Что представляет собой механическая характеристика двигателя

Характеристики и режимы при последовательном возбуждении

В электроприводах постоянного тока иногда используются двигатели с последовательным возбуждением, когда специально выполненная обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря — рис. 6

Рис. 6. Схема двигателя постоянного тока последовательного

Для двигателя последовательного возбуждения, как и для других двигателей постоянного тока при питании якоря от источника напряжения ( U=const ), справедливы уравнения (4) и (5), однако, если для двигателя независимого возбуждения поток не зависит от тока нагрузки, то для двигателя последовательного возбуждения поток является функцией тока нагрузки.

Зависимость Ф = j (I) — характеристика намагничивания — не имеет простого аналитического выражения, ее примерный вид изображен на рис. 7.

Рис. 7. Характеристика намагничивания машины постоянного тока

В первом приближении зависимость между скоростью двигателя и развиваемым им моментом в установившемся режиме можно найти в предположении, что поток возбуждения и ток в якоре двигателя связаны между собой линейной зависимостью (пунктир на рис. 7):

.

,

.

Таким образом, при сделанном допущении механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения изображается гиперболой (рис. 8); одной из ее асимптот является ось ординат, а другой — прямая, параллельная оси абсцисс,

.

Рис. 8. Механическая характеристика двигателя последовательного

Жесткость механической характеристики двигателя последовательного возбуждения переменна и возрастает с увеличением нагрузки.

Полученные уравнения дают лишь общее представление о характеристиках электропривода с двигателем последовательного возбуждения, так как в действительности магнитная система машины насыщена и кривая намагничивания весьма далека от прямой. Поэтому в практических целях обычно пользуются универсальными характеристиками для серии машин — рис. 9, построенными в относительных величинах и , I н и М н — номинальные величины двигателя, R доп = 0.

Рис. 9. Характеристики двигателя последовательного возбуждения в

Электропривод с двигателями последовательного возбуждения в нормальной схеме ( U=const ) может работать в тех же энергетических режимах, что и привод с двигателями независимого возбуждения, за исключением режима идеального холостого хода и генераторного режима параллельно с сетью (рекуперативное торможение), поскольку при нагрузке, стремящейся к нулю, к нулю стремится и магнитный поток, ось — асимптота механической характеристики.

Некоторые особенности при последовательном возбуждении имеет режим динамического торможения.

Если якорь вращающейся машины отключить от источника напряжения и замкнуть на внешний резистор (рис. 10, схема слева), то под действием потока остаточного магнетизма ( Ф ост на рис. 7) в проводниках якоря возникает некоторая ЭДС Е ост , которая вызовет в замкнутой цепи ток. Этот ток, протекая по обмотке возбуждения в обратном против исходного направления размагнитит машину ( Ф = 0) и тормозного момента создано не будет.

Рис. 10. К режиму динамического торможения с самовозбуждением

Для того, чтобы получить тормозной момент, ток, созданный Е ост , должен протекать в том же, что и раньше, направлении, усиливая магнитный поток, т.е. создавая самовозбуждение. Это условие выполнится, если при переходе на режим торможения переключить обмотку возбуждения как показано на рис. 10, схема справа.

Ток, создаваемый увеличивающейся ЭДС, изменит знак, момент будет направлен против движения, т.е. станет тормозным.

Работа машины постоянного тока с самовозбуждением возможна лишь при определенных условиях, а именно при таких значениях скорости и сопротивления R цепи якоря, чтобы имело место равенство

Существованию этого равенства отвечает наличие точки пересечения кривых (при данной скорости) и прямой IR = f(I) — рис. 11. Очевидно, что чем больше R , тем при большей скорости произойдет самовозбуждение машины.

Рис. 11. Характеристики динамического торможения с

Наименьшая скорость, при которой машина может самовозбуждаться, будет при R доб = 0, то есть при замкнутой накоротко якорной цепи машины.

Построение механической характеристики в режиме динамического торможения при самовозбуждении можно произвести, исходя из уравнения баланса мощностей.

Мощность, развиваемая двигателем в режиме динамического торможения, целиком рассеивается в сопротивлениях якорного контура, то есть

. (12)

Зная R и задаваясь током I , по универсальной характеристике определяют соответствующий этому току момент М , вычисляют скорость и т.д. Характер зависимой в тормозном режиме при самовозбуждении изображен на рис. 11,б.

В электроприводах постоянного тока иногда используются двигатели смешанного возбуждения, имеющие две обмотки возбуждения, одна из которых включена последовательно в якорную цепь, а другая имеет независимое питание.

Двигатели последовательного возбуждения могут получать питание не только от источника напряжения, что было рассмотрено выше, но и от источника тока. Поскольку при этом магнитный поток будет неизменным, сохраняются и основные свойства электропривода, рассмотренные ранее.

Что представляет собой механическая характеристика двигателя

Рис. 7. Схема включения двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

Для построения механической характеристики двигателя параллельного возбуждения достаточно иметь две ее точки, так как характеристика имеет вид прямой линии (прямолинейна).

На рис. 8 приведены естественные и искусственные механические характеристики двигателя постоянного тока параллельного возбуждения.

Рис. 8. Механические характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением
1 — естественная; 2 — искусственные при различных потоках возбуждения; 3 — искусственные при различных напряжениях; 4 — искусственные при различных сопротивлениях в цепи якоря

Искусственные механические характеристики, получаемые за счет изменения магнитного потока Ф или подводимого напряжения U (рис. 8, прямые 2 и 3), являются жесткими характеристиками, а получаемые за счет изменения сопротивления якорной цепи R — мягкими характеристиками (рис. 8, прямая 4).

Реверсирование вращения двигателя постоянного тока осуществляется изменением направления тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения. Переключение обмотки возбуждения практикуется реже, так как вследствие ее индуктивности время торможения возрастает по сравнению с переключением обмотки якоря.

Скоростные и механические характеристики, соответствующие условиям задачи, представлены на рис. 9.

Рис. 9. Естественная и искусственные скоростные (а) и механические (б) характеристики двигателя параллельного -возбуждения (к примеру 2)

В современных электроприводах часто возникает необходимость останавливать производственный механизм или изменять направление его движения. Эти операции можно осуществлять переводом электродвигателя в тормозной режим работы по одной из механических характеристик, отвечающих выбранному способу электрического торможения. Механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением для различных режимов работы представлены на рис. 10.

Рис. 10. Механические характеристики двигателя с параллельным возбужденней при различных режимах работы

В этом режиме ток и момент на валу двигателя отрицательны. Рассматриваемый тормйзной режим работы электродвигателя создается автоматически, без каких-либо переключений в нормальной схеме, если ток возбуждения увеличивается или скорость вращения двигателя повышается сверх возможной скорости п0. В этом случае электрическая машина работает как генератор, отдавая электрическую энергию в сеть. Развиваемый машиной тормозной момент уравновешивается движущим моментом, приложенным к валу. Этот способ торможения применяется в крановых и других установках при спуске груза. Генераторное торможение в электроприводах с частыми пусками и остановками является весьма экономичным, поскольку оно сопровождается отдачей электроэнергии в сеть.

Генераторное торможение с отдачей энергии в сеть.

Механические характеристики машины в режиме генераторного торможения с отдачей энергии в сеть являются естественным продолжением характеристик двигательного режима в область квадранта II (см. рис. 10).

Генераторное торможение при замыкании якоря машины на сопротивление (динамическое торможение).

Механические характеристики машины в рассматриваемом режиме проходят через начало координат, располагаясь в квадранте II (см. рис. 10), так как при положительном значении скорости вращения ток и момент отрицательны по знаку. Жесткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления якорной цепи. В режиме динамического торможения машина работает генератором за счет кинетической энергии, накопленной во вращающихся инерционных массах электропривода и производственного механизма.

Схема включения двигателя, позволяющая перевести его в режим динамического торможения, приведена на рис. 11. Для осуществления торможения якорь двигателя необходимо отключить от сети контактором К и замкнуть его на сопротивление Rn контактором КТ. Обмотка возбуждения при этом остается включенной в сет‘ь так же, как и в двигательном режиме. Якорь двигателя, как уже указывалось, будет продолжать вращаться за счет кинетической энергии, запасенной в движущихся частях привода. Возникающая при этом э. д. с. ея вызовет ток в цепи якоря. Направление э. д. с. сохранится то же, что и в двигательном режиме, а ток и момент двигателя изменят свое направление. Двигатель будет развивать тормозной момент, направленный против движения. Под его воздействием произойдет быстрая остановка двигателя и связанных с ним вращающихся частей механизма.

Торможение прогивовключением. Механические характеристики двигателя в рассматриваемом режиме являются продолжением в квадрант IV механических характеристик двигательного режима (см. рис. 10).

Режим противовключения имеет место, когда момент на валу от груза (в подъемных механизмах) оказывается больше предельного момента, который может развивать электродвигатель в двигательном ‘режиме. В этом случае груз под действием своего веса начнет опускаться, что приведет к вращению электродвигателя в сторону’, противоположную той, которая определяется полярностью приложенного напряжения при данном включении обмоток. Направление тока при этом остается неизменным, т. е. таким же, что и в двигательном режиме; момент двигателя также сохраняет свой знак, но по отношению к новому установившемуся движению он будет являться тормозным.

Рис. 11. Схема включения двигателя при динамическом торможении

Величина тока в режиме противовключения больше, чем в двигательном режиме, поэтому и величина момента, развиваемая двигателем при торможении противо-включением, также увеличивается.

Режим противовключения часто используется в электроприводах для быстрого изменения направления их вращения—реверсирования.

Тормозной режим работы двигателя противовключе-нием может быть использован и для быстрой остановки производственного механизма. Для этого надо изменить полярность напряжения на зажимах обмотки якоря. Схема включения двигателя при торможении противовключением представлена на рис. 12. До перехода в режим противовключения якорь двигателя подключен к сети контактором КВ. Для осуществления торможения якорь двигателя отключается от сети этим контактором и снова включается в сеть контактором КН. При этом изменяется полярность напряжения на обмотке якоря и направление тока в нем. Двигатель создает тормозной момент и начинает останавливаться. Ограничение тока якоря в тормозном режиме производится путем включения добавочного сопротивления RB в цепь якоря. Переключение двигателя с помощью контакторов происходит автоматически, и скорость вращения двигателя за время переключения практически не изменяется.

Рис. 12. Схема включения двигателя при торможении противовключением

Следует иметь в виду, что если якорь двигателя не будет отключен от сети при скорости, близкой к нулю, то в соответствии со схемой включения двигателя начнется разбег его в обратном направлении.

При торможении противовключением двигатель Не только преобразует кинетическую энергию, запасенную в движущихся частях, в электрическую, но и потребляет энергию из сети. Энергия затрачивается (теряется) на нагрев сопротивлений в цепи якоря.

Из последнего равенства следует, что между моментом электродвигателя с последовательным возбуждением и его скоростью в области небольших нагрузок (ненасыщенная магнитная цепь) существует гиперболическая зависимость.

Механические характеристики электродвигателя с последовательным возбуждением при различных режимах работы приведены на рис. 14.

2. Электродвигатели с последовательным возбуждением

На рис. 13 приведена схема включения двигателя последовательного возбуждения.

Уравнение скоростной характеристики электродвигателя с последовательным возбуждением то же, что и для электродвигателя с параллельным возбуждением.

Поскольку магнитный поток пропорционален величине тока, можно, подставляя в формулу значение из равенства, получить путем преобразований выражение механической характеристики для двигателя с последовательным возбуждением:

Рис. 13. Схема включения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

Рис. 14. Механические характеристики двигателя с последовательным возбуждением при различных режимах работы

Анализ характера механической характеристики электродвигателя с последовательным возбуждением позволяет сделать следующие выводы:
а) при нагрузках ниже 20—25% номинальной работа электродвигателя на естественной характеристике практически недопустима из-за чрезмерного увеличения скорости вращения якоря (рис. 14, кривая 1);
б) с увеличением дополнительного сопротивления в цепи якоря жесткость механической характеристики уменьшается и она смещается вниз (рис. 14, кривая 2);
в) кривая механической характеристики асимптотически, как это следует из рис. 14, приближается к оси ординат, не пересекаясь с ней, из чего следует, что повышением скорости вращения нельзя перевести электродвигатель с последовательным возбуждением в генераторный режим работы с отдачей энергии в сеть (как это возможно у машины с параллельным возбуждением).

Для торможения машины с последовательным возбуждением обычно применяют противовключение или динамическое торможение.

При торможении противовключением механические характеристики являются продолжением характеристик двигательного режима в область отрицательной скорости. При этом в цепь двигателя вводится дополнительное сопротивление для ограничения тока. Двигатель с последовательным возбуждением работает в режиме противовключения при перемене полярности якоря. В обмотке возбуждения направление тока должно оставаться неизменным.

При динамическом торможении механические характеристики двигателя расположены в квадранте II. Тормозной момент в режиме динамического торможения при самовозбуждении уменьшается со снижением скорости машины.

Более эффективным является динамическое торможение с независимым возбуждением. В этом случае обмотка якоря отключается от сети и замыкается на внешнее сопротивление, а обмотка возбуждения подсоединяется к сети через дополнительное сопротивление. Поскольку в последнем случае двигатель работает генератором с независимым возбуждением, его характеристики подобны характеристикам двигателя с параллельным возбуждением при динамическом торможении. Эти характеристики прямолинейны и все пересекаются в начале координат, обладая большей жесткостью при меньших сопротивлениях.

Рис. 15. Схема включения двигателя в режиме динамического торможения при независимом питании обмотки возбуждения от сети

На рис. 15 приведена схема включения двигателя в режиме динамического торможения при независимом питании обмотки возбуждения от сети,

Двигатели постоянного тока, как обладающие большим пусковым моментом и выдерживающие значительные кратковременные перегрузки, нашли широкое применение в электроприводе крупных экскаваторов. К недостаткам применения двигателей постоянного тока относится необходимость установки преобразователей переменного тока в постоянный для питания этих двигателей.

Механические характеристики асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель преобразовывает электрическую энергию в механическую. Механическая характеристика асинхронного двигателя, электромеханическая и другие содержат информацию, без которой невозможна его правильная эксплуатация.

Эта конструкция достаточно широко применяется в различных сферах человеческой жизнедеятельности. Без них немыслима работа станков, транспортеров, подъемно-транспортных машин. Двигатели, обладающие небольшой мощностью, широко используются в автоматике.

Устройство асинхронной машины

Схематичное устройство асинхронной машины

Классическая асинхронная машина состоит из 2 основных частей: ротора (подвижной) и статора (неподвижной). Три отдельные фазы составляют обмотку статора. С1, С2 и С3 — обозначения начала фаз. С3, С4 и С5 — соответственно концы фаз. Все они подсоединены к клеммному разъему по схеме звезда или треугольник, что показано на рисунках а, б, в. Схему выбирают учитывая паспортные данные двигателя и сетевое напряжение.

Статор создает внутри электродвигателя магнитное поле, которое постоянно вращается.

Ротор различают короткозамкнутый и фазный.

В короткозамкнутом скорость вращения не регулируется. Конструкция с ним проще и дешевле. Однако пусковой момент у него слишком мал по сравнению с машинами, у которых фазный ротор. Здесь скорость вращения регулируется за счет возможности ввода дополнительного сопротивления.

Принцип работы асинхронной машины

Подавая напряжение на обмотку статора, по каждой фазе можно наблюдать изменяющиеся магнитные потоки, которые по отношению друг к другу смещены на 120 градусов. Общий результирующий поток получается вращающимся и создает ЭДС внутри проводников ротора.

Там появляется ток, который во взаимодействии с результирующим потоком создает пусковой момент. Это приводит к вращению ротора.

Возникает скольжение S, т. е. разность между частотой вращения самого ротора n2 и частотой магнитного поля статора n1. Первоначально оно равно 1. Впоследствии частота возрастает, разность n1 – n2 уменьшается. Это ведет к уменьшению вращающего момента.

На холостом ходу скольжение минимально. Оно достигает критического значения Sкр, когда увеличивается статический момент. Превышение Sкр ведет к нестабильной работе машины.

Механическая характеристика

Как основная, помогает проводить детальный анализ работы электродвигателя. Она выражает непосредственную зависимость частоты вращения самого ротора от электромагнитного момента n=f (M).

Из графика видно, что на участке 1-3 машина работает устойчиво. 3-4 — непосредственный отрезок неустойчивой работы. Идеальный холостой ход соответствует точке 1.

Точка 2 — номинальный режим работы. Точка 3 — частота вращения достигла критического значения. Пусковой момент Мпуск — точка 4.

Наши читатели рекомендуют! Для экономии на платежах за электроэнергию наши читатели советуют ‘Экономитель энергии Electricity Saving Box’. Ежемесячные платежи станут на 30-50% меньше, чем были до использования экономителя. Он убирает реактивную составляющую из сети, в результате чего снижается нагрузка и, как следствие, ток потребления. Электроприборы потребляют меньше электроэнергии, снижаются затраты на ее оплату.

Существуют технические способы расчетов и построения механической характеристики с учетом данных паспорта.

В первоначальной точке 1 n0=60f/p (p – количество пар полюсов). Поскольку nн и Mн непосредственно координаты точки 2, расчет номинального момента производится по формуле Mн=9,55*Рн/ nн, где Рн — номинальная мощность. Значение nн указано в паспорте двигателя. В точке 3 Mкр=Mнλ. Пусковой момент в точке 4 Mпуск=Mн*λпуск (значения λ, λпуск — из паспорта).

Механическая характеристика, построенная таким образом, называется естественной. Изменяя другие параметры можно получить искусственную механическую характеристику.

Полученные результаты дают возможность проанализировать и согласовать механические свойства самого двигателя и рабочего механизма.

Электромеханическая характеристика

Она являет собой зависимость угловой скорости вращения от тока статора. Используя несколько опорных точек можно построить электромеханическую характеристику. Номинальный ток рассчитывается по формуле:

Ток холостого хода составляет 30—40% от номинального.

Формула расчета при критическом скольжении:

Ток в начальный момент пуска:

Все значения отражают электромеханическую характеристику.

Рабочие характеристики

Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя — это взаимосвязь нескольких параметров от полезной мощности P2. В их число входят: частота вращения самого ротора n2, момент на валу М, скольжение S, ток статора I1, расходуемая мощность P, коэффициент мощности СОSφ и КПД.

Причем частота электрического тока и напряжение неизменны, в отличие от нагрузки.

Как правило, рабочие характеристики асинхронного двигателя строятся в диапазоне значений скольжения от 0 до значения, превышающего номинальное на 10%. Это зона, где машина работает устойчиво.

Частота вращения ротора n2 уменьшается при возрастании нагрузки на валу. Но эти изменения не превышают 5%. Ток I1 растет, поскольку при последующем увеличении нагрузки его активная составляющая превышает реактивную.

СОSφ при холостом ходе мал. Но затем он возрастает. При повышенных нагрузках СОSφ уменьшается из-за возрастающего внутри обмотки ротора реактивного сопротивления.

КПД холостого хода равен 0. С увеличением нагрузки наблюдается его резкий рост, а впоследствии, снижение.

Механическая характеристика

Определение. Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента нагрузки на валу М, т. е. п (М). От ее характера зависит пригодность асинхронного двигателя для привода различных рабочих механизмов. Так, для многих станков требуется, чтобы частота вращения двигателя оставалась неизменной или почти неизменной при изменении нагрузки. Наряду с этим рабочие механизмы, работающие при резко изменяющихся нагрузках, — прессы, краны, ножницы — требуют быстрого изменения частоты вращения двигателя при таких нагрузках.

Поэтому механическая характеристика двигателя играет существенную роль при выборе приводного двигателя.

Вывод уравнения механической характеристики. Зависимость п(М) может быть получена из формулы M(s) (3.23), если учесть, что s = (n₁ – n)/n₁. График п(М) представлен на рис. 3.18. Все сказанное о характерных точках и участках графика M(s) справедливо и для графика п(М).

Так, на рабочем участке n₁ – n_ном зависимость п(М) линейная.

Действительно, n = n₁(1—s). Так как на этом участке

, то, подставляя значение s в формулу n = n₁(1—s), получаем:

График этой зависимости представляется прямой линией (рис. 3.19).

Коэффициент b пропорционален тангенсу угла наклона прямой, т. е.
где k_m — масштабный коэффициент.

Полученная характеристика называется жесткой, так как в пределах от идеального холостого хода до номинальной нагрузки частота вращения ротора падает не более чем на 10%.