Механические характеристики двигателей постоянного тока

Механические характеристики двигателей постоянного тока

Аналитическое выражение механической характеристики двига­теля постоянного тока можно получить из уравнения равнове­сия напряжений якорной цепи (при установившемся режиме)

где U — напряжение на зажимах двигателя, В; 1_Я — ток в цепи якоря, A; R_я — сопротивление цепи якоря, Ом; Ф — магнитный поток двигателя, Вб; ω — угловая скорость якоря, рад/с; с_д — коэффициент, зависящий от конструктивных данных двигателя. Решив уравнение (3.1) относительно угловой скорости, по­лучим уравнение скоростной характеристики двигателя

Электромагнитный вращающий момент двигателя (Н • м) пропорционален магнитному потоку и току якоря:

Из уравнения (3.3) ток якоря

Подставив в уравнение (3.2) значение тока, выраженное уравнением (3.4), получим уравнение механической характери­стики двигателей постоянного тока независимо от способа воз­буждения

Рассмотрим механические характеристики двигателей посто­янного тока в зависимости от способа возбуждения.

Двигатели постоянного тока параллельного возбуждения. Схема включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения приведена на рис. 3.1, а. Обмотка возбуждения ОВ может быть подключена к той же сети, что и якорь, или к отдельному источнику тока (независимое возбуж­дение). В том и другом случае ток возбуждения не зависит от процессов, происходящих в якоре двигателя и при постоян­ном напряжении сети магнитный поток можно считать посто­янным Ф = const. Обозначив с_дФ=k_д и подставив его в уравне­ние (3.5), получим уравнение механической характеристики дви­гателя постоянного тока параллельного возбуждения

При М=0 угловая скорость якоря

называется скоростью идеального холостого хода.

Второй член уравнения (3.6) определяет изменение угловой скорости двигателя при изменении момента

Величина Δω зависит не только от момента, но и от сопро­тивления цепи якоря. С увеличением R_я величина Δω увеличивается. С учетом уравнений (3.7) и (3.8) уравнение (3.6) можно записать в виде

Из уравнений (3.6) и (3-.9) видно, что механическая харак­теристика двигателя параллельного возбуждения является пря­мой линией, тангенс угла наклона которой определяется величи­ной R_я/k_д 2

На рис. 3.1,6 приведены естественная и искусственные ме­ханические характеристики, полученные введением в цепь якоря реостата. Такие искусственные характеристики используются при пуске и торможении двигателя.

Двигатели постоянного тока последователь­ного возбуждения. Схема включения двигателя последо­вательного возбуждения приведена на рис. 3.2, а. Обмотка воз­буждения ОВ включена последовательно с якорем и по ней протекает ток якоря. Следовательно, магнитный поток двига­теля является функцией тока якоря. Эта зависимость выража­ется графически в виде кривой намагничивания, которая явля­ется нелинейной функцией и не имеет аналитического выра­жения. Поэтому нельзя получить аналитическую зависимость для механической характеристики.

Характерной особенностью двигателей последовательного возбуждения является то, что изменение магнитного потока с изменением тока якоря оказывает большое влияние на ско­рость двигателя. Это хорошо видно из уравнения скоростной характеристики

которое показывает, что с изменением магнитного потока ско­рость двигателя может изменяться в широких пределах.

Если для упрощения предположить, что магнитная цепь двигателя не насыщена и поток пропорционален току

то момент двигателя

Подставив в уравнение скоростной характеристики значе­ние Ф = Сф/я, получим

где R — внутреннее сопротивление цепи якоря, равное сумме сопротивлений обмоток якоря и возбуждения (R_я + r_я).

Заменив в уравнении ток якоря его выражением из (3.10), получим уравнение механической характеристики

Уравнение (3.12) представляет собой уравнение кривой, для которой ось ординат является асимптотой. Подобная характе­ристика представлена на рис. 3.2,6. Уравнение (3.12) дает лишь общее представление о механической характеристике двига­теля. При расчетах им пользоваться нельзя, так как аналити­чески учесть намагничивание стали невозможно. Как видно на рис. 3.2,6, механическая характеристика двигателя последова­тельного возбуждения — мягкая. При уменьшении нагрузки уг­ловая скорость резко возрастает, а при М = 0 она стремится к бесконечности. В реальных двигателях ток при холостом ходе не может быть равен нулю вследствие потерь в стали и механических потерь, но угловая скорость может достигнуть опасных по условиям механической прочности значений, равных (5÷6)ω_ном. Поэтому холостой ход для двигателей последова­тельного возбуждения недопустим.

Двигатели постоянного тока смешанного воз­буждения. Двигатели смешанного возбуждения имеют две обмотки возбуждения (рис. 3.3). Магнитный поток двигателя определяется суммой потоков параллельной ОВ_пар и последова­тельной ОВ_пос обмоток:

Вследствие нелинейной зависимости магнитного потока от тока якоря аналитическое выражение механической характери­стики, так же как и для двигателя последовательного возбуж­дения, получить нельзя.

В зависимости от соотношения магнитных потоков обмоток возбуждения механические характеристики имеют различную жесткость. Чем больше доля магнитного потока последователь­ной обмотки, тем мягче характеристика. На рис. 3.3 приведены две естественные характеристики с различным соотношением магнитных потоков обмоток возбуждения. Обмотка параллельного возбуждения создает поток Ф_пар независимый от тока якоря, поэтому двигатель может работать вхолостую со ско­ростью

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Механический двигатель

Механический двигатель вместе с электрическим генератором называют агрегатом. Гидроэлектрические п теплоэлектри-чсские станции имеют часто по нескольку агрегатов, работающих параллельно. [1]

Механический двигатель вращает ротор генератора. Превращение энергии основано на известном нам законе электромагнитной индукции. Вращение ротора происходит в магнитном поле, а на поверхности ротора уложена обмотка. В обмотке ротора возникает ЭДС. Если замкнуть обмотку через какое-нибудь сопротивление или накоротко, в ней появится ток. Возможно и другое решение задачи. [3]

Механические двигатели используются двояким образом: либо они приводят в движение рабочие машины, либо соединены с электрогенераторами, преобразующими механическую энергию в электрическую. [4]

Жидкостные механические двигатели ( с жидкими грузами) принципиально ничем не отличаются от описанных твердотельных. Разница состоит только в том, что вместо перемещающихся относительно колеса грузов используется жидкость, переливающаяся при его вращении так, чгобы ее центр тяжести перемещался в нужном направлении. [5]

Все механические двигатели , приводящие в движение электрические генераторы, а именно: паровые и гидравлические турбины, двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины, ветродвигатели-получили название первичных двигателей. Электрическими генераторами на современных электрических станциях являются трехфазные синхронные генераторы, так как вся современная электрификация базируется на использовании трехфазного тока. [6]

В качестве механических двигателей на тепловых станциях применяются паровые и газовые турбины и дизели. Однако дизели применяются на маломощных электростанциях, имеющих только местное значение, а газовые турбины еще не получили на электростанциях широкого распространения. [7]

К группе механических двигателей относятся все первичные двигатели, обслуживающие непосредственно рабочие машины, па-ровоздуходувки и — внутризаводской транспорт, а именно: паровые турбины, паровые машины, локомобили, дизели, газогенераторные двигатели, прочие двигатели внутреннего сгорания, водяные турбины ( колеса), двигатели прямого действия, газовые двигатели. [8]

В качестве механических двигателей используются паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и электрические. [9]

Для моделей идеальных механических двигателей ( винтов) важными характеристиками являются коэффициенты расхода и нагрузки. [10]

Судно с механическим двигателем , буксирующее суда с нефтегрузами, их остатками, взрывчатыми или ядовитыми веществами, при расхождении и обгоне, кроме огней, предписанных буксировщику, может показывать красный круговой огонь. [11]

Судно с механическим двигателем длиной менее 7 м, имеющее максимальную скорость не более 7 уз, может вместо перечисленных выше огней выставлять белый круговой огонь. Такое судно, если это практически возможно, выставляет также бортовые огни. [12]

Суда с механическим двигателем , идущие прямо или почти прямо навстречу друг другу, обязаны уклониться от своего курса вправо настолько, чтобы свободно разойтись, имея встречное судно с левого борта. [13]

Если каким-либо механическим двигателем сообщить ротору асинхронной машины скорость вращения большую, чем скорость вращения потока, машина перейдет в генераторный режим, будет выдавать в сеть активную энергию. [14]

На ветроэлектрической станции механический двигатель ( вет-роколесо) размещается на высокой опоре ( башне) с ветрона-правляющим устройством, благодаря чему ветроколесо ставится в наиболее благоприятные ветровые условия. [15]

Механические характеристики рабочих машин

Классификация ЭП.

Существует большое разнообразие эл.приводов. Их классификация обычно производится по виду движения и степени управляемости эл.привода, роду электрического и механического передаточных устройств, способу передачи механической энергии исполнительным органами ряду дру­гих признаков.

По виду движенияразличаются электроприводы враща­тельного и поступательного однонаправленного и реверсив­ного движения, а также электроприводы возвратно-посту­пательного движения. Эти движения могут иметь как не­прерывный, так и дискретный характер.

По принципам регулирования скорости и положенияэлектропривод может быть:

ü нерегулируемый (исполнительный орган приводится в движение с одной постоянной скоростью);

ü регулируемый (путем воздействия на электропривод скорость движения исполнительного органа изменяется в соответствии с требованиями технологического процесса);

ü следящий (с помощью электропривода воспроизводится перемещение исполнительного органа в соответствии с про­извольно изменяющимся задающим сигналом);

ü программно-управляемый (электропривод обеспечивает перемещение исполнительного органа в соответствии с за­данной программой);

ü адаптивный (электропривод автоматически обеспечива­ет оптимальный режим движения исполнительного органа при изменении условий его работы);

ü позиционный (электропривод обеспечивает регулирова­ние положения исполнительного органа рабочей ма­шины).

По роду механического передаточного устройства раз­личаютредукторный электропривод, содержащий один из видов механического передаточного устройства, и безредукторный, в котором электродвигатель непосредственно соединен с исполнительным органом.

По роду электрического преобразовательного устройст­варазличают:

ü вентильный электропривод, преобразовательным устрой­ством которого является вентильный преобразователь энер­гии. Разновидностями вентильного электропривода явля­ются ионный и полупроводниковый электроприводы. Полу­проводниковый электропривод, в свою очередь, делится на тиристорный и транзисторный электроприводы, преобразо­вательным устройством в которых является соответственно тиристорный или транзисторный преобразователь электро­энергии;

ü система управляемый выпрямитель — двигатель (УВ — Д) — вентильный электропривод постоянного тока, преобазовательным устройством которого является регулируемый выпрямитель;

ü система преобразователь частоты — двигатель (ПЧ — Д) — вентильный электропривод переменного тока, преобразовательным устройством которого является регулируе­мой преобразователь частоты;

ü система генератор — двигатель (Г — Д) и магнитный усилитель — двигатель (МУ — Д) -регулируемый электропривод, преобразовательным устройством которого яв­ляется соответственно электромашинный преобразовательный агрегат или магнитный усилитель.

По способу передачи механической энергии исполнитель­ному органу электроприводы делятся на индивидуальный, взаимосвязанный и групповой.

Индивидуальный электропривод характеризуется тем, что каждый исполнительный орган рабочей машины приводится в движение своим отдельным двигателем.

Взаимосвязанный электропривод содержит два или несколько электрически или механически связанных между собой электроприводов. Частным случаем взаимосвязанно­го электропривода является многодвигательный электропривод, при котором несколько двигателей работают на об­щий вал, приводя в движение один исполнительный орган.

Групповой электропривод характеризуется тем, что от одного двигателя приводится в движение несколько испол­нительных органов одной или нескольких рабочих машин.

Механические характеристики рабочих машин.

Механической характеристикой рабочей машины назы­вается зависимость:М = f (ω),

где М — момент сопротивления рабочей машины, Н•м; ω — уг­ловая скорость, рад/с; ω=πn/30; π — частота вращения, об/мин.

Большинство механических характеристик машин позволя­ет описать следующая эмпирическая формула:

где М — начальный момент сопротивления при ω = 0; ω — те­кущее значение угловой скорости, соответствующее текущему значению момента М; М_с.ном— статический момент сопротив­ления при ω_ном.

При х = 0 получается не зависящая от скорости механическая ха­рактеристика, для которой М = Мс.ном (прямая 1 на рис. 1). Та­кая характеристика у подъемных кранов, лебедок. К этой группе могут быть отнесены механизмы, у ко­торых основное сопротивление соз­дают силы трения (навозоуборочные транспортеры, кормораздатчики, шнеки, конвейеры, барабаны сушилок, триеры).

При х=1 получается линейно возрастающая характеристи­ка (линия 2 на рис.1). Ею обладают многие машины, у которых основные сопротивления создаются силами трения совместно с аэродинамическими (молотилки, дробилки кормов, лесопильные рамы, зерноочистительные машины). Иногда такая характери­стика называется генераторной, так как она присуща генерато­рам постоянного тока независимого возбуждения при постоянной нагрузке.

Если х=2, то момент сопротивления пропорционален квад­рату угловой скорости (кривая 3 на рис.1). Такая характери­стика называется вентиляторной. Так изменяется момент сопро­тивления вентиляторов, компрессоров, центробежных насосов, сепараторов, пневматических транспортеров и других механиз­мов, принцип работы которых основан на законах аэро- и гид­родинамики.

Если х=-1, то получается нелинейно спадающая характе­ристика (кривая 4 на рис.1), для которой момент сопротивле­ния изменяется обратно пропорционально скорости, а мощность остается постоянной (такой характеристикой обладают металлорежущие станки, у которых с увеличением подачи скорость вращения деталей уменьшается).

4.Механические и электромеханические характеристики ЭД.

Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость скорости от электромагнитного момента, развиваемого электродвигателем в установившемся режиме, т.е. ω=f(М). Механические характеристики электродвигателей могут быть представлены как М=f(ω).

Различают естественную и искусственную характеристики электродвигателей. Естественная характеристика соответ­ствует основной схеме включения электродвигателя и номиналь­ным параметрам питающего напряжения.

Если двигатель включен не по основной схеме, или в его электрические цепи включены дополнительные элементы, или же двигатель питается напряжение с неноминальными пара­метрами, то он будет иметь искусственные характеристики.

Качественно механические характеристики электродвигате­ля оцениваются коэффициентом жесткости β, определяемым как производная момента по угловой скорости:

Используя этот показатель, можно ха­рактеристику 1 синхронного электро­двигателя (рис.1) оценить как абсо­лютно жесткую (β=∞), характеристи­ку 3 асинхронного электродвигателя — как имеющую переменную жесткость, характеристику 2 электродвигателя постоянного тока независимого возбу­ждения — как жесткую, характери­стику 4 электродвигателя постоянного тока последовательного возбуждения — как мягкую.

При построении механических характеристик АД используется упрощенное уравнение, полученное при условии, что активное сопротивление обмотки статораR₁=0:

где М_кр — критический (или максимальный) момент, соответствующий критическому скольжению s_кр.

Поскольку n=n_o(1-s), то, приведенное выше уравнение, является формулой механической характеристики, и по ней можно строить графики механических характеристик по паспортным данным двигателя.График механической характеристики трехфазного АД, построенный по данному уравнению, выглядит следующим образом:

5.Расчет и построение механической характеристики АД по паспортным данным М_н, ω_н, ω, μ_п, μ_мах.

Механическую характеристику асинхронного электро­двигателя рассчитывают по уточненной формуле Клосса:

,

где , — рассчитываемый и максимальный моменты, Н-м; — коэффициент, Е=f(S); , — задаваемое значение скольжения и максимальное (критическое) скольжение (если не задано, то находится по формуле), о.е.:

,

где — кратность максимального момента электродвигателя; — номинальное скольжение, о.е.

Максимальный (критический) момент: ,

где — номинальный момент, Н-м; — кратность максимального момента, о.е.

Номинальный момент: ,

где — номинальная угловая скорость, рад/с.

где — синхронная частота вращения ротора, мин -1 ; — синхронная угловая скорость, рад/с; — частота тока в сети, Гц; — количество пар полюсов.

Ток холостого хода:

Ток при максимальном (критическом) скольжении в относительных единицах:

Номинальный ток I_н

Пересчет тока в именованные единицы:

.

Графики механической и электромеханической характеристик имеют следующий вид:

Механическая характеристика АД.

Ответ: Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валу n = f (M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то M2 ≈ M и механическая характеристика представляется зависимостью n = f (M). Если учесть взаимосвязь s = (n1 — n) / n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатах n и М (рис. 1).

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя соответствует основной (паспортной) схеме его включения и номинальным параметрам питающего напряжения. Искусственные характеристики получаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики. Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода. Пример расчета механической характеристики асинхронного двигателя: Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с напряжением = 380 В при = 50 Гц. Параметры двигателя: Pн= 14 кВт, nн= 960 об/мин, cosφн= 0,85, ηн= 0,88, кратность максимального момента kм= 1,8. Определить: номинальный ток в фазе обмотки статора, число пар полюсов, номинальное скольжение, номинальный момент на валу, критический момент, критическое скольжение и построить механическую характеристику двигателя.

Решение: Номинальная мощность, потребляемая из сети P1н =Pн / ηн = 14 / 0,88 = 16 кВт.

Номинальный ток, потребляемый из сети Число пар полюсов p = 60 f / n1 = 60 х 50 / 1000 = 3, где n1 = 1000 – синхронная частота вращения, ближайшая к номинальной частоте nн= 960 об/мин. Номинальное скольжение sн = (n1 — nн) / n1 = (1000 — 960 ) / 1000 = 0,04. Номинальный момент на валу двигателя Критический момент Мк = kм х Мн = 1,8 х 139,3 = 250,7 Н•м. Критическое скольжение находим подставив М = Мн, s = sн и Мк / Мн = kм.

Для построения механической характеристики двигателя с помощью n = (n1 — s) определим характерные точки: точка холостого хода s = 0,n = 1000 об/мин, М = 0, точка номинального режима sн = 0,04, nн = 960 об/мин, Мн = 139,3 Н•м и точка критического режима sк = 0,132, nк = 868 об/мин, Мк =250,7 Н•м.

Для точки пускового режима sп = 1, n = 0 находим

По полученным данным строят механическую характеристику двигателя. Для более точного построения механической характеристики следует увеличить число расчетных точек и для заданных скольжений определить моменты и частоту вращения.

Рабочие характеристики АД.

Ответ: Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой графически выраженные зависимости частоты вращения n2, КПД η, полезного момента (момента на валу) М2, коэффициента мощности cos φ, и тока статора I1 от полезной мощности Р2 при U1 = const f1 = const. Скоростная характеристика n2 = f(P2). Частота вращения ротора асинхронного двигателя n2 = n1(1 — s). Скольжение s = Pэ2/Pэм, т. е. скольжение асинхронного двигателя, а следовательно, и его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе к электромагнитной мощности. Пренебрегая электрическими потерями в роторе в режиме холостого хода, можно принять Рэ2 = 0, а поэтому s ≈ 0 и n20 ≈ n1. По мере увеличения нагрузки на валу асинхронного двигателя отношение s = Pэ2/Pэм растет, достигая значений 0,01 — 0,08 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n2 = f(P2) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора двигателя r2′ угол наклона этой кривой увеличивается. В этом случае изменения частоты асинхронного двигателя n2 при колебаниях нагрузки Р2 возрастают. Объясняется это тем, что с увеличением r2′ возрастают электрические потери в роторе.

Рис. 1. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Зависимость М2 =f(P2). Зависимость полезного момента на валу асинхронного двигателя М2 от полезной мощности Р2 определяется выражением M2 = Р2/ ω2 = 60 P2/ (2πn2) = 9,55Р2/ n2,

где Р2 — полезная мощность, Вт; ω2 = 2πf 2/ 60 — угловая частота вращения ротора.

Из этого выражения следует, что если n2 = const, то график М2 =f2(Р2) представляет собой прямую линию. Но в асинхронном двигателе с увеличением нагрузки Р2 частота вращения ротора уменьшается, а поэтому полезный момент на валу М2 с увеличением нагрузки возрастает не сколько быстрее нагрузки, а следовательно, график М2 =f (P2) имеет криволинейный вид.

Рис. 2. Векторная диаграмма асинхронного двигателя при небольшой нагрузке

Зависимость cos φ1 = f (P2). В связи с тем что ток статора асинхронного двигателя I1 имеет реактивную (индуктивную) составляющую, необходимую для создания магнитного поля в статоре, коэффициент мощности асинхронных двигателей меньше единицы. Наименьшее значение коэффициента мощности соответствует режиму холостого хода.Объясняется это тем, что ток холостого хода электродвигателя I0 при любой нагрузке остается практически неизменным. Поэтому при малых нагрузках двигателя ток статора невелик и в значительной части является реактивным (I1 ≈ I0). В результате сдвиг по фазе тока статора относительно напряжения получается значительным (φ1 ≈ φ0), лишь немногим меньше 90° (рис. 2). Коэффициент мощности асинхронных двигателей в режиме холостого хода обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на валу двигателя растет активная составляющая тока I1 и коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшего значения (0,80 — 0,90) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки на валу двигателя сопровождается уменьшением cos φ1 что объясняется возрастанием индуктивного сопротивления ротора (x2s) за счет увеличения скольжения, а следовательно, и частоты тока в роторе. В целях повышения коэффициента мощности асинхронных двигателей чрезвычайно важно, чтобы двигатель работал всегда или по крайней мере значительную часть времени с нагрузкой, близкой к номинальной.Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности двигателя. Если же двигатель работает значительную часть времени недогруженным, то для повышения cos φ1, целесообразно подводимое к двигателю напряжение U1 уменьшить. Например, в двигателях, работающих при соединении обмотки статора треугольником, это можно сделать пересоединив обмотки статора в звезду, что вызовет уменьшение фазного напряжения в раз. При этом магнитный поток статора, а следовательно, и намагничивающий ток уменьшаются примерно в раз. Кроме того, активная составляющая тока статора несколько увеличивается. Все это способствует повышению коэффициента мощности двигателя. На рис. 3 представлены графики зависимости cos φ1, асинхронного двигателя от нагрузки при соединении обмоток статора звездой (кривая 1) и треугольником (кривая 2).

Рис. 3. Зависимость cos φ1,от нагрузки при соединении обмотки статора двигателя звездой (1) и треугольником (2)

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-08; просмотров: 1063