Механические характеристики производственных механизмов и электрических двигателей

Основные понятия, определения и классификация электроприводов

Современный производственный агрегат состоит из большого числа разнообразных узлов, отдельных исполнительных органов и аппаратов, выполняющих различные функции и обеспечивающих определенный производственный процесс. Для квалифицированного проектирования электропривода при создании рабочих машин, отвечающего требованиям технологий и обслуживания в эксплуатации, необходимо хорошо знать назначение и устройство отдельных элементов, составляющих данную машину.

Основным элементом любого машинного устройства является двигатель с системой управления и передаточным механизмом, которые сообщают движение рабочей машине. В связи с этим их объединяют общим названием “привод”. В настоящее время для приведения в движение рабочих машин чаще используют электрический двигатель, поэтому этот тип привода называется электрический, или просто электропривод. Электропривод предназначен для преобразования электрической энергии в механическую или механической энергии в электрическую (в зависимости от режима работы двигателя) и передачи её рабочей машине с помощью передаточного устройства и электрического управления данным приводом.

Электропривод – это электромеханическая система, состоящая из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением (ГОСТ 16593-79).

Структурная схема электропривода приведена на рис. 1.1.

Электродвигательное устройство (ЭД) - двигатель постоянного или переменного тока, вращательного или поступательного движения - предназначено для преобразования электрической энергии в механическую или механической энергии в электрическую. Преобразователь (П) предназначен для питания двигателя и создания управляющего воздействия на него. Он преобразует род тока или напряжение, или частоту тока либо изменяет иные показатели электрической энергии, подводимой к двигателю. В качестве преобразователя используют различного типа трансформаторы, выпрямители, преобразователи частоты тока, автотрансформаторы, тиристорные регуляторы напряжения и др. Управляющее устройство (У) управляет работой электродвигателя (включение и отключение, реверсирование и регулирование скорости и т.п.). Передаточное устройство (ПУ) предназначено для передачи механической энергии от электродвигательного устройства к исполнительным органам рабочей машины (РМ), изменения вида и скорости движения, а также усилия (момента вращения).

В зависимости от того, сколько рабочих машин или исполнительных органов приходится на двигатель, электропривод принято подразделять на групповой, индивидуальный и многодвигательный.

Групповым электроприводом называется привод, при котором от одного двигателя приводится в движение несколько рабочих машин (РМ) или несколько исполнительных органов (ИО) одной рабочей машины при помощи механической трансмиссии или ременной либо редукторной передачи. Такой групповой привод иногда называется трансмиссионным (рис. 1.2). Передаточные устройства в таком приводе сложны и громоздки, а сам привод, как правило, неэкономичен.

Развитие электропривода было связано с установкой на каждую рабочую машину отдельного электродвигателя. По сравнению с трансмиссионным такой привод является более совершенным, но по существу остается групповым, так как в машине имеется несколько исполнительных органов (ИО), приводимых в движение одним двигателем (рис.1.3). Примером группового электропривода может служить привод ряда токарно-винторезных станков.

При индивидуальном электроприводе каждый исполнительный орган рабочей машины приводится в движение самостоятельным электродвигателем (рис.1.4).

При индивидуальном электроприводе за счет того, что каждый орган рабочей машины приводится в движение отдельным электродвигателем, исполнительные органы рабочей машины оказываются уже не связанными друг с другом, поэтому значительно упрощаются механические передачи. В некоторых случаях в результате полного исключения механических передач удается существенно повысить точность работы машины. Индивидуальный электропривод позволяет обеспечить оптимальный режим работы машин, при котором достигается максимальная производительность. Примером такого привода может служить электропривод продольно-фрезерного станка (рис.1.5), вакуум-насоса, доильного агрегата, сепаратора, вентилятора и т.п.

В индивидуальном электроприводе двигатель может органически входить в конструкцию рабочей машины, так что отдельные части электродвигателя при этом одновременно являются частями рабочей машины, например, в электрифицированном ручном инструменте (электродрель, электрорубанок, электропила и т.п.). Индивидуальный электропривод, обладая рядом преимуществ перед другими приводами, получил широкое распространение в различных отраслях АПК.

Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электроприводов, при работе которых поддерживается заданное соотношение или равенство скоростей или нагрузок или положение исполнительных органов рабочих машин. Одной из разновидностей взаимосвязанного электропривода является многодвигательный электропривод.

Многодвигательным электроприводомназывается электропривод, обеспечивающий передачу движения от нескольких ЭД на один общий вал(рис.1.6). Примером такого электропривода служит привод цепного конвейера (рис.1.7).

Цепь, приводимая в движение двумя или несколькими двигателями, расположенными вдоль конвейера, является рабочим органом. В данном случае двигатели ЭД1 и ЭД2 имеют вынужденно одинаковую скорость. Взаимосвязанный электропривод широко применяется в различных современных машинах и агрегатах, например, в копировальных, металлорежущих станках и станках с программным управлением, в поточных технологических линиях.

ЭД2

ЭД1

Рис. 1.7. Схема взаимосвязанного электропривода конвейера

Многообразие производственных процессов обуславливает различные виды и характеры движения исполнительных органов машины, следовательно, и электроприводов. По виду движения электроприводы бывают вращательного или поступательного, однонаправленного или реверсивного движения. По характеру управления электропривод может быть нерегулируемым, регулируемым, программно управляемым, следящим и др.

Механические характеристики производственных механизмов и электрических двигателей

При проектировании и эксплуатации электроприводов важное значение имеет правильное сочетание механических характеристик электропривода и рабочей машины. Рациональное сочетание механических характеристик электропривода и рабочей машины обеспечивает высокие технико-экономические показатели работы производственных механизмов.

Зависимость между моментом сопротивлений и угловой скоростью, т.е. М_с=f(w)называют механической характеристикой производственного механизма.

Различные рабочие машины обладают различными механическими характеристиками. Теоретически эти характеристики в общем виде можно описать следующей эмпирической формулой:

, (1.1)

где М_с - момент сопротивления рабочей машины, соответствующий скорости w; М₀- момент сопротивления трения в движущихся частях механизма; М_с.н - момент сопротивления рабочей машины при номинальной угловой скорости ω_н; w/w_н – относительная скорость, где ω, ω_н – текущая и номинальная скорости; χ- показатель степени, характеризующий изменение момента сопротивления при изменении скорости.

Все механические характеристики производственных механизмов можно разделить на следующие основные группы (рис.1.8):

1) механическая характеристика, не зависящая от скорости(прямая 1, рис.1.8). При этом χ=0, М_с не зависит от скорости и

Рис.1.8. Механические характеристики производственных механизмов	Рис.1.9. Механические характеристики электрических двигателей

является постоянной величиной. Такую характеристику имеют подъемные механизмы (лебедки, краны, тельферы, лифты, кран-балки и др.); кормораздаточные транспортеры (телескопические, ленточные и др.); навозоуборочные транспортеры (кругового движения, штанговые, каретно-скреперные и др.) и другие рабочие машины;

2) линейно - возрастающая механическая характеристика (прямая 2, рис.1.8). При этом χ=1, М_с линейно зависит от скорости w, увеличиваясь с ее возрастанием. Такая характеристика свойственна генераторам постоянного тока с независимым возбуждением, работающим как рабочая машина и отдающим энергию на постоянное внешнее сопротивление; глиномялкам и льномялкам под нагрузкой; корнеклубнемойкам и прессам типа ПСМ-5А на холостом ходу и другие рабочие машины;

3) нелинейно - возрастающая (параболическая) механическая характеристика(кривая 3, рис.1.8). Показатель степени χ = 2. Механизмы, обладающие такой характеристикой, иногда называют механизмами с вентиляторным моментом, т.к. у вентиляторов момент сопротивления зависит от квадрата скорости. Кроме вентиляторов, такую характеристику имеют центробежные насосы, сепараторы, молотильные барабаны и др.;

4) нелинейно - падающая механическая характеристика (кривая 4, рис.1.8). В этом случае показатель степени χ = –1, М_с изменяется обратно пропорционально скорости. Данной характеристикой обладают некоторые токарные, расточные, фрезерные и другие металлообрабатывающие станки, зерновые ковшовые нории под нагрузкой при постоянной подаче, шнековые транспортеры и другие рабочие машины.

Для выбора рационального электропривода необходимо знать механическую характеристику не только рабочей машины, но и электродвигателя. От правильного сочетания данных характеристик зависят экономичность и надежность работы электропривода.

Механической характеристикой электродвигателяназывается зависимость между его вращающим моментом и угловой скоростью, т.е. М_Д=f(w). Почти у всех электродвигателей скорость является убывающей функцией момента двигателя. Однако степень изменения скорости с изменением момента у разных двигателей различна и характеризуется так называемой жесткостью механических характеристик. Жесткость механической характеристики электродвигателя определяется как отношение разности моментов, развиваемых электродвигателем, к соответствующей разности угловых скоростей:

. (1.2)

Например, у механической характеристики 3 на рис.1.9 жесткость определяется как .

Все механические характеристики электродвигателей можно разделить на следующие основные типы (рис.1.9):

1) абсолютно жесткая механическая характеристика (b=¥) - это такая характеристика, при которой скорость с изменением момента остается неизменной. Данной характеристикой обладают синхронные двигатели (прямая 1, рис.1.9);

2) механическая характеристика с коэффициентом жесткости b = 40...10 - это характеристика, при которой скорость с изменением момента хоть и уменьшается, но в незначительной степени. Такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока независимого возбуждения (прямая 2, рис.1.9) и асинхронные двигатели в рабочей части (АВ на кривой 3, рис.1.9);

3) мягкая механическая характеристика (b£10) - это характеристика, при которой с изменением момента скорость изменяется существенно. Такую характеристику имеют двигатели постоянного тока последовательного возбуждения, особенно в зоне больших угловых скоростей (кривая 4, рис.1.9).