44693
Механические характеристики исполнительных механизмов. Установившиеся режимы
Лекция
Физика
Нормальная безаварийная работа двигателя возможна только тогда, когда его действительный режим работы не превышает условий номинального режима. Для работы в номинальном режиме электродвигатель построен заводом изготовителем.
Русский
2014-03-28
122.64 KB
41 чел.
ТЕМА ЛЕКЦИИ 4
Механические характеристики исполнительных механизмов. Установившиеся режимы
ПЛАН ЛЕКЦИИ
Момент и мощность вращательного движения
Ранее отмечали, что в электроприводе двигатель может работать в двигательном или тормозном режимах, развивая соответствено вращающий или тормозящий момент.
Момент и мощность, вращательного движения для любой машины или дигателя связаны известным из механики соотношением:
(4-1)
где: мощность [Вт];
момент [Нм];
угловая скорость [Рад/сек].
В расчетах мощность двигателя выражают в кВт, а вместо угловой скорости , в практических расётах пользуются частотой вращения n [об/мин] количество оборотов в минуту.
Тогда уравнение 4-1 принимает вид
кВт (4-2)
Нормальная безаварийная работа двигателя возможна только тогда, когда его действительный режим работы не превышает условий номинального режима. Для работы в номинальном режиме электродвигатель построен заводом изготовителем.
Номинальный режим характерезуется номинальными: мощностью, напряжением, частотой тока, оборотами и некоторыми другими параметрами. Номинальные велечины указывают на щитке и в паспорте электродвигателя и приводят в каталогах на электродвигатели.
Номинальный момент, в паспорте не указывается, его вычисляют по номинальной мощности двигателя:
(4-3)
В курсе электрические машины было показано, что скорость элктродвигателя зависит от нагрузки на валу, т.е. от статического момента (момента сопротивления) механизма.
Изображение характеристики механизмов в теории электропривода
Зависимости или () называются механическими характеристиками.
Механические характеристики исполнительных механизмов это зависимости между приведенными к валу двигателя скоростью и статическим моментом (моментом сопротивления) механизма.
Для правильного проектирования и экономичной эксплуатации электропиривода необходимо соответствие механических характеристик двигателя и характеристик исполнительных механизмов.
В отличие от двигателей значение статического момента (момента сопротивления) механизма часто зависит от скорости рабочего органа. И механические характеристики исполнительных механизмов в технической документации представляют (4-4) функцией статического момента от угловой скорости ω, т.е
= f(ω). (4-4)
Но для удобства совместного рассмотрения механических характеристик электродвигателя и механизма, характеристику исполнительного механизма изображают как функцию скорости , приведенной к валу двигателя от статического момента механизма, т.е
. (4-5)
Рабочие механизмы создают статические моменты .
Для любого электродвигателя входной величиной является статический момент механизма, а выходной его скорость, то есть скорость двигателя является функцией момента ω().
Для механизмов, наоборот, входной величиной является скорость ω, а выходной статический момент механизма , статический момент механизма является функцией скорости (ω).
Это означает, что при любом изменении скорости механизма или скорости двигателя будет изменяться статический момент (момент сопротивления) механизма .
Рассмотрим типичные зависимости статического момента сопротивления от угловой скорости.
Различают два основных вида механических характеристик судовых исполнительных механизмов:
Такая характеристика описывается уравнением
(ω)= сonst (4- 6 )
т.е. статический момент механизма не зависит от ω скорости дигателя.
Такая характеристика описывается уравнением
= + Δ, (4- 7 )
где момент холостого хода, без нагрузки на валу дигателя ;
Δ = сω момент, создаваемый рабочим органом механизма при выполнении полезной работы (с постоянный коэффициент, ω угловая скорость вала механизма).
Рис. 4.1. Механические характеристики механизмов с крановыми характеристиками 1 и вентиляторными 2: а в системе координат (ω) момент функция скорости ; б преобразованные в системе координат скорость функция момента ω().
Крановые характеристики имеют механизмы грузовых кранов, лебедок, брашпилей, т.е. механизмов, работа которых связана с преодолением действия силы тяжести. Статический момент крановых механизмов определяется следующим выражением
= GD/2 = const, ( 4-8 )
где G вес груза (у брашпилей вес якоря с цепью);
D диаметр грузового барабана(для брашпилей якорного барабана, барабана швартовной лебёдки).
Вентиляторные характеристики имеют: центробежные насосы вентиляторы, гребные винты, компрессоры и другие механизмы, для которых сопротивление технологической среды (вода, масло, газы) зависит от квадрата скорости рабочего органа (крыльчатка, лопости и тд.).
У механизмов с вентиляторными характеристиками условия пуска легкие, т.к. при пуске на валу механизма действует небольшой момент холостого хода, создаваемый только силами трения в элементах привода, а момент, создаваемый трением о среду равен нулю сω= 0 при пуске так как .
Однако при увеличении угловой скорости трение лопастей о воздух, воду или другую среду увеличивается и по мере разгона статический момент механизма резко увеличивается за счет того, что к моменту холостого хода , добавляется тормозящий момент момент Δ = сω, пропорциональный квадрату скорости.
Для изображения механических характеристик двигателей в теории электропривода принято использовать систему координат
ω(),
а для механических характеристик механизмов «перевернутую» систему координат
(ω).
Применение разных систем координат для двигателей и механизмов создает трудности при рассмотрении электромеханических свойств электропривода, состоящего из электродвигателя и механизма.
Поэтому на практике для изображения механических характеристик двигателей и механизмов принята единая система координат ω(), т.е система, принятая для механических характеристик электродвигателей.
В этой системе координат ω(), механические характеристики механизмов показаны на рис. 4.1б.
Рис.4.2 Механические характеристики исполнительных механизмов в системе координат ω():1 статический момент сопротивления механизма пропорционален квадрату угловой скорости; 2 статический момент сопротивления механизма пропорционален угловой частоте вращения; 3 статический момент сопротивления механизма не зависит от угловой частоты вращения вала механизма.
Статические моменты судовых механизмов
Статический момент (момент сопротивления) пропорционален частоте вращения (рис.4.2, кривая 2). В такой режим входит двигатель постоянного тока при динамическом торможении, когда якорь двигателя замкнут на резистор, а ток возбуждения не изменяется.
Статический момент (момент сопротивления) не зависит от частоты вращения (кривая 3). Характерно для подъемных кранов, лебедок, поршневых насосов при подъеме воды на постоянную высоту, транспортеров, конвееров с постоянной передвигаемой массой. Для пуска и ускорения таких механизмов двигатель должен развивать пусковой момент значительно больший их статического момента.
Данные о статическом моменте (моменте сопротивления) механизма приводятся в технической инструкции. Для некоторых механизмов статический момент (момент сопротивления) зависит от траектории движения исполнительного механизма (от угла поворота). Например, в поршневом компрессоре, ножницах для резки металла, приводе рулевого устройства (Рис.4.3).
Рис 4.3 Механическая характеристика поршневого компрессора. Статический момент сопротивления зависит от траектории движения исполнительного механизма.
Иногда статический момент изменяется из-за изменения свойств обрабатываемого механизмами материала (вещества). И закономерности изменения момента сопротивление от скорости нельзя выразить ни графически, ни аналитически (например камнедробилки, бетономешалки).
Для электродвигателей угловая скорость и элетромагнитный момент связаны одинаковой зависимостью и обуславливают друг друга.
Статические моменты судовых механизмов могут быть функциями различных величин и поэтому признаку делятся на пять классов.
Моменты, не зависящие от параметров движения = const (для грузоподъемных механизмов).
В общем случае статический момент механизма выражается уравнением,
+ () (4-9)
где:
начальный статический момент, создаваемый трением.
номинальный момент нагрузки, соответствующий номинальной
скорости .
x коэффициент нагрузки (выбирается в зависимости от характера нагрузки).
показатель степени, определяющий характер зависимости от
угловой скорости ,(1 < < 2) выбирается от 1 до +2( для вентиляторов 2).
(4-10)
Изображение характеристик исполнительного механизма при работе в электроприводе с разными двигателями
Все электродвигатели обладают свойством саморегулирования (подробно свойство саморегулирования будет рассмотрено далее) и развивать момент равный моменту сопротивления механизма [гер 444].
Любой производственный механизм после включения электродвигателя, через некоторое время, входит в установившийся режим при этом скорость двигателя устанавливается постоянной.
Установившемуся режиму соответствует равновесие статического момента сопротивления механизм и электромагнитного момента двигателя при определённой скорости, т.е.
После достижения равновесия между моментами в электроприводе устанавливается постоянная или установившаяся скорость движения.
Значение установившейся скорости легко определить графически, если механическую характеристику механизма (например вентилятора кривая 1 (рис 4.2) построить в осях , вместо (на графике () в одном масштабе (рис. 4.4).
На рисунке 4.4 приведены механические характеристики трёх видов двигателей (синхронного СД, асинхронного АД, двигателя постоянного тока ДПТ) и механизма с вентиляторной механической характеристикой . Точки пересечения характеристик (а, в, с) соответствуют установившемся скоростям валов двигателей и вентилятора при подключении вентилятора отдельно к каждому из двигателей.
Механическая характеристика двигателя и механизма позволяет определить скорость, момент, мощность и диапазон регулирования скорости D = , если её нужно регулировать двигателем.
Механическая характеристика необходима так же для определения времени перехода от одной скорости к другой, например, при пуске и остановке, так как от времени перехода зависит производительность и экономичность показателей всего устройства.
Рис. 4.4 Механические характеристики
Любые изменения нагрузки рабочего механизма, включение или выключение двигателя, подключение резисторов в силовую цепь двигателя, изменение напряжения и т.д. все эти изменения приводят к ускорению или замедлению скорости привода и появлению динамического момента , который нагружает либо разгружает вал электродвигателя
. (4-11)
Что бы определить возможные перегрузки двигателя (по моменту и мощности) во времени нужно знать, как изменяется момент, и мощность двигателя во времени (в течение рабочего цикла), то есть иметь нагрузочную диаграмму элетропривода.
Режими роботи електродвигунів у квадрантах системи координат кутова швидкість - момент ω (M)
Как указывалось выше за положительное направление статического момента сопротивления механизма принято направление противоположное направлению электромагнитного момента двигателя .
Механические характеристики изображают на плоскости в прямоугольной системе координат с осями и (рис. 4.5). Положение точки на плоскости, характеризуемое двумя координатами и , определяет режим работы электродвигателя.
При принятых положительных направлениях для и точка установившегося режима определяется точкой пересечения характеристик двигателя и механизма за исключением осей координат.
Любая точка квадрантов I и III, где знаки скорости и момента одинаковы, соответствует положительному значению мощности, то есть полезной работе, совершаемой двигателем (произведение момента на скорость получается положительным).
Двигатель приполжительной мощности ω > 0 ( преобразует электрическую энергию в механическую.
Наоборот, точки квадрантов II и IV, где знаки скорости и момента не совпадают, относятся к потреблению двигателем механической энергии (ω < 0).
В случае отрицательной мощности ω < 0 двигатель преобразует механическую энергию в электрическую.
Электрическая машина в двигательном режиме развивает движущий момент, а в генераторном тормозной момент.
Рис. 4.5 Области двигательного и генераторного режимов электропривода на плоскости и .
В отличие от двигательного режима, генераторных режимов может быть несколько, в зависимости от того, как используется преобразованная электрическая энергия.
Преобразованная электрическая энергия это энергия, полученная при переходе механической энергии двигателя в электрическую (например при спуске груза или движении транспортного средства под уклон).
Генераторные режимы энергетически классифицируются следующим образом.
1. Генераторный режим с отдачей энергии в сеть это режим рекуперативного торможения.
В этом случае преобразованная электрическая энергия за вычетом потерь отдается машиной в сеть. Баланс мощностей выражается следующим образом:
где: РМ механическая мощность на валу двигателя;
РЭ электрическая мощность, поступающая в сеть;
мощность потерь в силовых цепях двигателя.
Переход из двигательного режима в режим рекуперативного торможения возможен при повышении скорости двигателя сверх скорости, идеального холостого хода, когда = 0. Факт получения тормозного момента в двигателе с одновременной отдачей им энергии в сеть позволяет считать данный режим торможения экономичным.
2. Режим торможения противовключением.
В этом случае электрическая машина потребляет как механическую энергию с вала, так и электрическую энергию из сети. Суммарная энергия расходуется в силовых цепях двигателя в виде потерь мощности , т. е.
Этот режим характеризуется большими электрическими потерями.
3. Режим динамического торможения. В этом случае на потери в силовой цепи двигателя расходуется только преобразованная электрическая энергия. Энергию из сети машина не получает она отключена от сети , т. е.
Вся механическая мощность РМ на валу двигателя превращается в мощность потерь в силовых цепях двигателя.
Для осуществления режима динамического торможения двигатель обычно отключают от сети и в его силовую цепь вводят дополнительное сопротивление.
В отдельных случаях электрическая машина, подключенная к питающей сети, может тем не менее не обмениваться с ней активной мощностью, а потреблять механическую мощность с вала и преобразовывать ее в потери, т. е. также работать в режиме динамического торможения.
Выражения (140)(142) учитывают мощности и потери только в процессе электромеханического преобразования энергии из электрической в механическую.
Потери, связанные с созданием магнитного потока машины, не включены в балансы мощностей. На рис. 4.6 показаны возможные энергетические режимы двигателя.
Граничные режимы, отделяющие двигательные режимы от генераторных, соответствуют определенным точкам на координатных осях (рис.4.5).
Там, где = 0 при , имеет место так называемый идеальный холостой ход двигателя. Чтобы машина могла работать в данном режиме, требуется к ее валу подвести небольшую мощность, компенсирующую механические потери и дополнительные потери вне силовых цепей.
При = 0 и имеет место так называемый режим короткого замыкания. В этом случае механическая мощность равна нулю, а потребляемая из сети электрическая энергия полностью ра
Рис. 4.6 Энергетические диаграмм режимов работ двигателя
А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать | |||
19732. | Медицинские манипуляции | 175 KB | |
П/к инъекции Краткое описание цель: Введение лекарственных препаратов посредством шприца в подкожный жировой слой. Практически безболезненна можно вводить достаточно большие объемы жидкости терапевтический эффект проявляется только через... | |||
19733. | Монтаж системы отопления и горячего водоснабжения. Монтаж системы вентиляции и кондиционирования воздуха | 15.7 KB | |
Монтаж системы отопления и горячего водоснабжения. Монтаж системы вентиляции и кондиционирования воздуха Монтаж системы водяного отопления включается в себя: Наличие проектносметной документации прошедшей экспертизу; Комплектацию объекта материалами и обо... | |||
19734. | Монтаж котлов. Монтаж блоков и отдельных деталей каркаса. Монтаж барабанов | 17.62 KB | |
Монтаж котлов. Монтаж блоков и отдельных деталей каркаса. Монтаж барабанов Строительно монтажные работы. Процесс начинается со сборки секций котла. Соединение секций производится при помощи резьбовых или без резьбовых ниппелей. Установка начинается с первой секции ко... | |||
19735. | Сборка блоков экранов пароперегревателей и змеевиковых экономайзеров | 51 KB | |
Сборка блоков экранов пароперегревателей и змеевиковых экономайзеров Блоки пароперегревателя изготавливают с элементами каркаса и опорными приспособлениями обеспечивающими жесткость блоков при их транспортировке. В блоках размещается максимальное количество мелк... | |||
19736. | Основные этапы пусковой наладки котельных установок . Технический отчёт по наладке | 19.29 KB | |
Основные этапы пусковой наладки котельных установок . Технический отчёт по наладке Пусконаладочные работы котельных включают наладку следующего оборудования: наладку оборудования систем топливного хозяйства котельной наладку газового оборудования наладк... | |||
19737. | Методика обработки результатов испытаний и составление теплового баланса, составление режимной карты | 15.74 KB | |
Методика обработки результатов испытаний и составление теплового баланса составление режимной карты Режимная карта составляется для каждого котла. Согласно режимной карте производится эксплуатация водогрейного и или парового котла. Основная функция режимной карты... | |||
19738. | Виды испытаний тягодутьевых установок и их задачи. Схемы измерения и КИП, применяемые при испытании тягодутьевых машин и газовоздушного тракта | 16.29 KB | |
Виды испытаний тягодутьевых установок и их задачи. Схемы измерения и КИП применяемые при испытании тягодутьевых машин и газовоздушного тракта Тягодутьевые установки испытывают в случае ограничения производительности котла изза недостаточности тяги или подачи возду... | |||
19739. | Эксплуатация теплотехнического оборудования | 13.23 KB | |
Эксплуатация теплотехнического оборудования Основные задачи по эксплуатации: обеспечение надёжности работы оборудования заданных технологическим процессом минимальный расход теплоты и теплопотери.К оборудованию предъявляют следующие эксплуатационные требования... | |||
19740. | Задачи энергетической службы промышленного предприятия. Функции Проматомнадзора и Энергонадзора. Основные руководящие, нормативные документы | 14.66 KB | |
Задачи энергетической службы промышленного предприятия. Функции Проматомнадзора и Энергонадзора. Основные руководящие нормативные документы Функции энергетической службы предприятия: разработка нормативов касающихся энергетической службы; планирование потр... | |||