Механическая характеристика двигателя постоянного тока показывает зависимость частоты вращения вала двигателя от момента на этом валу. Она позволяет оценить основные свойства двигателя и определить оптимальные режимы его работы.
Общее описание механических характеристик двигателей постоянного тока
Механическая характеристика двигателя постоянного тока представляет собой графическую или аналитическую зависимость частоты вращения вала двигателя n от момента М, приложенного к этому валу:
Эта характеристика позволяет определить:
- Предельную и номинальную частоты вращения вала
- Пусковой момент двигателя
- Диапазон регулирования частоты вращения
- Устойчивость частоты вращения к колебаниям нагрузки
На практике механическую характеристику используют:
- При выборе двигателя для конкретного механизма
- Для расчета и анализа режимов работы привода
- При настройке систем регулирования скорости
- Для диагностики неисправностей двигателя
Виды механических характеристик двигателей постоянного тока
Естественная характеристика соответствует работе двигателя на номинальное напряжение без добавочных сопротивлений. Она имеет наименьшую крутизну и жесткость.
Реостатная характеристика получается при подключении добавочного сопротивления в цепь якоря. Такая характеристика более пологая и мягкая.
По жесткости различают:
- Жесткие характеристики с небольшим изменением скорости при изменении нагрузки
- Мягкие характеристики со значительным изменением скорости при изменении нагрузки
По форме кривой бывают:
- Линейные характеристики - прямая линия
- Нелинейные характеристики - кривая линия
Наиболее жесткой и линейной является естественная характеристика. Реостатные характеристики обычно более мягкие и нелинейные.
Зависимость характеристики от способа возбуждения двигателя постоянного тока
Форма механической характеристики двигателя постоянного тока зависит от способа возбуждения:
Характеристика двигателя независимого возбуждения
У двигателей независимого возбуждения механическая характеристика линейная. Она смещается параллельно себе при изменении напряжения якорной цепи или магнитного потока.
Характеристика двигателя последовательного возбуждения
У двигателей последовательного возбуждения характеристика нелинейна, имеет изогнутый вид. Эти двигатели обладают мягкой регулировочной характеристикой и большим пусковым моментом.
Характеристика двигателя параллельного возбуждения
Двигатели параллельного возбуждения имеют линейную жесткую механическую характеристику, схожую с двигателями независимого возбуждения.
Таким образом, характеристика двигателя существенно зависит от схемы включения обмотки возбуждения. Это необходимо учитывать при выборе двигателя и расчете режимов его работы.
Уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока
Общее уравнение механической характеристики двигателя постоянного тока имеет вид:
где:
- n - частота вращения вала двигателя, об/мин
- M - момент на валу двигателя, Н*м
- Ce - конструктивный коэффициент двигателя
- U - напряжение питания якорной цепи, В
- Iя - ток якорной цепи, А
- Rя - сопротивление якорной цепи, Ом
- Ф - магнитный поток двигателя, Вб
Это уравнение позволяет рассчитать частоту вращения в зависимости от момента на валу, а также проанализировать влияние различных параметров двигателя на его механическую характеристику.
Построение механической характеристики двигателя постоянного тока
Для построения механической характеристики двигателя постоянного тока необходимы следующие исходные данные:
- Тип двигателя (независимое, последовательное, параллельное или смешанное возбуждение)
- Номинальное напряжение якорной цепи UH
- Номинальный ток якоря IяХ
- Сопротивление цепи якоря Rя
- Число полюсов двигателя
- Конструктивная постоянная Ce
С их использованием можно пошагово построить характеристику:
- Задаться рядом значений моментов на валу M
- Рассчитать по формуле токи якоря Iя для заданных M
- Вычислить частоты вращения n, подставляя Iя в уравнение
- Занести пары значений {M, n} в таблицу
- Построить график зависимости n(M) в координатной плоскости
Полученная таким образом кривая является искомой механической характеристикой двигателя.
Пример построения характеристики
Дано: двигатель последовательного возбуждения с номинальным напряжением UH = 220 В, IяХ = 10 А, Rя = 0,5 Ом, 2 пары полюсов, Ce = 0,06.
Путем расчетов были получены следующие точки характеристики:
| М, Н*м | 0 | 5 | 10 |
| n, об/мин | 2100 | 1600 | 1300 |
Построенная по этим данным кривая представляет собой механическую характеристику рассматриваемого двигателя.
Влияние параметров двигателя на механическую характеристику
На механическую характеристику двигателя постоянного тока оказывают влияние такие его параметры, как:
- Напряжение питания якорной цепи
- Величина магнитного потока
- Сопротивления обмоток якоря и возбуждения
Рассмотрим их влияние более подробно.
Влияние напряжения питания
При увеличении напряжения питания якорной цепи U характеристика двигателя независимого возбуждения смещается параллельно вверх. Частота вращения при одном и том же моменте возрастает.
Влияние магнитного потока
С увеличением магнитного потока двигателя частота вращения при постоянном заданном моменте уменьшается. Кроме того, возрастает пусковой момент.
Применение механических характеристик на практике
На практике механические и рабочие характеристики двигателей постоянного тока используют для решения следующих задач:
- Расчет и анализ реальных режимов работы двигателя в составе привода
- Выбор оптимального двигателя для конкретного механизма
Знание характеристик позволяет грамотно подобрать двигатель по мощности и частоте вращения, исключить недопустимые режимы его работы.
Измерение параметров механической характеристики двигателя постоянного тока
Для экспериментального определения механической характеристики двигателя постоянного тока проводят специальные испытания с использованием следующих приборов и оборудования:
- Вольтметр и амперметр для измерения напряжения и тока якорной цепи
- Тахометр для измерения частоты вращения вала
- Динамометр или весы для измерения момента нагрузки
- Реостаты и автотрансформатор для регулирования напряжения
- Нагрузочное устройство (генератор постоянного тока)
Порядок проведения испытаний
- Собрать схему испытаний с контрольно-измерительными приборами
- Установить номинальное напряжение якорной цепи
- Плавно увеличивать момент нагрузки и замерять частоту вращения
- Повторить испытания при других значениях напряжения U
- Построить механическую характеристику n(M) по результатам
При испытаниях также контролируют токи, мощность и КПД двигателя.
Расчет механической характеристики двигателя постоянного тока
Помимо экспериментального метода, механическую характеристику можно также рассчитать аналитически, графоаналитически или численными методами.
Аналитические методы
Основаны на использовании уравнений и формул для расчета частоты вращения и момента. Отличаются простотой реализации, однако имеют погрешности из-за допущений.
Численные методы
Позволяют наиболее точно рассчитывать характеристику, учитывая множество факторов - но требуют значительных вычислительных затрат и квалификации.
Факторы, влияющие на механическую характеристику двигателя постоянного тока
На характеристики двигателя постоянного тока влияют такие факторы:
- Конструктивные параметры двигателя
- Технология изготовления
- Условия эксплуатации
- Внешние воздействия
Конструктивные факторы
Тип магнитопровода, параметры обмоток, вентиляция, подшипники и другие конструктивные решения влияют на характеристику.
Типичные неисправности двигателя постоянного тока
Неисправности двигателя постоянного тока могут проявляться в виде аномалий механической характеристики. К ним относятся:
- Нелинейности, выбоины в кривой
- Уменьшение предельной и пусковой частоты вращения
- Неустойчивость частоты при изменении нагрузки
Причины возникновения неисправностей
Неисправности двигателей постоянного тока могут возникать по следующим причинам:
- Нарушения изоляции обмоток
- Увеличение переходного сопротивления в местах контакта
- Механические дефекты коллектора и подшипников
- Нарушения симметрии магнитной цепи
Диагностика неисправностей по механической характеристике
Анализируя вид характеристики двигателя, можно локализовать места дефектов:
- Неисправности обмотки якоря приводят к резкому падению частоты вращения при увеличении нагрузки
- Проблемы в цепи возбуждения вызывают уменьшение наклона характеристики
- Дефекты механических узлов сказываются на стабильности частоты вращения
Устранение характерных неисправностей
Для восстановления нормальной работы двигателя постоянного тока проводят следующие ремонтные работы:
- Замена изношенного коллектора и щеток
- Ремонт или замена обмоток якоря и полюсов
- Восстановление симметрии воздушного зазора
- Шлифовка и притирка коллектора
Профилактика неисправностей
Для предотвращения выхода двигателя постоянного тока из строя необходимо:
- Соблюдать параметры питающей сети и режимы работы
- Проводить плановое техобслуживание и осмотры
- Своевременно обнаруживать и устранять возникающие дефекты
Перспективы развития двигателей постоянного тока
Несмотря на широкое распространение асинхронных электродвигателей, двигатели постоянного тока по-прежнему актуальны и имеют перспективы развития в следующих направлениях:
Повышение энергоэффективности и КПД
Совершенствование магнитопровода, изоляционных материалов, конструкции коллектора позволит снизить потери и повысить КПД двигателей постоянного тока.
Увеличение удельной мощности
Применение высококачественной электротехнической стали, меди и алюминия даст возможность нарастить удельную мощность двигателей в расчете на единицу массы и объема.
Расширение функциональных возможностей
Внедрение систем управления на базе силовой электроники, датчиков, микроконтроллеров открывает путь к "интеллектуальным" двигателям с расширенными функциями.
Применение новых материалов и технологий
Использование инновационных материалов, аддитивных и нанотехнологий при производстве позволит улучшить характеристики и снизить стоимость двигателей постоянного тока.
Разработка специализированных конструкций
Создание двигателей постоянного тока для решения узкоспециализированных задач (например, для электромобилей) даст дополнительный импульс развитию этого класса электрических машин.
