Charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych i mechanizmów ich wytwarzania

Podczas projektowania napędu elektrycznego należy tak dobrać silnik elektryczny, aby jego charakterystyka mechaniczna odpowiadała charakterystyce mechanicznej mechanizmu produkcyjnego. Charakterystyki mechaniczne określają zależność zmiennych w stanie ustalonym.

Mechaniczna charakterystyka mechanizmu nazywana jest zależnością prędkości kątowej od momentu oporu mechanizmu, zredukowanego do wału silnika) ω = f (Mc).

Ryż. 1. Charakterystyka mechaniczna mechanizmów

Wśród całej różnorodności istnieje kilka charakterystycznych typów właściwości mechanicznych mechanizmów:

1. Charakterystyka z momentem oporu niezależnym od prędkości (linia prosta 1 na rys. 1). Charakterystykę mechaniczną niezależną od prędkości rysuje się jako linię prostą równoległą do osi obrotu, w tym przypadku pionową. Taką charakterystykę posiadają np. dźwigi, wciągarki, pompy tłokowe o stałej wysokości podawania itp.

2.Charakterystyka z momentem oporu liniowo zależnym od prędkości (wiersz 2 na rys. 1). Zależność ta jest nieodłącznym elementem np. napędu niezależnie wzbudzonej prądnicy prądu stałego pracującej przy stałym obciążeniu.

3. Charakterystyka z nieliniowym wzrostem momentu obrotowego (krzywa 3 na rys. 1). Typowymi przykładami są działanie wentylatorów, pomp odśrodkowych, śmigieł. Dla tych mechanizmów moment Mc zależy od kwadratu prędkości kątowej ω... Jest to tzw paraboliczna (wentylatorowa) charakterystyka mechaniczna.

4. Charakterystyka z nieliniowo malejącym momentem oporu (krzywa 4 na rys. 1). Tutaj moment oporu jest odwrotnie proporcjonalny do prędkości obrotowej. W tym przypadku moc pozostaje stała w całym zakresie prędkości pracy mechanizmu. Na przykład w mechanizmach ruchu głównego niektórych maszyn do cięcia metalu (toczenie, frezowanie, wiercenie) moment Mc zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do ω, a moc pobierana przez mechanizm pozostaje stała.

Charakterystykę mechaniczną silnika elektrycznego nazywamy zależnością jego prędkości kątowej od momentu obrotowego ωd = f (M). W tym miejscu należy pamiętać, że moment M na wale silnika, niezależnie od kierunku obrotów, ma znak dodatni — moment ruchu. Jednocześnie moment oporu Mc ma znak ujemny.

Jako przykłady, ryc. 2 przedstawia charakterystykę mechaniczną: 1 — silnik synchroniczny; 2 — silnik prądu stałego z niezależnym wzbudzeniem; 3 — Silnik prądu stałego ze wzbudzeniem szeregowym.

Ryż. 2. Charakterystyki mechaniczne silników elektrycznych

Do oceny właściwości charakterystyk mechanicznych napędu elektrycznego stosuje się pojęcie sztywności charakterystycznej.Sztywność charakterystyki mechanicznej jest określona przez wyrażenie

β = dM / dω

gdzie dM — zmiana momentu obrotowego silnika; dωd — odpowiednia zmiana prędkości kątowej.

Dla charakterystyk liniowych wartość β pozostaje stała, dla nieliniowych zależy od punktu pracy.

Korzystając z tej koncepcji, cechy pokazane na ryc. 2, można jakościowo ocenić następująco: 1 — bezwzględnie sztywny (β = ∞); 2 — stałe; 3 — miękkie.

Absolutnie trudna cecha — prędkość obrotowa silnika pozostaje niezmieniona, gdy obciążenie silnika zmienia się od zera do wartości nominalnej. Silniki synchroniczne mają tę cechę.

Sztywna charakterystyka — prędkość obrotowa zmienia się nieznacznie, gdy obciążenie zmienia się od zera do wartości nominalnej. Charakterystykę tę posiada silnik prądu stałego o wzbudzeniu równoległym oraz silnik indukcyjny w obszarze liniowej części charakterystyki.

Za charakterystykę sztywną uważa się taką, w której zmiana prędkości nie przekracza około 10% prędkości znamionowej, gdy obciążenie zmienia się od zera do wartości znamionowej.

Charakterystyka miękka — prędkość silnika zmienia się znacznie przy stosunkowo niewielkich zmianach obciążenia. Cechę tę posiada silnik prądu stałego o wzbudzeniu szeregowym, mieszanym lub równoległym, ale z dodatkową rezystancją w obwodzie twornika oraz asynchroniczny z rezystancją w obwodzie wirnika.

W przypadku większości mechanizmów produkcyjnych stosowane są asynchroniczne silniki klatkowe, które mają sztywne właściwości mechaniczne.

Wszystkie właściwości mechaniczne silników elektrycznych są podzielone na naturalne i sztuczne.

Naturalne właściwości mechaniczne odnoszą się do warunków pracy silnika przy nominalnych wartościach parametrów.

Na przykład dla silnika o wzbudzeniu równoległym naturalną charakterystykę można wykreślić dla przypadku, gdy napięcie twornika i prąd wzbudzenia mają wartości nominalne i nie ma dodatkowej rezystancji w obwodzie twornika.

Charakterystyka naturalna silnika indukcyjnego odpowiada napięciu znamionowemu i częstotliwości znamionowej prądu przemiennego dostarczanego do stojana silnika, pod warunkiem, że w obwodzie wirnika nie występuje dodatkowa rezystancja.

W ten sposób dla każdego silnika można zbudować tylko jedną cechę naturalną i nieograniczoną liczbę sztucznych. Na przykład każda nowa wartość rezystancji twornika silnika prądu stałego lub w obwodzie wirnika silnika indukcyjnego ma swoją własną charakterystykę mechaniczną.