2 Статичні та динамічні сили і моменти, що діють у системі електропривод — робоча машина
Механічна частина системи електропривод — робоча машина складається з ротора (якоря, електродвигуна, механічного передавального пристрою (системи передач) і виконавчого органу робочої машини, зв’язаних між собою кінематично.
Залежно від режиму роботи електродвигуна його ротор (якір) може бути джерелом або споживачем механічної енергії.
Механічний передавальний пристрій передає механічну енергію від електродвигуна до виконавчого органу робочої машини і навпаки. Крім того, за допомогою механічного передавального пристрою відбувається перетворення механічної енергії: обертальний рух перетворюється в поступальний або зворотно-поступальний, збільшується або зменшується швидкість руху і т.д. Механічними передавальними пристроями є ланцюгові, пасові, зубчасто-рейкові та інші передачі, редуктори, муфти, шатунно-кривошипні механізми та ін.
Виконавчий орган робочої машини реалізує підведену до нього механічну енергію в корисну роботу, являючись таким чином споживачем механічної енергії. Іноді він може бути і джерелом механічної енергії, віддаючи, наприклад, на вал електродвигуна енергію, запасену обертовими частинами, піднятим вгору вантажем тощо.
Робота, яку виконує електродвигун або виконавчий орган робочої машини, визначається з рівняння:
при обертовому русі:
при поступальному:
де М — обертовий момент, Нм; — кутова швидкість, рад/с; F — сила, Н; — лінійна швидкість, м/с; t — час, с.
Механічна потужність визначається як похідна роботи за часом і при обертовому русі становить:
при поступальному русі:
Сили і моменти, що розвиваються двигун ним пристроєм (обертовим або лінійним електродвигуном), можуть бути рушійними або гальмівними. Рушійними вони бувають у двигунному режимі роботи, коли двигун приводить у рух виконавчий орган робочої машини, а гальмівними — у гальмівних режимах, коли виконавчий орган робочої машини є джерелом механічної енергії.
Сили і моменти статичних опорів, створюваних виконавчими органами робочої машини, поділяються на реактивні і активні.
Реактивними називають сили і моменти статичних опорів, які виникають внаслідок руху як протидія механічної ланки на рух. До них належать сили і моменти, зумовлені тертям, опором матеріалу при обробці різанням, опором потоку повітря у вентиляторах або рідини у насосах і т.п. Реактивні сили і моменти завжди спрямовані проти руху і при зміні напрямку руху змінюють свій знак (рис. 1.1). Елементи механічної системи, які створюють реактивні сили і моменти, можуть бути тільки споживачами енергії.
Активні сили і моменти статичних опорів створюються сторонніми джерелами механічної енергії і виникають у механічній системі незалежно від її руху. До них належать сили і моменти, зумовлені тяжінням, стисканням, розтягуванням і скручуванням пружних тіл, силою вітру чи потоку падаючої води. Напрямок дії активних сил і моментів не залежить від напрямку руху і при зміні останнього вони зберігають свій знак (рис. 1.1). Джерело активної сили або моменту може споживати або віддавати механічну енергію. Так, вантаж, переміщуваний підйомником, при підніманні споживає механічну енергію від електродвигуна, а при опусканні віддає її електродвигунові, внаслідок чого останній працює в гальмівному режимі.
Рис. 1.1 Залежність статичних
активних і реактивних сил та моментів
від напрямку обертання
Всі елементи механічної системи електропривод — робоча машина мають певну масу, значить, і відповідну інертність. Завдяки інертності при переході системи від одного усталеного стану до іншого виникають динамічні сили або моменти, дія яких перешкоджає зміні стану системи. Всяке порушення усталеної швидкості системи супроводжується зміною запасеної в ній кінетичної енергії. Так, при розгоні рухомі елементи накопичують кінетичну енергію, а при уповільненні руху віддають її. Тому при стрибкоподібній зміні сили чи моменту двигуна та сил або моментів статичних опорів система не може миттєво перейти від одного усталеного стану до іншого. Детальніше про це йдеться при розгляді рівнянь руху електропривода та перехідних режимів.