Условия устойчивости работы двигателя

Условие устойчивости двигателя постоянного тока.

При работе двигателя всегда возникают определенные возмущения режима работы (кратковременные колебания напряжения сети, случайные кратковременные изменения момента нагрузки на валу и так далее). Такие возмущения чаще всего бывают небольшими и кратковременными, однако при этом происходят, хотя также небольшие и кратковременные, нарушения равенства моментов установившегося режима работы [смотрите выражение (3) в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»], вследствие чего возникает момент Mдин и изменяется скорость вращения.

Под устойчивостью работы двигателя понимается его способность вернуться к исходному, установившемуся режиму работы при малых возмущениях, когда действие этих возмущений прекратится. Иными словами, работа двигателя называется устойчивой, если бесконечно малые в пределе возмущения его работы вызывают лишь столь же малые изменения величин, характеризующих режим его работы, например скорости вращения, тока якоря и так далее. Двигатель неустойчив в работе, если подобные малые возмущения приводят к большим изменениям режима работы. При неустойчивой работе небольшие кратковременные возмущения вызывают либо непрерывное изменение режима (n, Iа и так далее) в каком-либо одном направлении, либо приводят к колебательному режиму с возрастанием амплитуд колебаний n, Iаи так далее. Естественно, что в условиях эксплуатации необходимо обеспечить устойчивый режим работы двигателя. При неустойчивости двигателя нормальная его работа невозможна, и обычно происходит авария.

Неустойчивая работа может быть также и у генераторов. В статье «Параллельная работа генераторов постоянного тока» была рассмотрена неустойчивость параллельной работы генераторов смешанного возбуждения при отсутствии уравнительного провода. Режим самовозбуждения генераторов постоянного тока (смотрите статью «Генераторы параллельного возбуждения») также, в сущности, представляет собой неустойчивый режим работы, так как iв и U непрерывно изменяются. Работа генератора параллельного возбуждения при Rн = Rв.кр также неустойчива, так как если несколько изменить величину Rв, то напряжение U значительно изменится, то есть возрастет до некоторого конечного значения или упадет почти до нуля.

Устойчивость работы двигателя зависит от вида его механической характеристики M = f(n) и от вида зависимости момента сопротивления на валу от скорости вращения Mст = f(n). Вид последней зависимости определяется свойствами рабочей машины, приводимой в движение двигателем. Например, у металлорежущих станков, если установка резца не изменяется, Mст ≈ const, то есть Mст не зависит от скорости вращения, а у вентиляторов и насосов Mстnв квадрате.

Рисунок 1. Устойчивый (а) и неустойчивый (б) режим работы двигателя

На рисунке 1, а и б изображены два характерных случая работы двигателя. Установившемуся режиму работы (M = Mст) со скоростью вращения nсоответствует точка пересечения указанных двух характеристик.

Если зависимости M = f(n), и Mст = f(n) имеют вид, изображенный на рисунке 1, а, то при случайном увеличении n в результате возмущения на Δnтормозной момент Mст станет больше движущего M(Mст> M) и поэтому двигатель будет затормаживаться, что заставит ротор вернуться к исходной скорости n. Точно так же, если в результате возмущения скорость двигателя уменьшится на Δn, то будет Mст Mст, возникнет избыток движущего момента, скорость nначнет нарастать, причем избыточный момент MMст увеличится еще больше, n еще возрастет и так далее. Если в результате возмущения n = n – Δn, то M

Изложенное здесь в равной мере относится к устойчивости двигателей как постоянного, так ипеременного тока, а также любых видов двигателей.

Читайте также:  Троит двигатель на холостых оборотах ваз 2114 инжектор причины

22.23. Характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения

В двигателях последовательного возбуждения ток якоря одновременно является также током возбуждения: iв = Iа = I. Поэтому поток Фδ изменяется в широких пределах и можно написать, что

Фδ = kФ × I . (1)

Коэффициент пропорциональности kФ в значительном диапазоне нагрузок, при I (0,8 – 0,9) Iн вследствие насыщения магнитной цепи kФначинает несколько уменьшаться.

При использовании соотношения (1) для двигателя последовательного возбуждения вместо выражений (7), (9) и (8), представленных в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», получим

(2)
(3)
(4)
Рисунок 1. Естественная скоростная характеристика двигателя последовательного возбуждения

Скоростная характеристика двигателя [смотрите выражение (2)], представленная на рисунке 1, является мягкой и имеет гиперболический характер. При kФ = const вид кривой n = f(I) показан штриховой линией. При малых I скорость двигателя становится недопустимо большой. Поэтому работа двигателей последовательного возбуждения, за исключением самых маленьких, на холостом ходу не допускается, а использование ременной передачи неприемлемо. Обычно минимально допустимая нагрузка P2 = (0,2 – 0,25) Pн.

Естественная характеристика двигателя последовательного возбужденияn = f(M) в соответствии с соотношением (3) показана на рисунке 3 (кривая 1).

Поскольку у двигателей параллельного возбуждения MI, а у двигателей последовательного возбуждения приблизительно MI ² и при пуске допускается I = (1,5 – 2,0) Iн, то двигатели последовательного возбуждения развивают значительно больший пусковой момент по сравнению с двигателями параллельного возбуждения. Кроме того, у двигателей параллельного возбуждения n ≈ const, а у двигателей последовательного возбуждения, согласно выражениям (2) и (3), приблизительно (при Rа = 0)

Поэтому у двигателей параллельного возбуждения

а у двигателей последовательного возбуждения

Таким образом, у двигателей последовательного возбуждения при изменении момента нагрузки Mст = M в широких пределах мощность изменяется в меньших пределах, чем у двигателей параллельного возбуждения.

Поэтому для двигателей последовательного возбуждения менее опасны перегрузки по моменту. В связи с этим двигатели последовательного возбуждения имеют существенные преимущества в случае тяжелых условий пуска и изменения момента нагрузки в широких пределах. Они широко применяются для электрической тяги (трамваи, метро, троллейбусы, электровозы и тепловозы на железных дорогах) и в подъемно-транспортных установках.

Рисунок 2. Схемы регулирования скорости вращения двигателя последовательного возбуждения посредством шунтирования обмотки возбуждения (а), шунтирования якоря (б) и включения сопротивления в цепь якоря (в)

Отметим, что при повышении скорости вращения двигатель последовательного возбуждения в режим генератора не переходит. На рисунке 1 это очевидно из того, что характеристика n = f(I) не пересекает оси ординат. Физически это объясняется тем, что при переходе в режим генератора, при заданном направлении вращения и заданной полярности напряжения, направление тока должно измениться на обратное, а направление электродвижущей силы (э. д. с.) Eа и полярность полюсов должны сохраняться неизменными, однако последнее при изменении направления тока в обмотке возбуждения невозможно. Поэтому для перевода двигателя последовательного возбуждения в режим генератора необходимо переключить концы обмотки возбуждения.

Источник

Условия устойчивости работы двигателя

Главное меню

Судовые двигатели

Равновесный режим работы двигателя может поддерживаться в течение конечного интервала времени только при условии ра­венства количества энергии, вырабатываемой двигателем, количеству энергии, поглощаемой потребителем. Если эти количества энергии охарактеризовать крутящим моментом двигателя М и моментом сопротивления М с , приведенным к валу двигателя, то условие получения равновесного режима обусловливается урав­нением статического равновесия (1). Частота вращения коленчатого вала при этом остается постоянной во времени.

Читайте также:  Запуск двигателя с коробкой автомат зимой

На рис. 26 приведен график, на котором совмещены характе­ристики двигателя (кривые 1, 2, 3 и 4) с характеристиками потре­бителя (кривые 5, 6, 7 и 8). Точки пересечения их (А, В, С и т. д.) характеризуют установившиеся режимы работы, так как удовлет­воряют условию (1). График показывает также и то, что при выб­ранных положениях органа управления (выбрана частичная ха­рактеристика двигателя, например, кривая 2) и ха­рактеристике потребителя (например, кривая 6) равновесный режим (точка В) для данного вида характеристик соот­ветствует определенной угловой скорости ? B .

Установившийся режим работы двигателя с течением времени может нарушаться по различным причинам, вызывающим кратко­временные изменения в условиях работы или двигателя, или потребителя. К таким причинам можно отнести, например, пропуск вспышки в одном из цилиндров двигателя, отчего получается крат­ковременное уменьшение крутящего момента (по существу кратковременный переход на другую частичную характеристику) или оголение гребного винта судна во время штормовой погоды, вы­зывающее изменение характеристики сопротивления (вместо харак­теристики 6 для гребного винта, находящегося в воде, в этот мо­мент действует характеристика 8 для гребного винта, находяще­гося в воздухе).

Нарушение установившегося режима работы двигателя вызы­вает отклонение частоты вращения вала в ту или иную сторону. При оголении гребного винта нагрузка главного двигателя резко уменьшается, поэтому частота вращения вала увеличивается и ока­зывается больше частоты вращения вала при равновесном режиме (? в ) в момент погружения винта, когда характеристикой сопро­тивления вновь становится кривая 6. Работа главного двигателя в этот момент зависит от взаимного протекания характеристик двигателя и потребителя. Действительно, при новой угловой ско­рости ? в ’ > ? в (рис. 27, а) момент сопротивления М с становится больше крутящего момента двигателя М, вследствие чего угловая скорость вала уменьшается и равновесный режим восстанавли­вается.

При пропуске вспышки частота вращения вала, наоборот, уменьшается до значения ? вв , вследствие чего момент сопротивления М с окажется меньше крутящего момента двига­теля М. Это вновь вызовет увеличение частоты вращения вала и, так же как и в предыдущем случае, восстановление установив­шегося режима ? в .

Способность двигателя восстанавливать равновесный режим без воздействия на орган управления называется самовыравниванием (устойчивостью). В этом случае считают, что двигатель обла­дает положительным самовыравниванием или имеет устойчивые равновесные режимы работы.

Устойчивый равновесный режим двигателя аналогичен край­нему нижнему положению шарика на вогнутой поверхности (рис. 27, а).

При ином взаимном протекании характеристик двигателя и по­требителя в точке равновесного режима последний может быть слабо устойчивым или неустойчивым вообще (рис. 27, б). Действи­тельно, при отклонении скоростного режима от равновесного ? в , например, в сторону увеличения угловой скорости ? в ’ >? в , крутящий момент двигателя М оказывается больше момента со­противления М с . Поэтому в системе двигатель—потребитель по­является избыток энергии, что вызывает увеличение частоты вра­щения, и равновесный режим ? в , таким образом, не восстанавли­вается. При уменьшении угловой скорости до ? в ’ крутящий мо­мент двигателя М становится меньше момента сопротивления М с , в результате чего происходит дальнейшее снижение частоты вра­щения вплоть до самопроизвольной остановки двигателя. Это зна­чит, что равновесный скоростной режим в точке В является не­устойчивым.

Неустойчивый режим двигателя аналогичен положению ша­рика, находящегося в крайней верхней точке выпуклой поверх­ности (при малейшем отклонении шарик не вернется в прежнее положение). В этом случае двигатель обладает отрицательным само­выравниванием.

Читайте также:  Как снять двигатель с москвича 2141 не снимая коробки

Наконец, если характеристики двигателя и потребителя сов­падают всеми своими точками в некотором диапазоне скоростных режимов, то двигатель в этом случае обладает нулевым самовырав­ниванием. Такой режим двигателя аналогичен положению шарика на горизонтальной плоскости.

Таким образом, устойчивость режимов работы двигателей опре­деляется взаимным влиянием характеристик двигателя и потре­бителя. Поэтому один и тот же двигатель с одним потребителем может работать на хорошо устойчивых режимах, а с другим — на слабоустойчивых или вообще неустойчивых режимах.

Понятие устойчивости включает, следовательно, не только ка­чественную характеристику режима работы двигателя, но и ко­личественную, так как устойчивые (или неустойчивые) режимы ра­боты неравноценны. Для уяснения этого положения достаточно проанализировать режим в точке В (см. рис. 27, а), образуемый пересечением характеристики потребителя (кривая 2) с характери­стиками двух различных двигателей (кривые 1 и 3 ). Восстановле­ние режима в точке В происходит из-за избытка (при уменьшении ?) или недостатка (при увеличении ?) крутящего момента.

Чем больше избыток или недостаток крутящего момента при том же отклонении частоты вращения от равновесной, тем большее количество энергии участвует в восстановлении равновесного режима и тем быстрее (при про­чих равных условиях) последний будет восстановлен.

При уменьшении угловой скорости до ? в ” двигатель, имеющий характеристику 1 , получит избыток крутящего момента

а двигатель, имеющий характеристику 3 , избыток крутящего мо­мента

но так как ?М 1 > ?М 2 , то режим работы первого двигателя бо­лее устойчив, чем второго.

Устойчивость работы зависит от дисбаланса крутящего момента двигателя и момента потребителя при данном отклонении угловой скорости от равновесного режима. Поэтому оценкой устойчиво­сти режима работы двигателя может служить отношение

называемое фактором устойчивости двигателя.

При выбранном отклонении скоростного режима ?? (рис. 28) разность ?M’ момента сопротивления и крутящего момента дви­гателя может быть принята приближенно равной отрезку между касательными 3 и 4, проведенными к характеристикам 1 и 2 в точке равновесного режима В . Из графика видно, что ?М’ будет тем точнее соответствовать действительному дисбалансу ?М д , чем меньше . Принимая отклонение скоростного режима от равно­весного малым, фактор устойчивости можно представить в виде

При известных углах ? с и ? е наклона касательных в точке В равновесного режима приращения ?М с момента сопротивления и ?М крутящего момента двигателя определяются соотношениями

Здесь использованы частные производные, так как момент сопроти­вления зависит не только от скоростного режима, но и от настройки потребителя (например, от выбора передачи в коробке передач или от шага ВИШ), а крутящий момент двигателя зависит, кроме угловой скорости вала, от положения органа управления. С уче­том этих соотношений

Характер сил, появляющихся при выводе коленчатого вала двигателя из состояния равновесного вращения, определяется знаком F д . Если д М с / д ? > д М/ д ? характеристика сопротивле­ния будет более крутой, чем характеристика двигателя, и режим работы будет устойчивым. Фактор устойчивости F д при этом по­ложителен, и двигатель имеет положительное самовыравнивание. Если д М с / д ? д М/ д ?, то F д

Сравнение характеристик карбюраторного двигателя (см. рис. 23, а) с характеристиками потребителя (см. рис. 25) позволяет заключить, что карбюраторные двигатели имеют существенное положительное самовыравнивание (F д > 0), в то время как у ди­зелей фактор устойчивости либо положителен, но мал по абсолют­ной величине (рис. 29), либо имеет даже отрицательное значение (см. рис. 27, б ).

Источник

Adblock
detector