МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ МЕХАНИЗМОВ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

При рассмотрении работы электродвигателя, приводящего в действие производственный механизм, необходимо выявить соответствие механических характеристик двигателя характеристике производственного механизма. Поэтому для правильного проектирования и экономичной эксплуатации электропривода необходимо изучить эти характеристики.

Зависимость между приведенными к валу двигателя частотой вращения и моментом сопротивления механизма ω = f(М_С) называют механической характеристикой производственного механизма.

Различные производственные механизмы обладают различными механическими характеристиками. Однако, обобщая характеристики различных механизмов, используют формулу

М_С = М_О + (М_СНОМ - М_О)(ω/ω_НОМ)^Х,

где М_С - момент сопротивления механизма при частоте вращения ω;

М_О - момент сопротивления трения в движущихся частях механизма;

М_СНОМ - момент сопротивления при номинальной частоте вращения ω_НОМ;

Х - показатель степени, характеризующий изменение момента сопротивления при изменении частоты вращения.

Механические характеристики механизмов условно подразделяют на:

1) Не зависящие от частоты вращения.

В этом случае Х = 0, а М_С = М_СНОМ.

Такой характеристикой обладают подъемные краны, лебедки, механизмы подач металлорежущих станков, поршневые насосы при неизменной высоте подачи, конвейеры с постоянной массой перемещаемого материала. С определенным приближением к ним относят механизмы, у которых основным моментом сопротивления является момент трения, так как в пределах рабочих скоростей момент трения изменяется мало.

2) Линейно-возрастающая механическая характеристика

В этом случае Х = 1 и момент сопротивления линейно зависит от частоты вращения ω, увеличиваясь с её возрастанием.

Такую характеристику имеет генератор постоянного тока с независимым возбуждением, нагруженный на постоянный резистор.

3) Нелинейно-возрастающая (параболическая) механическая характеристика

Для этого случая Х = 2.

Такой характеристикой обладают центробежные и осевые вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты и т. п.

4) Нелинейно-спадающая механическая характеристика

Наиболее характерным для неё Х = -1< 0.

При Х = -1 М_С изменяется обратно-пропорционально частоте вращения, а мощность, потребляемая механизмом, остается постоянной.

Такой характеристикой обладают некоторые токарные, расточные, фрезерные и другие металлообрабатывающие станки, моталки, приводы транспортных средств.

Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость частоты вращения его вала от вращающего момента

ω_ДВ = f(М_ДВ).

Большинство электродвигателей снижают частоту вращения с увеличением момента, но происходит это снижение в различных двигателях по-разному. Для характеристики степени изменения скорости с изменением момента ввели понятие жесткости механической характеристики.

Жесткость механической характеристики электропривода – это отношение разности электромагнитных моментов, развиваемых электродвигателем, к соответствующей разности угловых скоростей электропривода

β = = .

На рабочих участках обычно β < 0. Для линейных механических характеристик β = const. Если же механические характеристики нелинейны, то их жесткость β = var = в каждой точке механической характеристики. По жесткости механические характеристики подразделяют на четыре вида:

1) Абсолютно жесткая механическая характеристика β = . Это характеристика, при которой частота вращения с изменением момента остается постоянной. Такую характеристику имеют синхронные двигатели.

2) Жесткая механическая характеристика – это характеристика, при которой частота вращения хоть и уменьшается с увеличением момента, но незначительно. Такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока с независимым возбуждением, а также асинхронные электродвигатели в пределах рабочей части механической характеристики.

3) Мягкая механическая характеристика – это характеристика, при которой с изменением момента скорость изменяется значительно. Такими характеристиками обладают электродвигатели постоянного тока с последовательным возбуждением и вентильные двигатели.

4) Абсолютно мягкая механическая характеристика – это характеристика, при которой момент двигателя с изменением частоты вращения остается неизменным. Такую характеристику имеют двигатели постоянного тока независимого возбуждения при питании их от источника тока или при работе в замкнутых системах в режиме стабилизации тока якоря.

Работе электродвигателя и производственного механизма в установившемся режиме соответствует равенство момента сопротивления механизма и вращающего момента двигателя при определенной частоте вращения М_С = М_ДВ .

Во всех неэлектрических двигателях для восстановления равновесия между изменившимся моментом сопротивления и моментом, развиваемым двигателем, требуется специальный регулятор, изменяющий подачу воды, пара или топлива. В электродвигателях роль такого регулятора выполняет чаще всего сама электрическая машина (Например, э.д.с. в её обмотках).

Один из примеров неправильного выбора электродвигателя рассмотрим на примере традиционного асинхронного двигателя. Если момент сопротивления исполнительного механизма постоянный, то при ω_Н > ω > ω_ОПР, М_ДВ = М_С и частота вращения привода будет увеличиваться до достижения равенства М_ДВ = М_С в точке ω_Н . Если же ω_ОПР > ω > 0, то М_ДВ < М_С и частота вращения будет уменьшаться ( < 0) пока двигатель не остановится.

Чтобы обеспечить нормальную работу привода надо выбрать двигатель с нужной характеристикой или изменить параметры электрических цепей электродвигателя.

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯПОСТОЯННОГО ТОКА НЕЗАВИСИМОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ (ДПТ НВ).

Обычная схема включения ДПТ НВ

При установившемся режиме работы двигателя приложенное к якорю напряжение U уравновешивается падением напряжения на активном сопротивлении в якорной цепи и наведенной в якоре ЭДС вращения, то есть

U = IR + E,

где I –ток якорной цепи;

R = R_Я + R_ДП + R_ЩК + R_ДОБ ;

R_Я - сопротивление якоря;

R_ДП - сопротивление добавочных полюсов;

R_ЩК - сопротивление щеточного контакта;

R_ДОБ - величина добавочного сопротивления в цепи якоря;

E = k_ЕФω ;

k_Е = ;

где р – число пар полюсов;

N – число активных проводников обмотки якоря;

a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

Ф – магнитный поток якоря;

ω - частота вращения якоря.

Откуда

ω = .

Эту зависимость ω = f(I) называют электромеханической характеристикой двигателя. Для получения механической характеристики используют зависимость М = k_МФI.

Откуда

I = М/k_МФ,

тогда механическая характеристика ДПТ НВ опишется выражением:

ω = - .

При неизменных U, R, Ф уравнение механической характеристики представляет собой прямую линию.

Изменяя каждый из параметров, рассмотрим, как он влияет на механические характеристики двигателя.

Оставим неизменными U и Ф.

При М_С = 0

ω_О = ,

то есть при любых значениях R_ДОБ механические характеристики проходят через точку ω_О, лежащую на оси ординат. Эта скорость называется скоростью идеального холостого хода.

При увеличении момента сопротивления частота вращения якоря будет снижаться пропорционально активному сопротивлению якорной цепи. Если R_ДОБ = 0, то такая характеристика называется естественной.

Относительное уменьшение частоты вращения якоря

Δω =

составляет от 1,5 до 5 % в зависимости от мощности двигателя. Это статическое падение угловой скорости в относительных единицах Δω аналогично скольжению асинхронного двигателя, хотя не имеет того же физического смысла, как у асинхронных двигателей.

При введении в цепь якоря добавочного сопротивления падение скорости с ростом нагрузки увеличивается, так как

Δω = ,

и характеристики становятся более мягкими.

Это можно использовать для ограничения пусковых токов двигателя. Чаще всего пусковой ток ДПТ ограничивают на уровне 2I_НОМ, так как при больших токах может быть поврежден коллектор ДПТ.

В момент начала пуска ω = 0, поэтому

U = IR;

R_ПОЛН = ;

R_ЯЦД + R_ДОБ = ;

R_ДОБ = - R_ЯЦД .

Но при таком добавочном сопротивлении в цепи якоря и номинальном моменте на валу установившаяся частота вращения достигнет только ω₁. Если при этой скорости отключить добавочное сопротивление, то ток якоря может превысить допустимый. Поэтому добавочное сопротивление разбивают на отдельные ступени и отключение этих ступеней осуществляют при токе якоря 1,15I_H < I_O < 1,35I_H чтобы сократить время пуска двигателя. Если ток переключения I_O выбран неправильно, то при отключении последней ступени добавочного сопротивления ток может не достигнуть 2 I_Н, а это приведет к уменьшению среднего значения тока при пуске и увеличению времени пуска. При увеличении тока переключения возрастает количество ступеней пускового реостата (m), но уменьшается время пуска, и наоборот, с уменьшением тока переключения уменьшается количество ступеней пускового реостата, но растет время пуска. Количество ступеней пускового реостата определяет стоимость системы управления и надёжность её работы. В зависимости от назначения привода и требований к нему 3 ≤ m ≤ 8. И только для приводов малой мощности m < 3.

Для того чтобы при отключении последней ступени пускового сопротивления пусковой ток достигал максимально допустимого значения, ток переключения определяют

I_O = k_O I_H,

где k_O - кратность тока переключения относительно номинального,

k_O = k₁ ;

где k₁ - кратность максимально допустимого пускового тока относительно номинального,

k₁ = .

Для расчета величины добавочных сопротивлений по ступеням определяют отношение кратности максимальных токов к кратности тока переключения по ступеням

k =

для всех ступеней кроме первой, так как

k = = k

и соотношения между этими кратностями:

= ;

= ;

………..

= .

Но если при расчете не делалось округлений, то = = … = .

а сопротивление n-ой ступени пускового реостата

R = R_ПОЛН .