Понятие о электромеханических и механических характеристиках электродвигателей, их жесткости и режимы работы ЭМП.

В электрическом двигателе осуществляется связь механического движения привода и механизма с электрическими процессами в системе управления приводом и наоборот, которая объединяет механическую и электрическую часть электропривода в единую электромеханическую систему. Различные проявления этой связи называют электромеханической связью.

Представим уравнения электрического равновесия в следующем виде (после подстановки L и дифференцирования):

.

Здесь ; второй член уравнения – результирующая ЭДС самоиндукции и взаимной индукции вызванная изменением токов в обмотках в результате вращения ротора.

ЭДС вращения зависит от скорости движения ротора. Изменение этой скорости, вызванное процессами механической части эл.привода, вызывает изменение токов в обмотках. Это явление и представляет собой электромеханическую связь, вследствие которой при питании двигателя от источника напряжения существует зависимость токов силовой цепи электропривода от его скорости. Т.к. токи i_i благодаря этой связи зависят от скорости ротора двигателя, то и его электромагнитный момент М также зависит от скорости. Связь эта характеризуется зависимостями:

или

или

Первые зависимости являются электромеханическими, а вторые – механическими характеристиками двигателя.

Уравнения электрического равновесия, записанные выше для U_i, выражают связь между функциями и в динамических процессах электромеханического преобразования энергии и представляет собой обобщенное математическое описание эл.механических характеристик двигателя во всех режимах работы. Поэтому они являются уравнениями электромеханической характеристики двигателя.

Если эти уравнения дополнить уравнением электромагнитного момента двигателя, то полученная система уравнений является обобщенным математическим описанием механических характеристик двигателя во всех режимах работы. Поэтому они являются уравнениями механической характеристики.

В зависимости от режима работы электромеханические и механические характеристики разделяются на статические и динамические. Статические характеристики соответствуют статическим (установившимся) режимам работы, а динамические – динамическим. Уравнения статических характеристик получаются из общих уравнений динамики (для U_i и М) путем подстановки в них условий, соответствующих статическим режимам.

Графически динамическая механическая характеристика представляет собой геометрическое место точек на плоскости (w, М), каждая из которых соответствует определенному моменту времени. Статическая механическая характеристика представляет собой геометрическое место точек на плоскости (w, М), соответствующих установившемуся режиму работы. В качестве примера на рис. изображены статическая и динамическая механические характеристики асинхронного двигателя (для режима пуска) в холостую.

При изменении нагрузки на валу двигателя скорость его изменяется. Величиной, характеризующей степень ее изменения, является жесткость механической характеристики.

Статическая жесткость характеристики определяется как отношение приращения момента к приращению скорости, т.е. . Понятием жесткости оценивается форма механической характеристики. Это понятие применимо и для оценки формы механической характеристики производственных механизмов. Графически жесткость определяется ctg угла наклона между касательной к характеристике и осью моментов, т.е. или

g отсчитывается по часовой стрелке. Здесь m_w и m_м – масштабы скорости и момента. Статические характеристики могут иметь положительную и отрицательную жесткость. Если при увеличении нагрузки скорость уменьшается – жесткость характеристики отрицательна и наоборот.

Статические электромеханические и механические характеристики не позволяют судить о электромеханических свойствах двигателя и электропривода в динамических режимах, т.к. жесткая и даже абсолютно жесткая статическая характеристика в в установившемся динамическом режиме работы электропривода превращается в мягкую или имеющую переменную жесткость. Поэтому для суждения о жесткости механической характеристик двигателя или электропривода в динамических режимах используется понятие динамической жесткости. Модуль динамической жесткости определяется как отношение амплитуд установившихся гармонических колебаний момента и угловой скорости относительно средних значений. при _Dw_g ®0.

В операторной форме:

Это выражение свидетельствует о том, что bg представляет собой передаточную функцию ЭМП, если входным параметром принять скорость двигателя w(r), а выходным – электромагнитный момент М(r).

Рассмотрим теперь возможные режимы работы ЭМП и ограничения, накладываемые на протекание этих режимов.

Основным режимом работы ЭМП и двигателя является двигательный при котором мощность Р_с, потребляемая из сети, в основном преобразуется в механическую Р_мех, а остальная часть _DР теряется в виде тепла в обмотках и стали машины.

К тормозным режимам относятся режимы:

а) рекуперативного торможения;

б) противовключение;

в) динамического торможения.

Все тормозные режимы являются генераторными.

В режиме рекуперативного торможения Р_мех, поступающая с вала механизма, преобразуется в электрическую и отдается в сеть за исключением потерь _DР в стали и обмотках.

В режиме противовключения электромагнитный момент двигателя действует против направления вращения ротора (якоря) двигателя. При Этом двигатель потребляет мощность Рс из сети и с вала механизма Р_мех и вся она теряется в виде тепла в сопротивлениях двигателя и стали.

В режиме динамического торможения двигатель отключен от сети и работает автономным генератором. Вся механическая мощность Р_мех, поступающая с вала механизма, преобразуется в электрическую и рассеивается в виде тепла в обмотках и стали машины.

Процессы электромеханического преобразования энергии сопровождаются потерями энергии, вызывающими нагрев машины, повышение температуры нагрева. Максимально допустимая t° нагрева двигателя ограничивается теплостойкостью изоляции его обмоток, т.к. превышение допустимой t° резко сокращает срок службы изоляции. Поэтому одно из ограничений, накладываемых на процесс электромеханического преобразования энергии – ограничение по нагреву. Нагрузка двигателя по току, мощности, моменту не должна превышать значений, при которых рабочая t° двигателя может превышать допустимую t°. Допустимая по нагреву нагрузка двигателя называется номинальной и указывается в паспортных и каталожных данных. К числу номинальных данных относятся: P_H, I_H, U_H, f_H, w_H, h_H, cosj_H.

Ограничения по нагреву не исключают возможности кратковременной перегрузки двигателя, т.е. превышения номинальной нагрузки, т.к. за время кратковременной перегрузки t° двигателя заметно измениться не может.

Различают перегрузочную способность двигателя по току l_I и по моменту l_М:

: , где

М_доп, I_доп, М_н, I_н – максимально допустимые и, соответственно, номинальные момент и ток.

Перегрузочная способность двигателей постоянного тока ограничивается условиями коммутации с т.з. допустимой степени искрения и скорости изменения тока якоря . Перегрузочная способность двигателей переменного тока ограничивается наибольшим моментом, который машина способна развить при номинальном напряжении, номинальной частоте и номинальном возбуждении (для синхронных машин).

Перегрузочная способность двигателей постоянного тока общего назначения по моменту не должна быть меньше 2, 5. Для крановых и металлургических двигателей постоянного тока в зависимости от способа возбуждения и мощности l_М находится в пределах 2, 5¸ 5, 5.

Перегрузочная способность двигателей постоянного тока по току составляет 1, 5¸ 3, 6, а для двигателей с гладким якорем 6¸ 8.

Перегрузочная способность асинхронных двигателей при U_H и f_H ограничивается величиной критического момента. Для к.з. двигателей общепромышленного применения l_М=1, 7¸ 2, 2, для двигателей с фазным ротором l_М=1, 7¸ 4, а для крановых и металлургических двигателей более 2, 3 и дается в справочниках и каталогах. Учитывая возможное понижения напряжения сети до 0, 9U_Н, при расчетах следует брать l_М=0, 8l_М.

Мгновенная перегрузочная способность синхронных двигателей по моменту обычно равна l_М=2, 5¸ 3, а за счет форсировки возбуждения может быть доведена до l_М=3, 5¸ 4.