Типовые статические нагрузки электропривода
Электромагнитный момент М, развиваемый электромеханическим преобразователем, является выходной величиной для электрической части системы электропривода и входной – для механической части. Поэтому этот момент при рассмотрении процессов в механической части электропривода выделен из всех действующих внешних моментов.
Все остальные силы и моменты определяют статическую нагрузку электропривода MC. Их можно разделить на силы и моменты, представляющие полезные нагрузки исполнительного механизма, и силы и моменты механических потерь:
|
, где MполS - суммарный момент полезной нагрузки;
ΔMS - суммарный момент потерь с учетом механических потерь в двигателе.
Силы и моменты полезной нагрузки в различных механизмах имеют различный характер. Выделим ограниченное число типовых нагрузок, присущих всему разнообразию производственных механизмов и рассмотрим их механические характеристики w=f(MC).
По характеру взаимодействия с электроприводом все силы и моменты статической нагрузки делятся на активные и реактивные.
Активными силами и моментами называются такие, которые создаются внешними по отношению к двигателю источниками механической энергии и не зависят от движения электропривода (скорости и направления). Такие силы и моменты имеют место при подъеме-спуске грузов, ветровой нагрузке на механизмы поворота и передвижения и т.п.
На рис. 1.3 упрощенно показана кинематическая схема грузоподъемного механизма и его механическая характеристика. Сила тяжести, как при подъеме, так и при спуске груза направлена в одну сторону спуска и неизменна по величине. Соответственно механическая характеристика производственного механизма w=f(MC) в этом случае имеет вид прямой MC.акт=const.
Величина момента силы тяжести груза G равна:
|
, где m - масса груза;
g - ускорение силы тяжести.
При изменении направления вращения знак этого момента сохраняется. Источник, создающий активный момент, может, как потреблять, так и отдавать энергию. Соответственно, при подъеме груза энергия передается от двигателя к механизму и затрачивается на увеличение потенциальной энергии груза. При спуске потенциальная энергия передается двигателю.
Реактивными силами и моментами называются силы и моменты сопротивления движению, возникающие как противодействующая реакция механического звена на движение. К ним относятся, например, моменты трения, возникающие во вращающихся и перемещающихся линейно элементах; моменты, действующие на рабочих органах металлорежущих станков; моменты на крыльчатках центробежных насосов и вентиляторов и гребных винтах морских и речных судов и т.п.
Реактивный момент направлен всегда против движения, т.е. имеет знак, противоположный знаку скорости, и при изменении направления вращения знак реактивного момента изменяется на обратный. Элемент, создающий реактивный момент, может быть только потребителем энергии.
Поскольку реактивный момент возникает как реакция механического звена на движение, его величина зависит от скорости движения. Реактивные моменты можно классифицировать по виду этой зависимости:
Наиболее часто встречающиеся зависимости (1.5) показаны на рисунке 1.4.
1. Не зависящие от величины скорости реактивные нагрузки (прямая 1 на рис. 1.4). При этом x=0. Такой характеристикой обладают механизмы подач металлорежущих станков, поршневые насосы при неизменной высоте подачи, конвейеры с постоянной массой перемещаемого материала. Сюда же могут быть отнесены с известным приближением все нагрузки типа сухого трения, так как обычно в пределах рабочих скоростей момент трения изменяется мало.
2. Линейно возрастающие со скоростью механические нагрузки (прямая 2 на рис. 1.4). В этом случае x=1. Такие характеристики имеют нагрузки типа вязкого трения, встречающиеся довольно редко. Примером такой нагрузки является генератор постоянного тока с независимым возбуждением при замыкании его якоря на постоянный внешний резистор (режим динамического торможения). Такую же характеристику имеют силы внутреннего вязкого трения, пропорциональные скорости деформации валов, канатов, муфт и других элементов. В этом случае момент внутреннего вязкого трения можно записать в виде:
|
, где w1 и w2 - скорости на входе и выходе деформируемого элемента;
bВТ - коэффициент вязкого трения.
3. Нелинейно возрастающие со скоростью механические нагрузки (кривая 3 на рис. 1.4). Этой характеристике соответствует x=2. К механизмам, имеющим такие нагрузки, относятся вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты и т.п.
4. Нелинейно спадающие со скоростью механические нагрузки (кривая 4 на рис. 1.4). При этом x равно минус 1, и момент сопротивления изменяется обратно пропорционально скорости. Мощность, потребляемая механизмом, согласно (1.1) остается постоянной. Такой характеристикой обладают главные (режущие) механизмы металлорежущих станков, моталки в металлургическом, электротехническом и других производствах и т.п.
Выше рассмотренные характеристики не исчерпывают всех практически возможных случаев, но дают представление о характеристиках некоторых типичных производственных механизмов.