Совместная механическая характеристика электрического двигателя и производственного механизма.

При вращательном движении между моментом, развиваемым двигателем, и моментом сопротивления в системе электродвигатель – рабочая машина существует соотношение, называемое уравнением движения электропривода:

(3)

где: - момент, развиваемый двигателем;

- момент сопротивления рабочей машины, приведённый к валу двигателя;

J – момент инерции движущихся частей системы двигатель – рабочая машина, приведённая к валу двигателя;

- угловое ускорение движущихся масс.

Вращающий момент, развиваемый двигателем при работе, принимается положительным, если он направлен в сторону движения привода, и отрицательным, если направлен в сторону, обратную движению. Необходимо отметить, что знак минус перед указывает на тормозящее действие момента сопротивления, что отвечает усилию резания, потерям трения, подъёму груза, сжатию пружины и т.п. при положительном знаке скорости. При спуске груза, раскручивании или разжатии пружины и т.п. перед ставится знак плюс, поскольку в этих случаях момент сопротивления помогает вращению привода.

Аналогично получают соотношение для случаев поступательного движения:

± ± = m ;

- усилие развиваемое двигателем;

– приведённое усиление сопротивления системы электродвигатель – рабочая машина;

m – приведённая масса движущихся частей системы;

- линейное ускорение движущихся масс.

Уравнение (3) показывает, что развиваемый двигателем вращающий момент уравновешивается моментом сопротивления на валу и инерционным или динамическим моментом:

.

Из анализа этого уравнения видно, что:

1) При > , >0, имеет место ускорение привода;

2) При < , <0, имеет место замедление привода;

3) При = , =0, электропривод работает в установившемся режиме.

Работе электрического двигателя и производственного механизма в установившемся режиме соответствует равновесие, при определённой скорости вращения, моментов сопротивления механизма и вращающего момента двигателя.

Изменение момента сопротивления на валу двигателя приводит к тому, что скорость двигателя и момент, который он развивает, могут автоматически меняться, и привод будет продолжать работать при другой установившейся скорости с новым значением момента.

Для восстановления равновесия между изменившимся моментом сопротивления и моментом двигателя во всех не электрических двигателях требуется участие специальных регуляторов, которые воздействуют на источник энергии, увеличивая или соответственно уменьшая подачу воды, топлива или пара. В электрических двигателях роль автоматического регулятора выполняет э.д.с. двигателя. Эта особенность электродвигателей автоматически поддерживать равновесие системы при изменяющемся моменте сопротивления, является весьма ценным свойством имеющим большое будущее.

На рисунке 3.19 приведена механическая характеристика вентилятора 1, механическая характеристика асинхронного двигателя 2, приводящего вентилятора, и совместная механическая характеристика вентиляторного агрегата 3.

Рисунок 3.19 Совместная механическая характеристика вентиляторного агрегата (вентилятор и асинхронный двигатель).

При установившейся скорости агрегата двигатель развивает момент:

= , в этом случае момент совместной механической характеристики агрегата будет равен нулю. Работа электропривода при скорости устойчива, т.к. с увеличением скорости приращение момента оказывается отрицательным, а при уменьшении скорости положительным. Кривая 3 на рисунке будет примером совместной характеристики, при которой агрегат будет работать устойчиво. Если бы совместная характеристика агрегата имела бы вид кривой 4, то работа была бы неустойчивой.

Рассмотренные условия работы электропривода в установившемся режиме характеризует статическую устойчивость привода, когда изменение во времени скорости и момента происходит относительно медленно в отличии от динамической устойчивости, имеющий место при переходных режимах.

Обычно при проектировании электропривода механическая характеристика производственного механизма является уже заданной. Поэтому для получения устойчивой работы в установившемся режиме для определенных скоростей и моментов сопротивления производственных механизмов необходимо подбирать механическую характеристику электродвигателя соответствующей формы. Это может быть достигнуто подбором и изменением электрических параметров цепей привода. Иногда для получения требуемых механических характеристик приходится применять специальные схемы включения электрических машин и аппаратов для их управления.

Математически условия статистической устойчивости доказывается следующим образом. Уравнение движение привода , запишем через жесткости механических характеристик двигателя и механизма : . Решим это дифференциальное уравнение методом разделения переменных . Решение Следовательно условие статистической устойчивости выполняется, если показатель степени отрицательное, т.е. или

3.9 Пуск асинхронных двигателей.

При пуске а.д. для увеличения пускового момента необходимо увеличивать , а при номинальном режиме для увеличения КПД и cosφ надо иметь меньше, чтобы S_н было равно 1 – 4 % (как отмечалось ранее).

Электротехническая промышленность для тяжёлых условий пуска изготавливает двигатели со специальным короткозамкнутым ротором – это двигатели с двойной беличьей клеткой и двигатели с глубоким пазом специального профиля (рис. 3.14). В этих двигателях из – за эффекта вытеснения тока, ток в стержнях обмотки ротора проходит при пуске по части обмотке, расположенной ближе к зазору, а при номинальном режиме распределяется равномерно по всему сечению обмотки, тем самым имеет место изменение сопротивления ротора.

В двигателях с двойной беличьей клеткой пусковая клетка, находящаяся ближе к зазору, выполняется меньшего сечения, чем рабочая. Иногда пусковую клетку выполняют из латуни или бронзы, а рабочую из – меди.

Для тяжёлых условий пуска в приводах от нескольких кВт до сотен киловатт применяются двигатели с фазным ротором. В этих двигателях фазная обмотка выводится на кольца, к которым при пуске подключается резистор. По мере разгона двигателя сопротивление пускового резистора постепенно уменьшается. Механическая характеристика имеет вид (Рис. 3.20).

Рисунок 3.20 Механическая характеристика асинхронного двигателя с фазным ротором при изменении сопротивления R в цепи ротора

Пусковые резисторы выполняются проволочными, литыми, чугунными и жидкостными.

Резисторы помещают в бак с трансформаторным маслом и рассчитывают на кратковременный режим работы. Жидкостной резистор представляет собой сосуд с электролитом, в который опущены электроды. При изменении глубины погружения электродов изменяется сопротивление резистора. Двигатель пускается с полностью введённым резистором и работает на механической характеристике 1 (Рис. 3.20). При этом М_п ≈ М_max. После того, как двигатель подойдёт к скольжению S ≈ 0,5 ÷ 0,6, закорачивается часть сопротивления резистора. Двигатель переходит на характеристику 2. Затем при S ≈ 0,3 ÷ 0,4 переключается вторая ступень и двигатель переходит на естественную механическую характеристику 3.

После окончания пуска щётки закорачиваются, а пусковой резистор приводится в исходное положение.

Двигатель с фазным ротором дороже двигателей с коротким замкнутым ротором и требует дополнительной пускорегулирующей аппаратуры. В серии 4А двигатели с фазным ротором выполняются на мощности от 5,5 до 400 кВт и частоты вращения от 500 до 1500 об/мин.

Асинхронный двигатель с коротким замкнутым ротором пускают обычно прямым включением на номинальное напряжение.

При пуске крупных асинхронных двигателей для ограничения пусковых токов в цепи статора включают резисторы или реакторы ( ), или автотрансформатор (Рис.3.21).

Рисунок 3.21 Пуск асинхронного двигателя включением в цепь статора: а) реактора; б) автотрансформатора (Ат)

Пусковой ток асинхронного двигателя при включении реактора будет равен:

,

где - индуктивное сопротивление реактора.

За счёт пусковой ток уменьшается до 3 – 4 кратного значения .

Для пуска асинхронный двигатель большой мощности иногда применяется пуск с помощью разгонного двигателя, который жёстко соединён с валом основного двигателя. Если основной двигатель тихоходный, то разгонный двигатель выбирается на частоту вращения на ступень большую. При подходе к синхронной частоте вращения основного двигателя разгонный двигатель отключается, а основной двигатель подключается к сети. Недостаток способа – наличие разгонного двигателя, используемого только при пуске.

При перерыве питание на несколько секунд большинство асинхронных двигателей успевают остановиться. При восстановлении напряжения начнётся самозапуск асинхронного двигателя. Процесс этот является трудным и для двигателей и для сети, т.к. требуется большая реактивная мощность для создания полей в двигателях, и активная мощность для запуска двигателей. При этом часть двигателей может не запуститься, а часть из – за затяжного пуска перегреться. При длительном перерыве питания необходимо асинхронный двигатель отключать от сети.