книги из ГПНТБ / Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов и установок учеб. пособие

грузки. Характер протекания этих режимов в первую очередь опре­ деляется механическими свойствами двигателя и рабочей машины. Одним из основных критериев оценки механических свойств как двига­ теля, так и рабочей машины служат их механические характеристики.

Механические характеристики электродвигателей. Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость скорости вращения вала от развиваемого двигателем момента

Рис. 88. Различные виды механических характеристик:

а — электродвигателей; б — производственных машин.

параметрах питающей сети, нормальной схеме включения и без до­ бавочных сопротивлений в цепи двигателя. При наличии добавочных сопротивлений или питании двигателя от сети с напряжением или ча­ стотой, отличными от номинальных, механические характеристики двигателя будут называться и с к у с с т в е н н ы м и . Очевидно, что искусственных характеристик двигатель имеет бесчисленное множе­ ство, а естественную — только одну.

Большинство электродвигателей под нагрузкой при увеличении момента снижает скорость вращения. Характеристику в этом случае называют п а д а ю щ е й .

Степень изменения скорости двигателя при изменении момента оце­

Величины изменения момента и падения скорости при определении жесткости берут обычно в относительных единицах. Это дает возмож­ ность сравнивать характеристики двигателей различного вида.

1 8 0

В зависимости от степени жесткости все механические характери­ стики двигателей подразделяют на следующие группы.

1. Абсолютно жесткие характеристики с величиной жесткости а = оо. Такие механические характеристики (кривая 1, рис. 88, а) со строго постоянной скоростью вращения имеют синхронные дви­ гатели.

2.Жесткие характеристики со сравнительно небольшим падением скорости при увеличении момента и а = 40—10. К этой группе отно­ сятся естественные характеристики двигателей постоянного тока с не­ зависимым возбуждением (кривая 2) и характеристики асинхронных двигателей в пределах линейного участка (кривая 3).

3.Мягкие механические характеристики с большим относительным падением скорости при увеличении момента и с жесткостью до а = 10. Такие характеристики имеют двигатели постоянного тока с последо­ вательным возбуждением (кривая 4), двигатели с независимым воз­ буждением с большим сопротивлением в цепи якоря и асинхронные двигатели с добавочными сопротивлениями в цепи ротора.

При работе электропривода для преодоления сопротивления ра­ бочей машины двигатель должен развивать определенный момент. Поэтому при выборе двигателя необходимо выявить прежде всего соот­ ветствие характеристик двигателя и рабочей машины.

Механические характеристики рабочих машин. Механической харак­

теристикой рабочей машины называют зависимость момента статиче­ ских сопротивлений машины от скорости вращения приводного вала. Эту зависимость для удобства совместного построения выражают обычно так же, как и характеристику двигателя, в виде

со = ф(Мс) или п ~ І ‘(Мс).

Момент статических сопротивлений Мс, или сокращенно статиче­ ский момент, представляет собой момент сопротивления, создаваемый машиной на приводном валу в статическом (установившемся) режиме, когда скорость не изменяется.

Механическую характеристику машины можно получить опытным путем или расчетом, если известно распределение статических усилий или моментов по элементам кинематической схемы. Статические мо­ менты машин могут зависеть не только от скорости, но и от других величин, поэтому при практических расчетах электроприводов необ­ ходимо рассматривать каждый случай в отдельности.

Статические моменты различных рабочих машин по характеру зависимости их от скорости (механические характеристики) подраз­ деляют на группы; наиболее часто встречающиеся на практике из них следующие.

1.Статический момент мало зависит или практически не зависит от скорости (кривая /, рис. 88, б). Такие характеристики имеют подъем­ ные механизмы, краны, лебедки, тельферы, а также ленточные тран­ спортеры при постоянной нагрузке.

2.Статический момент машины возрастает пропорционально квад­ рату скорости (кривая 2). Эту характеристику, типичную для осевых

181

вентиляторов, называют в е н т и л я т о р н о й и аналитически пред­ ставляют в виде формулы:

где М0— начальный статический момент, обусловленный чаще всего силами трения, которые обычно не зависят от скорости;

k — опытный коэффициент.

Кроме вентиляторов, вентиляторными характеристиками обладают центробежные и вихревые насосы, сепараторы, центрифуги, гребные винты, турбокомпрессоры и барабаны молотилок на холостом ходу.

3. Статический момент уменьшается при увеличении скорости (кривая 3). К этой группе относятся характеристики некоторых транс­ портерных механизмов, зерновых норий, колосовых элеваторов и не­

срезким переходом, обусловленным особенностью технологического процесса. Характеристики этой группы имеют машины, работающие

счастыми большими перегрузками, которые иногда приводят к полной остановке. Например, механизм черпания одноковшового экскаватора, скребковый транспортер, работающий под завалом транспортируемой массы, дробилки и другие машины.

Кроме перечисленных, на практике встречаются и другие виды механических характеристик машин, например поршневых насосов

икомпрессоров, статические моменты которых зависят от пути.

15.2.МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

ВДВИГАТЕЛЬНОМ РЕЖИМЕ

При работе двигателя постоянного тока независимо от способа его возбуждения в установившемся режиме приложенное напряжение U уравновешивается э. д. с. двигателя Е и падением напряжения в цепи якоря

182

Как видно из формулы (15-5), угловая скорость вращения якоря пропорциональна э. д. с. Е и обратно пропорциональна величине маг­ нитного потока

Подставляя в это уравнение значение Е, выраженное через прило­ женное к якорю напряжение, и падение напряжения в цепи якоря из формулы (15-4), получим уравнение скоростной характеристики

Развиваемый двигателем электромагнитный момент пропорциона­ лен магнитному потоку и току якоря

(15-8)

откуда

Подставляя значение тока (15-9) в уравнение скоростной характе­

Двигатель с параллельным возбуждением имеет независимую (шунтовую) обмотку возбуждения, которую подключают обычно к той же сети, что и якорь. Полагая напряжение сети постоянным и равным номинальному и пренебрегая реакцией якоря, можно считать магнит­ ный поток постоянным Ф = const, тогда кФ — const. Обозначив £Ф = с, напишем уравнение (15-10) в следующем виде:

( 1 5 ' П )

В правой части уравнения (15-11) первый член является величиной постоянной и представляет собой скорость вращения идеального холостого хода (Л4 =0 и 1 = 0):

183

В практических расчетах и при построении механических харак­ теристик скорость вращения выражают обычно в об/мин, в этом случае уравнение (15-13) будет иметь вид

где п0= — — скорость идеального холостого хода, об/мин;

се

ce = keФ = -^ -Ф — коэффициент э. д. с., с — 9,55се;

М — момент, Н -м.

Выражения механической характеристики справедливы для элект­ ромагнитного момента. Момент на валу двигателя будет всегда немного

П, об/мин

Рис. 89. Естественная и реостатная механические ха­ рактеристики двигателя с параллельным возбуждением.

меньше электромагнитного в двигательном режиме и больше в генера­ торном режиме ввиду наличия потерь трения в подшипниках, вентиля­ ционных и потерь в стали. Практически этими потерями или пренебре­ гают из-за незначительной их величины, или учитывают как дополни­ тельный статический момент нагрузки.

Выражение механической характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением в координатах ш и М или п и М (рис. 89), как видно из уравнений (15-13) и (15-14), представляет собой прямую линию, которая пересекает ось скорости вращения в точке

184

личных добавочных сопротивлениях будут более мягкими. Чем больше сопротивление реостата, тем больше наклон характеристики и тем меньше ее жесткость.

Из выражения (15-14) видно, что скорость идеального холостого хода не зависит от сопротивления цепи якоря, следовательно, все характеристики пересекаются в одной точке с координатами п = п0

и М • 0.

Для построения любой механической характеристики двигателя с параллельным возбуждением достаточно определить координаты двух ее точек. В качестве одной из них удобно использовать точку идеального холостого хода, а другую точку скорости берут обычно при номинальном моменте. Естественную характеристику двигателя с па­ раллельным возбуждением строят по этим двум точкам, используя номинальные (паспортные) данные и сопротивление обмотки якоря при рабочей температуре (75 °С).

Значение скорости идеального холостого хода по этим данным

Второй точкой для построения естественной характеристики служит точка, соответствующая номинальной скорости вращения и номиналь­ ному моменту Мн — М>/н,

Вторую точку для построения искусственной характеристики находят, определив скорость при номинальном моменте, соответствую­ щую введенному добавочному сопротивлению в цепь якоря двигателя

Данные о величине сопротивления обмоток двигателя не всегда можно найти в каталогах. Приближенно его определяют по номиналь­ ным данным. Для этого вначале находят мощность потерь двигателя как разность между мощностью Ръ потребляемой двигателем из сети, и номинальной мощностью

Р\ — Рц = 17н/ н (1 г)н),

где т]н — номинальный к. п. д.

185

Полагая, что потери энергии в обмотке якоря составляют примерно половину всех потерь при номинальном режиме

находят сопротивление обмотки якоря

Пример. По номинальным данным двигателя построить две меха­ нические характеристики — естественную и реостатную с сопротивле­ нием реостата 1,8 Ом. Данные двигателя: Р = 17 кВт, і/а — 220 В, / н — 91 А, п — 1150 об/мин, т] = 0,85.

Сопротивление обмотки якоря:

Скорость идеального холостого хода

UH 220 . . . .

= ^ = 0Л77 = 1240 ° б/МИН-

Номинальный электромагнитный момент двигателя:

Д4= йФ/н = с /н = 9>55се/ н = 9,55 • 0,177 • 91 = 154 Н • м.

Координаты точек естественной механической характеристики:

1) М = 0, по = І240 об/мин; 2) = 154 Н • м, «u=1150 об/мин.

Скорость вращения при введенном сопротивлении реостата:

15.3.МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ

ВОЗБУЖДЕНИЕМ В ТОРМОЗНЫХ РЕЖИМАХ

Тормозной режим работы двигателя в электроприводе применяется наравне с двигательным. Использование электродвигателя в качестве электрического тормоза широко применяется на практике для сокра­ щения времени остановки и реверса, уменьшения скорости вращения, предотвращения чрезмерного увеличения скорости движения и в ряде других случаев.

Работа электродвигателя в качестве электрического тормоза осно­ вана на принципе обратимости электрических машин, то есть электро-

1 8 6

двигатель при определенных условиях переходит в генераторный ре­ жим. Практически для торможения применяются три режима: 1) гене­ раторный (рекуперативный) с отдачей энергии в сеть; 2) электродина­ мический; 3) противовключение.

При построении механических характеристик со = tp (М) или п = f {Щ в системе прямоугольных координат важное значение имеет определение знаков момента и скорости вращения двигателя в двига-

Рис. 90. Схемы включения и механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением в двигательном и тор­ мозных режимах.

тельном и тормозных режимах. Для этого двигательный режим прини­ мают условно за основной, считая скорость вращения и момент двига­ теля в этом режиме положительными. В связи с этим характеристики п = f (М ) двигательного режима располагаются в первом квадранте (рис. 90). Расположение механических характеристик в тормозных режимах зависит от знаков момента и скорости вращения.

Рассмотрим эти режимы и соответствующие им участки механиче­ ских характеристик двигателя с параллельным возбуждением.

Противовключение. Состояние электропривода определяется сов­

187

ственной характеристике (рис. 90, точка А), когда MR = М с. Если в цепь якоря двигателя ввести добавочное сопротивление, то скорость вращения снизится вследствие перехода на реостатную характеристику (точка В, соответствующая скорости п2 и MR — М с). Дальнейшее по­ степенное увеличение добавочного сопротивления в цепи якоря двига­ теля (например, до величины, отвечающей участку' п0 С характери­ стики) приведет вначале к прекращению подъема груза, а затем к из­ менению направления вращения, то есть груз будет опускаться (точка С). Такой режим называют п р о т и в о в к л ю ч е н и е м .

В режиме противовключения момент MR имеет положительный знак. Знак скорости вращения изменился и стал отрицательным. Сле­ довательно, механические характеристики режима противовключения располагаются в четвертом квадранте, а сам режим является генера­ торным. Это вытекает из принятого условия определения знаков мо­ мента и скорости вращения.

Действительно, механическая мощность, пропорциональная произ­ ведению п и М, в двигательном режиме имеет положительный знак и направлена от двигателя к рабочей машине. В режиме противовключе­ ния вследствие отрицательного знака п и положительного знака М их произведение будет отрицательным, следовательно, механическая мощность передается в обратном направлении — от рабочей машины к двигателю (генераторный режим). На рис. 90 знаки п и М в двига­ тельном и тормозных режимах показаны в кружках, стрелками.

Механическая характеристика двигателя в режиме противовключе­ ния имеет такое же аналитическое выражение (15-17), как и в двига­ тельном режиме. Поэтому участки характеристики, соответствующие режиму противовключения, являются естественным продолжением характеристик двигательного режима из первого в четвертый квад­ рант.

Из рассмотренного примера перехода двигателя в режим проти­ вовключения видно, что э. д. с. двигателя, зависящая от скорости вращения, одновременно с последней при переходе через нулевое зна­ чение изменяет знак и действует согласно с напряжением сети:

Для ограничения тока в цепь якоря двигателя включают значи­ тельное по величине сопротивление, обычно равное двукратному пу­ сковому. Особенность режима противовключения состоит в том, что к двигателю подводится механическая мощность со стороны вала и

электрическая мощность из сети, и вся она расходуется на нагревание цепи якоря:

н и е в р а щ е н и я , в то время, как якорь продолжает вращаться в прежнем направлении за счет запаса кинетической энергии (напри­

188

мер, при остановке машины с реактивным статическим моментом — вентилятора).

В соответствии с принятым условием учета знаков п и М по двига­ тельному режиму, при переключении двигателя на обратное вращение следует изменить положительные направления координатных осей, то есть двигательный режим теперь окажется в третьем квадранте, а противовключение — во втором. Таким образом, если двигатель работал в двигательном режиме в точке Л, то в момент переключения, когда скорость еще не успела измениться, он окажется на новой харак­ теристике, во втором квадранте в точке D. Торможение будет проис­ ходить вниз по характеристике DE (—п0), и если двигатель не отклю­ чить при скорости п = 0, он будет работать на этой характеристике в точке Е, вращая машину (вентилятор) в обратном направлении со

скоростью —«4-

Электродинамический режим торможения. Электродинамическое торможение получают путем отключения якоря двигателя от сети и включения его на отдельное внешнее сопротивление (рис. 90, вто­ рой квадрант). Очевидно, что этот режим мало отличается от работы генератора постоянного тока с независимым возбуждением. Работа на

Как видно из уравнения (15-21), механические характеристики электродинамического торможения проходят через начало коорди­ нат, а это значит, что с уменьшением скорости тормозной момент дви­ гателя уменьшается.

Наклон характеристик определяется так же, как и в двигательном режиме, величиной сопротивления в цепи якоря. Электродинамическое торможение экономичнее противовключения, так как энергия, потребляемая двигателем из сети, расходуется только на возбуж­ дение.

Величина тока якоря, а следовательно, и тормозного момента за­ висит от скорости вращения и сопротивления цепи якоря:

Генераторный режим с отдачей энергии в сеть. Такой режим воз­ можен только в случае, когда направление действия статического мо­ мента совпадает с моментом двигателя. Под действием двух момен­ тов — момента двигателя и момента рабочей машины — скорость вра­

189