Механические характеристики и свойства электродвигателей Исполнитель

Механические характеристики и свойства электродвигателей

1. Общие сведения
2. Двигательный и тормозной режимы работы электрических машин

 {spoiler=Подробнее}

Общие сведения

Механической характеристикой производственного механизма называется зависимость установившейся угловой скорости или частоты вращения механизма от момента силы сопротивления на валу, т.е.

 или ,

где  — угловая скорость, рад/с (в дальнейшем будем для краткости называть ее просто скоростью двигателя); п — частота вращения, 1/с; М_с — статический момент сопротивления на валу производственного механизма, Н·м.

Ниже приведено соотношение между п и

, рад/с 

Механические характеристики производственных механизмов можно разделить на следующие типы:

• статический момент сопротивления, которых не зависит от скорости (шахтные подъемные установки с равновесным хвостовым канатом, ленточные конвейеры с постоянным грузом на, ленте и т.п.);
• статический момент сопротивления, которых является функцией скорости (вентиляторы, насосы, углесосы, турбокомпрессоры и т.п.);
• статический момент сопротивления, которых является функцией пути (шахтные подъемные установки с неуравновешенным канатом, механизм шагания экскаваторов, рудничные вагоно-опрокидыватели и т.п.);
• статический момент сопротивления, которых зависит от целого ряда факторов, носящих зачастую случайный характер (крепость угля, породы, наличие твердых включений, качество режущего инструмента и т.п.). Такие характеристики имеют механизмы резания и разрушения горных пород (горные комбайны, струги, комплексы, экскаваторы и т.п.).

Под механической характеристикой электродвигателя понимают зависимость установившейся частота вращения двигателя от момента силы сопротивления, т.е.  или . При увеличении момента нагрузки на валу частота вращения двигателей (всех, кроме синхронного) убывает в большей или меньшей степени.

Степень изменения частоты вращения двигателя с увеличением момента на валу характеризуется жесткостью механической характеристики. По жесткости все механические характеристики условно делятся на три группы:

v абсолютно жесткие (рис. 1, прямая 1), когда двигатель имеет строго постоянную частоту вращения, не зависящую от нагрузки на валу; такой характеристикой обладают синхронные электродвигатели;

v жесткие (прямая 2), имеющие небольшое снижение скорости (3-5%) при увеличении момента от нуля до номинального. Характеристикой такого типа обладают асинхронные электродвигателя на рабочей части естественной характеристики, а также двигатели постоянного тока с параллельным и независимым возбуждением;

v мягкие (кривая 3), имеющие значительное снижение скорости при увеличении момента. Такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением.

Механические характеристики, соответствующие номинальным параметрам двигателя и питающей сети (напряжению, частоте, сопротивлению в цепях двигателя и др.), называются естественными. Во всех других случаях, когда один или несколько из перечисленных выше параметров изменились, характеристики называются искусственными.

Соответствие механических характеристик производственного механизма и электродвигателя способствует повышению устойчивости, производительности, экономичности работы машины, ее долговечности, повышению качества технологического процесса и т.п. Поэтому при выборе электродвигателя, прежде всего учитывают форму его механической характеристики. Например, для привода рудничного электровоза целесообразно использовать электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением, обладающий мягкой характеристикой.

Такой двигатель обеспечивает плавные: разгон; преодолевание перегрузки, не перегружая сеть пиками тока; пуск и торможение.

Для привода механизма подачи комбайна целесообразно применять также электродвигатель с мягкой механической характеристикой. При появлении в угольном пласте твердых включений, заштыбовке и других перегрузках электродвигатель снизит скорость, чем предохранит механизм от поломки или преждевременного износа. Жесткость механической характеристики способствует повышению производительности машины, обеспечивает стабильную скорость, не зависящую от момента на валу.

Изучение механических характеристик электродвигателей позволяет также выявить рациональные способы пуска, торможения, регулирования скорости, а также выбрать наиболее подходящую систему автоматизации.

На рис. 2 изображены механические характеристики двигателя 2 и производственного механизма 1, а также совместная механическая характеристика 3 двигателя и механизма.

В установившемся режиме, когда движущий момент М и момент сопротивления М_с равны, система вращается с угловой скоростью ω_у, и момент совместной механической характеристики равен нулю.

Если по какой-либо причине скорость уменьшится до ω₁, вращающий момент двигателя увеличится до М₁, а момент статического сопротивления рабочего механизма снизится до М₂. Поскольку теперь вращающий момент М₁ стал больше момента сопротивления М₂, угловая скорость начнет возрастать вплоть до ее установившегося значения ω_у. Машина будет в данном случае работать устойчиво. Предположим, что совместная характеристика имеет вид кривой 4, что может быть, например, в случае работы асинхронного электродвигателя на нерабочей ветви механической характеристики. При случайном уменьшении скорости момент сопротивления станет больше вращающего момента, что приведет к дальнейшему уменьшению скорости, вплоть до полной остановки.

Равновесие статического момента сопротивления и вращающего момента при правильном подборе механических характеристик осуществляется электродвигателем автоматически. Например, в машинах постоянного тока роль автоматического регулятора выполняет э.д.с. двигателя. С увеличением момент угловая скорость двигателя и его э.д.с. снизятся, что вызовет увеличение тока якоря, и, как следствие, увеличение вращающего момента двигателя.

Двигательный и тормозной режимы работы электрических машин

Как известно, электрические машины обратимы, т.е. они могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах.

В первом случае электрическая машина создает на валу вращающий момент, обеспечивающий движение производственного механизма, во втором — момент, развиваемый электрической машиной, направлен встречно по отношению к направлению ее вращения и, следовательно, тормозит движение. В последнем случае движение осуществляется за счет запаса кинетической энергии в движущихся частях механизма и электрической машины. Запасенная кинетическая энергии превращается электрической машиной в электроэнергию, которая передается в сеть или расходуется на нагревание реостата. Тормозные режимы широко используются при работе рудничного электропривода, например при спуске груза и ковша, для быстрой остановки электровоза, механизма поворота экскаватора и т.п. Одним из существенных преимуществ электрического торможения привода перед механическим является возможность более точного дозирования величины тормозного момента, плавность, удобство автоматизации, отсутствие изнашивающихся колодок и т.п. Как известно, мощность двигателя и момент на его валу связаны соотношением

                                                                     (2)

С учетом знаков уравнение (2) будет иметь вид

,                                                                                        (3)

Как отмечалось, в двигательном режим  электрическая машина является потребителем электроэнергии, что соответствует положительному значению мощности. В генераторном режиме электрическая машина является источником электроэнергии и мощность будет отрицательной. Анализируя уравнение (3), проиллюстрируем режимы работы электродвигателя в координатах ω—М (рис. 3). В первом квадранте I знаки угловой скорости и момента совпадают; мощность положительна, следовательно, это двигательный режим.

Во втором квадранте II знак угловой скорости остался положительным, а момент изменил знак на отрицательный; мощность двигателя стала отрицательной, следовательно, это режим тормозной.

В третьем квадранте III отрицательными становятся и момент и угловая скорость; мощность двигателя положительна. Следовательно, это двигательный режим после реверсирования двигателя.

Четвертый квадрант IV соответствует положительному моменту и отрицательной угловой скорости; мощность отрицательна, следовательно, это тормозной режим.

Существуют три способа электрического торможения электродвигателей.

1. Рекуперативное торможение с отдачей энергии в сеть. В этом режиме электрическая машина работает генератором. Она преобразует механическую энергию в электрическую и отдает ее в сеть. Достоинством рекуперативного торможения является высокая экономичность.
2. Торможение противовключением имеет место в случае, когда двигатель под воздействием сил, действующих со стороны рабочего механизма, вращается в направлении, противоположному тому, на которое включены его обмотки.
3. Динамическое торможение характеризуется тем, что электрическая машина работает генератором на реостат.

Литература

1. Электропривод рудничных машин. М.М. Фотиев, М.: Недра, 1981
2. Электропривод и электрификация открытых горных работ. Б.П. Белых, В.И. Щуцкий,… М., Недра, 1983, 269 с.
3. Общий курс электропривода. М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер, М., Энергоиздат, 1981, 576 с.

{/spoilers}