Механической характеристикой двигателяназывается зависимость частоты вращения ротора от момента на валуn=f(M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, тоM2 ≈M и механическая характеристика представляется зависимостьюn=f(M). Если учесть взаимосвязьs= (n1 -n) /n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатахn и М (рис. 1).
Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя
Естественная механическая характеристика асинхронного двигателясоответствует основной (паспортной) схеме его включения и номинальным параметрам питающего напряжения.Искусственные характеристики получаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.
Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.
Механическая характеристика – это зависимость вращающего момента от скольжения, или, иначе говоря, от числа оборотов:
Из выражения 
видно, что эта зависимость очень сложна, поскольку, как показывают формулы)
, скольжение входит также в выражения дляI2иcosϕ2. Механическая характеристика асинхронного двигателя дается обычно графическиНачальная точка характеристики соответствует n= 0 иs= 1: это первое мгновение пуска двигателя. Величина пускового вращающего моментаMn– очень важная характеристика эксплуатационных свойств двигателя. ЕслиMnмал, меньше номинального рабочего момента, двигатель может запускаться только вхолостую или при соответственно сниженной механической нагрузке.
Обозначим символом Mnpпротиводействующий (тормозной) момент, создаваемый механической нагрузкой на валу, при которой двигатель пускается. Очевидным условием для возможности запуска двигателя является:Mn>Mnp. Если это условие выполнено, ротор двигателя придет в движение, число оборотов егоnбудет возрастать, а скольжениеsуменьшаться. Как видно из изображения выше, вращающий момент двигателя при этом растет отMnдо максимальногоMm, соответствующего критическому скольжениюskp, следовательно, растет и избыточная располагаемая мощность двигателя, определяемая разностью моментовMиMnp.
Чем больше разность между располагаемым моментом двигателя (возможным при данном скольжении по рабочей характеристике) Ми противодействующимМnp, тем легче режим запуска и тем быстрее двигатель достигает установившейся скорости вращения.
Как показывает механическая характеристика, при некотором числе оборотов (при s=skp) располагаемый вращающий момент двигателя достигает максимально возможного для данного двигателя (при данном напряженииU) значенияMт. Далее двигатель продолжает увеличивать скорость вращения, но располагаемый вращающий момент его быстро уменьшается. При каких-то значенияхnиsвращающий момент двигателя становится равным противодействующему: пуск двигателя заканчивается, число оборотов его устанавливается на значении, соответствующем соотношению:
Это соотношение является обязательным для всех нагрузочных режимов двигателя, то есть для всех значений Mnp, не выходящих за пределы максимального располагаемого вращающего момента двигателяМт. В этих пределах двигатель сам автоматически приспосабливается ко всем колебаниям нагрузки: если во время работы двигателя его механическая нагрузка увеличивается, на какое-то мгновениеMnpстанет больше момента, развиваемого двигателем. Обороты двигателя начнут снижаться, а момент увеличиваться.
Скорость вращения установится на новом уровне, отвечающем равенству MиMnp. При снижении нагрузки процесс перехода к новому нагрузочному режиму будет обратным.
Если нагрузочный момент MnpпревыситМт, двигатель сразу остановится, так как с дальнейшим уменьшением оборотов вращающий момент двигателя уменьшается.
Поэтому максимальный момент двигателя Мтназывается еще опрокидывающим или критическим моментом.
Если в формулу момента 
подставить:
и
то получим:
Взяв первую производную от Мпо
и приравняв ее к нулю, найдем, что максимальное значение вращающего момента наступает при условии:
то есть при таком скольжении s=skp, при котором активное сопротивление ротора равно индуктивному сопротивлению
Значения skpу большинства асинхронных двигателей лежат в пределах 10 – 25%.
Если в написанную выше формулу момента вместо активного сопротивления r2подставить индуктивное по формуле
получим:
Максимальный вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату магнитного потока (а значит, и квадрату напряжения) и обратно пропорционален индуктивности рассеяния обмотки ротора.
При постоянстве напряжения, подводимого к двигателю, его поток Фостается практически неизменным.
Индуктивность рассеяния роторной цепи тоже практически постоянна. Поэтому при изменении активного сопротивления в цепи ротора максимальное значение вращающего момента Mтизменяться не будет, но будет наступать при разных скольжениях (с увеличением активного сопротивления ротора – при больших значениях скольжения).
Очевидно, что максимум возможной нагрузки двигателя определяется значением его Mт. Рабочая часть характеристики двигателя лежит в узком диапазоне чисел оборотов отn, соответствующегоMт, до
Номинальный вращающий момент, определяющий значение паспортной мощности двигателя, принимается обычно равным 0,4 – 0,6 от Mт. Таким образом, асинхронные двигатели допускают кратковременные перегрузки в 2 – 2,5 раза.
Основным параметром, характеризующим режим работы асинхронного двигателя, является скольжение s – относительная разность частоты вращения ротора двигателя n и его поля nо: s = (no - n) / no.
Область механической характеристики, соответствующая 0 ≤ s ≤ 1 – область двигательных режимов, причем при s < sкр работа двигателя устойчива, при s > sкр – неустойчива. При s < 0 и s > 1 момент двигателя направлен против направления вращения его ротора (соответственно рекуперативное торможение и торможение противовключением).
Устойчивый участок механической характеристики двигателя часто описывается формулой Клосса, подстановкой в которую параметров номинального режима можно определить критическое скольжение sкр:
,
где: λ = Mkp / Mн – перегрузочная способность двигателя.
Механическая характеристика по данным справочника или каталога приближенно может быть построена по четырем точкам (рис.7.1):
точка 1 – идеальный холостой ход, n = no = 60 f / p, М = 0, где: р - число пар полюсов магнитного поля двигателя;
точка 2 - номинальный, режим: n = nн, М = Мн = 9550 Pн / nн, где Pн – номинальная мощность двигателя в кВт;
точка 3 – критический режим: n = nкр, М = Мкр =λ Мн ;
точка 4 – режим пуска: n = 0, М = Мпуск = β Мн.
При анализе работы двигателя в диапазоне нагрузок до Мн и несколько больше устойчивый участок механической характеристики можно приближенно описать уравнением прямой линии n=n0-вМ, где коэффициент “в” легко определяется подстановкой в уравнение параметров номинального режима nн и Мн.
studfiles.net
В [5] было показано, что при питании цепи якоря двигателя от сети с постоянным напряжением механическая характеристика его описывается уравнением
(13.1)
где 
– сопротивление цепи якоря двигателя;
Ф – магнитный поток двигателя(в общем случае Ф >< Фн ), а электромеханическая характеристика двигателя:
Чтобы получить уравнение механической характеристики двигателя в системе Г-Д необходимо в (13.1) принять вместо UН напряжение генератораUГ, а величинуRрассчитывать с учетом сопротивления обмоток и генератора и двигателя, а также соединительных проводов и щеток обеих машин, то есть
(13.3)
где rягиrяд– сопротивления обмоток якорей генератора и двигателя;
rкгиrкд – сопротивления компенсационных обмоток;
rдгиrдд– сопротивления дополнительных полюсов;
–падение на щетках якоря одной машины;
–ток статической нагрузки двигателя, определяемый по величине статического момента.
Коэффициент 1,1 учитывает сопротивление соединительных проводов между генератором и двигателем.
При практических расчетах все величины сопротивлений в (13.3 ) надо брать в горячем состоянии.
Напряжение генератора U
определяется по выражению:R
R
, (13.4)
где R
r
+r
+r 
+ 
– сопротивление обмоток в якорной цепи генератора.
С учетом (13.3 ) и (13.4) уравнения механической и электромеханической характеристик двигателя в системе Г-Д запишутся следующим образом :
(13.5)
(13.6)
Из этих уравнений следует :
>
.
Таким образом в системе Г-Д по сравнению с электроприводом, питающимся от сети с U=UНи работающим при Ф = ФН ,увеличиваются скорость идеального холостого хода (
) и падение скорости
,то есть механическая и электромеханическая характеристики двигателя в системе Г-Д имеют меньшую жесткость из-за повышенного падения напряжения в цепи якорей. Механические характеристики двигателя в системе Г-Д показаны на рисунке 13.2.
Диапазон регулирования скорости двигателя в системе Г-Д.
В 1-ой зоне регулирования за счет изменения ФГпри ФД=Constможно получить диапазон регулирования скорости внизD1 =10/1.
Во второй зоне регулирования при ФГ =Constи ФД =Varза счет ослабления магнитного потока двигателя можно обеспечить регулирование вверх в диапазонеD2 = 2– 3/1. Верхний предел скорости двигателя ограничены условиями нормальной (без искровой) коммутации.
При неизменной статической нагрузке МСпри ослаблении ФДрастет ток якоря в двигателе, что при чрезмерном ослаблении потока приведет к появлению искрения в коллекторе.
Н
ижний предел регулирования скорости ограничен величиной остаточного напряжения генератора, которое составляет
. Кроме того, при малых напряжениях генератора падение напряжения в якорной цепи становится соизмеримым с напряжением на зажимах генератора, и поэтому работа двигателя становится неустойчивой (даже при не больших колебаниях нагрузки возможны резкие колебания скорости двигателя вплоть до остановки его).
При малых Фг и ЕГна устойчивость работы двигателя сильно влияет также размагничивающее действие реакции якоря генератора.
Таким образом полный диапазон регулирования скорости двигателя в системе Г-Д составит
Преимущества электропривода по системе Г – Д:
Большой диапазон регулирования скорости, удовлетворяющий технологическим требованиям очень большого числа производственных механизмов. Получается такой диапазон регулирования в очень простой схеме разомкнутого электропривода.
Управление всеми процессами пуска, реверса торможения и регулирования скорости двигателя производится в цепях возбуждения электрических машин с небольшими токами, что упрощает и удешевляет аппаратуру. Малая мощность управления дает возможность легче обеспечить автоматизации управления (в том числе и бесконтактного).
3. Небольшие потери мощности при регулировании скорости двигателя.
Недостатки электропривода в системе Г-Д:
Большая (3-х кратная) установленная мощность электрических машин.
Большие капитальные затраты на электрические машины и на строительно-монтажные работы (фундаменты, подвод энергии и ошиновка , вентиляция).
Низкий КПД из-за многократного преобразования электроэнергии в двигателях и генераторе.
Большая крутизна механических характеристик по сравнению с крутизной характеристик отдельного двигателя, питающего от сети с номинальным напряжением.
Большая электромагнитная инерция в обмотках возбуждения двигателя и генератора, что уменьшает быстродействие электропривода.
Последний недостаток (большая инерционность обмоток возбуждения) является основным недостатком систем Г-Д, благодаря которому они не выдержали конкурентной борьбы с малоынерционными системами на базе вентильных преобразователей энергии, как это будет показано далее.
Применяемые в настоящее время системы Г-Д – это компромисс классических систем, существующих с начала 20-го века, с современными системами электропривода, использующими вентильные преобразователи. Это системы Г-Д с вентильным возбуждением генератора и двигателя, в которых при большой мощности главных машин можно не применять каскад электромашинных возбудителей и этим несколько уменьшить инерционность и повысить быстродействие.
studfiles.net
Для правильного и экономичного использования электродвигателей необходимо выявить механических характеристик двигателя характеристике производственного механизма.
Зависимость между приведенными к валу двигателя скоростью и моментом сопротивления механизма 
называют механической характеристикой производственного механизма.
Различные производственные механизмы обладают различными механическими характеристиками. Однако можно выделить отдельные категории механизмов на основании вида механической характеристики. Общий вид характеристики
,
где 
– момент сопротивления производственного механизма при скорости 
; 
– момент сопротивления трения в движущихся частях механизма; 
– момент сопротивления при номинальной скорости 
; x – показатель скорости.
1. Не зависящая от скорости механическая характеристика (прямая 1 на рис. 2.8, а). показатель степени 
и момент не зависит от скорости. Такой характеристикой обладают подъемные краны, лебедки, механизмы подач металлорежущих станков, поршневые насосы при неизменной высоте подачи. Сюда же можно отнести механизмы, у которых основным моментом сопротивления является момент трения.
2. Линейно-возрастающая механическая характеристика (прямая 2 на рис. 2.8, а) В этом случае 
и момент сопротивления линейно зависит от скорости . Главный привод некоторых станков.
3. Параболическая механическая характеристика (кривая 3 на рис. 2.8, а). Этой характеристике соответствует 
. Механизмы, обладающие такой зависимостью, называют механизмы с чисто-вентиляторной нагрузкой. Сюда относят центробежные насосы, гребные винты.
4. Нелинейно-спадающая механическая характеристика (кривая 4 на рис. 2.8, а). При этом 
и момент сопротивления 
изменяется обратно-пропорционально скорости, а мощность потребляемая механизмом остаётся постоянной. В эту группу относят некоторые токарные, расточные, фрезерные станки, моталки в металлургическом производстве.
Существуют механизмы и с промежуточными характеристиками.
Механической характеристикой электродвигателя называют зависимость его угловой скорости от вращающего момента 
. Наиболее распространённые виды характеристик двигателей представлены на рис. 2.8, б.
 |  |
| а | б |
| Рис. 2.8. Механические характеристики производственных механизмов (а) и электродвигателей (б) |
Механическая характеристика характеризуется жесткостью. Под жесткостью понимают отношение приращения момента к приращению скорости, которое было вызвано приращением момента. Жесткость механической характеристики показывает, как (насколько) изменяется скорость двигателя (механизма) при изменении момента на валу двигателя (статического момента). В общем случае жесткость 
вычисляется по формуле
.
Для линейных механических характеристик производные могут быть заменены приращениями
.
Механические характеристики двигателей в зависимости от жесткости могут быть разделены на следующие категории:
1. Абсолютно жесткая механическая характеристика ( 
) – скорость при изменении момента остаётся неизменной. Такой характеристикой обладают синхронные двигатели (прямая 1 на рис. 2.8, б).
2. Жесткая механическая характеристика. Скорость двигателя уменьшается не значительно при изменении момента. Такой характеристикой обладают двигатели постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ с НВ). И асинхронные двигатели (АД) в пределах рабочей характеристики (прямая 2 и кривая 3 на рис. 2.8, б).
3. Мягкая механическая характеристика – при изменении момента значительно меняется скорость (кривая 3 на рис.2.8, б). Такой характеристикой обладают ДПТ с последовательным возбуждением, особенно в зоне малых моментов.
4. Абсолютно мягкая механическая характеристика ( 
) – такая характеристика, при которой момент двигателя при изменении скорости остаётся неизменным. Такими характеристиками обладают замкнутые САР тока при работе в режиме ограничения тока якоря.
Асинхронный двигатель обладает механической характеристикой с переменной жесткостью.
poznayka.org
