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

35 чел.

ТЕМА ЛЕКЦИИ 4

Механические характеристики исполнительных механизмов. Установившиеся режимы

 

ПЛАН ЛЕКЦИИ

  1.  Момент и мощность  вращательного движения
  2.  Изображение характеристики механизмов в теории электропривода
  3.  Статические моменты судовых механизмов.
  4.  Режими роботи електродвигателейв квадрантах системи координат угловая скорость - момент ω (M)

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:

  1.  Крановые, когда при изменении скорости в широких пределах статический момент не изменяется ( рис. 4.1а, характеристика 1 ).

Такая характеристика описывается уравнением

 

(ω)= сonst       (4- 6 )

т.е. статический  момент механизма   не зависит от ω скорости  дигателя.

  1.  Вентиляторные, у которых статический момент механизма  пропорционален  квадрату скорости ( рис. 4.1а, характеристика 2 ).

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).

  1.  Моменты, зависящие от скорости: = f(ω) для электромеханических преобразователей. Центробежных насосов, вентеляторов.
  2.  Моменты, зависящие от пути (угла поворота)  = f). Для шпилей, брашпилей.
  3.  Моменты, зависящие от скорости и угла поворота.  = f(). Для электромеханических рулевых устройств.
  4.  Моменты, зависящие от времени = f (t). Для буксирных лебедок.

    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 противо–включением.

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 (1–40)—(1–42) 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

30537. Иерархия прав и обязанностей руководителей и исполнителей при построении системы информационной безопасности, их взаимодействие 16.49 KB
  Иерархия прав и обязанностей руководителей и исполнителей при построении системы информационной безопасности их взаимодействие. ОТВЕТ: В жизненном цикле системы информационной безопасности можно выделить следующие этапы: Инициация и разработка системы. После проведения аудита информационной системы проектировщик предоставляет его результаты и рекомендации по построению системы ИБ заказчику который в свою очередь формирует требования к будущей системе безопасности. На основании полученных материалов проектировщик предлагает варианты...
30538. Аудит системы информационной безопасности на объекте как основание для подготовки организационных и правовых мероприятий. Его критерии, формы и методы 55.85 KB
  Управление ключами: генерация ключей; накопление ключей; распределение ключей. Главное свойство симметричных ключей: для выполнения как прямого так и обратного криптографического преобразования шифрование расшифровывание вычисление MC проверка MC необходимо использовать один и тот же ключ либо же ключ для обратного преобразования легко вычисляется из ключа для прямого преобразования и наоборот. С одной стороны это обеспечивает более высокую конфиденциальность сообщений с другой стороны создаёт проблемы распространения ключей в...
30539. Система управления информационной безопасностью. Процессный подход к построению СУИБ и циклическая модель PDCA. Цели и задачи, решаемые СУИБ 1.75 MB
  Процессный подход к построению СУИБ и циклическая модель PDC. PDC PlnDoCheckct циклически повторяющийся процесс принятия решения используемый в управлении качеством. Система управления информационной безопасностью ГОСТ Р ИСО МЭК 270012006 определение Процессный подход к построению СУИБ и циклическая модель PDC Цикл PDC Методология PDC представляет собой простейший алгоритм действий руководителя по управлению процессом и достижению его целей. Применение В практической деятельности цикл PDC применяется многократно с различной...
30540. Стандартизация в области построения СУИБ: сходства и различия стандартов 26.41 KB
  Доска: Стандарты: Ornge Book Red Book ISO IEC 15408 ISO IEC 17799 Стандарт BSI Стандарт США NIST 80030 РД гостехкомиссии России и стандарт ГОСТ Р ИСО МЭК 15408 Выступление: Рассмотрим стандарты информационной безопасности: Здесь выделены такие аспекты политики безопасности как добровольное дискреционное и принудительное мандатное управление доступом безопасность повторного использования объектов. Определяются инструменты оценки безопасности ИС и порядок их использования. В отличии от Ornge Book не содержит...
30541. Единые критерии (ГОСТ Р ИСО 15408). Профиль защиты. Задание по безопасности 29.73 KB
  Задание по безопасности.Положение по разработке профилей защиты и заданий по безопасности Гостехкомиссия России 2003 год Выступление: Профиль защиты это нормативный документ предназначенный для изложения проблемы безопасности определенной совокупности продуктов и систем ИТ и формулирования требований безопасности для решении данной проблемы. ПЗ не регламентирует каким образом данные требования будут выполнены обеспечивая таким образом независимое от реализации описание требований безопасности. Профиль защиты разрабатывается для...
30542. Криптографические протоколы – основные виды и типы, область применения. Идентификация и аутентификация 43.95 KB
  Под протоколом понимается распределенный алгоритм с двумя и более участниками. Протокол является криптографическим если он решает по крайней мере одну из трех задач криптографии – обеспечение конфиденциальности целостности неотслеживаемости. Компонентами к протокола являются участники протокола каналы связи между участниками а также либо алгоритмы используемые участниками либо постановка той задачи которую протокол призван решать.
30543. Идентификация и аутентификация. Криптографические протоколы – основные виды и типы, область применения 19.83 KB
  Криптографические протоколы – основные виды и типы область применения. Ответ: Все эти типы можно условно разделить на две группы: прикладные протоколы и примитивные. Примитивные же протоколы используются как своеобразные строительные блоки при разработке прикладных протоколов. Мы в данном учебном пособии будем рассматривать только примитивные криптографические протоколы которые при некоторой адаптации к реальным системам связи могут использоваться на практике.