ID: 44693

Название работы: Механические характеристики исполнительных механизмов. Установившиеся режимы

Категория: Лекция

Предметная область: Физика

Описание: 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.

Язык: Русский

Дата добавления: 2014-03-28

Размер файла: 122.64 KB

Работу скачали: 42 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(α). 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