличением нагрузки двигатель тормозится, скорость его снижается, благодаря чему уменьшается ЭДС. При уменьшении ЭДС возрастают ток в якорной цепи двигателя и момент, развиваемый двигателем. Рост момента двигателя продолжается до тех пор, пока не наступит равновесие моментов (точка ). Эта новая точка также является общей для механической характеристики конвейера (2) и механической характеристики электродвигателя (3).

Рассмотренные условия работы электропривода в установившемся режиме характеризуют статическую устойчивость привода, когда изменение во времени скорости и момента происходит относительно медленно в отличие от динамической устойчивости, имеющей место при переходных режимах.

Под статической устойчивостью понимается такое состояние установившегося режима работы привода, когда при случайно возникшем отклонении скорости от установившегося значения привод возвратится в точку установившегося режима. При неустойчивом движении любое, даже самое малое, отклонение скорости от установившегося значения приводит к изменению состояния привода – он не возвращается в точку установившегося режима.

Привод статически устойчив, если в точке установившегося режима выполняется условие

. (2.13)

Условие (2.13) означает, что привод статически устойчив, если при положительном приращении угловой скорости момент двигателя окажется меньше статического момента (момента сопротивления) и привод вследствие этого затормозится до прежнего значения скорости. При отрицательном приращении угловой скорости момент двигателя окажется больше момента сопротивления и привод вследствие этого разгонится до прежнего значения скорости.

При постоянном моменте нагрузки (рис. 2.3, прямая 1) статическая устойчивость будет определяться только жесткостью механической характеристики двигателя, так как . Если она отрицательна, то работа в установившемся режиме устойчива , как это имело место в рассмотренном случае.

Обычно при проектировании электропривода механическая характеристика производственного механизма является уже заданной. Поэтому для получения устойчивой работы в установившемся режиме для определенных скоростей н моментов сопротивления производственных механизмов необходимо подбирать механическую характеристику электродвигателя соответствующей формы. Это может быть достигнуто подбором электродвигателя соответствующего типа и изменением электрических параметров его цепей.