15. Механическая и угловая характеристики сд.

С инхронные двигатели, если они работают при постоянной частоте с неизменной угловой скоростью, при­меняются для приводов, не требующих регулирования ско­рости. К таким приводам относятся: компрессоры холодильные машины, камнедробилки и т. п. Основное до­стоинство синхронного двигателя, заключающееся в воз­можности работать с высоким коэффициентом мощности, приводит к Все более широкому применению этого двига­теля.

Угловая скорость синхронного двигателя (рис. 3.38, б) при работе в установившемся режиме с возрастанием на­грузки на валу до определенного значения, не превышаю­щего максимального момента М_тах, остается строго посто­янной и равна синхронной угловой скорости: .

Поэтому механическая характеристика его имеет вид прямой линии, параллельной оси абсцисс. Если момент нагрузки превышает М_тах, то двигатель может выпасть из синхронизма и показанная на рис. 3.38, б зависимость ω от М нарушится.

Современные синхронные двигатели имеют в роторе, кроме нормальной рабочей обмотки, питаемой постоянным током, еще и специальную пусковую короткозамкнутую обмотку. С помощью этой обмотки двигатель пускается в ход как асинхронный, и поэтому в пусковых режимах он обладает асинхронной характеристикой. На рис. 3.39 представлены две пусковые характеристики синхронного двигателя, одна из них 1 соответствует пуску с понижен­ным начальным пусковым моментом M_П1 и значительным «входным» моментом M_B1, под которым понимается момент, развиваемый при скорости, равной 0,95 со₀. При этой ско­рости возможно вхождение двигателя в синхронизм после включения постоянного тока в обмотку возбуждения.

Если пусковая клетка имеет увеличенное активное со­противление, то начальный пусковой момент М_П2 будет больше, чем в предыдущем случае, а входной момент М_1Л уменьшится (кривая 2 на рис. 3.39). Выбор одной из двух указанных пусковых характеристик зависит от моментов сопротивления, которым обладают производственные меха­низмы.

При пульсации нагрузки на валу двигателя в установив­шемся режиме значение мгновенной скорости колеблется около среднего значения. Эти колебания происходят за счет изменения угла между напряжением и ЭДС синхронной машины. Колебания скорости имеют практическое значение при работе синхронного двигателя на пульсирующую на­грузку, например на поршневой компрессор. Для решения вопроса об устойчивой работе двигателя в таких случаях необходимо знать зависимость момента М от угла 0 между напряжением и ЭДС. Этому углу 0 соответствует простран­ственный угол сдвига между осью результирующего поля машины и осью полюсов (пространственный угол в р раз меньше угла о).

Зависимость момента синхронной машины от угла 0 носит название угловой характеристики.

Для нахождения уравнения угловой характе­ристики обратимся к упрощенной векторной диаграмме неявнополюсной машины, представленной на рис. 3.40.

16. Основные показатели регулирования скорости вращения электроприводов.

Основными показателями, характеризующими различ­ные способы регулирования скорости электроприводов, являются: 1) диапазон регулирования; 2) плавность; 3) экономичность; 4) стабильность скорости; 5) направле­ние регулирования скорости (уменьшение или увеличение ее относительно основной скорости); 6) допустимая нагрузка при различных скоростях.

Диапазон регулирования угловой скорости определя­ется отношением возможных установившихся скоростей: максимальной ω_МАХ к минимальной ω_МИН: при заданной точности регулирования (с заданным статиче­ским падением скорости электропривода) для установленных пределов изменения момента нагрузки и других возмуще­ний.

Плавность регулирования характеризует скачок ско­рости при переходе от данной скорости к ближайшей воз­можной. Плавность тем выше, чем меньше этот скачок. Число скоростей, получаемых в данном диапазоне, определяется плавностью регулирования. Ее можно оценить коэффициен­том плавности регулирования, который находится как отношение двух соседних значений угловых скоростей при регулировании:

П лавность регулирования во многих случаях определяет качество продукции. В практике электропривода наимень­шей плавностью регулирования обладают двухскоростные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. Высокая плавность регулирования угловой скорости достигается, например, в двигателе постоянного тока неза­висимого возбуждения при регулировании изменением по­тока или подводимого к якорю двигателя напряжения.

Экономичность регулирования характеризуется затра­тами на сооружение и эксплуатацию электропривода.

Необходимо отметить, что экономически выгодным ока­зывается такой регулируемый электропривод, который обес­печивает большую производительность приводимого им в действие механизма при высоком качестве технологиче­ского процесса и сравнительно быстро окупается.

П ри оценке экономичности регулируемого электропри­вода следует принимать во внимание надежность его в экс­плуатации, а также учитывать дефицитность материалов и оборудования, затрачиваемых на сооружение того или иного привода. Существенное значение имеют потери энергии в процессе регулирования. Потери мощности ∆Р, возникаю­щие при регулировании скорости, определяют КПД при­вода:

Стабильность угловой скорости характеризуется изме­нением угловой скорости при заданном отклонении момента нагрузки и зависит от жестко­сти механической характеристи­ки; она тем выше, чем больше жесткость характеристики. Если при регулировании угловой скорости жесткость ха­рактеристики изменяется, то и отклонение скорости от заданной тоже будет изменяться. На рис. 4.1 приведены две характеристики двигателя посто­янного тока параллельного возбуждения при регулирова­нии угловой скорости введением резисторов в цепь якоря.

Е сли при этом момент сопротивления М_с остается неиз­менным, то двигатель, работавший ранее с угловой ско­ростью ω₁, будет после введения дополнительного резистора в цепь якоря работать с угловой скоростью ω₂. Однако при наличии изменений нагрузочного момента в некоторых пределах (± ∆М) угловая скорость двигателя не остается постоянной, она изменяется относительно средних значе­ний ω₁или ω₂. Отклонения угловой скорости ∆ω, вызван­ные изменениями нагрузки, будут тем больше, чем меньше жесткость характеристики. Это обстоятельство во многих случаях ограничивает диапазон регулирования скорости.

Направление регулирования скорости, т. е. уменьше­ние или увеличение ее по отношению к основной скорости, зависит от способов регулирования. Основная угловая скорость, например, двигателя по­стоянного тока независимого возбуждения соответствует номинальным значениям напряжения и магнитного потока. Эта скорость получается в том случае, когда в цепях двига­теля мет никаких внешних резисторов, т. е. точка ш_осн находится на естественной механической характеристике.

Различают однозонное регулирование вниз от основной скорости, однозонное регулирование вверх от основной ско­рости и двухзонное регулирование, когда имеется возмож­ность получать характеристики выше и ниже естественной,

При регулировании с помощью резисторов в цепи якоря двигателя постоянного тока или в цепи ротора асинхрон­ного двигателя угловая скорость в двигательном режиме при данной нагрузке по мере увеличения сопротивления резисторов уменьшается. Это означает, что регулирование изменением сопротивления резисторов может быть осуще­ствлено только вниз по отношению к основной скорости.

Напротив, регулирование уменьшением магнитного по­тока ведет в пределах нормальных нагрузок к увеличению угловой скорости, т. е. в этом случае осуществляется однозонное регулирование вверх от основной скорости.

Допустимая нагрузка двигателя, т. е. наибольшее значение момента, который двигатель способен развивать длительно при работе па регулировочных характеристиках, определяется нагревом двигателя и для разных способов регулирования будет различной.

Изменение нагрузочного момента в зависимости от ско­рости у различных производственных механизмов различно. Например, многие механизмы требуют регулирования при постоянном моменте. К ним относятся: подъемные краны, лебедки, некоторые прокатные станы и т. п. С другой сто­роны, существуют механизмы, у которых регулирование скорости производится с постоянной мощностью. В ка­честве примеров подобного механизма можно привести токарный станок, у которого в процессе обработки данной детали желательно поддержание постоянства линейной скорости (или скорости резания) и усилия резания. При этих условиях произведение скорости резания на усилие даст постоянство мощности. Поддержание постоянства скорости резания достигается плавным регулированием угловой скорости электропривода.

Принципиально путем выбора соответствующей мощ­ности двигателя можно удовлетворить любому изменению нагрузочного момента или мощности при регулировании скорости. Однако в таком случае регулирование угловой скорости двигателя может оказаться неэкономичным, так как двигатель на разных угловых скоростях будет исполь­зован неодинаково и при работе на некоторых из них будет недогружен.

Недогрузка двигателя ведет к ухудшению эксплуата­ционных показателей привода, так как при этом умень­шается КПД двигателя, а при переменном токе, кроме того, уменьшается и коэффициент мощности. Желательно поэтому применять такой способ регулирования, при кото­ром двигатель был бы по возможности полностью загру­жен при всех угловых скоростях.

Допустимая нагрузка двигателя ограничивается сте­пенью его нагрева. Степень нагрева в свою очередь зави­сит от потерь энергии в двигателе, а последние опре­деляются главным образом током, потребляемым двига­телем.