Типовые статические нагрузки электропривода. Статическая устойчивость. Электромеханические и механические характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения

Лекция 2

Цель: изучить силы и моменты, действующие в электроприводе, статические характеристики ДПТ НВ

Механическая характеристика исполнительного механизма – зависимость М_с=f(ω).

Активными силами и моментами называются силы и моменты, создаваемые внешними по отношению к двигателю источниками механической энергии независимо от движения электропривода. Пример – момент, создаваемый весом опускаемого или поднимаемого груза (рисунок 1). Момент сопротивления при этом равен

,

и направлен вниз, независимо от направления вращения вала двигателя. Величина М_С не зависит от скорости Рисунок 2.1 перемещения груза.

Реактивными силами и моментами называются силы и моменты сопротивления движению, возникающие как реакция на активный движущий момент, развиваемый двигателем. Реактивные силы и моменты зависят от скорости и подразделяются на силы и моменты сухого трения, вязкого трения и силы и моменты вентиляторного типа.

Силы и моменты сухого трения (рисунок 2.2) неизменны по модулю, но скачком меняют свой знак при изменении знака скорости: . Они характерны для станочных приводов подачи, вентилей, дросселей и т.д. На рисунке 2.3 изображен нагрузочный момент вязкого трения, характеризующийся линейной (или близкой к ней) зависимостью величины от скорости -

Зависимость нагрузочного момента от угловой скорости вентилятора, центробежного насоса, центрифуги имеет вид, показанный на рисунке 2.4, называется вентиляторным и описывается формулой , где n = 1,5…2.5.

Механическая характеристика электродвигателя – зависимость М=f(ω). Из курса «Электрические машины» знаем, что механичекие характеристики ЭД (рисунок 5) могут быть абсолютно жесткими (1- синхронный ЭД), жесткими (3 – двигатель постоянного тока независимого возбуждения и 2 – асинхронный двигатель на рабочем участке) и мягкими (4 - двигатель постоянного тока последовательного возбуждения). Абсолютной жесткостью характеристики называется отношение приращения момента к приращению скорости

.

Движение привода в установившемся режиме может быть устойчивым или неустойчивым. В первом случае при случайно возникшем отклонении ω от ω_УСТ привод возвратится в точку установившегося режима. При неустойчивом движении любое, даже самое малое отклонение ω от ω_УСТ, приводит к изменению состояния: привод не вернется в точку установившегося режима. В качестве примера рассмотрим работу асинхронного электропривода на механизм с моментом сопротивления М_С. Пусть при работе в точке «а» по какой – либо причине ω < ω_УСТ. Тогда в соответствии с механическими характеристиками М > М_С возникает положительный динамический момент М_ДИН = М – М_С > 0, которому соответствует положительное ускорение dω/dt > 0, и система возвращается в точку установившегося режима – движение устойчиво.

Если при работе в точке «а» ω < ω_УСТ, М < М_С, М_ДИН = М – М_С < 0, ускорение dω/dt < 0 и система возвращается в точку установившегося режима – движение устойчиво.

Если при работе в точке «b» ω > ω_УСТ, М > М_С, М_ДИН = М – М_С > 0, ускорение dω/dt > 0, скорость становится еще выше. Если при работе в точке «b» ω < ω_УСТ, М < М_С, М_ДИН = М – М_С < 0, ускорение dω/dt < 0 и скорость становится еще ниже. Таким образом, работа системы в точке «b» статически неустойчива.

Электромеханические и механические характеристики двигателей постоянного тока независимого возбуждения (ДПТ НВ)

Электромеханические и электромагнитные процессы в ДПТ НВ (рисунок 1) описываются уравнениями электрического равновесия (Кирхгофа) цепей якоря и обмотки возбуждения, а также уравнением электромагнитного момента:

(2.1)

Из совместного решения системы уравнений (2.1) получаем уравнение электромеханической характеристики ω = f(I)

(2.2)

и уравнение механической характеристики ω = f(M)

. (2.3)

В установившемся режиме работы привода

,

и уравнения 2, 3 приобретают вид

(2.4)

(2.5)

Характеристики, построенные при номинальных значениях напряжения и потока и R_доб = 0, называются естественными, при U_Я ≠ U_Н, Ф ≠ Ф_Н или R_доб ≠ 0 – искусственными электромеханическими или механическими характеристиками. Характерными точками электромеханической характеристики (рисунок 2) являются точки идеального холостого хода (I = 0, ω = ω₀ = U_Н/kФ_Н), короткого замыкания (I = I_К = U_Н/R_ЯΣ, ω = 0) и номинального режима (I_Я = I_Н, ω = ω_Н). По любой паре из этих координат можно построить характеристику.

Используя введенные значения жесткости характеристик

; (2.6)

можно записать следующие выражения для электромеханических и механических характеристик:

; ; (2.7)

Режимы работы привода, приведенные на рисунке 2, поясняются ниже.

В двигательном режиме работы (рисунок 3) ЭД потребляет энергию из электрической сети и передает на вал механическую энергию. В режиме противовключения (рисунок 4) ЭД потребляет энергию, накопленную механизмом, и рассеивает в элементах двигателя и добавочных сопротивлениях. В режиме рекуперативного (генераторного) торможения (рисунок 5) ЭД потребляет энергию, накопленную механизмом, и передает ее в электрическую сеть.