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

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:

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).

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).

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

Механические и электрические характеристики асинхронных электродвигателей

В данной статье осветим тему механических и электрических характеристик электродвигателей. На примере асинхронного двигателя рассмотрим такие параметры как мощность, работа, КПД, косинус фи, вращающий момент, угловая скорость, линейная скорость и частота. Все эти характеристики оказываются важными при проектировании оборудования, в котором электродвигатели служат в качестве приводных.

Механические характеристики электродвигателя представляют собой зависимость угловой скорости ω от развиваемого им момента на валу, т.е. ω = f (M). Различают естественные и искусственные механические характеристики электродвигателя.

Естественная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с номинальными параметрами при нормальной схеме включения. Искусственная механическая характеристика соответствует работе электродвигателя с параметрами, отличающимися от номинальных, например, при введении сопротивления, изменении питающего напряжения, частоты и др.

Сегодня особенно широко распространены в промышленности именно асинхронные электродвигатели, поэтому на их характеристиках и остановимся.

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя

Для примера рассмотрим АИР80В2У3.

Номинальная механическая мощность асинхронного электродвигателя

На шильдике (на паспортной табличке) электродвигателя указывается всегда номинальная механическая мощность на валу данного двигателя. Это не та электрическая мощность, которую данный электродвигатель потребляет из сети.

Так, например, для двигателя АИР80В2У3, номинал в 2200 ватт соответствует именно механической мощности на валу. То есть в оптимальном рабочем режиме данный двигатель способен выполнять механическую работу 2200 джоулей каждую секунду. Обозначим эту мощность как P1 = 2200 Вт.

Номинальная активная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Чтобы определить номинальную активную электрическую мощность асинхронного электродвигателя, опираясь на данные с шильдика, необходимо принять в расчет КПД. Так, для данного электродвигателя КПД составляет 83%.

Что это значит? Это значит, что только часть активной мощности, подаваемой из сети на обмотки статора двигателя, и безвозвратно потребляемой двигателем, преобразуется в механическую мощность на валу. Активная мощность равна P = P1/КПД. Для нашего примера, по представленному шильдику видим, что P1 = 2200, КПД = 83%. Значит P = 2200/0,83 = 2650 Вт.

Номинальная полная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Полная электрическая мощность, подаваемая на статор электродвигателя от сети всегда больше механической мощности на валу и больше активной мощности, безвозвратно потребляемой электродвигателем.

Для нахождения полной мощности достаточно активную мощность разделить на косинус фи. Таким образом, полная мощность S = P/Cosφ. Для нашего примера P = 2650 Вт, Cosφ = 0,87. Следовательно полная мощность S = 2650/0,87 = 3046 ВА.

Номинальная реактивная электрическая мощность асинхронного электродвигателя

Часть полной мощности, подаваемой на обмотки статора асинхронного электродвигателя, возвращается в сеть. Это реактивная мощность Q.

Реактивная мощность связана с полной мощностью через sinφ, и связана с активной и с полной мощностью через квадратный корень. Для нашего примера:

Реактивная мощность Q измеряется в ВАР — в вольт-амперах реактивных.

Теперь давайте рассмотрим механические характеристики нашего асинхронного двигателя: номинальный рабочий момент на валу, угловую скорость, линейную скорость, частоту вращения ротора и ее связь с частотой питания электродвигателя.

Частота вращения ротора асинхронного электродвигателя

На шильдике мы видим, что при питании переменным током частотой в 50 Гц, ротор двигателя совершает при номинальной нагрузке 2870 оборотов в минуту, обозначим эту частоту как n1.

Что это значит? Поскольку магнитное поле в обмотках статора создается переменным током частотой 50 Гц, то для двигателя с одной парой полюсов (коим является АИР80В2У3) частота «вращения» магнитного поля, синхронная частота n, оказывается равной 3000 оборотов в минуту, что тождественно 50 оборотам в секунду.

Значение s можно определить, разделив разность синхронной и асинхронной частот на синхронную частоту, и выразив это значение в процентах:

Для нашего примера s = ( (3000 – 2870)/3000 ) *100% = 4,3%.

Угловая скорость асинхронного двигателя

Угловая скорость ω выражается в радианах в секунду. Для определения угловой скорости достаточно частоту вращения ротора n1 перевести в обороты в секунду (f), и умножить на 2 Пи, поскольку один полный оборот составляет 2 Пи или 2*3,14159 радиан. Для двигателя АИР80В2У3 асинхронная частота n1 составляет 2870 оборотов в минуту, что соответствует 2870/60 = 47,833 оборотам в секунду.

Умножая на 2 Пи, имеем: 47,833*2*3,14159 = 300,543 рад/с. Можно перевести в градусы, для этого вместо 2 Пи подставить 360 градусов, тогда для нашего примера получится 360*47,833 = 17220 градусов в секунду. Однако подобные расчеты обычно ведут именно в радианах в секунду. Поэтому угловая скорость ω = 2*Пи*f, где f = n1/60.

Линейная скорость асинхронного электродвигателя

Линейная скорость v относится к оборудованию, на котором асинхронный двигатель установлен в качестве привода. Так, если на вал двигателя установлен шкив или, скажем, наждачный диск, известного радиуса R, то линейная скорость точки на краю шкива или диска может быть найдена по формуле:

Номинальный вращающий момент асинхронного двигателя

Каждый асинхронный электродвигатель характеризуется номинальным вращающим моментом Мн. Вращающий момент М связан с механической мощностью P1 через угловую скорость следующим образом:

Вращающий момент или момент силы, действующей на определенном расстоянии от центра вращения, для двигателя сохраняется, причем с ростом радиуса уменьшается сила, а чем радиус меньше, тем больше сила, поскольку:

Так, чем больше радиус шкива, тем меньшая сила действует на его краю, а наибольшая сила действует непосредственно на валу электродвигателя.

Для приведенного в качестве примера двигателя АИР80В2У3 мощность P1 равна 2200 Вт, а частота n1 равна 2870 оборотов в минуту или f = 47,833 оборота в секунду. Следовательно угловая скорость составляет 2*Пи*f, то есть 300,543 рад/с, и номинальный вращающий момент Мн равен P1/(2*Пи*f). Мн = 2200/(2*3,14159*47,833) = 7,32 Н*м.

Таким образом, исходя из данных, указанных на шильдике асинхронного электродвигателя, можно найти все основные электрические и механические его параметры.

Надеемся, что данная статья помогла вам разобраться в том, как связаны между собой угловая скорость, частота, вращающий момент, активная, полезная и полная мощность, а также КПД электродвигателя.

Источник