Лекция № 2 «Электромеханические свойства электродвигателей постоянного и переменного тока»

1.Механические характеристики электродвигателей

Механическая характеристика электродвигателя- это зависимость угловой скорости ЭД от момента на его валу: ω (М). У большинства ЭД (кроме синхронных) с увеличением нагрузки на валу угловая скорость уменьшается. Характер изменения угловой скорости дви­гателя с изменением момента сопротивления определяет жесткость механической характеристики. По степени жесткости различают механические характеристики трех видов (рис. 3): абсолютно жест­кие, жесткие и мягкие.

Абсолютно жесткие характеристики присущи синхронным дви­гателям (прямая 1). При изменяющемся моменте в пределах пере­грузочной способности угловая скорость этих ЭД не изменяется.

Жесткими характеристиками обладают ЭД постоянного тока параллельного возбуждения (наклонная прямая 2) и асинхронные электродвигатели в пределах рабочей части их характеристик (верхняя часть кривой 3). У этих ЭД при значительном изменении момента скорость изменяется в меньшей степени.

Мягкие характеристики свойственны ЭД постоянного тока по­следовательного (кривая 4), смешанного возбуждения (кривая 5) и

ЭД в системе Г-Д с противокомпаундной обмоткой. Механические характеристики этих ЭД таковы, что при небольшом изменении момента происходит значительное изменение их угловой скорости.

Степень жесткости механической характеристики является од­ним из основных электромеханических свойств ЭД.

Наряду с механическими характеристиками электромеханичес­кие свойства ЭД отражают также электромеханические характерис­тики, являющиеся одним из видов рабочих характеристик и пред­ставляющие собой зависимость угловой скорости ЭД от тока, протекающего по цепи его якоря или ротора: ω(I).

Механические и электромеханические характеристики ЭД разделяют на естествен­ные и искусственные.

Естественной характеристикой называется характеристика, со­ответствующая работе ЭД при номинальных параметрах питающей сети, нормальной схеме подключения к ней и при отсутствии добавочных сопротивлений в цепях электродвигателя.

Каждому ЭД присуща только одна естественная характеристика.

Искусственные характеристики получаются при питании ЭД от сети с напряжением или частотой, отличающимися от номинальных, или при включении в одну из цепей ЭД добавочного резистора, или если ЭД подключен к источнику тока, по необычной схеме.

Для каждого ЭД можно создать неограниченное количество искусствен­ных характеристик.

Работа на них происходит при пуске, регулиро­вании частоты вращения и торможении ЭД.31 ЭМ 08.09.14г.

2.Механические характеристики механизмов

При рассмотрении работы ЭД, приводящего в движение ме­ханизм, необходимо также принимать во внимание механическую характеристику механизма, ибо от степени их соответствия зависят условия эксплуатации двигателя.

Механической характеристикой механизма называется зависи­мость создаваемого им приведенного статического момента от угловой скорости ЭД: М(ω) 33ЭМ 05.09.14г.

По характеру этой зависимости большинство судовых механизмов можно разделить на две основ­ные группы (рис. 4):

1. Механизмы с не зависящим от угловой скорости статическим моментом (прямая 1). (крановая характеристика).

К этой группе механизмов от­носятся грузоподьемные лебедки, краны, лифты, поршневые насосы и компрессоры(рис 4).

2. Механизмы, у которых статический момент зависит от квадрата угловой скорости;

Механическая харак­теристика этих механизмов изображается в виде параболической кривой 2, не проходящей через начало координат. Их начальный статический момент обозначается через М₀ и обусловлен трением в подшипниках и другими потерями.

К механизмам, обладающим такой характеристикой, называемой вентиляторной, относятся вентиляторы, центробежные насосы и гребные винты.

Сравнивая механические характеристики, нетрудно увидеть, что для механизмов с характеристикой 1 необходимы ЭД, способные

р азвивать большой пусковой момент, а для механизмов с ха­рактеристикой 2 приводные ЭД могут развивать меньший момент.

Располагая механическими характеристиками ЭД и механизма, легко найти значение угловой скорости ЭД при установившемся режиме работы привода. Поскольку в этом режиме система при­вода находится в состоянии равновесия, т.е. М = М_с, очевидно, что установившаяся скорость будет определяться точкой пересечения механических характеристик. Например, для характеристики I дви­гателя (рис. 5. а) и характеристик 2 и 3 механизмов установившими­ся скоростями будут ω_с2 и ω_с3 Если же механические харак­теристики ЭД и механизма не пересекаются, то установившийся режим работы привода в таком случае невозможен. Следует иметь в виду, что не в любой точке пересечения характеристик работа ЭП может быть устойчивой. Например, на рис. 5,б механические характеристики ЭД и механизма пересекаются в точках установившегося режима ω_с и (ω_сштрих). Однако точка (ω_сштрих) соот­ветствует неустойчивому установившемуся режиму. Положительный динамический момент при уменьшении скорости и отрицательный при ее возрастании обеспечит возврат системы привода в точку ω_с.

Таким образом, вид механических характеристик ЭД и ме­ханизма существенно влияет на характер переходных процессов, и это необходимо принимать во внимание при эксплуатации ЭП.32ЭМ10.09.14г.

3. Двигательный и тормозной режимы

Анализ статической и динамической нагрузки ЭД показал, что в процессе работы вращающий момент, развиваемый ЭД, может быть для привода движущим или тормозным. Для ЭП также свойственны 2 направления вращения. Исходя из этого при изобра­жении механических характеристик ЭД в прямоугольной системе координат одно из направлений вращающего момента ЭД и его угловой скорости принимают условно положительным и откла­дывают положительное значение скорости вверх, а положительное значение момента - вправо от начала координат (рис. 6).

Так как мощность ЭД пропорциональна произведению момента и скорости, то, следовательно, при положительных значениях сомножителей мощность также положительна и направлена от ЭД к механизму. Этому режиму работы соответствует механическая характеристика ЭД, расположенная в первом квадранте. Мощность ЭД также будет положительна и направлена от ЭД к механизму при противоположных значениях момента и угловой скорости. Механическая характеристика ЭД, работающего при данном значении момента и скорости, расположена в третьем квадранте. Подобный режим, когда мощность передается от электродвигателя к механизму, называется двигательным. Для двигательного режима характерно, что момент сопротивления механизма в основном направлен против момента ЭД, а если направлен согласно, то имеет значительно меньшее значение по сравнению с вращающим мо­ментом ЭД. Большинство судо­вых ЭД работают только в дви­гательном режиме.

Если направление момента ЭД изменилось, например вслед­ствие изменения направления то­ка в его обмотках, а направление скорости осталось прежним, то мощность ЭД стала отрицатель­ной, направленной от механизма к ЭД. Когда электродвигатель развива­ет момент, который направлен против вращения привода, то такой режим называется тормозным. Тормозной режим возможен или при замедлении, когда движение в том же направ

34ЭМ10.0914г.

лении поддерживается посредством накопленной кинетической энергии, или вследствие каких-либо внешних сил, приложенных к приводу (например, подвешенный груз). Когда движение поддержи­вается благодаря накопленной кинетической энергии и направление вращения не изменяется, то благодаря тому, что изменил свое направление момент, работе ЭД будет соответствовать механи­ческая характеристика, расположенная в другом квадранте. На­пример, если двигательный режим соответствовал механической характеристике двигателя, расположенной в первом квадранте, то тормозной режим соответствует механической характеристике дви­гателя, расположенной во втором квадранте .

Аналогично двигательному режиму, обеспечиваемому механи­ческой характеристикой, расположенной в третьем квадранте, со­ответствует тормозной режим ЭД, механическая характеристика которого расположена в четвертом квадранте. Тормозной режим возникает и в том случае, когда при неизменном направле­нии момента ЭД под действием внешних сил меняется направление вращения (мощность ЭД также становится отрицательной и на­правлена от механизма к электродвигателю). Механические ха­рактеристики ЭД будут также расположены во втором и четвертом квадрантах. Подробно процессы электрического торможения будут рассмотрены ниже.