2.5 Механические характеристики двигателей и механизмов в электроприводе

Зависимость скорости от электромагнитного момента М двигателя принято называть механической характеристикой электропривода, а зависимость от момента статического сопротивления , приведённого к валу двигателя – механической характеристикой механизма. Уравнение движения электропривода

(2.63)

соответствует установившемуся движению с .

Механические характеристики механизмов, рассмотренные во второй главе, представлены на рис. 2.14

Рис. 2.14 Механические характеристики механизма М_с= f(

Механические характеристики электрических двигателей представлены на рис. 2.15

Рис. 2.15 Механические характеристики электрических двигателей: 1 – синхронный двигатель; 2 – ДПТ НВ, 3 – асинхронный двигатель; 4 – ДПТ ПВ; 5 – ДПТ СВ

Механические характеристики двигателей принято оценивать их жёсткостью

,

величина , которая показывает степень изменения скорости при изменении момента. В вязи с этим различают характеристики абсолютно жёсткие (1) с , жёсткие (2) с , мягкие (4,5). У асинхронного двигателя на участке – а жёсткая характеристика, в точке b – , на участке (b-c) (см. рис. 2.15).

Жёсткость механических характеристик механизма (см. рис. 2.14).

Решение уравнения движения

позволяет графически просто построить совместную характеристику электропривода и определить координаты: скорости и момента – в установившемся режиме (см. рис. 2.16)

Рис. 2.16. К построению совместной характеристики и определению установившегося движения

Статический режим (установившееся движение) может быть устойчивым, если после действия любого случайного возмущающего воздействия система возвращается к исходному статическому состоянию ( < 0;М_дин = М_совм ) или ( ;М_дин = М_совм < 0) (см. рис. 2.16) и неустойчивым, если не возвращается ( ; _Мдин = _Мсовм ) или ( < 0; М_дин = М_совм < 0) (см. рис. 2.17).

Другими словами, если жёсткость совместной характеристики

, (2.64)

несмотря на то, что ; и больше , система статически устойчива.

На рис. 2.17:

т. - устойчивое движение ;

т. неустойчивое движение ;

т. устойчивое движение ;

Рис. 2.17. Определение устойчивости статического режима с асинхронными двигателями

2.6. Режимы преобразования энергии в электроприводе и ограничения, накладываемые на их протекание

Возможны следующие основные режимы преобразования в ЭМП (рис. 2.18):

1. Преобразование электрической энергии в механическую - двигательный режим (рис. 2.18,а). Здесь мощность , поступающая из сети, в основном преобразуется в механическую и частично в потери в стали и сопротивлениях обмоток.

2. Если механическая мощность поступает с вала двигателя, то машина работает генератором параллельно с сетью и отдаёт мощность в сеть за вычетом потерь . Это тормозной режим работы двигателя – рекуперативное торможение (рис. 2.18,б).

3. Режим противовключения (генераторный последовательно с сетью). Это тормозной режим – мощность из сети и с вала поступают в машину и преобразуются в потери (рис. 2.18,в).

4. Режим динамического торможения (генераторный режим независимо от сети). Механическая мощность, поступающая к ЭМП, преобразуется в электрическую и выделяется в нём в виде потерь в сопротивлениях силовых цепей и стали (рис. 2.18,г).

Кроме основных режимов преобразования энергии возможны режимы холостого хода, идеального холостого хода и короткого замыкания.

На рис. 2.18,д приводятся статические механические характеристики двигателя, соответствующие двум направлениям вращения ротора (якоря). В первом и третьем квадрантах энергия поступает из сети - это двигательный режим ЭМП. Во втором и четвёртом квадрантах - тормозные режимы.

Рис. 2.18. Режимы преобразования энергии

Процессы электромеханического преобразования энергии сопровождаются потерями энергии в активных сопротивлениях обмоток машин, в стали магнитопроводов, а также механическими потерями.

Мощность потерь

,

где - постоянные потери;

- переменные потери в активных сопротивлениях силовых цепей двигателя;

- номинальные переменные потери;

- для асинхронных двигателей;

– для двигателей постоянного тока;

- номинальные значения токов силовых обмоток.

Количество теплоты, выделяемое в двигателе, возрастает с увеличением нагрузки, что вызывает повышение температуры его частей. Максимально допустимая температура двигателя определяется классом изоляции его обмоток. Повышение температуры изоляции свыше максимально – допустимой вызывает резкое старение изоляции. Это определяет важнейшее ограничение, накладываемое на процесс преобразования энергии – ограничение по нагреву двигателя. Допустимая по нагреву нагрузка двигателя называется его номинальной нагрузкой и указывается в паспортных и каталожных данных. К числу номинальных данных двигателя относятся номинальная мощность на валу (кВт), номинальный ток (А), номинальное напряжение его обмоток (В), частота (Гц), номинальная скорость вращения (об/мин). Кроме того указываются номинальные значения КПД, а для двигателей переменного тока и коэффициент мощности cos.

Второе ограничение, накладываемое на процесс преобразования энергии, это допустимые кратковременные перегрузки сверх номинальных, которые определяются перегрузочной способностью двигателя

; ,

где , – максимально-допустимый момент и ток двигателя при кратковременной перегрузке.

Для двигателей постоянного тока перегрузочная способность ограничивается коммутационной устойчивостью (допустимым искрением на коллекторе) и составляет для двигателей серии П, МП , для двигателей серии Д .

Для двигателей переменного тока допустимы большие перегрузки по току силовых цепей, а по моменту перегрузочная способность определяется величиной наибольшего момента, который двигатель может развить при номинальном напряжении сети и номинальной частоте.

Для двигателей постоянного тока третье ограничение обусловлено допустимой скоростью изменения тока якоря

и тоже связано с искрообразованием при коммутации.