1.9. Механические характеристики рабочих машин

Одним из основных вопросов, решаемых конструктором при проектировании электропривода, является расчет и выбор мощности электродвигателя. Полную картину о рабочей машине дают приводные характеристики, в том числе и механическая [7].

Механическая характеристика рабочей машины есть зависимость момента сопротивления на валу М_с от скорости вращения , или зависимость усилия F_с от поступательной скорости V_м.

Механические характеристики используются при анализе переходных процессов, качества регулирования скорости, определении возможности пуска и устойчивой работы двигателя, для построения нагрузочных диаграмм.

Характер изменения момента сопротивления от скорости зависит от вида производственного механизма:

, (1.29)

где М_с - момент сопротивления рабочей машины, соответствующий скорости ; М₀ - момент, не зависящий от скорости; М_сн - момент, соответствующий номинальной скорости _мн; х - показатель степени, характеризующий изменение момента от скорости.

Моменты М₀, М_сн в уравнении механической характеристики для каждой рабочей машины имеют свои значения. Показатель степени х теоретически может изменяться от минус бесконечности до плюс бесконечности. Для реальных механизмов производства показатель х имеет вполне определенное значение. Рассмотрим уравнение механических характеристик некоторых машин, применяемых в с.-х. производстве (рис.1.4).

1) х = 0. В этом случае

.

Момент сопротивления рабочей машины не зависит от скорости и остается постоянным. Подобные характеристики имеют подъемно-транспортные механизмы: лебедки, лифты, транспортеры и т.д. На рис. 1.4 приведена механическая характеристика для х = 0 навозоуборочного транспортера;

Рис. 1.4. Механические характеристики рабочих машин:

транспортера (1), генератора постоянного тока (2),

центробежного вентилятора (3), зерновой нории (4)

2) х = 1. В этом случае

,

где .

Следовательно, момент на валу рабочей машины линейно меняется от скорости. Подобные характеристики свойственны генератору постоянного тока, работающему на постоянное сопротивление;

3) х = 2. Выражение (1.29) перепишем в следующем виде:

,

где

Это характеристика центробежного вентилятора, насоса, сепаратора молока, молотильного барабана и т.д. При х = 2 характеристику называют вентиляторной;

4) х = -1. Выражение механической характеристики

,

где

Подобные характеристики у металлорежущих станков (токарных, расточных, фрезерных) и зерновых норий под нагрузкой.

1.10. Мощность на валу рабочей машины

Иногда необходимо знать характер изменения не только момента, но и мощности на валу рабочей машины и электродвигателя. Рассмотрим те же самые частные случаи (рис.1.5), полагая, что М₀=0.

1) х = 0. Тогда

Мощность на валу рабочей машины изменяется линейно от скорости;

2) х = 1. В этом случае

С ростом ω мощность увеличивается пропорционально квадрату скорости;

3) х = -1. При этом

Следовательно, с ростом скорости мощность на валу рабочей машины остается постоянной;

4) х = 2. В этом случае

Рис.1.5. Графики изменения мощности рабочих машин от угловой скорости: 1 – х = 0; 2 – х = 1; 3 – х = 2; 4 – х = -1

Мощность, потребляемая рабочей машиной, растет пропорционально третьей степени изменения скорости. Во время замены электродвигателей вентиляторов и центробежных насосов (в вентиляционных и водоснабжающих установках) необходимо помнить о кубической зависимости мощности от скорости.

В качестве примера рассмотрим такой случай. Для привода вентилятора системы микроклимата производственного помещения установлен асинхронный двигатель 4А90LВ8УЗ, имеющий Р_н =1,1 кВт и n₀ = 750 об/мин. Двигатель вышел из строя, и его сняли в ремонт. На замену другого двигателя с близкой скоростью и мощностью нет, есть двигатели с большей скоростью. Какой мощности двигатель в этом случае необходимо установить? Если установим электрический двигатель с синхронной скоростью 1000 об/мин, то скорость вращения вентилятора возрастет примерно в 1000:750 = 1,3 раза, а мощность, потребляемая вентилятором, увеличится в 1,3² = 2,2 раза. Следовательно, необходим двигатель мощностью 1,1 * 2,2 = 2,42 кВт или ближайший больший 4А112МА6УЗ, имеющий Р_н = 3 кВт, S_н = 4,7%.

Следует отметить, что квадратичная зависимость момента и кубическая зависимость мощности справедливы при постоянстве КПД вентилятора или насоса. А это наблюдается при небольших изменениях скорости. В случае существенного изменения скорости эта зависимость нарушается и рост мощности, потребляемой рабочей машиной, будет несколько ниже.

Если механическая характеристика рабочей машины не подходит к рассмотренным частным случаям, эту характеристику разбивают на несколько отрезков, в которых х будет равен 0; 1; -1; 2. Последовательно меняя х и пределы изменения скорости, можно проводить аналитические исследования электропривода.