Механические характеристики

Н.И. Усенков

Механика электропривода
Механика электропривода

Механические звенья

Механическая часть электропривода передает механическую энергию от электромеханического преобразователя ЭМП (идеализированного электрического двигателя, ротор которого не обладает механической инерцией и не имеет механических потерь) к производственной машине, где эта энергия реализуется в полезную работу. Конструктивное исполнение механической части электропривода имеет бесчисленное множество вариантов, но, если абстрагироваться от конкретных конструкторских решений, любой электропривод содержит определенные механические звенья с общими для разных приводов функциями (рисунок 1.1а).

Электрический двигатель Д как звено механической части электропривода является источником или потребителем механической энергии в зависимости от направления ее потока. В механическую часть привода входит лишь ротор (якорь) двигателя РД, который обладает определенным моментом инерции, может вращаться с определенной скоростью под действием движущего или тормозного момента, развиваемого ЭМП.

Преобразовательный механизм ПМ преобразует движение в механической части электропривода (увеличивается или уменьшается скорость, изменяется вид движения и т.п.). К преобразовательным механизмам относятся редукторы, винтовые, зубчато-реечные, ременные и фрикционные передачи, барабан с тросом, кривошипно-шатунные, кулисные, кулачковые механизмы и т.п. Любой преобразовательный механизм характеризуется коэффициентом передачи, механической инерционностью и упругостью его элементов, зазорами и трением в зацеплениях и сочленениях механизма. В этом смысле преобразовательным механизмом является также обычная соединительная муфта с коэффициентом передачи, равным единице, обладающая определенной инерционностью и упругостью соединительных элементов.

Рабочий орган производственной машины РО реализует подведенную к нему механическую энергию в полезную работу. Чаще всего он является потребителем энергии. При этом поток механической мощности направлен от двигателя к рабочему органу (рис. 1.1.б). В качестве примера таких РО могут служить механизмы для обработки материалов, механизмы подъема и перемещения грузов и т.п. Иногда рабочий орган может быть источником механической энергии. В этом случае он отдает механическую энергию, запасенную механизмом (например, спуск груза), или поступившую в механизм извне (например, согласная ветровая нагрузка на механизмы передвижения и поворота).

Рабочий орган характеризуется инерционностью, рабочим моментом при вращательном движении или рабочим усилием при поступательном движении.

Механическая мощность двигателя или рабочего органа определяется по выражениям:

(1.1)

,

для вращательного движения и

(1.2)

,

для поступательного движения,

где F и M - сила и момент (соответственно H и H×м);

w и v - угловая и линейная скорости (соответственно 1/с и м/с).

Передача механической энергии от электромеханического преобразователя к рабочему органу или в обратном направлении связана с потерями энергии в механических звеньях (трение в подшипниках, направляющих, зацеплениях и т.п., а также потери, обусловленные деформацией упругих элементов). В результате этого поток мощности, проходя от источника к потребителю, уменьшается (рис. 1.1б и рис. 1.1в). Эти потери покрываются источником энергии – двигателем при прямом потоке энергии или рабочим органом при обратном.

Механические характеристики

В соответствии с вышеизложенным, нагрузкой для электромеханического преобразователя является механическая часть электропривода (рис. 1.1а), вращающаяся с той же скоростью w, что и двигатель. В статическую нагрузку электромеханического преобразователя М_С входят моменты сопротивления ротора двигателя РД, передаточного механизма ПМ и рабочего органа РО (M_C=M_{C РД}+ M_{C ПМ}+ M_{C РО}). Этот момент сопротивления и будем считать моментом сопротивления механизма М_С.

Скорость вращения двигателя w изменяется при изменении развиваемого им момента M. В то же время при изменении скорости механической части электропривода w изменяется момент сопротивления механизма M_C.

Зависимости угловой скорости w от момента для двигателя w=f(M) и для механизма w=f(M_C) называются механическими характеристиками соответственно двигателя и механизма. Эти механические характеристики могут быть представлены и обратными функциями M=j(w) и M_C=j_С (w).

Механические характеристики принято изображать в декартовых координатах, на оси абсцисс которых откладывают момент на валу двигателя M, на оси ординат – скорость вращения двигателя w (рис. 1.2а).

При передаче механической энергии от электромеханического преобразователя к рабочему органу электрический двигатель работает в двигательном режиме, и развиваемая им мощность положительна. В том случае, когда энергия передается от рабочего органа к электромеханическому преобразователю, двигатель работает в тормозном (генераторном) режиме, и развиваемая им мощность отрицательна.

Таким образом, в соответствии с выражением (1.1), если скорость w и момент M будут одного знака (w>0, M>0 или w<0, M<0) двигатель работает в двигательном режиме, а его механические характеристики располагаются в I или III квадрантах. Если же скорость w и момент M будут с разными знаками (w>0, M<0 или w<0, M>0), двигатель работает в тормозном режиме, а его механические характеристики располагаются во II или IV квадрантах (рис. 1.2а).

Статическим режимом работы электропривода считается такой режим, когда его скорость не изменяется (w=const). В этом случае по законам механики движущий момент электромеханического преобразователя M должен быть равным моменту сопротивления механической части электропривода M_C. Другими словами статический режим работы электропривода будет определяться точкой пересечения механических характеристик двигателя и механизма, которую назовем рабочей точкой (рис. 1.2б). При этом двигатель будет развивать момент, равный моменту сопротивления M_C при скорости вращения w_С. Располагаться рабочая точка в зависимости от режима работы двигателя может в любом из четырех квадрантов.