Что отображает механическая характеристика двигателя

Что отображает механическая характеристика двигателя

3.2.9. Механическая характеристика асинхронного двигателя ( n = f (М) )

Из схемы замещения (см. рис. 3.16) имеем

;

.

Из условия получаем координату экстремальной (критической) точки

; .

Так как мало, то им можно пренебречь.

– формула Клосса.

Анализ механической характеристики (рис. 3.18).

Анализ выражения для определения момента показывает, что момент пропорционален квадрату приложенного напряжения, поэтому асинхронный двигатель очень критичен к изменению

Рис. 3.18. Механическая характеристика асинхронного двигателя

напряжения питания. Критический момент М _кр не зависит от сопротивления обмотки ротора , а критическое скольжение S _кр – от величины приложенного напряжения U _1ф . Асинхронный двигатель имеет малый пусковой момент, что создает проблемы при запуске двигателя под нагрузкой.

Изменения напряжения питания U и активного сопротивления R ₂ влияют на механические характеристики асинхронного двигателя (рис. 3.19).

Рис. 3.19. Влияние U ( а) и R ₂ ( б) на механическую

характеристику асинхронного двигателя

Область работы асинхронного двигателя. Включает в себя область устойчивой работы двигателя 1– 2 и неустойчивой работы 2– 3 (рис. 3.20). В области устойчивой работы проявляется свойство саморегуляции скорости.

Для оценки перегрузочной способности двигателя вводится коэффициент перегрузки

.

При попадании в область неустойчивой работы двигатель останавливается.

Иcследование механических характеристик электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Министерство образования Российской Федерации

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра “Электропривод и автоматизация

промышленных установок”

Иcследование механических характеристик электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением

Методические указания к лабораторной работе №1

для студентов направления 551300 всех форм обучения

Исследование механических характеристик электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением: Лаб. Работа №1 по курсу «Основы электропривода» для студентов направления 551300 всех форм обучения/НГТУ; Сост.:

Изложены электромеханические свойства двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в двигательном и тормозном режимах и порядок проведения лабораторной работы.

Подп. к печати 29.03.05. Формат 60х84 1/16. Бумага газетная. Печать офсетная.

Печ. л. 0,75. Уч.-изд. л. 0,6. Тираж 300 экз. Заказ 145

Нижегородский государственный технический университет.

Типография НГТУ. Нижний Новгород, ул. Минина, 24

У Нижегородский государственный

технический университет, 2005

Целью работы является исследование механических характеристик двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в двигательном и тормозных режимах.

Основные сведения

Под механической характеристикой электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением понимается зависимость угловой скорости вращения его вала от электромагнитного момента, т. е. w = f(М).

Механические характеристики подразделяются на естественные и искусственные.

Естественной механической характеристикой называют характеристику электродвигателя, полученную при номинальном напряжении на его зажимах, нормальной схеме включения обмоток и отсутствии внешних резисторов в их цепях.

Искусственной механической характеристикой называют характеристику, полученную при условии питания двигателя от сети с напряжением, отличным от номинального, или же при включении в цепь его якоря или в цепь обмотки возбуждения внешних резисторов, а также в случае включения электродвигателя по специальной схеме.

Механические характеристики электродвигателя характеризуются относительным изменением его скорости при изменении момента нагрузки.

,

где w0 — угловая скорость при идеальном холостом ходе;

w — угловая скорость при заданной нагрузке.

Механические характеристики в двигательном режиме

Аналитическое выражение механической характеристики электродвигателя с независимым возбуждением w = f(М) можно получить из совместного решения уравнения электрического равновесия напряжения на зажимах якоря, а также уравнений вращающего момента и противо-ЭДС электродвигателя:

U=E+IR (1) ; M=КФI (2); E=KФw (3),

где U – напряжение, приложенное к зажимам якоря;

Е – противо-ЭДС электродвигателя;

K – коэффициент, зависящий от конструктивных данных электродвигателя;

w – угловая скорость двигателя;

М — электромагнитный момент, развиваемый двигателем;

Ф — магнитный поток;

I — ток якоря;

R — суммарное сопротивление якорной цепи.

Уравнение механической характеристики электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением получим после совместного решения уравнений (1) ¸ (3):

, (4)

или , (5)

где С=KФ. (6)

Числовое значение С может быть определено из уравнения (1), записанного для номинального режима работы:

, (7)

где UH, IH, wH — номинальные значения напряжения, тока и сопротивления якоря и угловой скорости электродвигателя.

Анализ уравнения (4) показывает: во-первых, механическая характеристика электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением является линейной характеристикой; во-вторых, с уменьшением момента на валу электродвигателя до нуля его угловая скорость стремится к скорости идеального холостого хода; в-третьих, с увеличением сопротивления резистора в цепи якоря жесткость механических характеристик уменьшается (рис.1); в-четвертых, с ослаблением магнитного потока электродвигателя, что достигается уменьшением тока возбуждения, скорость его идеального холостого хода возрастает и полученная при этом механическая характеристика обладает меньшей жесткостью по сравнению с естественной характеристикой (рис.2).

Механические характеристики в тормозных режимах

Для двигателя постоянного тока с независимым возбуждением возможны следующие тормозные режимы работы:

1) электродинамическое торможение;

2) торможение противовключением;

3) генераторное торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное торможение).

Режим электродинамического торможения

Режимом электродинамического торможения называют такой режим работы электродвигателя, при котором его якорь отключается от питающей сети и замыкается на внешний резистор RT, а обмотка возбуждения остается подключенной к сети. В этом режиме двигатель работает в режиме генератора с независимым возбуждением (рис.3), преобразуя кинетическую энергию движущихся инерционных масс привода в электрическую, которая расходуется на нагрев резисторов в якорной цепи.

Уравнение механической характеристики в режиме динамического торможения можно получить из (4), полагая в нем напряжение сети равным нулю, U=0 :

, (8)

где R=RЯ+RT.

Из уравнения (8) видно, что механические характеристики в режиме динамического торможения расположены во втором квадранте и представляют прямые линии, проходящие через начало координат.

Тормозной момент возрастает с уменьшением сопротивления тормозного резистора и наоборот (рис.4). Наибольшего тормозного эффекта можно достигнуть при замыкании якоря двигателя накоротко. По условиям ограничения тормозного тока замыкание якоря накоротко применяется только для двигателей малой мощности, обладающих сравнительно большим сопротивлением якоря, а также для всех остальных электродвигателей при торможении на малых скоростях.

Электродинамическое торможение может быть использовано при тормозном спуске груза. В этом случае установившийся режим спуска будет иметь место при скорости, определяемой точкой А (рис.4).

Режим торможения противовключением

Режимом торможения противовключением называется такой режим работы, когда при вращении электродвигателя под действием инерционных масс привода в электродвигатель из сети поступает ток такого направления, которое соответствует вращению его в противоположную сторону.

Переход из двигательного режима в режим торможения противовключением можно осуществить изменением полярности напряжения на зажимах якоря.

При изменении полярности напряжения (рис.5) необходимо в цепь якоря двигателя ввести внешний тормозной резистор, с тем чтобы ток в нем, обусловленный суммой напряжения в сети и ЭДС электродвигателя, не превысил допустимого значения.

Уравнение механической характеристики для данного режима получается из (4) при смене знака перед напряжением:

. (9)

Анализ уравнения (9) показывает, что механические характеристики в режиме торможения противовключением линейны и расположены во втором квадранте (рис.6). С уменьшением сопротивления тормозного резистора тормозной момент возрастает и наоборот.

Режим торможения противовключением может быть получен без изменения полярности напряжения на якоре двигателя при наличии активного статического момента на его валу за счет введения в цепь якоря резистора RT с достаточно большим сопротивлением. Точка установившегося режима при этом находится в четвертом квадранте (точка А, рис.6) и привод работает в режиме тормозного спуска.

Режим рекуперативного торможения

Режимом рекуперативного торможения называют такой режим, когда электродвигатель при определенных режимах работы привода, в силу своей обратимости, становится генератором, преобразуя кинетическую энергию движущихся масс механизма в электрическую с отдачей ее в питающую сеть.

Переход электродвигателя в генераторный режим с отдачей энергии в сеть возможен при скорости привода, превышающей скорость соответствующего идеального холостого хода. При этом ЭДС двигателя, направленная встречно с напряжением сети, становится больше его и ток в якоре электродвигателя меняет направление на обратное. Практически режим рекуперативного торможения может быть осуществлен:

1) при наличии отрицательного статического момента нагрузки, когда электродвигатель под его действием в сторону вращения, получив ускорение, достигает скорости, превышающей скорость идеального холостого хода (рис.7);

2) при переходе электродвигателя с большей скорости, полученной ослаблением потока двигателя, на меньшую за счет резкого увеличения магнитного потока (участок w2 – w0 характеристики 1 на рис.8).

Уравнение механической характеристики для данного режима можно получить из (4), полагая в нем М = —МТ :

. (10)

Из уравнения (10) следует, что механические характеристики в данном режиме при различных сопротивлениях резисторов в якорной цепи электродвигателя являются продолжением характеристик двигательного режима в области второго квадранта (рис.7). С увеличением скорости w при неизменном R величина тормозного момента возрастает. Увеличение сопротивления внешнего резистора в цепи якоря при неизменном отрицательном статическом моменте на валу электродвигателя приводит к увеличению скорости вращения привода.

Переход из двигательного режима в режим рекуперации при резком увеличении потока возбуждения двигателя приведен на рис.8.

Программа работы

1. Ознакомиться с электрооборудованием установки (см. рис. 9).

2. Рассчитать величины сопротивлений тормозных резисторов для режимов динамического торможения и торможения противовключением при I/IH=2 и I/IH=2,5.

3. Снять и построить механические характеристики электродвигателя постоянного тока с независимым возбуждением:

б) искусственные при добавочных резисторах в цепи якоря электродвигателя сопротивлением R1=5 Ом и R2=10 Ом;

в) искусственные при токах возбуждения IВ=0,9IВH и IВ=0,7IВH;

4. Снять характеристики электродвигателя:

а) для режима динамического торможения и торможения противовключением при сопротивлениях тормозных резисторов, рассчитанных в п.2;

б) для режима рекуперативного торможения при добавочных резисторах в цепи якоря электродвигателя сопротивлением R1=0 и R2=5 Ом.

5. По характеристикам w = f(t) и IЯ = f(t) рассчитать и построить механические характеристики w(М) для всех тормозных режимов.

6. По аналитическим формулам рассчитать и построить естественную и искусственную механические характеристики w = f(М) при U=UH и RЯ=5 Ом.

Механические характеристики производственных механизмов и электрических двигателей. Понятие жесткости механической характеристики

Для правильного и экономичного использования электродвигателей необходимо выявить механических характеристик двигателя характеристике производственного механизма.

Зависимость между приведенными к валу двигателя скоростью и моментом сопротивления механизма называют механической характеристикой производственного механизма.

Различные производственные механизмы обладают различными механическими характеристиками. Однако можно выделить отдельные категории механизмов на основании вида механической характеристики. Общий вид характеристики

,

где – момент сопротивления производственного механизма при скорости ; – момент сопротивления трения в движущихся частях механизма; – момент сопротивления при номинальной скорости ; x – показатель скорости.

1. Не зависящая от скорости механическая характеристика (прямая 1 на рис. 2.8, а). показатель степени и момент не зависит от скорости. Такой характеристикой обладают подъемные краны, лебедки, механизмы подач металлорежущих станков, поршневые насосы при неизменной высоте подачи. Сюда же можно отнести механизмы, у которых основным моментом сопротивления является момент трения.

2. Линейно-возрастающая механическая характеристика (прямая 2 на рис. 2.8, а) В этом случае и момент сопротивления линейно зависит от скорости . Главный привод некоторых станков.

3. Параболическая механическая характеристика (кривая 3 на рис. 2.8, а). Этой характеристике соответствует . Механизмы, обладающие такой зависимостью, называют механизмы с чисто-вентиляторной нагрузкой. Сюда относят центробежные насосы, гребные винты.

4. Нелинейно-спадающая механическая характеристика (кривая 4 на рис. 2.8, а). При этом и момент сопротивления изменяется обратно-пропорционально скорости, а мощность потребляемая механизмом остаётся постоянной. В эту группу относят некоторые токарные, расточные, фрезерные станки, моталки в металлургическом производстве.

Существуют механизмы и с промежуточными характеристиками.

Механической характеристикой электродвигателя называют зависимость его угловой скорости от вращающего момента . Наиболее распространённые виды характеристик двигателей представлены на рис. 2.8, б.

а	б
Рис. 2.8. Механические характеристики производственных механизмов (а) и электродвигателей (б)

Механическая характеристика характеризуется жесткостью. Под жесткостью понимают отношение приращения момента к приращению скорости, которое было вызвано приращением момента. Жесткость механической характеристики показывает, как (насколько) изменяется скорость двигателя (механизма) при изменении момента на валу двигателя (статического момента). В общем случае жесткость вычисляется по формуле

.

Для линейных механических характеристик производные могут быть заменены приращениями

.

Механические характеристики двигателей в зависимости от жесткости могут быть разделены на следующие категории:

1. Абсолютно жесткая механическая характеристика ( ) – скорость при изменении момента остаётся неизменной. Такой характеристикой обладают синхронные двигатели (прямая 1 на рис. 2.8, б).

2. Жесткая механическая характеристика. Скорость двигателя уменьшается не значительно при изменении момента. Такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ с НВ). И асинхронные двигатели (АД) в пределах рабочей характеристики (прямая 2 и кривая 3 на рис. 2.8, б).

3. Мягкая механическая характеристика – при изменении момента значительно меняется скорость (кривая 3 на рис.2.8, б). Такой характеристикой обладают ДПТ с последовательным возбуждением, особенно в зоне малых моментов.

4. Абсолютно мягкая механическая характеристика ( ) – такая характеристика, при которой момент двигателя при изменении скорости остаётся неизменным. Такими характеристиками обладают замкнутые САР тока при работе в режиме ограничения тока якоря.

Асинхронный двигатель обладает механической характеристикой с переменной жесткостью.

Дата добавления: 2017-11-21 ; просмотров: 1371 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

38. Механическая характеристика двигателя.

Механической характеристикой двигателяназывается зависимость частоты вращения ротора от момента на валуn=f(M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, тоM2 ≈M и механическая характеристика представляется зависимостьюn=f(M). Если учесть взаимосвязьs= (n1 -n) /n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатахn и М (рис. 1).

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателясоответствует 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.

39.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:

Из выражения видно, что эта зависимость очень сложна, поскольку, как показывают формулы )и, скольжение входит также в выражения дляI₂иcosϕ₂. Механическая характеристика асинхронного двигателя дается обычно графически

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

Обозначим символом M_npпротиводействующий (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 егоnбудет возрастать, а скольжениеsуменьшаться. Как видно из изображения выше, вращающий момент двигателя при этом растет отM_nдо максимальногоM_m, соответствующего критическому скольжениюs_kp, следовательно, растет и избыточная располагаемая мощность двигателя, определяемая разностью моментовMиM_np.

Чем больше разность между располагаемым моментом двигателя (возможным при данном скольжении по рабочей характеристике) Ми противодействующимМ_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 напряженииU) значенияM_т. Далее двигатель продолжает увеличивать скорость вращения, но располагаемый вращающий момент его быстро уменьшается. При каких-то значенияхnиsвращающий 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 двигателяМ_т. В этих пределах двигатель сам автоматически приспосабливается ко всем колебаниям нагрузки: если во время работы двигателя его механическая нагрузка увеличивается, на какое-то мгновениеM_npстанет больше момента, развиваемого двигателем. Обороты двигателя начнут снижаться, а момент увеличиваться.

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

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

Поэтому максимальный момент двигателя М_тназывается еще опрокидывающим или критическим моментом.

Если в формулу момента подставить:

Взяв первую производную от Мпои 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_kpу большинства асинхронных двигателей лежат в пределах 10 – 25%.

Если в написанную выше формулу момента вместо активного сопротивления r₂подставить 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 Фостается практически неизменным.

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

Очевидно, что максимум возможной нагрузки двигателя определяется значением его M_т. Рабочая часть характеристики двигателя лежит в узком диапазоне чисел оборотов отn, соответствующегоM_т, до . Приn=n₁(конечная точка характеристики)М= 0, так как при синхронной скорости ротораs= 0 иI₂= 0.

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.

Основным параметром, характеризующим режим работы асинхронного двигателя, является скольжение s – относительная разность частоты вращения ротора двигателя n и его поля n_о: s = (n_o — n) / n_o.

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 1 – идеальный холостой ход, n = n_o = 60 f / p, М = 0, где: р — число пар полюсов магнитного поля двигателя;

точка 2 — номинальный, режим: n = n_н, М = М_н = 9550 P_н / n_н, где P_н – номинальная мощность двигателя в кВт;

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.

При анализе работы двигателя в диапазоне нагрузок до М_н и несколько больше устойчивый участок механической характеристики можно приближенно описать уравнением прямой линии n=n-вМ, где коэффициент “в” легко определяется подстановкой в уравнение параметров номинального режима n_н и М_н.