Что отображает механическая характеристика двигателя

Механические и скоростные характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Естественные и искусственные характеристики

Механическая характеристика двигателя при неизменных параметрах U, R и Ф представляется прямой линией 1 (рис. 4.2).

На холостом ходу (М = 0) двигатель вращается с частотой вращения w0. По мере увеличения момента нагрузки частота вращения снижается, номинальному моменту нагрузки МН соответствует номинальная частота вращения w0. Изменение величины питающего напряжения вызывает пропорциональное уменьшение частот вращения во всех режимах работы. При этом жесткость механической характеристики b сохраняется, так как его величина, согласно (4.5б), определяется сопротивлением якорной цепи, конструктивным коэффициентом и магнитным потоком машины.

Согласно (4.5), путем изменения величины питающего напряжения U от нуля до номинального значения (например, при помощи управляемого тиристорного выпрямителя), можно изменять частоту вращения вала в широких пределах, что подтверждается рис. 4.2 (характеристиками 2). При этом диапазон плавного и экономичного регулирования частоты вращения – глубина регулирования – находится по формуле D= wmax/ wmin

где wmax, wmin – максимально и минимально возможные частоты вращения при данном способе регулирования.

Практически значение глубины регулирования достигает 10…100 тыс. Столь большой диапазон регулирования позволяет исключить или значительно упростить механическую трансмиссию.

Вторым способом регулирования частоты вращения двигателя является изменение сопротивления якорных цепей – путём включения последовательно в цепь якоря регулировочного резистора RР1 (рис. 4.1). В этом случае, согласно (4.5), при увеличении сопротивления жесткость характеристики машины уменьшается (рис. 4.2, линии 3). Как видно из рис. 4.2, частота вращения машины при идеальном холостом ходе: М = 0 не изменяется, а с ростом момента нагрузки частота вращения снижается значительно (β уменьшается). Данный способ регулирования позволяет изменять частоту вращения в значительном диапазоне, однако вследствие значительных потерь мощности в регулировочном резисторе резко снижается кпд привода:

Скоростная характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением – это зависимость n = f ( Iя ) при U = const и Iе = const, где

Iе — ток возбуждения.

Рис.8.5.4. Скоростная характеристика.

Изменение скорости вращения может происходить за счёт изменения нагрузки и магнитного потока. Увеличение тока нагрузки незначительно изменяет внутреннее падение напряжения из-за малого сопротивления цепи якоря и поэтому лишь незначительно уменьшает скорость вращения двигателя. Что же касается магнитного потока, то вследствие реакции якоря при увеличении тока нагрузки он несколько уменьшается, что приводит к незначительному увеличению скорости двигателя. Таким образом, скорость вращения двигателя с параллельным возбуждением изменяется очень мало. Скорость вращения двигателя определяется формулой:

n = (U – IяRя) / c∙Φ, где

c – коэффициент, зависящий от устройства машины.

Скорость вращения двигателя с независимым возбуждением можно регулировать либо изменением сопротивления в цепи якоря, либо изменением магнитного потока. Следует отметить, что чрезмерное уменьшение тока возбуждения и, особенно, случайный обрыв этой цепи очень опасны для двигателей с параллельным и независимым возбуждением, т.к. ток в якоре может возрасти до недопустимо больших значений. При небольшой нагрузке (или на холостом ходу) скорость может настолько возрасти, что станет опасной для целостности двигателя.

Механические характеристики рабочих машин и электродвигателей

1. Механические характеристики рабочих машин (зависимость угловой скорости механизма от момента сопротивления на его валу) :

1 – не зависящая от скорости;

2 – линейно зависящая;

3 – нелинейно зависящая (вентиляторная);

2. Механические характеристики ЭД (зависимость угловой скорости двигателя от момента сопротивления на его валу) :

1 – синхронный двигатель (СД);

2 – двигатель постоянного тока с независимым возбуждением (ДПТ с НВ) и вентильный двигатель (ВД);

3 – трехфазный асинхронный двигатель (АД);

4 – двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением (ДПТ с ПВ);

При выборе привода согласование механических характеристик двигателя и рабочей машины происходит по следующим параметрам:

а) по диапазону регулирования скорости ;

б) по нагрузке ( , );

в) по энергетическим показателям ( ).

Механические характеристики ДПТ

1) Механические характеристики ДПТ с независимым возбуждением

Уравнение механической характеристики ;

где — конструктивная постоянная двигателя, — число пар полюсов; — число активных стержней; — число пар параллельных ветвей (количество обмоток в секции); — сопротивление якорной цепи.

1 – Естественная характеристика при всех номинальных параметрах ( )

1′ – Инверсная (реверсная) характеристика. Для реверса ДПТ с НВ

2 – Управление напряжением якоря (1-я зона управления)

3 – Управление магнитным потоком (2-я зона управления)

4 – Управление сопротивлением

Наиболее экономичный способ регулирования скорости ДПТ связан с изменением напряжения, подводимого к якорю, а не сопротивлений цепи якоря или обмотки возбуждения. Для регулирования напряжения необходимы специальные силовые преобразователи (управляемые выпрямители).

5 – Динамическое торможение: двигатель отключается от сети, якорь закорачивается на сопротивление, ;

6 – Торможение противотоком;

7 – Рекуперация (отдача энергии двигателем обратно в сеть). Условия рекуперации: , реверс момента. Реализуется с помощью управляемого преобразователя, включенного в цепь якоря двигателя.

2) Механические характеристики ДПТ с последовательным возбуждением

; ; ;

т.е. механическая характеристика нелинейная.

1 – естественная характеристика;

2 — — ввод добавочного сопротивления;

3 – динамическое торможение;

4 – режим противотока.

У данных ДПТ , т.е. двигатель нельзя включать без нагрузки и применять ременные передачи. По этой же причине рекуперация невозможна. Применяется в подъемных и транспортных машинах.

Механические характеристики асинхронных двигателей (АД)

1) Механические характеристики 3-фазных АД

Асинхронный электродвигатель имеет трехфазную обмотку статора. При подаче на неё трехфазного напряжения частотой , образуется магнитное поле, вращающееся с угловой скоростью , где — число10

пар полюсов статора (определяется укладкой обмотки).

Ротор АД чаще всего выполняется короткозамкнутым («беличья клетка»). В подъёмных и транспортных машинах применяют фазный ротор, где обмотка ротора через контакные кольца выводится на неподвижное основание и соединяется с добавочными сопротивлениями.

В настоящее время АД по умолчанию применяют для привода большинства объектов.

При описании АД электрические параметры двигателя имеют индексы: 1 – статор; 2 – ротор.

При R₁=0 механическая характеристика описывается формулой

, где — критический момент; — скольжение.

1 – естественная ( );

1′ – реверс (меняются местами две из трех фаз);

2 — , ;

3 — или ;

4 – АД с фазным ротором , .

5 – динамическое торможение: на обмотку статора подается постоянный ток, тогда раскручиваемый ротор будет тормозиться;

6 – противоток (реверс): (меняются местами две фазы);

7 – рекуперация , реверс момента. Для торможения до нуля требуется ПЧ, который непрерывно снижает .

Пуск АД: Для ограничения пусковых токов АД большой мощности или получения плавного пуска асинхронного привода применяют:

1) включение активных или индуктивных сопротивлений в цепи статора, которые выводятся в конце пуска;

2) «частотный» пуск через преобразователь, плавно изменяющий частоту питания двигателя ;

3) пуск с фазным ротором;

4) реакторный пуск – включение индуктивных сопротивлений в цепь ротора. Вначале пуска частота тока в роторе близка к частоте сети, индуктивное сопротивление велико и ограничивает пусковой ток.

2) Механические характеристики двухфазных АД

Выпускаются на мощность до 1 кВт. Могут выполняться со сплошным или полым ротором. ОВ, ОУ – соответственно обмотки возбуждения и управления; Для сдвига фаз в цепь ОВ последовательно включают конденсатор емкостью 1-2 мкФ на каждые 100 Вт.

, при однофазном включении .

Примечание: при частотном управлении характеристики станут линейными и параллельными друг другу, при фазовом – только линейными.

Что отображает механическая характеристика двигателя

«Радикальный способ энергосбере­жения в электроприводе переход от нере­гулируемого электропривода к регулируе­мому»: переход к широкому внедрению электромашиннопреобразовательных управляемых электромеханических систем. Именно эти системы потенциально способ­ны экономить десятки процентов электро­энергии от ее общих затрат на реализацию технологических процессов. Естественно, применительно к асинхронному управляе­мому электроприводу необходимость про­изводить оценку экономической эффектив­ности при разработке мероприятий приво­дит к необходимости более точного и обос­нованного определения основных характе­ристик асинхронных двигателей, в частно­сти: уточнения механических и электроме­ханических характеристик АД.

В данной статье рассматривается по­строение электромеханической характери­стики АД зависимости потребляемого фазой двигателя тока I₁ от скольжения S (или скорости вращения ротора n) при неизменных фазных напряжений U₂ и час­тоте f ₂, . Уточнение достигается за счет построения характеристики не по Гобразной схеме замещения или Тобразной с различными упрощающими предположе­ниями, а по полной Тобразной схеме за­мещения с последовательным контуром намагничивания и параметрами: r₀, r₁, r₂

активными сопротивлениями; x₀, x₁, x₂ индуктивными сопротивлениями (сопро­тивления r₂, x₂ приведены к обмотке ста тора двигателя).

Введем следующие обозначения со­противлений схемы замещения АД (пара­метры ротора приведены к обмотке статора):

Ранее нами было показано, что момент на валу двигателя определяется выраже нием [1]:

Здесь М_н-номинальный момент, k_m-кратность максимального момента, S_k-критическое скольжение, λ-параметр. Критическое скольжение S_k и параметр λ оп­ределяются выражениями

Учитывая взаимосвязь между моментом (2) и током в обмотке ротора I₂, приведен ным к обмотке статора

Ток I₁, потребляемый двигателем, может быть выражен через ток I₂ и па­раллельно соединенные сопротивления Z₀ и Z₂ следующим образом:

Поэтому на основании правила (-комплексно-сопряженное значение тока ) через выражение (5) находим:

или после преобразований:

Три любых известных значений тока при известных трех значениях скольжения S приводят к трем уравнениям относи­тельно параметров d, e, f (10). Если же из­вестны параметры схемы замещения, то тогда определение параметров (10) осуществляется непосредственно по формулам (10). Как правило каталожные данные содержат данные, позволяющие найти значения номинального I₁ = I_1M, S = S_н и пускового I_p=k₁I_н, S=1 токов. В качестве третьего значения тока I₁, целесообразно выбрать ток холостого хода I₁ = I_1x , S=0, поскольку он также либо может быть определен по каталожным данным, либо имеет достаточно приемлемые оценки. В ре­зультате из (9) получим три уравнения относительно коэффициентов d, е, f:

Система уравнений (11) (13) имеет единственное решение

Таким образом, все коэффициенты и параметры уравнения (9) могут быть вы числены либо на основании известных параметров схемы замещения (1) в тех случа­ях, когда они определены расчетным или экспериментальным путем; либо на осно­вании каталожных данных, непосредственно содержащихся в каталогах или полученных из них простым перерасчетом: M_н,M_р,I_1р,I_1н,I_1х,S_н,U₁,m₁,p,f₁. Окончательно электромеханическая характеристика АД получается из вы­ражений (9), (14) (16) в следующем виде:

Типичный вид электромеханической характеристики для электрических двигателей различной мощности и габаритов приведен на рис. 1.

Механическая и электромеханиче­ская характеристики асинхронного двига­теля (2), (15) определяют основные свойст­ва двигателя как потребителя элек­трической энергии из сети и источника ме­ханической энергии для привода рабочих машин.

Выполненные расчеты представлены в табл.1.

В [1] было показано что, условием физической реализуемости выражения для механической характеристики является выполнение неравенства λ

Раздел I. АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Лекция 2. Общее устройства и основные параметры двигателя.

Рассмотрим основные параметры двигателя:

Первым делом мы должны знать, сколько цилиндров будет иметь наш автомобиль, а их может быть от 2 до 16.

Следующий шаг, это как расположены цилиндры. Существует два типа расположения. К первому относится расположение, именуемое рядным, а второе – V-образным.

В V-образном расположении цилиндры располагаются по обе стороны коленчатого вала. Здесь мы будем должны учитывать величину угла развала. При большом угле понижается центр тяжести и облегчается охлаждение и подача масла. Все это снижает динамическую характеристику и увеличивает инертность, а при малом угле снижается инертность, но увеличивается перегрев.

Третье что нам необходимо знать это объем камер сгорания. Он отвечает за характеристики двигателя внутреннего сгорания. Чем больше объем, тем больше мощность.

Теперь о материале двигателя. Двигатели могут быть изготовлены из чугуна, алюминия, а так же магниевых сплавов.

Области применения электродвигателей

Электродвигатели являются крупнейшими потребителями электроэнергии в мире, на них приходится около 45% от всей потребляемой электроэнергии.

Электродвигатели используются повсеместно, основные области применения:
• промышленность: насосы, вентиляторы, компрессоры, конвейеры, движущая сила для других машин и др.
• строительство: насосы, вентиляторы, конвейеры, лифты, системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха и др.
• потребительские устройства: холодильники, кондиционеры, персональные компьютеры и ноутбуки (жесткие диски, вентиляторы), пылесосы, стиральные машинки, миксеры и др.

1. ЭД — электродвигатель
2. ОВК — системы отопления, вентиляции и кондиционирование воздуха

Тип топлива

ДВС могут потреблять разные виды топлива, но в основном используются:

• Бензин – продукт переработки нефти-сырца или вторичной перегонки нефтепродуктов. Основополагающим показателем является октановое число, которое указывается в цифрах. Буквенное сочетание, стоящее перед цифрами «АИ» означает: А – бензин автомобильный; И – октановое число определено исследовательским способом. Если этой буквы в маркировки нет, значит, октановое число выведено моторным методом. Российские стандарты предусматривают такие марки бензина: А-76, А-80, АИ-91, АИ-92, АИ-93, АИ-95, АИ-98. Наиболее востребованными в настоящее время являются марки с октановым числом 92,95,98;
• Дизель или дизельное топливо – получается путем промышленного перегона нефти. В его состав входят 2 вещества: 1. Цетан – легковоспламеняющийся компонент, чем его содержание больше, тем выше качество топлива; 2. Метилнафталин – не горючий компонент. Основополагающими характеристиками дизеля являются: прокачиваемость и воспламеняемость. В зависимости от спецификации подразделяется на: летнее, зимнее, арктическое (ориентировано на использование при экстремально низких температурах).

Также ДВС в качестве топлива может использовать газы: метан, пропан, бутан. Для этого на автомобиль устанавливаются специальные системы.

Расход масла

Показатель расхода масла указывается производителем автомобиля в технической документации к нему. Нормальным считается потребление смазки в соотношении 0,8–3% от потребляемого количества топлива. Также на этот показатель влияет размер двигателя, он увеличивается на больших, мощных агрегатах, особенно дизельных. Различают расход масла:

• Штатный – испарение смазочного материала с цилиндров, выдавливание через картер газами, смазка компрессора турбины;
• Нештатный – течи уплотнений, потеря масла через сальники коленвала, маслосъемные поршневые кольца, перемычки поршня, когда происходит их разрушение.

К чрезмерному расходу приводит использование масла низкого качества и несоответствующей требованиям технической эксплуатации марки.

Типовые параметры работы двигателей

Существует разделение ДВС на такие типы:

• Бензиновые – часто используются в гражданском автомобилестроении, наиболее распространенный тип;
• Дизельные – эти агрегаты отличаются надежностью и экономичностью. При этом несколько уступают бензиновым аналогам в динамике (набор скорости), но выигрывают по показателям проходимости. Широко используются военными, распространены в гражданском автомобилестроении;
• Газовые – используют в качестве топлива сжиженный, природный, сжатый газ, который закачивается в специальные баллоны;

В список можно включить гибридные газодизельные агрегаты и роторно-поршневые. Последний тип широко использовался авиацией до середины XX века, в современных условиях встречается редко.

Материал, из которого изготавливается двигатель

Основным материалом в производстве двигателей являются металлы и их сплавы:

• Чугун – обеспечивает надежность и прочность, но минусом является внушительный вес;
• Алюминиевые сплавы – дают неплохую прочность, при этом легкие. Недостаток – большая стоимость;
• Магниевые сплавы – наиболее дорогостоящий материал, отличается высокой прочностью.

Многие производители автомобилей комбинируют материалы. Это во многом диктуется принадлежностью модели к тому или иному классу, что ставит ее в определенные ценовые рамки.

Тип бензиновой системы впуска

Существует 2 разновидности топливных бензиновых систем: карбюраторная, инжекторная. Они отличаются конструктивным устройством, а также принципами подачи топлива в цилиндры:

• Карбюратор вливает бензин сплошным потоком, что затрудняет его смешивание с воздухом и детонацию. Это приводит к увеличенному расходу топлива, снижению технических характеристик мотора;
• Инжекторная система превращает топливо в мелкодисперсную субстанцию – распыляет его. Это дает ему возможность быстро смешиваться с воздухом внутри цилиндра и приводит к увеличению характеристик двигателя и уменьшению расхода топлива.

Система газораспределения

ГРМ или газораспределительный механизм отвечает за потоками газов в цилиндре. Он также выполняет функцию переключателя фаз процесса распределения. Принцип действия основан на блокировании и открывании впускных и выпускных отверстий камер сгораний. Это делается при помощи регулировочных элементов:

• Клапанов;
• Валов с приводами;
• Толкателей;
• Коромысел;
• Шлангов.

По принципу управления процессом распределения газов ГРМ разделяются на:

Компрессор

Главная функция компрессора – повышение мощности ДВС без увеличения его размеров. Это делается с помощью нагнетания в камеру сгорания большего объема воздуха, что позволяет делать взрыв топливной смеси более мощным. Устанавливается компрессор на впускную систему автомобиля. Компрессор приводится в движение механическим способом через соединение с коленвалом. Это делается посредством ремня или цепи. Турбокомпрессор нагнетает воздух под действием потока газов, которые крутят турбину, отвечающую за подачу дополнительной порции атмосферной массы. Компрессоры по принципу подачи воздуха делятся на:

• Центробежные – простая конструкция, где нагнетателем является крыльчатка;
• Роторные – воздух нагнетается кулачковыми валами;
• Двухвинтовые – функции нагнетателей выполняют винты, расположенные параллельно друг другу.

Тип бензиновой системы впрыска

Существует одноточечная и многоточечная система впрыска. Первая не используется на современных моторах, вторая, в свою очередь, многоточечная система бывает:

• Распределенной . Она обеспечивает стабильную работу силового агрегата, но не обеспечивает высокую динамику и не увеличивает мощность;
• Прямой . В этом случае обеспечивается оптимальный расход топлива, увеличивается мощность двигателя и его ресурсная прочность. Недостатком системы является нестабильность работы на малых оборотах. Также минусом можно считать высокую требовательность к качеству бензина.

Тип топливной системы

На бензиновые и дизельные моторы устанавливаются разные типы топливных систем. Бензиновые агрегаты могут оснащаться карбюраторной или инжекторной системой. Первая основана на механическом принципе, подача топлива регулируется дроссельной заслонкой. Второй тип – инжекторный позволяет осуществлять настройки с помощью электронных средств. Это значительно увеличивает КПД двигателя, сокращает расход топлива. Дизельные агрегаты оснащаются ТНВД (топливными насосами высокого давления). Это устройство считается устаревшим и ненадежным. Чаще всего оно используется совместно с форсунками, обладающими функциями насоса. Но сами по себе они не могут обеспечить стабильную работу двигателя.

Расход топлива

Показатель потребления топлива двигателем зависит от его рабочего объема, а соответственно мощности. Основополагающую роль играет тип топливной системы:

Измеряется показатель в литрах на 100 км. Техническая документация современных автомобилей предоставляет данные о расходе топлива при нескольких режимах движения: езда по городу, трассе, смешанный тип. В некоторых моделях, преимущественно внедорожниках, указывается расход при движении в условиях бездорожья, так как задействуются все 4 колеса и потребление бензина, дизеля значительно возрастает.

Главные величины двигателей авто: характеристики мотора

Двигатель внутреннего сгорания находится почти во всех автомобилях. Он устроен непросто. Поэтому обычному водителю в нем не разобраться сразу. Но когда вы покупаете автомобиль, говорят всегда о двигателе и его параметрах и свойствах. Давайте посмотрим технические характеристики двигателя и постараемся ответить на несколько основных вопросов.

1. Сколько цилиндров имеет двигатель? Сегодня в машинах можно встретить от двух до шестнадцати цилиндров. Так, если взять два двигателя с одинаковыми объемами и мощностью, они будут разными в других сферах.
2. Где находятся цилиндры? Расположены они последовательно, а могут и двухрядно.
3. Каковы объемные характеристики двигателя? Объем двигателя очень важен, потому что он действует на остальные свойства двигателя внутреннего сгорания. Обычно если увеличивать объем двигателя, то увеличивается его мощность, а соответственно и расход топлива становится больше.
4. Из чего сделан двигатель? Обычно он бывает из чугуна, который дает прочность двигателю, но весит немало.

Еще есть из алюминия. Вес у него небольшой и по прочности у него средние параметры. Еще есть из магния, которые по весу самые маленькие, А прочность очень хорошая, но стоит такой двигатель дорого.

Но это далеко не самые главные характеристики. На самом деле, мало кто из автовладельцев вообще задумывался о том, из какого материала произведён двигатель в их транспортном средстве. Более важными характеристиками являются следующие моменты:

• мощность двигателя. Она влияет на скорость и время разгона машины. Измеряется в лошадиных силах или ваттах;
• крутящий момент. В двигателе нагнетается максимальное тяговое усилие. На скорость сильно не влияет, на ускорение на низких оборотах оказывает сильное влияние;
• обороты в коленчатом валу. Чем больше эти обороты, тем резче динамика.

Расходные характеристики:

• расход бензина;
• какой марки топливо потребуется использовать;
• как расходуется масло;
• мало какого производителя рекомендует создатель авто.

Это важные основные свойства. Однако есть еще даже более сложные моменты:

• какой тип топлива в вашей машине. Двигатели бывают дизельные и бензиновые;
• система, которая впускает бензин. Сегодня в машинах впрыск происходит автоматически. А в старых карбюраторных машинах карбюраторная система впрыска;
• важен и компрессор. Атмосферные двигатели не имеют компрессора. А те, у которых он есть, называются компрессионные. Также еще есть турбонаддувные модели, являющиеся самыми новыми. Некоторые устанавливают сразу несколько компрессоров. Из-за этого улучшается стабильность в работе;
• в двигателе количество распределительных валов меняется по одному на каждые восемь клапанов.

Как же распределяется газ? Ответ очевиден: это или статический механизм, или динамический. Если менять высоту подъема клапанов, то удобно будет переключаться с одной скорости на другую.