2. Механизмы, у которых статический момент сопротивления пропорционален угловой скорости вращения.

М_ст = М_о + с ω

М_о – начальный момент трения

с - коэффициент, зависящий от нагрузки машины

М_ст = М_о + (х М_н – М_о)( ω/ ω_н)

М_о – начальный статистический момент, обусловленный трением

х – коэффициент загрузки

- показатель степени, определяющий характер зависимости статистического момента от угловой скорости, изменяется в пределах (х – 1) < < 2

К этой группе механизмов относятся: поршневые, шестеренные и винтовые насосы, генераторы преобразователей электрической энергии.

3. Механизмы, у которых статистический момент зависит от квадрата угловой скорости.

М_ст = М_о + с ω²

К этой группе механизмов относятся: вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты, подруливающие устройства.

М_о обусловлен трением в подшипниках и другими потерями.

4. Механизмы, у которых статический момент обратно-пропорционален угловой частоте вращения. Рис.2.1 (график 4).

М_ст = М_н + с ω^-1

Такой характеристикой обладают металлорежущие станки.

Двигательный и тормозной режимы работы электропривода

Анализ статической и динамической нагрузки ЭД показал, что в процессе работы вращающий момент, развиваемый двигателем, может быть для привода движущим или тормозным.

Двигательным является режим, когда мощность передается от электродвигателя к механизму.

Т.к. мощность пропорциональна произведению момента и скорости, то при положительных значениях или обоих отрицательных сомножителей мощность будет положительна и направлена от ЭД к механизму. Этому режиму соответствует I и III квадранты системы координат.

Для двигательного режима характерно, что момент сопротивления механизма в основном направлен против момента ЭД, а если и направлен согласно, то имеет значительно меньшее значение по сравнению с вращающим моментом ЭД. Большинство судовых ЭД работают только в двигательном режиме.

Тормозным называется режим, при котором электродвигатель развивает момент, направленный против вращения привода.

Если направление момента ЭД изменилось (например, в следствии изменения направления тока в его обмотках), а направление скорости осталось прежним, то мощность ЭД становится отрицательной, направленной от механизма к двигателю. Этому режиму соответствуют II и IV квадранты системы координат.

Раздел II. Теория электропривода постоянного тока

Лекция 3

тема занятий: Электромеханические свойства электродвигателей

постоянного тока

Вопросы:

3.1. Электромеханические характеристики электродвигателей

постоянного тока

3.2. Механические характеристики электродвигателей постоянного

тока

Электромеханические характеристики электродвигателей

постоянного тока

Рассмотрим электродвигатель параллельным возбуждением (рис.3.1).

В установившемся режиме напряжение, приложенное к цепи якоря ЭД, уравновешивается ЭДС якоря и падением напряжения в якорной цепи

Рис. 3.1. Электрическая схема двигателя с параллельным возбуждением

По закону Кирхгофа для якорной цепи можно записать: U – E = I_a r_a

U = E + I_a r_a

Индуктированная в обмотке якоря ЭДС

E = K_EФ n или Е = КФ_Мω

к_E - конструктивный коэффициент машины, связанный с частотой вращения n;

к_М – конструктивный коэффициент, связанный с угловой скоростью ω;

к_E = к_М =

р – число пар полюсов;

α – число пар параллельных ветвей обмотки якоря;

N – число активных проводников обмотки якоря;

Ф – магнитный поток пары полюсов.

к_М = = 9,55к_Е

Уравнение электромеханической характеристики двигателя постоянного тока:

(3.1)

ω = ω_о - ∆ω

ω_о = - угловая скорость вращения идеального холостого хода

∆ω = - перепад скорости, он характеризует крутизну

механической характеристики или угол наклона

Построение электромеханической характеристики

Электромеханическую характеристику строят по двум точкам (Рис.3.2):

Первая тачка I = 0; ω = ω_o

Вторая тачка I = I_н ω = ω_н

Для построения характеристик, кроме паспортных (каталожных) данных надо знать ω_о и М_н, которые определяются следующим образом:

Если сопротивление обмоток якорной цепи не приведено в каталоге, его находят из выражения:

где

- КПД двигателя при номинальной нагрузке

1

2

Рис. 3.2. Электромеханическая характеристика двигателя.

1 - естественная характеристика при

2 - искусственная характеристика при равном какому-то

Механические характеристики электродвигателей

постоянного тока

Для получения механической характеристики необходимо найти зависимость угловой скорости от момента

М = к_М Ф I_a

отсюда

I_a =

подставим значение I_a в формулу угловой скорости и получим уравнение механической характеристики двигателя ω = ƒ(М)

Уравнение механической характеристики ДПТ

(3.2)

Механическую характеристику можно построить по двум точкам с координатами:

М = 0 ω = ω_о

ω = 0 М = М_ст

Наклон характеристики к оси абсцисс, а следовательно и ее жесткость зависят от сопротивления цепи якоря.

Естественная характеристика ЭД наиболее жесткая. При введении в цепь якоря добавочных резисторов угол наклона характеристики увеличивается. Причем каждому значению добавочного резистора соответствует определенная характеристика, тем более мягкая, чем больше сопротивление.

Все характеристики пересекаются с осью ординат в одной точке ω_о, т.к. угловая скорость идеал. х.х. (ω_о= U/c) не зависит от сопротивления цепи якоря.

Лекция 4

тема занятий: Механические характеристики электродвигателей

постоянного тока

Вопросы:

4.1. Механические характеристики электродвигателей параллельного возбуждения

4.2. Механические характеристики электродвигателей последовательного возбуждения

4.3. Механические характеристики электродвигателей смешанного возбуждения

Механические характеристики электродвигателей

параллельного возбуждения

Обмотка возбуждения включается параллельно в сеть, то при r_в =const и

U_c = const магнитный поток Ф должен быть постоянным.

Из формулы следует, что:

величина противо-ЭДС двигателя уменьшается с увеличением тока якоря, отчего число оборотов двигателя также уменьшается,

но с увеличением нагрузки ( I_я ) реакция якоря ослабляет магнитный поток, что приводит к некоторому увеличению числа оборотов.

На практике падение напряжения в обмотке якоря подбирают таким, чтобы его влияние на скорость двигателя было скомпенсировано реакцией якоря.

Соответственно обороты двигателя практически остаются неизменными. Обычно число оборотов у двигателей этого типа уменьшается на (3-5)%.

Вращающий момент двигателя пропорционален произведению тока якоря на величину магнитного потока.

М_вр = k I_я Ф

Пренебрегая небольшим изменением магнитного потока в следствии реакции якоря, заключаем, что момент вращения двигателя с параллельным возбуждением пропорционален току якоря.

М_вр I_я; k₁ = k Ф

М_вр = k₁I_я

Наибольшее число оборотов будет у двигателя при х. х.

Размыкание цепи возбуждения вызовет уменьшение Ф до незначительной величины потока остаточного магнетизма, т.к. Е практически равна U_c, то с уменьшением потока частота резко возрастает и станет опасной для механической прочности двигателя (разнос).

ДПТ с параллельным возбуждением применяются в приводах, требующих постоянной скорости вращения или широкой регулировки скорости.

Механические характеристики электродвигателей

последовательного возбуждения

Ток, протекающий по якорю ЭД данного типа, является в то же время и током возбуждения. Поэтому намагничивающая сила, создаваемая обмоткой возбуждения (ОВС) у этих электродвигателей непостоянна, как при параллельной обмотке возбуждения, а зависит от значения тока якоря.

I_я = I_в

Число оборотов двигателя с нагрузкой резко меняется, т.к. вместе с изменением тока якоря меняется магнитный поток полюсов. Из формулы

видно, что при U=const ω обратно пропорциональна величине магнитного потока. Поэтому нагруженный двигатель, потребляющий из сети большой ток, имеет значительный магнитный поток и небольшое число оборотов.

При уменьшении нагрузки на валу ток якоря уменьшается, магнитный поток также уменьшается и число оборотов двигателя увеличивается.

Из этого следует, что характеристика ЭД последовательного возбуждения весьма мягкая, особенно при нагрузках меньших, чем номинальная.

При большом уменьшении нагрузки угловая скорость ЭД чрезмерно увеличивается, а при идеально холостом ходе, становится бесконечно большой (I = 0 Ф = 0 ω = ∞). В реальных условиях, даже если нагрузка на валу отсутствует, в ЭД имеются потери на трение и на вентиляцию, поэтому ток в цепи якоря не равен нулю. Кроме того, в магнитной системе ЭД сохраняется небольшой поток остаточного намагничивания, и при х.х. ЭД вращается с некоторой конечной угловой скоростью, но в 5-6 раз превышающей номинальную. При такой скорости действие центробежных сил может привести к разрушению ЭД. Это явление называется разносом двигателя.

Искусственные характеристики при включении в цепь якоря добавочных резисторов проходят ниже естественной, что объясняется снижением угловой скорости из-за дополнительного падения напряжения на добавочном резисторе. Характеристики тем мягче, чем больше сопротивление добавочного резистора.

При небольших токах и малом насыщении стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря

Ф = k₁I_я

Тогда вращающий момент двигателя М_вр=k_МI_яФ можно считать пропорциональным квадрату тока якоря.

М_вр = k₂ I_я ²

k₂ = k k₁

Квадратичная зависимость момента вращения от тока в обмотке якоря позволяет двигателю с последовательным возбуждением резко увеличивать с нагрузкой свой момент вращения.

Это особенно ценно при пуске в ход, когда двигатель должен преодолеть инерцию нагрузки на его валу.

У двигателя с параллельным возбуждением момент вращения пропорционален первой степени тока. Поэтому при одинаковом пусковом токе и при прочих равных условиях двигатель с последовательным возбуждением разовьет больший вращающий момент, чем двигатель с параллельным возбуждением.

При большом пусковом токе в момент пуска ЭД создает большой магнитный поток Ф в последовательной обмотке возбуждения, благодаря чему ЭД способен развивать большой пусковой момент.

М_п = k I_п Ф

Это свойство позволяет широко использовать ЭД последовательного возбуждения на судах в качестве стартера для пуска дизель-генераторов, а также в тяговых и подъемно-транспортных механизмах (в качестве тяговых используют в электровозах, поездах метрополитена, трамвая).

Механические характеристики электродвигателей

смешанного возбуждения

Этот электродвигатель снабжен двумя обмотками возбуждения: параллельной ОВШ и последовательной ОВС. Магнитный поток ЭД создается суммой намагничивающих сил этих обмоток. Намагничивающая сила параллельной обмотки не зависит от нагрузки ЭД, а намагничивающая сила последовательной обмотки прямо пропорциональны току нагрузки.

Магнитный поток возбуждения, как и у ЭД последовательного возбуждения является функцией тока якоря. Причем из-за наличия параллельной обмотки этот ток влияет на поток возбуждения в меньшей степени, чем у ЭД последовательного возбуждения. Поэтому по жесткости электромеханическая и механическая характеристики ЭД смешанного возбуждения являются промежуточными между характеристиками ЭД последовательного и параллельного возбуждения.

Жесткость характеристик зависит от соотношения намагничивающих сил обмоток возбуждения.

Если намагничивающая сила последовательной обмотки ЭД больше, намагничивающей силы параллельной, то его характеристики смягчаются, а если наоборот, становятся более жесткими.

ЭД со смешанным возбуждением имеет более мягкую характеристику при малых и более жесткую при больших нагрузках.

По сравнению с ЭД последовательного возбуждения двигатели со смешанным возбуждением не идут в разнос при х.х.

При отсутствии тока в цепи якоря магнитный поток у этих ЭД равен не нулю, а магнитному потоку Ф_ш, создаваемому параллельной обмоткой и угловая скорость равна не бесконечности, а угловой скорости идеального х.х.

ω_о = U / k Ф_ш

Обмотки возбуждения могут включаться не только согласно, но и встречно, в этом случае общий магнитный поток равен:

Ф = Ф_ш – Ф_с

При согласном включении:

Ф = Ф_ш + Ф_с

При нагрузке двигателя со встречным включением обмоток, магнитный поток последовательной обмотки, увеличиваясь, уменьшает общий поток двигателя, поэтому число оборотов двигателя увеличивается до нормальной величины.

Лекция 5

тема занятий: Регулирование угловой скорости электродвигателей

постоянного тока

Вопросы:

5.1. изменением сопротивления цепи якоря

5.2. изменением магнитного потока возбуждения

5.3. изменением напряжения, приложенного к цепи якоря ЭД

Способы регулирования угловой скорости

Возможность регулирования угловой скорости ЭД постоянного тока вытекает из уравнения электромеханической характеристики

Принципиально возможны 3 способа регулирования: