Что называется механической характеристикой электродвигателя

Механические характеристики электродвигателей и производственных механизмов

При проектировании электропривода электродвигатель должен выбираться так, чтобы его механические характеристики соответствовали механическим характеристикам производственного механизма. Механические характеристики дают взаимосвязь переменных в установившихся режимах.

Механической характеристикой механизма называют зависимость между угловой скоростью и моментом сопротивления механизма, приведенными к валу двигателя) ω = f(Mс).

Рис. 1. Механические характеристики механизмов

Среди всего многообразия выделяют несколько характерных типов механических характеристик механизмов:

1. Характеристика с моментом сопротивления, не зависящим от скорости (прямая 1 на рис. 1). Независимая от скорости механическая характеристика графически изображается прямой, параллельной оси вращения, в данном случае вертикалью. Такой характеристикой обладают, например, подъемные краны, лебедки, поршневые насосы при неизменной высоте подачи и др.

2. Характеристика с моментом сопротивления линейно зависящим от скорости (прямая 2 на рис. 1). Такая зависимость присуща, например, приводу генератора постоянного тока с независимым возбуждением, работающему на постоянную нагрузку.

3. Характеристика с нелинейным возрастанием момента (кривая 3 на рис. 1). Типичными примерами емогут служить характеристики вентиляторов, центробежных насосов, гребных винтов. Для этих механизмов момент Мс зависит от квадрата угловой скорости ω . Это т.н. параболичская (вентиляторная) механическая характеристика.

4. Характеристика с нелинейно спадающим моментом сопротивления (кривая 4 на рис. 1). Здесь момент сопротивления обратно пропорционален скорости вращения. Мощность в этом случае остается постоянной на всем диапазоне рабочей скорости механизма. Например, у механизмов главного движения некоторых металлорежущих станков (токарных, фрезерных, расточных) момент Мс изменяется обратно пропорционально ω , а мощность потребляемая механизмом, остается постоянной.

Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его угловой скорости от вращающего момента ω д = f(M).Здесь следует иметь ввиду, что момент М на валу двигателя независимо от направления вращения имеет положительный знак — момент движущий. Вместе с тем момент сопротивления Мс имеет знак отрицательный.

В качестве примеров на рис. 2 приведены механические характеристики: 1 — синхронного двигателя; 2 – двигателя постоянного тока независимого возбуждения; 3 – двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.

Для оценки свойств механических характеристик электропривода используют понятие жесткости характеристики. Жесткость механической характеристики определяется по выражению

где d М – изменение момента двигателя; d ω д – соответствующее изменение угловой скорости.

Для линейных характеристик значение β остается постоянным, для нелинейных – зависит от рабочей точки.

Используя это понятие, характеристики, приведенные на рис. 2, можно качественно оценить так: 1 – абсолютно жесткая ( β = ∞ ); 2 – жесткая; 3 – мягкая.

Абсолютно жесткая характеристика — скорость вращения двигателя остается неизменной при изменении нагрузки двигателя в пределах от нуля для номинальной. Такой характеристикой обладают синхронные двигатели.

Жесткая характеристика — скорость вращения меняется незначительно при изменении нагрузки от нуля до номинальной. Такой характеристикой обладает двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, а также асинхронный двигатель в области линейной части характеристики.

Жесткой характеристикой принято считать такую, у которой изменение скорости не превышает приблизительно 10% номинальной скорости при изменении нагрузки от нуля до номинальной.

Мягкая характеристика — скорость вращения двигателя меняется значительно при сравнительно небольших изменениях нагрузки. Такой характеристикой обладает двигатель постоянного тока с последовательным, смешанным или с параллельным возбуждением, но с добавочным сопротивлением в цепи якоря, а также асинхронный с сопротивлением в цепи ротора.

Для большинства производственных механизмов используют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором, имеющие жесткую механическую характеристику.

Все механические характеристики электродвигателей делятся на естественные и искусственные.

Естественная механическая характеристика относится к условиям работы двигателя с номинальными значениями параметров.

Например, для двигателя с параллельным возбуждением естественная характеристика может быть построена для случая, когда напряжение на якоре и ток возбуждения имеют номинальные значения, а в цепи якоря отсутствует добавочное сопротивление.

Естественная характеристика асинхронного двигателя соответствует номинальному напряжению и номинальной частоте переменного тока, подводимого к статору двигателя при условия отсутствия добавочного сопротивления в цепи ротора.

Таким образом, для каждого двигателя естественная характеристика может быть построена только одна, а искусственных — неограниченное количество. Например, каждому новому значению сопротивления якоря двигателя постоянного тока или в цепи ротора асинхронного двигателя отвечает своя механическая характеристика.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Механические характеристики электродвигателей

При рассмотрении работы электропривода, вращающего рабочий орган производственного механизма, необходимо, прежде всего, выявить соответствие механических свойств электродвигателя и производственного механизма. Поэтому для правильного проектирования и экономичной эксплуатации электропривода необходимо изучить и механические характеристики электрических машин, и производственных механизмов.

Механическая характеристика электродвигателя определяет зависимость его скорости ω от развиваемого им момента М. Часто вместо угловой скорости ω используют внесистемную физическую величину – частоту вращения п, так как эти величины пропорциональны друг другу:

(2.6)

В этом случае механической характеристикой электродвигателя называется зависимость его частоты вращения п от развиваемого им момента М, то есть n = f(M).

Степень изменения скорости с изменением момента у различных типов электрических машин неодинакова и различается в зависимости от жесткости механических характеристик (см. рис. 2.2).

Под жесткостью механической характеристикибудем понимать отношение приращения моментак приращению скорости двигателя:

(2.7)

где – момент и угловая скорость в первой точке механической характеристики; – момент и угловая скорость во второй точке механической характеристики.

Рис. 2.2. Определение жесткости механической характеристики

Механические характеристики электродвигателей можно разделить на четыре основных типа в зависимости от их жесткости:

• • абсолютно жесткая механическая характеристика, при которой скорость с изменением момента остается неизменной. Из (2.7) следует, что если, то. Такой характеристикой обладают синхронные двигатели (зависимость 1 на рис. 2.3);
• • жесткая механическая характеристика, отличающаяся незначительным изменением угловой скорости с изменением момента. Жесткой механической характеристикой обладают асинхронные двигатели (кривая 2, рис. 2.3.) и двигатели постоянного тока независимого и параллельного возбуждения (кривая 3, рис. 2.3);
• • мягкая механическая характеристика отличается значительным изменением угловой скорости с изменением момента. Такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока последовательного возбуждения (кривая 4, рис. 2.3) и двигатели постоянного тока смешанного возбуждения (кривая 5. рис. 2.3);
• • абсолютно мягкая механическая характеристика, при которой момент двигателя остается неизменным с изменением угловой скорости. Из выражения (2.7) следует, что если, то. Абсолютно мягкой механической характеристикой обладают двигатели постоянного тока независимого возбуждения при питании обмотки якоря от источника тока (зависимость 6 на рис. 2.3).

Рис. 2.3. Механические характеристики электродвигателей

При любом типе механической характеристики электродвигателя вращающий момент двигателя определяется нагрузкой на его валу, то есть моментом сопротивления

Механические характеристики электродвигателей

Понятие «механическая характеристика электродвигателя» было приведено выше.

Повторим и разовьем это понятие.

Механической характеристикой двигателя, независимо от рода тока, называют зави

симость угловой скорости вала двигателя ω ( далее – двигателя ) от электромагнитного мо

мента двигателя М, т.е зависимость ω (М).

Здесь следует сделать важное замечание: в соответствии с уравнением моментов

М = М, в установившемся режиме электромагнитный момент двигателя определяется

величиной статического момента механизма. Это означает, что величина электромагнит-

ного момента двигателя полностью зависит от момента механизма – чем больше тормоз-

ной момент механизма, тем больше вращающий момент двигателя, и наоборот. Иначе го-

воря, для любого двигателя входной величиной является момент механизма, а выходной – его скорость.

Различают естественные и искусственные механические характеристикиэлектро

Естественная механическая характеристика — это зависимость ω ( М ), снятая при нормальных условиях работы двигателя, т.е. при номинальных параметрах питающей сети и отсутствии добавочных резисторов в цепях обмоток двигателей.

К параметрам питающей сети относят:: на постоянном токе – напряжение, на пере-

менном – напряжение и частота тока.

Характеристики, снятые при условиях, отличных от нормальных, называют искус-

Искусственные характеристики можно получить путем изменения параметров само

го двигателя, например, путем введения резисторов в цепь обмотки якоря двигателя посто

янного тока или в цепь обмотки статора асинхронного двигателя, либо изменением пара-

метров питающей сети, т.е. напряжения и частоты переменного тока.

Каждый электродвигатель имеет одну естественную и множество искусственных

характеристик. Число последних зависит от числа ступеней регулирующего элемента, на-

пример, числа ступеней регулировочного реостата в цепи обмотки якоря двигателя посто-

янного тока. Если у двигателя таких ступеней – пять, то такой двигатель имеет шесть ха-

рактеристик – пять искусственных и одну естественную.

Искусственные механические характеристики применяются для получения таких режимов работы двигателя, как регулирование скорости, реверс, электрическое торможе

Рассмотрим естественные механические характеристики двигателей разных типов.

Рис. 8.4. Естественная механическая ( а ) и угловая ( б ) характеристики синхрон

ного двигателя; θ – угол отставания оси ротора от оси магнитного поля обмотки статора

Естественная механическая характеристика синхронного двигателя ( рис. 8.1, а ) – абсолютно жесткая, потому что ее жесткость

Иначе говоря, при изменении электромагнитного момента М двигателя в широких пределах скорость двигателя не изменяется.

Cтабильность скорости ротора синхронного двигателя объясняется при помощи угловой характеристики синхронного двигателя θ ( М ) следующим образом ( рис.8.14, б ).

Если механическая нагрузка к ротору не приложена, то оси ротора и вращающегося магнитного поля обмотки статора совпадают, т.е. θ = 0° ( точка 0 на рис. 8.14, б ). Электромагнитный момент двигателя М = 0, двигатель работает в режиме холостого хода.

Если приложить к валу двигателя механическую нагрузку и увеличивать ее, то ро-

тор под действием механической нагрузки станет отставать от магнитного поля обмотки статора на все больший угол θ. Чем больше механическая нагрузка на валу, тем больше этот угол и тем больше вращающий электромагнитный момент двигателя.

Такое одновременное увеличение вращающего момента двигателя, вызываемое уве

личением тормозного момента механизма как раз и обеспечивает стабильность скорости двигателя ( на рис. 8.4, а участок характеристики от М = 0 до М = М).

Однако постоянство скорости двигателя сохраняется до тех пор, пока угол θ≤90°.

При θ = 90° двигатель развивает критический ( максимальный ) момент М( точка А на рис. 8.4, а ).

Если при θ = 90° вновь увеличить механическую нагрузку ( θ > 90° ), электромаг-

нитный момент двигателя станет уменьшаться ( отрезок АВ угловой характеристики ), т.е

этот момент окажется меньше тормозного момента механизма. В результате скорость рото

ра двигателя станет уменьшаться, и в конце концов ротор остановится.

Поскольку при этом скорость ротора меньше скорости вращающегося магнитного поля обмотки статора, говорят, что двигатель выпал из синхронизма.

Как следует из угловой характеристики двигателя, условие выпадения двигателя из синхронизма такое: : θ≤90°.

На практике номинальный угол θ= 20…40°.

Область применения синхронных двигателей: на судах – в качестве гребных элект-

родвигателей, вращающих винты; на берегу – для привода мощных механизмов, напри-

мер, компрессоров на газоперекачивающих станциях.

Рис. 8.5. Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока паралель-

ного возбуждения ( рис. 8.5 ) – жесткая, потому что ее жесткость

Это означает, что при изменении электромагнитного момента двигателя в широких пределах его скорость достаточна стабильна ( т.е. изменяется незначительно ).

Такие двигатели применяются там, где при изменении нагрузки механизма в широ-

ких пределах скорость двигателя не должна изменяться резко — в электроприводах насо-

сов, вентиляторов и т.п.

Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока последова-

тельного возбуждения ( рис. 8.6 ) – мягкая, потому что ее жесткость

Это означает, что при изменении электромагнитного момента двигателя даже в не-

больших пределах его скорость изменяется значительно.

Рис. 8.6. Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Напомним две характерные особенности этого двигателя:

1. при уменьшении механической нагрузки на валу или ее отсутствии ( М = М)

скорость двигателя резко увеличивается, двигатель «идет вразнос». Поэтому этот двига-

тель нельзя оставлять без нагрузки на валу;

1. При пуске двигатель развивает пусковые моменты Мгораздо большие, чем у дви-

гателей других типов.

Эти двигатели не применяются на судах, но применяются на берегу, например, в электротранспорте, в частности, в троллейбусах, где они не остаются без нагрузки на валу и где нужны большие пусковые моменты ( при трогании троллейбуса с места ).

Рис. 8.7. Естественные механическиея характеристики двигателей постоянного тока смешанного возбуждения: 1- с параллельно-последовательным возбуждением;

2 — с последовательно- параллельным возбуждением

Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока смешанно-

го возбуждения является промежуточной между характеристиками двигателей паралель-

ного и последовательного возбуждения, т.к. магнитный поток возбуждения создается сов-

местным действием обеих обмоток – параллельной и последовательной.

Различают два вида двигателей смешанного возбуждения:

1. с параллельно-последовательным возбуждением, у которых основную часть ре-

зультирующего магнитного потока создает параллельная обмотка ( до 70%, остальные 30% — последовательная );

2. с последовательно- параллельным возбуждением, у которых основную часть ре-

зультирующего магнитного потока создает последовательная обмотка ( до 70%, остальные 30% — параллельная ).

Поэтому график механической характеристики двигателя первого вида более жест-кий, чем у двигателя второго вида.

Обе механические характеристики — мягкие, потому что их жесткость

На судах двигатели смешанного возбуждения применяются в регулируемых элект-

роприводах – лебедках, кранах, брашпилях и шпилях.

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя имеет два участка – нерабочий ( разгонный ) АВ и рабочий ВСD ( рис. 8.8 ).

Рис. 8.8. Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

При пуске двигатель развивает пусковой момент М( отрезок ОА ), после чего раз

гоняется по траектории АВС до точки С. При этом на участке АВ одновременно увеличи-

ваются как скорость, так и момент, в точке В двигатель развивает максимальный момент М. На участке ВС скорость продолжает увеличиваться, а момент уменьшается, вплоть до номинального ( точка С ). На участке BC двигатель перегружен, т.к. в любой точке этого участка электромагнитный момент двигателя больше номинального ( М >

В нормальних условиях двигатель работает на участке СD, жесткость которого

Это означает, что при изменении момента в широких пределах скорость двигателя изменяется незначительно.

Асинхронные двигатели нашли самое широкое применение на судах с электростан-

цией на переменном токе.

Промышленность выпускает специально для судов асинхронные двигатели разных

серий, например, 4А…ОМ2 ( четвертая серия асинхронных двигателей ), МАП ( морской асинхронный полюсопереключаемый ), МТF ( c фазным ротором ) и др.

При этом двигатели серии 4А – односкоростные, серии МАП – двух- и трехскорост

ные, серии МТF – число скоростей определяется схемой управления ( до 5 скоростей ).

Механические характеристики электрических машин

Механическая характеристика представляет собой зависимость угловой скорости или частоты вращения вала от вращающего момента на валу.

Механические характеристики электродвигателей разделяют на виды в зависимости от их жесткости. Жесткость характеристики определяется степенью изменения скорости при одинаковом приращении момента.

По жесткости механические характеристики электродвигателей бывают следующими:

• абсолютно жесткая,
• жесткая (с изменением момента скорость изменяется мало),
• мягкая (с изменением момента скорость изменяется значительно).

Характеристики первого вида имеют синхронные двигатели; второго — двигатели постоянного тока независимого возбуждения и асинхронные двигатели (на рабочих участках характеристик); третьего — двигатели постоянного тока последовательного возбуждения. Двигатели постоянного тока смешанного возбуждения в зависимости от исполнения системы возбуждения могут иметь характеристики двух последних видов.

Механическая характеристика, полученная при удовлетворении всех номинальных условий, называется естественной.

Реостатные характеристики асинхронного двигателя получают при изменении сопротивления роторной цепи. Конструктивно это осуществимо для двигателей, имеющих выводы обмоток ротора. Поэтому реостатные характеристики получают только для двигателей с фазным ротором.

Искусственные механические характеристики можно получить изменением числа пар полюсов обмотки статора. Изменения числа пар полюсов можно достигнуть двумя путями: размещением в пазах обмотки статора двух независимых обмоток и видоизменением схемы соединений одной обмотки переключением. Наиболее широко в практике применяют переключения типа Y-YY и Δ-YY (рис. 89).

Рис. 89. Схемы соединения обмоток многоскоростных двигателей:
а — двойная звезда, б — треугольник, в — звезда

Комбинация из двух независимых обмоток на статоре, каждая из которых имеет переключение полюсов в соотношении 1 : 2, позволяет изготовлять четырехскоростные двигатели. При этом, комбинируя схемы обмоток, добиваются такого сочетания характеристик, которые при регулировании скорости могут обеспечить либо постоянство момента М = const, либо постоянство мощности Р₂ = const.

Рис. 90. Рабочие характеристики электродвигателей постоянного тока

Рабочие характеристики двигателей постоянного тока получают изменением сопротивления цепи якоря и изменением напряжения питания якоря (рис. 90).

У двигателей параллельного и последовательного возбуждения введение дополнительного сопротивления в цепь якоря меняет характеристики, они становятся мягче (рис. 90 а, б), а у двигателя смешанного возбуждения сохраняют как особенности своей формы, так и общий характер расположения относительно естественной характеристики (рис. 90, в).