78430

Электромеханические свойства электродвигателей постоянного и переменного тока

Лекция

Иностранные языки, филология и лингвистика

Механические характеристики электродвигателей Механическая характеристика электродвигателя это зависимость угловой скорости ЭД от момента на его валу: ω М. Характер изменения угловой скорости двигателя с изменением момента сопротивления определяет жесткость механической характеристики. Абсолютно жесткие характеристики присущи синхронным двигателям прямая. Естественной характеристикой называется характеристика соответствующая работе ЭД при номинальных параметрах питающей сети нормальной схеме подключения к ней и при отсутствии...

Русский

2015-02-07

233.82 KB

9 чел.

 

Лекция № 2

«Электромеханические свойства электродвигателей постоянного

и переменного тока»

1.Механические характеристики электродвигателей

Механическая характеристика электродвигателя- это зависимость угловой скорости ЭД от момента на его валу: ω (М). У большинства ЭД (кроме синхронных) с увеличением нагрузки на валу угловая скорость уменьшается. Характер изменения угловой скорости двигателя с изменением момента сопротивления определяет жесткость механической характеристики. По степени жесткости различают механические характеристики трех видов (рис. 3): абсолютно жесткие, жесткие и мягкие.

Абсолютно жесткие характеристики присущи синхронным двигателям (прямая 1). При изменяющемся моменте в пределах перегрузочной способности угловая скорость этих ЭД не изменяется.

Жесткими характеристиками обладают ЭД постоянного тока параллельного возбуждения (наклонная прямая 2) и асинхронные электродвигатели в пределах рабочей части их характеристик (верхняя часть кривой 3). У этих ЭД при значительном изменении момента скорость изменяется в меньшей степени.

Мягкие характеристики свойственны ЭД постоянного тока последовательного (кривая 4), смешанного возбуждения (кривая 5) и


ЭД в системе Г-Д с противокомпаундной обмоткой. Механические характеристики этих ЭД таковы, что при небольшом изменении момента происходит значительное изменение их угловой скорости.

Степень жесткости механической характеристики является одним из основных электромеханических свойств ЭД.

Наряду с механическими характеристиками электромеханические свойства ЭД отражают также электромеханические характеристики, являющиеся одним из видов рабочих характеристик и представляющие собой зависимость угловой скорости ЭД от тока, протекающего по цепи его якоря или ротора: ω(I).

 

Механические и электромеханические характеристики ЭД разделяют на естественные и искусственные.

Естественной характеристикой называется характеристика, соответствующая работе ЭД при номинальных параметрах питающей сети, нормальной схеме подключения к ней и при отсутствии добавочных сопротивлений в цепях электродвигателя.

Каждому ЭД присуща только одна естественная характеристика.

Искусственные характеристики получаются при питании ЭД от сети с напряжением или частотой, отличающимися от номинальных, или при включении в одну из цепей ЭД добавочного резистора, или если ЭД подключен к источнику тока, по необычной схеме.

Для каждого ЭД можно создать неограниченное количество искусственных характеристик.

Работа на них происходит при пуске, регулировании частоты вращения и торможении ЭД.31 ЭМ 08.09.14г.

2.Механические характеристики  механизмов

При рассмотрении работы ЭД, приводящего в движение механизм, необходимо также принимать во внимание механическую характеристику механизма, ибо от степени их соответствия зависят условия эксплуатации двигателя.

Механической характеристикой механизма называется зависимость создаваемого им приведенного статического момента от угловой скорости ЭД: М(ω) 33ЭМ 05.09.14г.

По характеру этой зависимости большинство судовых механизмов можно разделить на две основные группы (рис. 4):

1. Механизмы с не зависящим от угловой скорости статическим моментом (прямая 1). (крановая характеристика).

К этой группе механизмов относятся грузоподьемные лебедки, краны, лифты, поршневые насосы и компрессоры(рис 4).

2. Механизмы, у которых статический момент зависит от квадрата       угловой скорости;

Механическая характеристика этих механизмов изображается в виде параболической кривой 2, не проходящей через начало координат. Их начальный статический момент обозначается через М0 и обусловлен трением в подшипниках и другими потерями.

К механизмам, обладающим такой характеристикой, называемой вентиляторной, относятся вентиляторы, центробежные насосы и гребные винты.

Сравнивая механические характеристики, нетрудно увидеть, что для механизмов с характеристикой 1 необходимы ЭД, способные


Рис, 5, Совмешенные  механические  характеристики   механизмов и электродвигателя

развивать большой пусковой момент, а для механизмов с характеристикой 2 приводные ЭД могут развивать меньший момент.

Располагая механическими характеристиками ЭД и механизма, легко найти значение угловой скорости ЭД при установившемся режиме работы привода. Поскольку в этом режиме система привода находится в состоянии равновесия, т.е. М = Мс, очевидно, что установившаяся скорость  будет определяться точкой пересечения механических характеристик. Например, для характеристики I двигателя (рис. 5. а) и характеристик 2 и 3 механизмов установившимися скоростями будут ωс2 и ωс3 Если же механические характеристики ЭД и механизма не пересекаются, то установившийся режим работы привода в таком случае невозможен. Следует иметь в виду, что не в любой точке пересечения характеристик работа ЭП может быть устойчивой. Например, на рис. 5,б механические характеристики ЭД и механизма пересекаются в точках установившегося режима ωс и (ωсштрих). Однако точка (ωсштрих) соответствует неустойчивому установившемуся режиму. Положительный динамический момент при уменьшении скорости и отрицательный при ее возрастании обеспечит возврат системы привода в точку ωс.


Таким образом, вид механических характеристик ЭД и механизма существенно влияет на характер переходных процессов, и это необходимо принимать во внимание при эксплуатации ЭП.32ЭМ10.09.14г.

3. Двигательный и тормозной режимы

Анализ статической и динамической нагрузки ЭД показал, что в процессе работы вращающий момент, развиваемый ЭД, может быть для привода движущим или тормозным. Для ЭП также свойственны 2 направления вращения. Исходя из этого при изображении механических характеристик ЭД в прямоугольной системе координат одно из направлений вращающего момента ЭД и его угловой скорости принимают условно положительным и откладывают положительное значение скорости вверх, а положительное значение момента - вправо от начала координат (рис. 6).

Так как мощность ЭД пропорциональна произведению момента и скорости, то, следовательно, при положительных значениях сомножителей мощность также положительна и направлена от ЭД к механизму. Этому режиму работы соответствует механическая характеристика ЭД, расположенная в первом квадранте. Мощность ЭД также будет положительна и направлена от ЭД к механизму при противоположных значениях момента и угловой скорости. Механическая характеристика ЭД, работающего при данном значении момента и скорости, расположена в третьем квадранте. Подобный режим, когда мощность передается от электродвигателя к механизму, называется двигательным. Для двигательного режима характерно, что момент сопротивления механизма в основном направлен против момента ЭД, а если направлен согласно, то имеет значительно меньшее значение по сравнению с вращающим моментом ЭД. Большинство судовых ЭД работают только в двигательном режиме.

Если направление момента ЭД изменилось, например вследствие изменения направления тока в его обмотках, а направление скорости осталось прежним, то мощность ЭД стала отрицательной, направленной от механизма к ЭД. Когда электродвигатель развивает момент, который направлен против вращения привода, то такой режим называется тормозным.   Тормозной   режим   возможен или при замедлении, когда движение в том же направ

34ЭМ10.0914г.


лении поддерживается посредством накопленной кинетической энергии, или вследствие каких-либо внешних сил, приложенных к приводу (например, подвешенный груз). Когда движение поддерживается благодаря накопленной кинетической энергии и направление вращения не изменяется, то благодаря тому, что изменил свое направление момент, работе ЭД будет соответствовать механическая характеристика, расположенная в другом квадранте. Например, если двигательный режим соответствовал механической характеристике двигателя, расположенной в первом квадранте, то тормозной режим соответствует механической характеристике двигателя, расположенной во втором квадранте .

Аналогично двигательному режиму, обеспечиваемому механической характеристикой, расположенной в третьем квадранте, соответствует тормозной режим ЭД, механическая характеристика которого расположена в четвертом квадранте. Тормозной режим возникает и в том случае, когда при неизменном направлении момента ЭД под действием внешних сил меняется направление вращения (мощность ЭД также становится отрицательной и направлена от механизма к электродвигателю). Механические характеристики ЭД будут также расположены во втором и четвертом квадрантах. Подробно процессы электрического торможения будут рассмотрены ниже.

ДРУГОЙ ВАРИАНТ

3. Механические характеристики электродвигателей

Понятие «механическая характеристика электродвигателя» было приведено выше.

Повторим и разовьем это понятие.

Механической характеристикой двигателя, независимо от рода тока, называют зависимость угловой скорости вала двигателя ω ( далее – двигателя ) от электромагнитного момента 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 характеристики электродвигателей.

Естественная механическая характеристика - это зависимость ω ( М ), снятая при нормальных условиях работы двигателя, т.е. при номинальных параметрах питающей сети и отсутствии добавочных резисторов в цепях обмоток двигателей.

К параметрам питающей сети относят:: на постоянном токе – напряжение, на пере-менном – напряжение и частота тока.

Характеристики, снятые при условиях, отличных от нормальных, называют искусственными.

Искусственные характеристики можно получить путем изменения параметров самого двигателя, например, путем введения резисторов в цепь обмотки якоря двигателя постоянного 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 торможение, и др.

ПРИМЕРЫ:

Рассмотрим естественные механические характеристики двигателей разных типов.

1) СД

Рис. 8.4. Естественная механическая ( а ) и угловая ( б ) характеристики синхронного двигателя; θ – угол отставания оси ротора от оси магнитного поля обмотки статора.

1.Естественная механическая характеристика синхронного двигателя ( рис. 8.1, а ) – абсолютно жесткая, потому что ее жесткость

β = ΔМ / Δω = ΔМ / 0 = ∞.

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 увеличением 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 ротора 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.

2) ДПТ Пар.В

Рис. 8.5. Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

2.Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока паралель-ного возбуждения ( рис. 8.5 ) – жесткая, потому что ее жесткость

β = ΔМ / Δω ≤ 10%.

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-ких пределах скорость двигателя не должна изменяться резко  - в электроприводах насо-сов, вентиляторов и т.п.

3)ДПТ Пос.В

3.Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока последовательного возбуждения ( рис. 8.6 ) – мягкая, потому что ее жесткость

β = ΔМ / Δω > 10%.

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:

  1.  при уменьшении механической нагрузки на валу или ее отсутствии ( М = М)

скорость двигателя резко увеличивается, двигатель «идет вразнос». Поэтому этот двига-тель нельзя оставлять без нагрузки на валу;

  1.  При пуске двигатель развивает пусковые моменты Мгораздо большие, чем у дви-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 ).

4) ДПТ СВ

Рис. 8.7. Естественные механическиея характеристики двигателей постоянного тока смешанного возбуждения: 1- с параллельно-последовательным возбуждением; 2 - с последовательно- параллельным возбуждением

4.Естественная механическая характеристика двигателя постоянного тока смешанного 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.

Обе механические характеристики – мягкие, потому что их жесткость

β = ΔМ / Δω = ΔМ / 0 > 10%.

На судах двигатели смешанного возбуждения применяются в регулируемых элект-роприводах – лебедках, кранах, брашпилях и шпилях.

5) АД

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 разгоняется 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  

β = ΔМ / Δω < 10%.

Это означает, что при изменении момента в широких пределах скорость двигателя изменяется незначительно.

 Асинхронные двигатели нашли самое широкое применение на судах с электростан-цией на переменном токе.

Промышленность выпускает специально для судов асинхронные двигатели разныхсерий, например, 4А…ОМ2 ( четвертая серия асинхронных двигателей ), МАП ( морской асинхронный полюсопереключаемый ), МТF ( c фазным ротором ) и др. 

При этом двигатели серии 4А – односкоростные, серии МАП – двух- и трехскоростные, серии МТF – число скоростей определяется схемой управления ( до 5 скоростей ).

4. Механические характеристики исполнительных механизмов

Если для любого электродвигателя входной величиной является статический мо-мент механизма, а выходной – его скорость, то для механизмов, наоборот, входной величиной является скорость ω ( от двигателя ), а выходной – статический момент механизма М.

Это означает, что при любом изменении скорости механизма ( двигателя ) будет изменяться его статический момент М.

 Зависимость статического момента механизма Мот его угловой скорости ω называется механической характеристикой механизма - М( ω ).

Таким образом, система координат для изображения механических характеристик

механизмов – это М( ω ).

. Различают два вида механических характеристик:

  1.  крановые, когда при изменении скорости в широких пределах статический момент не изменяется ( рис. 8.9, характеристика 1 ).
  2.  вентиляторные, у которых статический момент пропорционален квадрату скорости ( рис. 8.9, характеристика 2 ).

                            

Рис. 8.9. Механические характеристики механизмов: а – в системе координат М( ω );  б - в системе координат ω (М)

Крановые характеристики имеют механизмы грузовых кранов, лебедок, брашпилей, т.е. механизмов, работа которых связана с преодолением действия силы тяжести.

 Вентиляторные характеристики имеют центробежные вентиляторы, насосы и др.

У таких механизмов условия пуска – легкие, т.к. при пуске на валу механизма есть небольшой момент холостого хода М, создаваемый силами трения в элементах привода.

Для изображения механических характеристик двигателей применяют систему координат ω (М), механических характеристик механизмов – «перевернутую» систему М( ω ).

Применение разных систем координат для двигателей и механизмов создает трудности при рассмотрении электромеханических свойств электропривода в целом, состоящего из электродвигателя и механизма.

 Поэтому на практике для изображения механических характеристик двигателей и механизмов принята единая система координат ω (М), т.е система, принятая для механи-ческих характеристик электродвигателей.

 В этой системе координат механические характеристики механизмов показаны на рис 8.9, б.

6. Саморегулирование электродвигателей 

Любое изменение статического момента механизма ( т.е. механической нагрузки на валу рабочего органа электропривода ) автоматически приводит к такому же изменению электромагнитного момента двигателя в результате возникающего при этом процесса саморегулирования электродвигателя.

Под саморегулированием понимают автоматическое изменение электромагнитного момента двигателя вследствие изменения момента механизма.

Такая взаимосвязь  механической нагрузки на валу и электромагнитного момента двигателя объясняется действием закона сохранения энергии – чем больше нагрузка меха-низма, тем больше нагрузка электродвигателя.

 

 7. Устойчивость работы электропривода

 Электропривод представляет собой электромеханическую систему, которая должна работать устойчиво.

 Электропривод работает устойчиво в установившемся режиме. 

Напомним, что установившимся режимом электропривода называется такой, при котором скорость привода не изменяется.

Поясним это на примере ( рис. 8.10, а ).

Рис. 8.10. Совмещенные механические характеристики электродвигателя и механизмов

На рис. 8.10, а изображены механические характеристики: электродвигателя 1;  лебедки ( крана ) 2;  центробежного насоса 3.

 Точка пересечения механических характеристик электродвигателя и механизма как раз и соответствует установившемуся режиму работы привода, потому что именно в этой точке угловая скорость электродвигателя равна угловой скорости механизма, и, аналогич-но, вращающий электромагнитный момент  двигателя равен тормозному моменту механиз

ма.

Пусть один и тот же электродвигатель, имея механическую характеристику 1, по-очередно используется в электроприводе крана ( характеристика 2 ), а затем - насоса ( ха-рактеристика 3 ).

Тогда двигатель будет работать устойчиво либо со скоростью ω( кран ), либо со скоростью ω( насос ).

Для проверки устойчивости систему надо перевести из статического режима рабо-ты в динамический, создав внешнее возмущающее воздействие.

Таким воздействием может служить: для лебедки скачкообразное увеличение веса груза, для насоса – скачкообразное изменение степени открытия клапана.

 Напомним, что систему называют устойчивой, если она, будучи выведена из состо-яния равновесия и предоставлена самой себе, с течением времени вернется к старому установившемуся состоянию или перейдет в новое такое состояние.

На устойчивость электроприводов влияет множество факторов, к основным из ко-торых относятся:

  1.  эксплуатационные характеристики электродвигателей;
  2.  изменение параметров питающей сети и самого двигателя.

Рассмотрим поочередно действие каждого из перечисленных факторов на устойчи-вость работы электропривода

8. Влияние на устойчивость работы электродвигателя его эксплуатацион-ных характеристик 

В качестве примера рассмотрим основную эксплуатационную характеристику асинхронного электродвигателя – механическую ω ( М ), т.е. зависимость угловой скорости двигателя от его электромагнитного момента ( рис. 8.10, б )..

 Получим условие устойчивой и неустойчивой работы асинхронного двигателя.

 На участке 9-3 ( устойчивая работа ) жесткость механической характеристики

    α = < 0,

т.е. при увеличении момента М ( ΔМ > 0 ), например, при переходе из точки 7 в точку 4, скорость падает ( Δω < 0 ), и наоборот.

 На участке 3-6 ( неустойчивая работа ) жесткость механической характеристики

    α = > 0,

т.е. при увеличении момента М ( ΔМ > 0 ), например, при переходе из точки 1 в точку 2 скорость также увеличивается, ( Δω > 0 ), и наоборот.

Таким образом, двигатель работает устойчиво на участке механической характеристики, где жесткость отрицательна (α < 0 ) и неустойчиво на участке, где жесткость поло-жительна ( α > 0 ).

  1.  9.Влияние на устойчивость электропривода напряжения сети.

Опрокидывание электродвигателя

Рассмотрим влияние напряжения сети на устойчивость электропривода переменного тока. 

 При глубоких провалах напряжения сети работа асинхронного двигателя становится неустойчивой – двигатель может опрокинуться.

Под опрокидыванием понимают аварийный режим асинхронного двигателя; при ко-тором он останавливается или реверсирует. 

Последствия опрокидывания зависят от характера статического момента механизма, а именно:

1. при реактивном статическом моменте двигатель останавливается и переходит в режим стоянки под током ( насосы, вентиляторы );

2. при активном статическом моменте двигатель вначале останавливается, затем реверсирует и под действием веса начинает разгоняться  в направлении на спуск с возрастающей скоростью ( грузоподъемные механизмы и якорно-швартовные устройства ).

Рис. 8.11. Переходные процессы при опрокидывании двигателя: а – при реактивном статическом моменте ( насос, вентилятор ); б – при активном  статическом моменте ( лебед-ка, брашпиль )

      Если электродвигатель своевременно не отключить от сети и не затормозить механи-ческим тормозом, это приведёт к аварии.

10. Способы повышения динамической устойчивости САЭП

 Для повышения динамической устойчивости САЭП применяют такие способы:

  1.  использование быстродействующих автоматических выключателей и предохра-нителей, практически мгновенно  отключающих цепи при коротком замыкании в них;
  2.  использование быстродействующих автоматических регуляторов напряжения,которые практически мгновенно устраняют провалы напряжения и тем самым предотвра-щают массовое отключение электродвигателей устройствами нулевой защиты ( по сниже-

нию напряжения );

           3. использование вместо нулевой защиты по напряжению ( с кнопками «Пуск» и «Стоп» ) минимальной, допускающей автоматическое повторное включение двигателя после восстановления напряжения до номинального;

            4. использование в схемах электроприводов электрических  и механических  блокировок,  исключающих возникновение неноминальных ( аварийных ) режимов ( например, блокировка по весу груза в электроприводах ГПМ, отключающая схему управления при попытке подъема груза, большего номинального, и др. );

5. использование в судовых электроприводах электродвигателей с повышенными пусковыми моментами – с двумя обмотками на роторе ( двухклеточных ), с фазным рото-ром и т.п. 

6