Механическая характеристика

Определение. Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента нагрузки на валу М, т. е. п (М). От ее характера зависит пригодность асинхронного двигателя для привода различных рабочих механизмов. Так, для многих станков требуется, чтобы частота вращения двигателя оставалась неизменной или почти неизменной при изменении нагрузки. Наряду с этим рабочие механизмы, работающие при резко изменяющихся нагрузках, — прессы, краны, ножницы — требуют быстрого изменения частоты вращения двигателя при таких нагрузках.

Поэтому механическая характеристика двигателя играет существенную роль при выборе приводного двигателя.

Вывод уравнения механической характеристики. Зависимость п(М) может быть получена из формулы M(s) (3.23), если учесть, что s = (n₁ – n)/n₁. График п(М) представлен на рис. 3.18. Все сказанное о характерных точках и участках графика M(s) справедливо и для графика п(М).

Так, на рабочем участке n₁ – n_ном зависимость п(М) линейная.

Действительно, n = n₁(1—s). Так как на этом участке

, то, подставляя значение s в формулу n = n₁(1—s), получаем:

График этой зависимости представляется прямой линией (рис. 3.19).

Коэффициент b пропорционален тангенсу угла наклона прямой, т. е.
где k_m — масштабный коэффициент.

Полученная характеристика называется жесткой, так как в пределах от идеального холостого хода до номинальной нагрузки частота вращения ротора падает не более чем на 10%.

Источник

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.

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.

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

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.

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

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Характеристики электродвигателей

Правильный выбор электродвигателя для производственного механизма – залог его нормальной и экономичной работы. Если электродвигатель подобран правильно, это упростит систему управления электроприводом и возможно удешевит стоимость электропривода. Как известно электропривод должен обеспечивать не только постоянство установившихся значений (скорость, момент), но и динамических (переходных процессов, таких как ускорение, тормозной момент, пусковой момент и т.д.).

Основным критерием для подбора электродвигателей используют зависимость, на которой отображают значение момента М электродвигателя и скорости вращения вала n при действии этого момента. Такая зависимость имеет название механическая характеристика n=f(M). По механическим характеристикам производят анализ электромеханических свойств двигателя, а также оценивают целесообразность применения его для различного рода механизмов и устройств. Они могут быть двух видов: естественные и искусственные.

Естественные механические характеристики: они снимаются при влиянии на двигатель номинальных параметров (номинальный ток, сопротивление обмоток, напряжение, момент сопротивления и т.д.). То есть двигатель подключается к источнику питания без каких-либо преобразовательных устройств – прямым включением.

Искусственные механические характеристики: их снимают при введении в цепь двигателя дополнительных элементов (резистор добавочный) или при пониженном напряжении питания, частоте (если двигатель переменного напряжения) и т.д. То есть на механическую характеристику двигателя производят искусственное влияние.

Также различают механические характеристики по изменению скорости вращения вала в зависимости от увеличения момента. Они оцениваются по жесткости:

и крутизне наклона:

Чтоб определить жесткость механической характеристики необходимо знать изменение скорости и момента на заданном участке зависимости n=f(M). Соответственно все расчеты жесткости ведутся либо в процентах, либо в относительных единицах.

Также механические характеристики можно отсортировать по группам:

Ниже приведен график различных механических характеристик электродвигателей:

Подбор электродвигателя определяется требованиями производственных механизмов. В таком производстве как прокатка металла, изготовление бумаги или картона, требуется четкое поддержание постоянства скорости, а такие механизмы, как подъемные и транспортные, не требуют жестких характеристик (в тяговых электроприводах используется ДПТ ПВ, также он применяется в некоторых крановых механизмах).

Источник

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

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-

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:

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

тель нельзя оставлять без нагрузки на валу;

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;

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-

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

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

β = ΔМ / Δω = ΔМ / 0 > 10%.

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 >

> М).

В нормальних условиях двигатель работает на участке СD, жесткость которого

Источник

Механическая характеристика двигателя

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.

Основные точки механической характеристики: критическое сколь­жение и частота, максимальный момент, пусковой момент, номинальный момент.

Механическая характеристика – это зависимость вращающего момента от скольжения, или, иначе говоря, от числа оборотов:

Начальная точка характеристики соответствует n = 0 и s = 1: это первое мгновение пуска двигателя. Величина пускового вращающего момента M_n – очень важная характеристика эксплуатационных свойств двигателя. Если M_n мал, меньше номинального рабочего момента, двигатель может запускаться только вхолостую или при соответственно сниженной механической нагрузке.

Обозначим символом M_np противодействующий (тормозной) момент, создаваемый механической нагрузкой на валу, при которой двигатель пускается. Очевидным условием для возможности запуска двигателя является: M_n > M_np. Если это условие выполнено, ротор двигателя придет в движение, число оборотов его n будет возрастать, а скольжение s уменьшаться. Как видно из изображения выше, вращающий момент двигателя при этом растет от M_n до максимального M_m, соответствующего критическому скольжению s_kp, следовательно, растет и избыточная располагаемая мощность двигателя, определяемая разностью моментов M и M_np.

Чем больше разность между располагаемым моментом двигателя (возможным при данном скольжении по рабочей характеристике) М и противодействующим М_np, тем легче режим запуска и тем быстрее двигатель достигает установившейся скорости вращения.

Как показывает механическая характеристика, при некотором числе оборотов (при s = s_kp) располагаемый вращающий момент двигателя достигает максимально возможного для данного двигателя (при данном напряжении U) значения M_т. Далее двигатель продолжает увеличивать скорость вращения, но располагаемый вращающий момент его быстро уменьшается. При каких-то значениях n и s вращающий момент двигателя становится равным противодействующему: пуск двигателя заканчивается, число оборотов его устанавливается на значении, соответствующем соотношению:

Это соотношение является обязательным для всех нагрузочных режимов двигателя, то есть для всех значений M_np, не выходящих за пределы максимального располагаемого вращающего момента двигателя М_т. В этих пределах двигатель сам автоматически приспосабливается ко всем колебаниям нагрузки: если во время работы двигателя его механическая нагрузка увеличивается, на какое-то мгновение M_np станет больше момента, развиваемого двигателем. Обороты двигателя начнут снижаться, а момент увеличиваться.

Скорость вращения установится на новом уровне, отвечающем равенству M и M_np. При снижении нагрузки процесс перехода к новому нагрузочному режиму будет обратным.

Если нагрузочный момент M_np превысит М_т, двигатель сразу остановится, так как с дальнейшим уменьшением оборотов вращающий момент двигателя уменьшается.

Поэтому максимальный момент двигателя М_т называется еще опрокидывающим или критическим моментом.

Если в формулу момента подставить:

Взяв первую производную от М по и приравняв ее к нулю, найдем, что максимальное значение вращающего момента наступает при условии:

то есть при таком скольжении s = s_kp, при котором активное сопротивление ротора равно индуктивному сопротивлению

Значения s_kp у большинства асинхронных двигателей лежат в пределах 10 – 25%.

Если в написанную выше формулу момента вместо активного сопротивления r₂ подставить индуктивное по формуле

Максимальный вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату магнитного потока (а значит, и квадрату напряжения) и обратно пропорционален индуктивности рассеяния обмотки ротора.

При постоянстве напряжения, подводимого к двигателю, его поток Ф остается практически неизменным.

Индуктивность рассеяния роторной цепи тоже практически постоянна. Поэтому при изменении активного сопротивления в цепи ротора максимальное значение вращающего момента M_т изменяться не будет, но будет наступать при разных скольжениях (с увеличением активного сопротивления ротора – при больших значениях скольжения).

Номинальный вращающий момент, определяющий значение паспортной мощности двигателя, принимается обычно равным 0,4 – 0,6 от M_т. Таким образом, асинхронные двигатели допускают кратковременные перегрузки в 2 – 2,5 раза.

Область механической характеристики, соответствующая 0 ≤ s ≤ 1 – область двигательных режимов, причем при s s_кр – неустойчива. При s 1 момент двигателя направлен против направления вращения его ротора (соответственно рекуперативное торможение и торможение противовключением).

Устойчивый участок механической характеристики двигателя часто описывается формулой Клосса, подстановкой в которую параметров номинального режима можно определить критическое скольжение s_кр:

,

где: λ = M_kp / M_н – перегрузочная способность двигателя.

Механическая характеристика по данным справочника или каталога приближенно может быть построена по четырем точкам (рис. 7.1):

— точка 3 – критический режим: n = n_кр, М = М_кр =λ М_н ;

— точка 4 – режим пуска: n = 0, М = М_пуск = β М_н.

Конструкция обмоток статора. Однослойные и двухслойные петле­вые обмотки.

По конструкции катушек обмотки подразделяют на всыпные с мягкими катушками и обмотки с жесткими катушками или полукатушками. Мягкие катушки изготовляют из круглого изолированного провода. Для придания требуемой формы их предварительно наматывают на шаблоны, а затем укладывают в изолированные трапецеидальные пазы (см. рис. 3.4, в, ги 3.5, в); междуфазовые изоляционные прокладки устанавливают в процессе укладки обмотки. Затем катушки укрепляют в пазах с помощью клиньев или крышек, придают им окончательную форму (формируют лобовые части), осуществляют бандажирование обмотки и ее пропитку. Весь процесс изготовления всыпных обмоток можно полностью механизировать.

Жесткие катушки (полукатушки) изготовляют из прямоугольного изолированного провода. Окончательную форму им придают до укладки в пазы; одновременно на них накладывают корпусную и междуфазовую изоляцию. Затем катушки укладывают в предварительно изолированные открытые или полуоткрытые пазы ,укрепляют и подвергают пропитке.

Рис. 3.18. Расположение катушек в пазах при однослойной (а) и двухслойной (б) обмотках

Обмотки статора. Однослойные и двухслойные волновые обмотки

В пазах сердечника статора раз­мещается многофазная обмотка, которая подсоединяется к сети переменного тока. Многофазные симметричные обмотки с числом фаз твключают в себя тфазных обмоток, которые соединяются в звезду или многоугольник. Так, например, в случае трехфазной обмотки статора число фаз т = 3 и обмотки могут соединяться в звезду или треугольник. Между собой обмотки фаз смещены на угол 360/т град; для трехфазной обмотки этот угол равен 120°.

Обмотки фаз выполняются из отдельных катушек, соединенных последовательно, параллельно либо последовательно-параллельно. В данном случае под катушкой подразумеваются несколько последовательно соединенных витков обмотки статора, размещенных в одних и тех же пазах и имеющих общую изоляцию относительно стенок паза. В свою очередь виткомсчитаются два активных (т. е. расположенных в самом сердечнике статора) проводника, уложенных в двух пазах под соседними разноименными полюсами и соединенных друг с другом последовательно. Проводники, расположенные вне сердечника статора и соединяющие активные проводники между собой, называются лобовыми частями обмотки. Прямолинейные части катушек обмоток, уложенные в пазы, называются сторонами катушек или пазовыми частями.

Пазы статора, в которые укладываются обмотки, образуют на внутренней стороне статора так называемые зубцы. Расстояние между центрами двух соседних зубцов сердечника статора, измеренное по его поверхности, обращенной к воздушному зазору, называется зубцовым делениемили пазовым делением.

Многослойные цилиндрические катушечные обмотки (рисунок 3) наматываются из круглого провода и состоят из многослойных дисковых катушек, расположенных вдоль стержня. Между катушками (через каждую катушку или через две-три катушки) могут быть оставлены радиальные каналы для охлаждения. Такие обмотки применяются на стороне высшего напряжения при S_ст ≤ 335 кВ×А, I_ст ≤ 45 А и U_л.н ≤ 35 кВ.

Однослойные и двухслойные цилиндрические обмотки (рисунок 4) наматываются из одного или нескольких (до четырех) параллельных прямоугольных проводников и применяются при S_ст ≤ 200 кВ×А,I_ст ≤ 800 А и U_л.н ≤ 6 кВ.

Источник