книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

1.Частоты вращения в сторону, соответствующую перемещени рабочего органа приводимого механизма вперед, вправо, вверх, откла­ дывают по оси ординат вверх от начала координат, а в сторону, со­ ответствующую перемещению назад, влево, вниз, — вниз от начала координат.

2.Моменты, действующие в одном из направлений (например, по часовой стрелке), откладываются по оси абсцисс вправо от начала ко­

3. В квадранте / изображают механические характеристики элек­ тродвигателей, вращающих механизм в направлениях вперед, вправо, вверх и работающих при этом в дви­ гательном режиме (т. е. когда на­ правление действия момента совпа­

дает с направлением вращения).

В соответствии с этими правилами

вквадранте II помещают характери­

стики электродвигателей, работающих при движении вперед, вправо, вверх

втормозном генераторном режиме, так как здесь получается несовпаде­ ние направлений вращения и дейст­ вия момента. В квадранте I I I направ­

ление действия момента и направление вращения совпадают. Поэтому здесь

располагают характеристики, соответ­ ствующие двигательному режиму, но при перемещении назад, влево, вниз. В квадранте IV, в котором снова по­

лучается несовпадение направлений вращения и действия момента, показывают характеристики, соответствующие работе в тормозном режиме при вращении электродвигателя в сторону движения ра­ бочего органа механизма назад, влево, вниз. Таким образом, ме­ ханические характеристики электродвигателей, вращающихся толь­ ко в одну сторону (нереверсивных) и работающих только в двига­ тельном режиме, изображают лишь в квадранте I. Если нереверсив­

ные электродвигатели работают также в тормозном режиме, то их механические характеристики показывают в квадрантах / и II.

Механические характеристики реверсивных электродвигателей, рабо­ тающих, как правило, и в двигательном и в тормозном режимах, по­ мещают во всех четырех квадрантах.

Наряду с механическими характеристиками электромеханические свойства электродвигателей отражают также так называемые скорост­ ные характеристики, представляющие собой зависимость частоты вра­

щения электродвигателя от тока, протекающего по цепи его якоря или ротора: п = / (/). Эти характеристики называют также электромеха­ ническими. Механические и скоростные характеристики электродвига­

телей разделяют на естественные и искусственные.

20

Естественной характеристикой называется характеристика, со­

ответствующая работе электродвигателя при номинальных парамет­ рах питающей сети, нормальной схеме подключения к ней и при отсут­ ствии добавочных сопротивлений в цепях электродвигателя. Каждому электродвигателю присуща только одна естественная характеристи­ ка. На рис. 4 и 5 приводились естественные характеристики, на кото­ рых электродвигатели обычно работают в длительном установившем­ ся режиме.

Искусственные характеристики получаются при питании электро­

двигателя от сети с напряжением или частотой, отличающимися от номинальных, либо при включении в одну из цепей электродвигателя добавочного сопротивления, либо если электродвигатель подключен к источнику тока по необычной схеме. Для каждого электродвигателя можно создать неограниченное количество искусственных характе­ ристик. Работа на них происходит обычно при пуске, регулировании частоты вращения и торможении электродвигателей.

При построении механических характеристик электродвигателей

Применение относительных единиц дает возможность изображать характеристики электродвигателей, однотипных по конструкции, устройству и исполнению, но с различными номинальными парамет­ рами, при помощи одной кривой, называемой универсальной характе­ ристикой.

§ 8. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока

Шунтовые электродвигатели. В установившемся режиме напряжение U, приложенное к цепи якоря электродвигателя, уравновешивается э. д. с. якоря Е и падением напряжения в якорной цепи IR (рис. 7):

21

Выражение (17) называется уравнением равновесия электродвижу­ щих сил; оно записывается:

U - E

/: (18)

R

Э. д. с., возникающая вследствие вращения якоря в магнитном поле,

При неизменном напряжении, потоке возбуждения и сопротивлении цепи якоря выражение (20) представляет собой зависимость частоты вращения электродвигателя от тока нагрузки: n = f (/). Это уравне­ ние скоростной характеристики электродвигателя постоянного тока.

Вращающий момент на валу электродвигателя М можно считать

равным электромагнитному моменту, хотя в действительности он немного меньше из-за потерь на трение в подшипниках, вентиляци­ онных потерь и потерь в стали:

где kM— постоянный коэффициент момента, зависящий от конструк­

ции параметров данного электродвигателя:

йм = -pN 10~8.

1 2 я 9 ,8 1 а

Сопоставив выражения для ke и /гм, получим

22

Разделив почленно числитель правой части уравнения (20) на зна­ менатель и подставив в полученное выражение значение /, найденное из уравнения (21), получим:

U MR

(22)

кеФ ke kMФ2

При неизменном напряжении, потоке возбуждения и сопротивлении цепи якоря это выражение показывает зависимость частоты вращения электродвигателя от момента на валу: п = f (М), и называется урав­ нением механической характеристики электродвигателя постоянного

тока.

Значения £е Ф и &МФ, входящие в уравнение (22), тоже неизмен­ ны, и их можно заменить постоянными се и см, соответственно

равными:

Частота вращения идеального холостого хода двигателя п0 опре­

делится из выражения

Тогда частота вращения двигателя п, которую он развивает при мо­ менте М, можно представить как разность частоты вращения идеаль­

ного холостого хода п0 и перепада Ап:

стики. Из уравнения (22) видно, что механическая характеристика вы­ ражает пропорциональную зависимость между п и М. Следовательно,

на графике эта характеристика изобразится прямой линией с накло­ ном к оси М (рис. 8, а). Подставив (23) в (26), получим другой вид урав­

нения механической характеристики:

R

23

Механическая характеристика (см. рис. 8, а) построена по двум точ­ кам с координатами (М = 0; п = п0) и (и = 0; М = Л4СТ). Угловой

коэффициент прямой, изображающей характеристику, т. е. тангенс угла ее наклона к оси абсцисс, равен

.Мст Cq R Cqсм

Из последнего выражения следует, что наклон характеристики к оси абсцисс, а следовательно, и ее жесткость зависят от сопротивления цепи якоря. Если в ней нет добавочных сопротивлений (R = R n),

то тангенс угла наклона и сам угол приобретают наименьшее значение.

Рнс. 8. Механические характеристики шунтового электродви­ гателя:

а — без учета реакции якоря в области больших нагрузок; б — естест­ венная н искусственные (/—3) характеристики

Следовательно, естественная характеристика электродвигателя на­ иболее жесткая. При введении в цепь якоря добавочных сопротивле­ ний угол наклона характеристик увеличивается. Получается семей­ ство искусственных характеристик, причем каждому значению доба­ вочного сопротивления соответствует определенная характеристика, тем более мягкая, чем больше добавочное сопротивление (рис. 8, б). Все характеристики пересекаются с осью ординат в одной точке /?0, так как частота вращения идеального холостого хода, как видно из выражения (25), не зависит от сопротивления цепи якоря.

Момент стоянки УИСТ существенно зависит от сопротивления цепи якоря, что следует из выражения (28). Чем меньше сопротивление, тем больше момент стоянки. Если в цепи якоря нет добавочного сопро­ тивления, то момент стоянки приобретает значение, во много раз прево­ сходящее значение номинального момента.

Соответственно моменту увеличивается и ток стоянки. Работать при таких нагрузках электродвигатели практически не могут. Поэтому их механические характеристики изображают только в рабочей части, т. е. при реальных моментах, не превышающих (2-^-2,5) М ст. В этом

случае масштаб моментов, откладываемых при построении характе­ ристики на оси абсцисс, изменяется по сравнению с масштабом, при­ нятым на рис. 8, а, и та же естественная характеристика приобретает

в другом масштабе вид, показанный на рис. 8, б.

24

Вследствие жесткости естественной характеристики шунтовые элек­ тродвигатели применяют для привода механизмов, работающих дли­ тельно при неизменной или малоизменяющейся нагрузке, и в тех слу­ чаях, когда при переменной нагрузке необходимо движение с постоян­ ной скоростью. К первой группе механизмов относятся вентиляторы, насосы, компрессоры, ко второй — лифты. Кроме того, шунтовые электродвигатели применяют для привода генераторов вращающих­ ся преобразователей.

Естественную механическую характеристику можно построить по паспортным данным электродвигателя: 0 Н\ / и; /гн; Р п. Для этого до­

статочно нанести на график две точки характеристики, соответствуй ющие режимам идеального холостого хода и работы с номинальной нагрузкой, и провести через них прямую. Чтобы найти координаты этих точек, нужно определить частоту вращения идеального холостого хода и номинальный момент. Первую из этих величин находят из вы-

ражения (25), подставив в него се = — , полученное из формул (19)

п и

и (23), и заменив Е и = Un — I nRH согласно уравнению (17):

Сопротивление якоря Rn, состоящее из сопротивлений обмоток якор­

ной, стабилизирующей и дополнительных полюсов и из переходного сопротивления в месте контакта щеток с коллектором, в паспортных данных обычно не приводится. Его можно найти по данным формуляра электродвигателя, в котором указывают сопротивления всех обмоток. Если формуляра нет, то сопротивление якоря находят с достаточной точностью по формуле

Номинальный момент электродвигателя находят, подставляя (23)

в (21):

М н См/н -

Коэффициент см находят, сопоставляя его с коэффициентом се:

Искусственные характеристики при различных добавочных сопро­ тивлениях можно построить так же, как естественную: по двум точ­ кам. Дополнительно нужно найти частоту вращения па при номиналь­

ном моменте и работе на искусственной характеристике. Ее выражают

25

через частоту вращения идеального холостого хода, пользуясь фор­ мулой (30), которую можно записать для данного случая в следующем виде:

Сериесные электродвигатели. У сериесных электродвигателей ток, протекающий по якорю, является в то же время и током возбуждения (рис. 9). Поэтому намагничивающая сила (н. с.), создаваемая обмоткой возбуждения, у этих электродвигателей не постоянна, как у шунтовых, а зависит от тока якоря. Кроме того, их полная н. с. зависит не

Рис. 9. Схема включения сериесного электродвигателя

только от н. с. возбуждения, но и от размагничивающей силы реакции якоря, в свою очередь зависящей от тока якоря,

F = F п — Кр.я,

где FB— намагничивающая сила возбуждения; Кр.я — размагничивающая сила реакции якоря.

Вследствие явления насыщения зависимость магнитного потока от н. с. электродвигателя невозможно представить в виде математической формулы, т. е. аналитически.

В практических расчетах для построения характеристик сериесного электродвигателя применяют графические и графоаналитические ме­ тоды, используя в качестве исходных данных универсальные естествен­ ные характеристики электродвигателей. Они приводятся в каталогах заводов-изготовителей. Их получают на заводах опытным путем, ис­ пытывая готовые электродвигатели на стенде. Обычно заводы дают ско­ ростную характеристику п = f (/) и зависимость М = / (/), которые

выражают в процентах или относительных единицах. Такие характе­ ристики в процентах для современных крановых сериесных электро­ двигателей малой мощности показаны на рис. 10, а. По этим двум ха­

рактеристикам можно легко построить механическую характеристику п = / (М) в процентах (рис. 10, б). Зная номинальные параметры элек­

тродвигателя, можно построить механическую характеристику и в абсолютных величинах, помня, что за 100% частоты вращения прини­ мается номинальная — п п. Полученные характеристики отражают за­

висимость между частотой вращения и моментом более точно, чем ха­ рактеристики шунтового электродвигателя, построенные по уравнению, так как последнее учитывает связь частоты вращения с электромагнит-

26

ным моментом, а заводские характеристики — с механическим момен­ том, фактически действующим на валу.

Как видно из рис. 10, б, естественные характеристики сериесного

электродвигателя весьма мягкие, особенно при нагрузках меньше, чем номинальная. Такие электродвигатели можно применять для привода подъемно-транспортных механизмов, ибо при уменьшении нагрузки на валу по сравнению с номинальной рационально работать с повышен­ ной частотой вращения для увеличения производительности механиз­ ма. При этом важно, чтобы возрастание частоты вращения происходи­ ло автоматически на допустимую для электродвигателя величину. При значительном уменьшении нагрузки частота вращения сериесных элек-

Рис. 10. Универсальные естественные механические ха­ рактеристики крановых сериесных электродвигателей малой мощности:

тродвигателей чрезмерно увеличивается, а при идеальном холостом, ходе, как это видно из уравнения (20), — бесконечно большая (/ = = 0; Ф = 0; п — оо). В реальных условиях, даже если нагрузка на

валу отсутствует, в электродвигателе имеются потери на трение и на вентиляцию. Поэтому ток в цепи якоря не равен нулю. Кроме того, в магнитной системе машины сохраняется небольшой поток остаточ­ ного магнетизма и при холостом ходе электродвигатель вращается с не­ которой конечной частотой, но в 5 —6 раз превышающей номиналь­ ную. При такой частоте вращения из-за действия центробежной силы могут появиться повреждения, разрушающие электродвигатель. Это явление называют разносом двигателя. Физически это объясняется

следующим. При уменьшившемся потоке возбуждения электродвига­ тель должен развивать соответственно большую частоту вращения, что­ бы его новая э. д. с. по-прежнему уравновешивала вместе с умень­ шившимся падением напряжения в якорной цепи приложенное к элек­ тродвигателю напряжение. Иначе говоря, нужно, чтобы не нарушилось уравнение равновесия э. д. с. (17), которое с учетом выражения (19) можно записать так:

U = ке Фп + IR.

27

Возможность разноса является отрицательным свойством сериесных электродвигателей, поэтому в последнее время нх применяют сравни­

сериесных. Поэтому по жесткости скоростные и механические харак­

Намагничивающая сила последовательной обмотки возбуждения создается током нагрузки. Магнитный поток усиливается с" увеличе­ нием нагрузки на валу двигателя; частота вращения его резко умень­ шается, а затем, по мере насыщения магнитной системы, становится все более постоянной. Иными словами, двигатель со смешанным воз-

28

буждением имеет более мягкую характеристику при малых и более жесткую при больших нагрузках.

Компаундные электродвигатели обладают, по сравнению с сериеснымн, весьма ценным свойством: они не идут вразнос при холостом ходе. При отсутствии тока в цепи якоря магнитный поток у этих элек-

тродвигателей равен не нулю, а магнитному потоку Фш, создавае­ мому шунтовой обмоткой возбуждения, и частота вращения в этом случае равна не бесконечности, а частоте идеального холостого хода:

В связи с этим на современных судах компаундные электродвига­ тели почти полностью вытеснили сериесные. Аналитически выразить уравнение механической характеристики двигателя со смешанным воз­ буждением так же трудно, как и двигателя с последовательным воз­ буждением. При расчетах и проектировании электроприводов с дви­ гателями со смешанным возбуждением пользуются экспериментальны­ ми данными завода-изготовителя — универсальными характеристи­ ками п = f (/) и М = f (/). Такие характеристики для электродвига­

телей серии ДПМ приведены на рис. 14.

29