Что такое механическая характеристика двигателя постоянного тока

3.1. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Обычная схема включения двигателя по­стоянного тока независимого возбуждения представлена на рис. 3.1. Якорь двигателя М и его обмотка возбуждения ОВ обычно получают питание от разных, независимых друг от друга источников (преобразователей) напряжения U

Рис. 3.1. Схема включения двига­теля постоянного тока независи­мого возбуждения.

и U_B, что позволяет отдельно регулировать напряжение на якоре двигателя и на обмотке возбуждения и выполнять их на разное номинальное напряжение. Лишь при нали­чии сети постоянного тока или при нерегулируемом пре­образователе в якорной цепи обмотка возбуждения пита­ется от того же источника напряжения, что и якорь дви­гателя. Но и в этом случае ток возбуждения I_в не зависит от тока I якоря двигателя.

Направления тока I и ЭДС вращения двигателя Е, показанные на рис. 3.1, соответствуют двигательному режиму работы, когда электрическая энергия потребляется двигателем из сети (от источника напряжения U) и пре­образуется в механическую энергию, мощность которой равна Р = Мω. Зависимость же между М и ω двигателя определяется его механической характеристикой.

Аналитическое выражение механической характери­стики двигателя может быть получено из уравнения равно­весия напряжений, составленного для якорной цеди схемы (рис. 3.1). При установившемся режиме работы двигателя приложенное напряжение U, В, уравновешивается паде­нием напряжения в якорной цепи IR и наведенной в якоре ЭДС вращения Е, В, т. е.

U = IR + E; (3.1)

здесь I — ток в якорной цепи двигателя, A; R — суммар­ное сопротивление якорной цепи, Ом, включающее внеш­нее сопротивление резистора R_p и внутреннее сопротивле­ние якоря двигателя R_я (при наличии дополнительных полюсов учитывается и их сопротивление);

Е = kФω, (3.2)

где k — коэффициент, зависящий от конструктивных дан­ных двигателя, k = pN/2πa (p — число пар полюсов двигателя; N — число активных проводников обмотки якоря; а — число пар параллельных ветвей обмотки якоря); Ф и ω — соответственно магнитный поток, Вб, и угловая скорость двигателя, рад/с.

Если в (3.1) вместо Е подставим ее значение Е из (3.2), то получим уравнение для скорости двигателя

ω= (U-IR)/kФ. (3.3)

Уравнение (3.3) представляет собой зависимость ско­рости двигателя от тока якоря. Такую зависимость ω = f(I) называют электромеханической ха-рактеристикой двигателя.

Для получения уравнения механической характеристики необходимо найти зависимость скорости от момента дви­гателя. Это легко сделать, если учесть, что момент, Н∙м, развиваемый двигателем, связан с током якоря и магнит-

ным потоком простой зависимостью, а именно 1 :

M = kФI (3,4)

Подставив в (3.3) значение тока I, найденное из (3.4), получим выражение для механической харак­теристики:

ω= U/kФ-MR/k 2 Ф 2 , (3.5)

ω = U/c—MR/c 2 , (3.6)

с = kФ. (3.7)

Коэффициент с принимается постоянным, не зависящим от нагрузки, если у двигателя с независимым возбужде­нием имеется компенсационная обмотка. Он может счи­таться неизменным, если для обычных двигателей прене­бречь реакцией якоря.

Механическая характеристика двигателя при неизмен­ных параметрах U, Ф и R представляется прямой линией. Ниже показано, что, изменяя тот или иной параметр меха­нической характеристики, можно при определенном моменте сопротивления на валу двигателя получать различные скорости двигателя, т. е. регулировать скорость электро­привода.

Здесь же рассмотрим влияние лишь одного параметра, а именно сопротивления якорной цепи, поскольку это необходимо для выяснения основных определений, связан­ных с понятием о механической характеристике для раз­личных режимов работы двигателя.

На рис. 3.2 представлены механические характери­стики двигателя независимого возбуждения для различных сопротивлений якорной цепи. Как видно из (3.5), при М = 0 все характеристики проходят через одну точку, лежащую на оси ординат. Угловая скорость в этой точке имеет вполне определенное значение, не зависящее от со­противления якорной цепи. Эта скорость носит название

1 Приведенным уравнением определяется электромагнитный момент двигателя. Момент на валу двигателя будет меньше электромагнит­ного момента на значение, соответствующее потерям в стали и механи­ческим потерям. Однако для практических расчетов можно пользо­ваться уравнениями механических характеристик, где приводится электромагнитный момент.

с к о р о с т и и д е а л ь н о г о х о л о с т о г о х о д а и определяется выражением

ω = U/kФ. (3.8)

При скорости идеального холостого хода, когда ток в якорной цепи равен нулю, ЭДС якоря, направленная навстречу приложенному напряжению, равна ему по абсо­лютному значению. Если двигатель до приложения на­грузки работал с угловой скоростью ω, то при появлении на его валу момента сопротивления угловая скорость будет снижаться. Следствием этого будет уменьшение ЭДC вращения Е согласно (3.2) и увеличение тока якоря в соот­ветствии с (3.1) и момента двигателя по (3.4). Угловая

Рис. 3.2. Естественная характери­стика и семейство реостатных ме­ханических характеристик двига­теля постоянного тока независи­мого возбуждения.

скорость будет снижаться до тех пор, пока момент двига­теля не сравняется с моментом сопротивления. Разность значений установившихся скоростей электропривода до и после приложения заданной статической нагрузки назы­вается с т а т и ч е с к и м п а д е н и е м (перепадом) скорости элект ропривода.

Второй член (3.6) характеризует собой статическое падение угловой скорости (перепад) относительно угловой скорости идеального холостого хода:

Δω = MR/k 2 Ф 2 .

Таким образом, уравнение для скорости двигателя может быть записано так:

ω = ω_о — Δω. (3.10)

Верхняя характеристика из семейства, приведенного на рис. 3.2, носит название естественной. Е с т е с т в е н —

ной характеристикой называется т а­кая характеристика двигателя, к о т о ­рая получается при отсутствии в н е ш­ них резисторов в якорной цепи и н о­минальных значениях напряжения и магнитного потока двигателя. Жесткость естественной характеристики зависит от внутреннего со­противления якорной цепи двигателя R_я. Внутреннее сопротивление якорной цепи включает собственное сопро­тивление якорной обмотки, сопротивление обмотки допол­нительных полюсов, компенсационной обмотки и щеток. Соответственно перепад скорости для естественной харак­теристики

Δω = MR_я/k 2 Ф 2 _ном.

По (3.9) определяется статическое падение скорости для любой из характеристик двигателя независимого воз­буждения, представленных на рис. 3.2. Например, при дополнительно включенном реостате, имеющем сопротив­ление R_р, статическое падение скорости определится из соотношения

Δω = M(R_я + R_р)/k 2 Ф 2 . (3.11)

Разделив (3.10) на ω, получим статическое падение скорости в относительных единицах:

Статическое падение скорости в относительных едини­цах Δω_* аналогично скольжению асинхронного двигателя, хотя скольжение для двигателей постоянного тока не имеет того физического смысла, как у асинхронных двигате­лей.

Если в якорную цепь двигателя включен дополнитель­ный резистор (реостат), то механические характеристики, получаемые при этом, называются искусственными или реостатным и. Эти характеристики пересекаются все в одной точке ω. Реостатные характеристики так же ли­нейны, как и естественная характеристика, но имеют зна­чительно больший наклон к оси моментов, т. е. обладают меньшей жесткостью. Чем больше введенное в цепь якоря сопротивление резистора, тем круче идет характеристика, тем меньше ее жесткость.

Механические характеристики электродвигателей

При рассмотрении работы электропривода, вращающего рабочий орган производственного механизма, необходимо, прежде всего, вы­явить соответствие механических свойств электродвигателя и производ­ственного механизма. Поэтому для правильного проектирования и эко­номичной эксплуатации электропривода необходимо изучить и механи­ческие характеристики электрических машин, и производственных ме­ханизмов.

Механическая характеристика электродвигателя определяет зави­симость его скорости со от развиваемого им момента М. Часто вместо угловой скорости со используют внесистемную физическую величину — частоту вращения п, так как эти величины пропорциональны друг дру­гу:

В этом случае механической характеристикой электродвигателя на­зывается зависимость его частоты вращения п от развиваемого им мо­мента М, то есть п = /(М).

Степень изменения скорости с изменением момента у различных типов электрических машин неодинакова и различается в зависимости от жесткости механических характеристик (см. рис. 2.2).

Под жесткостью механической характеристики кр будем понимать

отношение приращения момента AM к приращению скорости двигате­ля Дю:

где Mi,(£>i — момент и угловая скорость в первой точке механической характеристики; М2, 2 — момент и угловая скорость во второй точке механической характеристики.

Рис. 2.2. Определение жесткости механической характеристики

Механические характеристики электродвигателей можно разделить на четыре основных типа в зависимости от их жесткости кр :

• абсолютно жесткая механическая характеристика, при которой скорость с изменением момента остается неизменной. Из (2.7) следует, что если А со = 0 , то к^ = °о. Такой характеристикой обладают синхрон­ные двигатели (зависимость 1 на рис. 2.3);

• жесткая механическая характеристика, отличающаяся незна­чительным изменением угловой скорости с изменением момента. Жест­кой механической характеристикой обладают асинхронные двигатели (кривая 2, рис. 2.3.) и двигатели постоянного тока независимого и па­раллельного возбуждения (кривая 3, рис. 2.3);

• мягкая механическая характеристика отличается значитель­ным изменением угловой скорости с изменением момента. Такой харак­теристикой обладают двигатели постоянного тока последовательного возбуждения (кривая 4, рис. 2.3) и двигатели постоянного тока смешан­ного возбуждения (кривая 5, рис. 2.3);

• абсолютно мягкая механическая характеристика, при которой момент двигателя остается неизменным с изменением угловой скоро­сти. Из выражения (2.7) следует, что если АМ = 0 , то Лгр = 0. Абсолют­но мягкой механической характеристикой обладают двигатели постоян­ного тока независимого возбуждения при питании обмотки якоря от ис­точника тока (зависимость 6 на рис. 2.3).

Рис. 2.3. Механические характеристики электродвигателей

При любом типе механической характеристики электродвигателя вращающий момент двигателя определяется нагрузкой на его валу, то есть моментом сопротивления Мс.

Расчет и построение естественных и искусственных характеристик двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Для получения механической характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением необходимо найти зависимость угловой скорости вращения от момента двигателя. Это возможно, если учесть, что момент, развиваемый двигателем, связан с током якоря и магнитным потоком зависимостью

(1.1)

где С_М – коэффициент машины;

Ф – магнитный поток машины;

I – сила тока в якоре.

Подставив значение тока I, найденное из (1.1) , в выражение электромеханической характеристики

(1.2)

Получим выражение для механической характеристики

(1.3)

где U — напряжение на зажимах электродвигателя, В;

w — угловая скорость вала двигателя, с -1 ;

R_a — сопротивление обмотки якоря, Ом;

Ф — магнитный поток машины, Вб;

R_доб — добавочное сопротивление, Ом;

С_e – конструктивная постоянная двигателя.

Для построения механических характеристик (естественной и искусственных) двигателя параллельного возбуждения достаточно знать лишь две её точки, поскольку все механические характеристики теоретически представляют собой прямые линии. Эти две точки могут быть любыми. Однако построение естественной механической характеристики удобно производить по точкам, одна из которых соответствует номинальному моменту двигателя и номинальной скорости, а другая – скорости идеального холостого хода. Естественная характеристика получается при номинальных параметрах: номинальном напряжении, номинальном токе возбуждения, отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря.

Координаты точек определяются следующим образом:

1.

2. ;

Так как в каталогах внутреннее сопротивление якоря обычно не указывается, то его ориентировочно определяют, приняв, что половина всех потерь в двигателе при номинальной нагрузке связана с потерями в меди якоря:

Ом, (1.4)

где U_H – номинальное напряжение, В;

I_H – номинальный ток, А;

h_н – номинальный КПД двигателя;

R_н – номинальное сопротивление.

При изменении одного из параметров уравнения механической характеристики получаются искусственные характеристики. Реостатные характеристики также строятся по точке холостого хода и точке, в которой момент равен номинальному, а угловая скорость, соответствующая номинальному моменту, определяется по соотношению

(1.5)

Пример 1

Рассчитать и построить естественную и искусственную механические характеристики и определить их жесткость для двигателя постоянного тока параллельного возбуждения по следующим справочным данным:

Решение

Естественная механическая характеристика ДПТ параллельного возбуждения может быть построена по двум характерным точкам:

Номинальная угловая скорость:

Номинальный момент двигателя:

Определим сопротивление якоря:

Скорость идеального холостого хода может быть определена по номинальным параметрам:

Для определения координат искусственной реостатной характеристики определим w_н.иск при номинальном моменте и сопротивлении в цепи якоря R_доб = 10 Ом.

Коэффициент жесткости механических характеристик:

Следовательно, чем больше R_доб, тем меньше жесткость (β) механической характеристики.

1 — естественная механическая характеристика (ЕМХ), β_ЕМХ=7,54;

2 — искусственная механическая характеристика (ИМХ), β_ИМХ=3,05.

Рис. 1.1 – Механические характеристики ДПТ параллельного возбуждения (П11).

Дата добавления: 2015-02-25 ; просмотров: 11584 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Механическая характеристика двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

Дата добавления: 2014-10-07 ; просмотров: 900 ; Нарушение авторских прав

В судовых электроприводах двигатели с последовательным возбуждением не используют, поэтому лишь кратко рассмотрим их электромеханические свойства.

У этих двигателей обмотка якоря и обмотка возбуждения соединены последователь

но, поэтому ток якоря I равен току возбуждения I , т.е. I = I ( рис. 3.14 ).

Поэтому при изменении нагрузки на валу будет изменяться как ток якоря, так и ток возбуждения, а значит, и магнитный поток полюсов. Чем больше нагрузка на валу двигателя, тем больше ток якоря, ток возбуждения и магнитный поток, и наоборот.

Значит, электромагнитный момент двигателя

М = kI Ф= k I f (I ) ( 1 )

прямо пропорционален току якоря и магнитному потоку.

Сам же магнитный поток связан с током возбуждения через кривую намагничива-

ния – чем больше ток последовательной обмотки возбуждения, тем больше магнитный по-

ток, вплоть до зоны насыщения полюсов, в которой изменения тока не приводит к измене-

нию магнитного потока.

Описать уравнением кривую намагничивания довольно сложно, поэтому в теории электропривода эту задачу упрощают, а именно: считают, что двигатель работает на на-

чальном, прямолинейном, участке характеристики намагничивания,

На этом участке между током возбуждения и магнитным потоком существует прямо пропорциональная связь, т.е.

= α = const, или Ф = α I ( 2 ).

С учетом (2 ) электромагнитный момент двигателя

М = kI Ф= kI α I = k α I ( 3 ),

т.е. электромагнитный момент двигателя пропорционален квадрату тока якоря.

Подставив ( 2 ) и (3) в уравнение естественной механической характеристики

ω = — ,

. ω = — = — = — ω , ( 4 )

где А = = const, ω = = const/

График механической характеристики двигателя, построенный на основании уравнения (4 ), изображен на рис. 3.14, б ).

Из уравнения (4) и графика на рис.3.14, б видно, что меха­ническая характеристика двигателя мягкая и выражается гипербо­лической кривой.

Рис. 3.14. Схема включения ( а ) и механическая характеристика ( б ) двигателя с последовательным возбуждением

Как следует из графика механической характеристики, увеличение нагрузки вызы-

вает быстрое затормаживание двигателя, и движу­щиеся по инерции маховые массы элек-

тромеханической системы отдают на вал запасенную кинетическую энергию, что ограни-

чи­вает броски тока и мощности, потребляемой двигателем из сети.

При малых нагрузках двигатель автоматически увеличивает ско­рость, обеспечивая высокую производительность исполнитель­ного механизма.

Это делает целесообразным использование дви­гателей с последовательным возбуж

дением в электроприводах электрифицированного транспорта, работающего с резко изме-

Однако при уменьшении нагрузки на валу до 10% номинальной угловая скорость двигателя резко возрастает, двигатель идет «вразнос».

Во избежание разноса, двигатель нельзя оставлять без механической нагрузки на валу. В электроприводах троллейбусов вал двигателя последовательного возбуждения постоянно соединен с колесами через редуктор, т.е. на валу двигателя постоянно присут-

ствует момент, созданный весом салона и пассажиров.

Следует иметь в виду, что при практическом расчете и проек­тировании электропри

вода необходимо учитывать насыщение ма­гнитной системы двигателя, для чего использу-

ют универсальные характеристики ω (I) и М (I), снятые эксперименталь­ным путем в лабо-