Понятие об электрическом приводе

Судовые механизмы независимо от их назначения обычно со­стоят из следующих основных элементов: исполнительного меха­низма, выполняющего полезную работу; двигателя, приводящего в движение этот исполнительный механизм; передаточного уст­ройства, осуществляющего передачу движения от вала двигате­ля к валу исполнительного механизма; устройства для управле­ния двигателем.

Электромеханическая система, состоящая из электродвига­тельного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенная для приведения в движение вспомо­гательных органов рабочей машины и управления этим движени­ем, называется электроприводом. В отдельных случаях преобразо­вательное и передаточное устройства могут отсутствовать.

Существуют следующие разновидности электропривода: груп­повой, индивидуальный и многодвигательный. Электропривод, в котором исполнительные органы нескольких рабочих механиз­мов приводятся в движение одним электродвигателем, назы­вается групповым. В настоящее время групповой электропривод ввиду его технического несовершенства почти не при­меняется.

Индивидуальным называется такой электропривод, в котором исполнительные органы одной рабочей машины приводятся в движение одним электродвигателем.

Многодвигательный электропривод - это взаимосвязанный электропривод, электродвигательные устройства которого совме­стно работают на общий вал.

На судах речного флота наиболее распространенным видом является индивидуальный электропривод.

Для электродвигателя, работающего в системе электроприво­да, характерны два режима работы: двигательный и генератор­ный, называемый тормозным режимом. При работе в двигатель­ном режиме к валу электродвигателя приложены: электромаг­нитный момент, развиваемый двигателем, и момент нагрузки, создаваемый рабочей машиной, который называется статическим моментом. Электромагнитный момент двигателя в этом случае совпадает по направлению с вектором скорости вращения. Поэто­му он называется вращающим моментом и имеет положитель­ный знак. В двигательном режиме работает, например, электро­двигатель грузоподъемного механизма при подъеме груза. При работе электродвигателя в тормозном режиме его электромаг­нитный момент действует в направлении, противоположном ско­рости вращения, т. е. препятствует движению. Поэтому он называется тормозным моментом и имеет отрицательный знак. Такой момент развивает, например, электродвигатель грузоподъ­емного механизма при опускании тяжелого груза.

Статический момент, создаваемый рабочей машиной, может быть положительным или отрицательным. В большинстве случа­ев статический момент является отрицательным и называется моментом сопротивления. Он направлен против движения. Мо­мент сопротивления создается силами трения, силой тяжести при подъеме груза, силами сопротивления резанию, сжатию, растя­жению и скручиванию неупругих тел.

Положительный статический момент создается на валу элект­родвигателя силой тяжести при спуске груза. Он совпадает с на­правлением движения и называется движущим моментом.

При работе двигателя в установившемся режиме, когда его вращающий момент М равен статическому моменту М и скорость вращения постоянна, справедливо уравнение М = М или М -М = 0.

Изменение нагрузки на валу электродвигателя, а также изме­нение параметров питающей сети вызовут переход электроприво­да от одного установившегося режима работы к другому. В этом случае электропривод будет работать в переходном режи­ме. Продолжительность переходного режима электропривода зависит в основном от момента инерции или махового момента ра­бочей машины и электродвигателя. В переходном режиме, кроме вращающего момента электродвигателя М и статического мо­мента нагрузки М , действует динамический или избыточный мо­мент привода М . Переходный режим выражается уравнением М -М = М .

Динамический момент

М = J (dω/dt),

где J - момент инерции вращающихся масс, кг·м ;ω - угло­вая скорость вращения, рад/с; t - время, с; dω/dt - угловое ускорение, рад/с .

Подставляя значение динамического момента в уравнение переходного режима, получим основное уравнение движения при­вода:

М -М = J (dw/dt).

Анализ основного уравнения движения показывает, что в за­висимости от значения динамического момента для электроприво­да возможны три состояния:

При М > М , М > 0, dω/dt > 0 - электропривод ускоряется (разгоняется).

При М = М , М = 0, dω/dt > 0 - установившееся равномерное движение электропривода с постоянной скоростью.

При М < М , М < 0, dω/dt < 0 - электропривод за­медляется (имеет место торможение).

В теории электропривода рассматриваются механические и электромеханические характеристики электродвигателей, дающие наиболее полное представление об их электромеханических свой­ствах.

Механическая характеристика показывает зависимость угло­вой скорости от электромагнитного момента, развиваемого элек­тродвигателем, т. е. ω = f(M). На рис. 2.81 представлены механи­ческие характеристики электродвигателей.

При увеличении момента нагрузки угловая скорость у боль­шинства электродвигателей уменьшается. В зависимости от сте­пени изменения частоты вращения электродвигателя при измене­нии момента сопротивления на его валу механические характе­ристики подразделяются на абсолютно жесткие, жесткие и мягкие.

Абсолютно жесткой считается механическая характеристика, при которой частота вращения электродвигателя совершенно не изменяется при изменении нагрузки на его валу. Такую характе­ристику имеют синхронные электродвигатели (прямая 1 на рис. 2.81).

Механическая характеристика считается жесткой, если угло­вая скорость электродвигателя изменяется незначительно при значительном изменении момента нагрузки на его валу. Жесткую механическую характеристику имеют электродвигатели постоян­ного тока параллельного возбуждения и асинхронные электродви­гатели (кривые 2 и 5 на рис. 2.81).

Мягкую механическую характеристику имеют двигатели по­стоянного тока последовательного и смешанного возбуждения (кривые 4 и 3 на рис. 2.71), у которых частота вращения изменя­ется значительно при изменении момента на валу электродвига­теля.

Рис. 2.81. Механические характеристики электродвигателей.

Рис. 2.82. Механические характеристики производственных механиз­мов.

Естественная механическая характеристика соответствует нормальным условиям работы электродвигателя, когда в цепях якоря или обмотки возбуждения отсутствуют внешние добавочные резисторы, а параметры питающей сети (напряжение и частота) имеют номинальные значения. Механические характеристики дви­гателя при наличии внешних добавочных резисторов в цепях яко­ря или обмотки возбуждения, а также при изменении номи­нальных параметров питающей сети называются искусствен­ными.

У большинства исполнительных механизмов статический мо­мент сопротивления зависит от угловой скорости. Зависимость М = f(ω) называется механической характеристикой производ­ственного механизма (рис. 2.82).

По характеру этой зависимости судовые механизмы можно разделить на три основные группы:

1. Механизмы, у которых статический момент сопротивления не зависит от скорости вращения: М = const (прямая 3). Та­кую характеристику имеют грузоподъемные устройства.

2. Механизмы со статическим моментом сопротивления, пропорциональным угловой скорости вращения: М = М + сω, где М - начальный момент трения; с - коэффициент, завися­щий от нагрузки. Механическую характеристику этой группы механизмов (прямая 2) имеют поршневые, шестеренные и винтовые насосы, генераторы преобразователей электроэнергии.

3. Механизмы, статический момент которых зависит от квад­рата угловой скорости вращения: М = М + сω (кривая 1 - квадратичная парабола). К механизмам, обладающим такой ха­рактеристикой, относятся вентиляторы, центробежные насосы и гребные винты.

Зависимость угловой скорости вращения электродвигателя от тока, протекающего по цепи его якоря или ротора ω = f(I), на­зывается электромеханической характеристикой. Электромехани­ческие характеристики электродвигателей также подразделяются на естественные и искусственные; абсолютно жесткие, жесткие и мягкие.