2.5. Механические характеристики исполнительных механизмов и электрических двигателей

Вспомогательные, промысловые, палубные механизмы, тех­нологическое оборудование и производственные агрегаты состоят из аппаратов, машин и деталей, выполняющих различные функ­ции свойственного им производственного процесса.

Машина-двигатель совместно с системой управления и пере­даточным устройством служит системой, задающей движение, по­этому указанные элементы в комплексе объединяются общим названием «привод». Следовательно, приводом называется совокупность двигателя, его системы управления и передаточного устройства.

Устройство, которое в качестве движущего элемента имеет электрический двигатель и обеспечивает электрическое управле­ние преобразованной механической энергией, называется элект­роприводом.

Различают групповой электропривод, многодвигательный иодиночный. В настоящее время широко применяется также индивидуальный привод, который является усовершенство­ванной разновидностью одиночного и отличается конструктивным объединением в одном корпусе исполнительного механизма и электродвигателя.

Групповым называется такой электропривод, у которого движение передается от одного электродвигателя на несколько исполнительных механизмов.

Многодвигательным называется электропривод, у ко­торого движение передается от отдельных электродвигателей на отдельные исполнительные механизмы единого производственного агрегата.

Одиночным называется такой электропривод, у которого движение передается от одного электродвигателя к одному ис­полнительному механизму. Данный привод является основным для большинства механизмов в промышленности.

Широкое применение судовых электрических приводов обуслови­ли их очевидные преимущества:

• удобство распре­деления электрической энергии;

• простота пуска, регулирования частоты вращения и остановки механизмов;

• обеспечение дистан­ционного контроля и управления;

• возможность автоматизации технологических процессов;

• автоматическое поддержание режима заданного работы агрегатов;

• надежность работы, компактность и относи­тельно малая масса электрических машин и аппаратуры управ­ления;

• обеспечение агрегатного метода ремонта.

Различают два основных режима работы электродвигателя: установившийся, или стационарный и неустановившийся, или переходный режим.

К первому режиму относят состояние покоя и работу при неизменной частоте вращения, т.е. при отсутствии ускорения (замедления). Второй режим характеризуется изменением ча­стоты вращения при переходе от одного установившегося режима к другому. Причины возникновения переходных режимов различны: измене­ние нагрузки, управляемое изменение частоты вращения в про­цессе работы, изменение параметров питающей сети, авария.

Оба основных режима обусловливаются моментами электрического дви­гателя и исполнительного механизма электропривода. Моменты же вызываются определенными движущими силами и силами со­противления.

Каждый двигатель обладает моментом инерции, который является мерой инерции тела при враще­нии и описывается формулой

j = mρ², (2.5)

где m — масса тела, кг;

ρ — радиус инерции, м, т.е. расстояние от центра вра­щения до точки условного сосредоточения всей массы тела.

В технических расчетах вместо момента инерции j часто используют так называемый маховый момент GD², где G = т, кг; D - диаметр инерции, м. Тогда

GD² = т (2ρ)² = 4тр² = 4j, (2.6)

при G≠m имеем GD² = gm (2ρ)² = 4gj (2.7)

Значения маховых моментов для электродвигателей приво­дится в соответствующих каталогах.

Итак, моментом инерции GD² электропривода называется мера инерции его вращающихся частей, препятствующая измене­нию частоты вращения. При наличии причины, препятствующей изменению частоты вращения привода, возникает и причина, способствующая ему. Причина, вызывающая изменение частоты вращения привода, называется динамическим моментом.

Состояние электропривода зависит от взаимодействия момента вращения электродвигателя М_д и статического момента исполни­тельного механизма М_с. Указанные моменты могут быть движу­щими или тормозными. Действительно, например, при подъеме якоря бра­шпилем момент вращения двигателя М_д будет движущим. При опускании якоря под действием силы тяжести, когда брашпильное устройство работает на подъем — тормозным. Таким образом, один и тот же электродвигатель в первом слу­чае работает в двигательном режиме, а во втором — в генераторном.

Статический момент М_с называют также моментом сопротив­ления исполнительного механизма. Он слагается из двух частей. Первая обусловлена полезной работой, а вторая — работой сил трения. Полезная работа направлена на выполнение требуемого процесса. Работа против сил трения учитывается коэффициен­тами полезного действия частей исполнительного механизма.

Зависимость частоты вращения от момента на валу электро­двигателя называется его механической характери­стикой

n = f(M). (2.8)

Механическая характеристика исполнительного механизма представляет собой зависимость

M_с = f(n). (2.9)

т.е. механическая характеристика исполнительного механизма это зависимость статического момента от частоты вращения.

Существует классификация, которая дает возможность рас­пределить исполнительные механизмы по группам в зависимости от вида механических характеристик:

1. M_с = f(n). К этой группе относится большинство подъем­но-транспортных механизмов (лебедки, лифты пас­сажирские и грузовые, ленточные транспортеры) и механизмы со статическим моментом, обусловленным силами трения (метал­лорежущие станки).

2. M_с ≡ f(n). Зависимость статического момента от частоты вращения может быть пропорциональной, но может быть и квад­ратичной, т.е. М_с ≡ п и М_с ≡ п². Однако это одна и та же группа с точки зрения методики анализа переходных процессов.

К этой группе относятся все механизмы, работающие на цент­робежном принципе (насосы, вентиляторы, ком­прессоры, сепараторы и т.д.). В этом случае без учета постоянных потерь момент пропорционален квадрату частоты вращения.

3. M_c = f(α). Статический момент есть функция пути, т.е. угла поворота якоря (ротора) электродвигателя. К этой группе относятся кривошипно-шатунные и эксцентриковые механизмы (механизмы ножниц, моечные машины). Анали­тически невозможно выразить эту зависимость, и обычно ее представ­ляют в виде графика.

4. M_c=f(n,α). Механизмы, относящиеся к этой группе, имеют статический момент, который одновременно зависит и от частоты вращения, и от пути. К этой группе относят руле­вые электроприводы, испытывающие сопротивление сил, которые зависят как от частоты вращения n, так и от угла поворота пера руля α (пропорциональны углу поворота якоря или ротора элек­тродвигателя).

5. M_с = f(t). Механизмы этой группы имеют статический мо­мент, который изменяется в зависимости от заданного времени. К ним относятся механизмы некоторых следящих систем, исполь­зуемых для стабилизации судовых механизмов и судов при качке, т.е. механизмы, работающие под действием посторонней возмущающей силы, изменяющейся во времени по периодиче­скому закону (смесительные и шлифовальные машины, шаровые мельницы и т.п.).

Правильный выбор электродвигателей для различных испол­нительных механизмов обеспечивает производительную и эконо­мичную работу электропривода. Каждый из электродвигателей имеет определенную механическую характеристику, отличаю­щуюся от других степенью изменения частоты вращения вала двигателя при увеличении момента нагрузки.

Изменение частоты вращения характеризуется так называемой жесткостью ха­рактеристики, критерием которой служит крутизна характе­ристики

β = dn/dM (2-10)

В зависимо­сти от степени жесткости характеристики делят на абсолютно жесткие, жесткие и мягкие (рис. 20).

Абсолютно жесткой называется характеристика, прак­тически не отражающая изменение частоты вращения двигателя с изменением момента сопротивления (вращающего момента) на (его валу. У этой характеристики β = 0. Она типична для синхронных электродвигателей.

Жесткой называется характеристика, отражающая сравнительно малое изменение частоты вращения двигателя с изменением моментов сопротивления на его валу.

У этой характерикики β = 1÷10%. Такие характеристики имеют двигатели постоянного тока параллельного (независимого) возбуждения и синхронные двигатели.

Мягкой называется характеристика, отражающая значительное изменение частоты вращения двигателя с изменением момента сопротивления на его валу. У такой характеристики β = 10%. К этой группе относятся двигатели последовательного (сериесного), смешанного (компаундного), параллельного (шунтового) возбуждения с большим сопротивлением в цепи якоря, также асинхронные двигатели с фазным ротором и значительным сопротивлением в его цепи.

П ри подборе электродвигателя к исполнительному механизму необходимо учитывать степень жесткости его характеристики.

Механические характеристики электродвигателей аналогичны механическим характеристикам исполнительного механизма, так как вращающий момент электродвигателя по абсолютной вели­чине всегда равен изменяющемуся статическому моменту. Частота же вращения электродвигателя изменяется с изме­нением нагрузки (статических моментов) автоматически, и ее определяют по механической характеристике электродвигателя, задавая значение его момента вращения соответствующим опре­деленному моменту сопротивления исполнительного механизма.

На рис. 20 были приведены характеристики электродвигателя в первом квадранте системы координат М, п, но в общем случае они могут быть показаны во всех четырех квадрантах этой си­стемы координат.

Система координат с расположением таких общепринятых понятий, как «вперед», «вверх», «вправо», «назад», «вниз», «влево» дана на рис. 21. Там же пока­заны направления действия моментов и вращения электродвигателей. Из этого рисунка следует, что I и II квад­ранты соответствуют двигательному режиму работы электродвигателя, ко­гда поток мощности направлен от сети, а III и IV — генераторному. Так как последний режим применительно к двигателю характеризуется отрица­тельным моментом вращения, т.е. мо­мент становится препятствующим дви­жению, такой режим называют тор­мозным. В этом режиме электромагнитный момент направлен навстречу частоте вращения.

Характеристики нереверсивных электродвигателей изобра­жаются в I и II квадрантах, а реверсивных — во всех четырех.

Следует отметить, что кроме механических часто используются скоростные характеристики электродвигателей, которые иногда называют электромеханическими. Скоростная характери­стик а — это зависимость частоты вращения электродвигателя от тока якоря или ротора (для двигателя переменного тока).

Механические и скоростные характеристики бывают естествен­ными и искусственными.

Естественной называется такая характеристика, которая соответствует работе электродвигателя при номинальных значе­ниях его параметров и питающей сети. Каждый электродвигатель имеет только одну естественную характеристику.

Искусственной называется такая характеристика, кото­рая соответствует работе электродвигателя при значениях всех или некоторых его параметров, отличающихся от номинальных. У каждого двигателя таких характеристик множество. Искусственные характеристики могут быть получены при пуске, регули­ровании частоты вращения, реверсировании и торможении электродвигателей.

Для выполнения рабочего процесса при вполне определенной частоте вращения исполнительного механизма и электродвигателя требуется, чтобы М_д= М_с. Однако с изменением параметров электрической цепи привода или под воздействием нагрузки рав­новесие моментов может быть нарушено и электродвигатель авто­матически начнет изменять частоту вращения до тех пор, пока вновь не наступит установившийся режим работы с новым значе­нием частоты вращения.

Способность электропривода приходить в состояние устойчи­вого равновесия с измененной частотой вращения называется устойчивостью работы привода. Устойчивость работы привода обеспечивается подбором к исполнительному механизму соответствующего электродвигателя и аппаратуры управления.

Проверка на устойчивость работы производится путем сравне­ния механических характеристик исполнительного механизма и электродвигателя. На рис. 22 механические характеристики элект­родвигателя п = f(M) и исполнительного механизма Mc=f(n) показаны в одной системе координат, но без учета знаков мо­мента, что создает определенные удобства при рассмотрении во­проса об устойчивости работы привода, так как аргумент п отложен по оси ординат, а функция М_с — по оси абсцисс.

Согласно уравнению движения (2.8) устойчивая работа на­блюдается в точке пересечения характеристик. Если последние не пересекаются, то устойчивой работы не может быть.

Для обеспечения устойчивой работы механическая характери­стика электродвигателя должна быть падающей. Это значит, что с увеличением частоты вращения приращение момента должно быть отрицательным. При возрастающей механической характе­ристике работа привода будет неустойчивой, так как, например, с увеличением частоты вращения приращение момента будет положительным, электродвигатель увеличит разгон и уйдет от точки устойчивой работы.

3. трансформаторы и автотрансформаторы