Онлайн журнал электрика. Электродинамическое торможение асинхронного двигателя схема

Для электрических машин характерны два основных режи­ма работы: двигательный и тормозной. При тормозном режиме работы подводимая к машине механическая энергия преобра­зуется в электрическую. Возникающий при этом вращающий момент не совпадает с направлением вращения машины и про­исходит ее торможение. Хотя существует несколько различных способов электрического торможения, однако, при всех спосо­бах происходит принципиально один и тот же процесс. Сами же способы отличаются друг от друга лишь схемой включения и характеристиками. Электрическая энергия, образующаяся при торможении, при различных способах используется по разному. В одних случаях она передается в электрическую сеть и там полезно используется, в других преобразуется в тепло в дополнительных сопротивлениях и якоре.

Необходимость использования электрических способов тор­можения в электроприводах грузоподъемных механизмов вызывается спецификой их работы. Торможение позволяет об­легчить работу механических тормозов, получить устойчивые постоянные скорости спуска грузов, а также обеспечивает уско­ренную остановку приводов.

Для электродвигателей с параллельным возбуждением воз­можно использование трех тормозных режимов:

а) генераторного с отдачей энергии в сеть;

б) электродинамического;

в) противовключения (противотока).

Генераторный режим с отдачей энергии в сеть. Как указы­валось, при работе электродвигателя на естественной или ис­кусственной характеристике в двигательном режиме наводимая в обмотке якоря противо э. д. с. всегда меньше приложенного напряжения (Е<U) и ток в обмотке якоря

Этот ток создает вращающий момент электродвигателя М = кФIя, совпадающий с направлением вращения якоря. На хо­лостом ходу электродвигателя, когда момент сопротивления на валу отсутствует, ток в обмотке якоря должен быть равен ну­лю, т. е. в этом случае противо э. д. с. равна приложенному напряжению:

Таким образом, при изменениях числа оборотов электро­двигателя от 0 до n0 противо э. д. с., наводимая в обмотке якоря, всегда меньше приложенного напряжения (или, в край­нем случае, равна ему) и ток в обмотке якоря, согласно выра­жению (22), положителен, что характерно для двигательного режима работы машины.

Если же под действием внешнего момента, например момен­та, созданного весом поднятого груза, число оборотов элект­родвигателя станет больше п0, его противо э. д. с. превысит приложенное напряжение и ток в обмотке якоря, согласно вы­ражению (22), изменит направление, т. е. машина из потре­бителя электрической энергии превратится в ее источник. Оче­видно, что при изменении направления тока меняется и направ­ление момента, создаваемого электродвигателем. Этот момент становится тормозным и уравновешивает внешний момент, при­ложенный к валу электродвигателя. Это означает, что в урав­нениях скоростной и механической характеристик знак минус меняется на плюс

т. е. характеристики генераторного режима являются продол­жением характеристик двигательного режима машины и распо­лагаются во II или в IV квадрантах (рис. 16). Нетрудно заметить, что при введении дополнительных сопротивлений в цепь якоря, скорость электродвигателя в генераторном режиме не уменьшается, а, наоборот, увеличивается.

Данный способ электрического торможения весьма выгоден в экономическом отношении, так как он позволяет возвращать в сеть значительную часть элек­троэнергии, затраченную, на­пример, на подъем груза. Однако он осуществим лишь при повы­шенных скоростях, намного пре­вышающих номинальную ско­рость электродвигателя, и поэто­му не всегда применим. Тормо­жение с отдачей энергии в сеть не может быть применимо для остановки привода, так как пторм должно быть всегда больше п0. Опытные крановщики чаще всего используют данный способ тор­можения при погрузке судов, когда высота подъема груза зна­чительно меньше высоты спуска. Осуществляя в данном случае спуск груза в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть, можно получить ощутимую экономию электроэнергии и улуч­шить тем самым экономические показатели.

Режим электродинамического торможения. Несмотря на значительный экономический эффект, торможение с отдачей энергии в сеть применяется сравнительно редко, что объясняется указанными выше недостатками этого способа торможе­ния. Чаще попользуется так называемое электродинамическое торможение, которое может применяться как для ограничения скорости спуска грузов, так и для ускорения остановки при­вода.

Под режимом динамического торможения понимается ре­жим, возникающий при отключении вращающегося якоря от сети и замыкании его на сопротивление, называемое сопротивлением динамического торможения Rд. схеме, показанной на рис. 17, это осуществляется размыканием контактов Л, ко­торые были замкнуты в двигательном режиме, и замыканием контакта Т. В этом случае уравнения скоростной и механиче­ской характеристик примут вид:

Указанные уравнения можно получить из выражений (27) и (32), положив в них U = 0 и заменив R на Rд. Уравнения (46) и (47) показывают, что характеристики электродвигателей параллельного возбуждения в режиме динамического торможе­ния прямолинейны и проходят через начало координат (см. рис. 17). Очевидно, что большим сопротивлениям Rд соответст­вуют более мягкие характеристики, а при одной и той же ско­рости — меньшие тормозные моменты и токи.

Рассмотрим особенности динамического режима на при­мере электропривода механизма подъема. При подъеме груза кон­такты Л должны быть замкнуты, а контакт Т разомкнут. Допустим, электродвигатель, поднимая груз, работает устойчиво в точке 1 на естественной характеристике а (М = Мс) со ско­ростью +п1. При размыкании контактов Л и замыкании кон­такта Т электродвигатель должен перейти на искусственную характеристику b, проходящую через начало координат.

Электродвигатель обладает определенной инерцией, поэто­му он, не изменяя скорости вращения, из точки 1 переходит в точку 2 или 2' на характеристике с в зависимости от величины сопротивления Rд. При этом меняется направление момента и электродвигатель начинает интенсивно тормозиться. При снижении скорости до нуля контакт Т нужно разомкнуть и включить механический тормоз. Если же контакт Т не будет разомкнут, то под действием груза электродвигатель начнет вращаться в обратную сторону, производя спуск груза в ре­жиме динамического торможения.

Устойчивая работа электродвигателя будет в точке 3 или 5, так как при работе в этих точках М = Мс. Таким образом, ре­жим динамического торможения может быть использован не только для остановки, но и для получения определенной установившейся скорости. В рассматриваемом случае при спуске груза вращающий момент, развиваемый электродвигателем, по величине и по знаку такой же, как и при подъеме. Однако направление скорости при переходе через точку О изменилось, поэтому момент, развиваемый электродвигателем при спуске груза, будет тормозным моментом, ограничивающим скорость спуска. Груз будет опускаться с устойчивой скоростью — n3 или n2.

Данный способ торможения отличается простотой, не тре­бует сложных переключений в схеме; он позволяет регулиро­вать время торможения или скорости спуска груза путем ре­гулирования величины сопротивления Rд. Для осуществления торможения данным способом почти не требуется никаких за­трат энергии, так как практически процесс торможения заклю­чается в том, что машина работает как генератор с независи­мым возбуждением, замкнутый на сопротивление Rд. На вал электрической машины передается механическая энергия от затормаживаемого механизма. В машине она преобразуется в электрическую энергию, а последняя — в тепловую в обмотках машины и в сопротивлении Rд.

Главным недостатком рассматриваемого способа следует считать довольно значительное время торможения, так как при малых оборотах значения тормозного момента очень невелики и этот способ нельзя считать целесообразным при необходи­мости быстрой остановки электропривода.

Режим противовключекия. Для осуществления торможения электроприводов подъемно-транспортных машин нередко используется режим противовключения, под которым понимается такой режим, когда электродвигатель, будучи включен в сеть, вращается в сторону, противоположную той, в которой он вра­щался бы при таком же включении в двигательном режиме. Такой способ торможения может применяться для ограниче­ния скорости спуска грузов и ускорения остановки привода.

Допустим, электродвигатель включен по схеме, показанной на рис. 18, а и, поднимая груз, работает на естественной ха­рактеристике а в точке 1 (рис. 18, б) при М = Мc (замкнуты контакты 1В, 2В и П). При размыкании контакта П в цепи электродвигателя окажется включенным дополнительное сопро­тивление Rт и электродвигатель перейдет на искусственную характеристику b в точке 2 (см. рис. 18, б). Так как момент, развиваемый в точке 2, будет меньше момента сил сопротивле­ния (М<Мc), то скорость электродвигателя начнет быстро снижаться и в точке 3 станет равной 0. Если требуется остано­вить электродвигатель, то при скорости n = 0 его следует от­ключить от сети. Если же электродвигатель не будет отключен от сети, то иод действием груза он начнет разгоняться в про­тивоположную сторону. По мере разгона электродвигателя возрастает тормозной момент на его валу и при числе оборо­тов— n2 (точка 4) он станет равным моменту, создаваемому весом поднятого груза. Работа электродвигателя в точке 4 на характеристике b будет устойчивой и скорость спуска груза будет ограничена величиной —n2. Скорость спуска в данном случае можно регулировать изменением величины дополнитель­ного сопротивления Rт, вводимого в цепь якоря. Чем выше величина этого сопротивления, тем мягче характеристика b и тем выше будет скорость спуска груза.

В рассматриваемом случае при переходе электродвигателя в режим противовключения скорость меняет свой знак, знак же момента (и тока) остается неизменным по сравнению с двига­тельным режимом. Это и обусловливает эффект торможения. Машина превращается в источник электроэнергии, которая расходуется в сопротивлениях цепи якоря. В этих же сопротив­лениях, а также в обмотке возбуждения расходуется та элект­роэнергия, которая поступает из сети.

В тех случаях, когда направление момента сопротивления на валу электродвигателя определяется направлением его вра­щения, режим противовключения указанным выше способом получить невозможно. В этом случае для ускорения остановки или быстрого реверса привода необходимо произвести пере­ключение обмотки якоря.

Предположим, что в схеме на рис. 18, а замкнуты контакты 1В, 2В и П и электродвигатель работает устойчиво на естест­венной характеристике а в точке 1 (рис. 18, в) при М=Мc. Для осуществления быстрого торможения или реверса нужно разомкнуть контакты 1В и 2В и замкнуть контакты 1Н и 2Н. При этом направление тока, а следовательно, и момента изме­няется и электродвигатель окажется в тормозном режиме противовключения. Чтобы избежать при этом большого толчка тока и момента, необходимо одновременно с контактами 1В и 2В разомкнуть контакты П, что приводит к введению дополни­тельного сопротивления. Тогда при замыкании контактов 1Н и 2Н электродвигатель переходит на характеристику b, прохо­дящую через точку — n0. Вначале электродвигатель перейдет на работу, соответствующую точке 2 на характеристике b. Так как момент электродвигателя и статический момент не соот­ветствуют направлению скорости, последняя начинает быстро уменьшаться и в точке 3 станет равной нулю.

Если требуется остановить электродвигатель, то при ско­рости n = 0 его следует отключить от сети; если же необходимо произвести реверс, то при n = 0 отключают сопротивление Rт, после него начинается обычный пуск электродвигателя в противоположную сторону.

Торможение противовключением является довольно эффек­тивным для механизмов горизонтального передвижения мостов и тележек кранов и механизмов поворота. Оно применяется также для торможения механизмов подъема, особенно при спуске тяжелых грузов. Однако с экономической точки зрения режим противовключения не является выгодным, так как в обмотках машины и дополнительном сопротивлении в тепло превращается не только энергия торможения, но и энергия, подводимая от сети. Дополнительное сопротивление Rт должно быть приблизительно равно полному сопротивлению пускового реостата. Это связано с тем, что в режиме противовключения э. д. с. обмотки якоря совпадает по направлению с приложен­ным напряжением и для ограничения токов, возникающих при этом режиме, необходимо значительное сопротивление. Это означает, что для снижения тока, возникающего в момент пе­ревода электродвигателя в режим противовключения, до допу­стимых значений в цепь якоря электродвигателя необходимо включать не только дополнительное сопротивление Rт, но и пусковой реостат. При этом тон в обмотке якоря, согласно выражению (22), будет

где R —сопротивление пускового реостата.

Изменение направления вращения. Изменение направления вращения (реверс) электродвигателя с параллельным возбужде­нием может быть осуществлено двумя способами: изменением направления тока в обмотке возбуждения или изменением на­правления тока в обмотке якоря. И в том, и в другом случае из­меняется направление вращающего момента, согласно выраже­нию (5), что и обусловливает реверс электродвигателя. На прак­тике обычно используют второй способ, обеспечивающий более быстрое изменение направления вращения. Объясняется это следующим:

а) размыкание цепи возбуждения требует предварительно­го .размыкания цепи якоря, что связано с усложнением аппа­ратуры. Размыкание якоря необходимо для предотвращения чрезмерного увеличения тока в нем при уменьшении магнит­ного потока;

б) обмотка возбуждения электродвигателя параллельного возбуждения обладает значительной индуктивностью и разрыв ее связан с опасностью пробоя изоляции;

в) при изменении направления тока в обмотке возбужде­ния происходит перемагничивание машины, что увеличивает продолжительность операции и приводит к дополнительным потерям энергии, особенно при частых реверсах.

Практически для осуществления реверса электродвигателя с параллельным возбуждением указанным способом служат контакты 1В, 2В, 1Н и 2Н (см. рис. 18, а). При работе электродвигателя замкнуты попарно либо контакты 1В и 2В, либо 1Н и 2Н. Их переключение приводит, как видно из схемы, к изменению направлении тока в обмотке якоря, а последнее к изменению направления вращения электродвигателя.