В.И. Волченсков - Исследование двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением, страница 3

- генераторное торможение;

- динамическое торможение;

- торможение противовключением.

4.1. Генераторное торможение .

Условие перехода ДПТ в режим генераторного торможения.

Электрическая схема двигателя постоянного тока приведена на рис.4.1. Направление тока I_Я на схеме соответствует работе машины в режиме двигателя (Е↑↓I_Я ; Р < 0) , электрическая энергия потребляется из сети.

Рис.4.1.

На графике механической характеристики n(M) (см. рис.4.2.) этому соответствует точка 1 , в которой n < n₀ и E < U . Здесь n₀ – частота вращения ротора ДПТ в режиме холостого хода (М_С = 0).

Уравнение механической характеристики n(M)

n = U/(С_Е٠Ф) - M٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} )/(С_Е٠С_М٠Ф²) = n₀ – Δn .

Здесь М = С_МФ٠I_Я – момент, развиваемый двигателем ;

I_Я = (U - E)/R_Я – ток в цепи якоря ;

Е = С_ЕФ٠n – э.д.с. в обмотке якоря .

Рис.4.2.

Режим генераторного (рекуперативного) торможения наступает , когда частота вращения ротора n оказывается больше частоты вращения ротора в режиме холостого хода n₀ (см. рис.4.2, точка 2).

При n > n₀ E > U и ток якоря I_Я становится отрицательным, т.е. меняет направление. Ток якоря и э.д.с. оказываются направленными в одну сторону (Е↑↑I_Я , Р > 0) , машина постоянного тока работает в режиме генератора , электрическая энергия отдается в сеть.

Рабочая точка машины постоянного тока находится во втором квадранте (точ. 2, рис.4.2.).

Так как ток якоря I_Я поменял направление и стал отрицательным, соответственно меняет направление и момент, тоже становится отрицательным, т.е. тормозит вращение ротора (М = М_Т < 0).

По условию задания требуется рассчитать тормозную реостатную характеристику, соответствующую генераторному торможению и обеспечивающую при заданном моменте торможения М_Т частоту вращения n_Т (точ. 3.).

Решение этой задачи проводим в два этапа.

На первом этапе определяем частоту вращения n_ТЕ при работе ДПТ на естественной характеристике (R_{Я ДОБ} = 0) и при заданном тормозном моменте М_Т

n_ТЕ = U/(С_Е٠Ф) + M_Т٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} )/(С_Е٠С_М٠Ф²) .

На втором этапе определяем величину добавочного сопроти-вления R_{Я ДОБ} , вводимого в цепь якоря и обеспечивающего прохождение реостатной характеристики n^/(M) через точку 3 с координатами М_Т и n_Т (M_Т = M_Н∙t , n_Т = n_Н∙h1). Воспользуемся выражением

n_Т = U/(С_Е٠Ф) + M_Т٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_{Я ДОБ})/(С_Е٠С_М٠Ф²) .

Задавая числовые значения М_Т и n_Т , определяем R_{Я ДОБ} .

Затем необходимо рассчитать и построить на одном графике естественную n_ТЕ(M) и реостатную n_Т(M) механические характеристики , соответствующие генераторному торможению (см. рис.4.2.).

На построенных характеристиках n(M) показываем расчетные точки, соответствующие тормозному моменту М_Т .

Далее необходимо указать преимущества и недостатки рассмотрен-ного метода торможения и сделать выводы о целесообразности его применения .

1. 4.2. Динамическое торможение .

Описание процесса торможения.

При выполнении динамического торможения ДПТ цепь якоря двигателя отключается от сети постоянного напряжения и замыкается на реостат с сопротивлением R_ДОБ (см. рис.4.3.).

Рис.4.3.

Ротор по инерции продолжает вращаться , в обмотке якоря (на роторе) наводится э.д.с. Е. Так как напряжение внешнего источника на обмотке якоря отсутствует, ток в цепи определяется выражением

I_Я = (- E)/(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_ДОБ) < 0 .

Ток I_Я и момент М = С_МФ٠I_Я становятся отрицательными, момент действует против направления вращения ротора, т.е. становится тормозящим. Наклон характеристики динамического торможения определяется величиной суммарного сопротивления в цепи якоря (R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_ДОБ).

Рис.4.4.

На рис.4.4 точка 1 соответствует работе машины в двигательном режиме на естественной характеристике (первый квадрант). При выполнении динамического торможения рабочая точка ДПТ попадает в точку 2 на характеристике динамического торможения (второй квадрант). Далее частота вращения n ДПТ начнет уменьшаться, рабочая точка будет двигаться по характеристике из точки 2 к точке 0. Этим способом возможно торможение ДПТ до n = 0.

Чтобы представить вид характеристики n(M) двигателя постоянного тока при динамическом торможении (2 квадрант, рис. 4.4.) достаточно характеристику n(M) при генераторном торможении, рассмотренную ранее (рис. 4.2.), сместить вниз на величину n₀ . Полученная характерис-тика будет проходить через начало координат графика n(M) .

Расчет характеристики n(M) при динамическом торможении.

Требуется рассчитать и построить реостатную характеристику n_Т(M), соответствующую динамическому торможению и проходящую через точку с координатами М_Т и n_Т .

Расчет проводим в два этапа:

а) расчет характеристики n_ТЕ(M) при R_ДОБ = 0 ;

б) расчет реостатной характеристики n_Т(M) (при R_ДОБ ≠ 0) , проходящей через расчетную точку с заданными координатами М_Т и n_Т .

Расчет характеристики n_Т(M_Т) при R_ДОБ = 0 .

Первый этап - расчет характеристики при R_ДОБ = 0 .

Уравнение механической характеристики n_ТЕ(M), соответствующее динамическому торможению (при R_ДОБ = 0), принимает вид

n_ТЕ = M_Т٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} )/(С_Е٠С_М٠Ф²) .

Полученное выражение соответствует прямой линии, проходящей через начало координат. Угол наклона ее к оси абсцисс равен углу наклона естественной характеристики n(M) ДПТ.

При динамическом торможении ДПТ , работающего, например, в номинальном режиме (n = n_Н) без добавочного сопротивления в цепи якоря (R_ДОБ = 0), возникнут ток якоря I_Я и тормозной момент М_Т многократно превышающие их номинальные значения.

I_ЯТ = - Е / (R_Я + R_{ДОП ПОЛ} ) >> I_{Я НОМ} ,

и М_Т = С_МФ٠I_ЯТ >> М _НОМ .

Второй этап – расчет реостатной характеристики n_Т(M) при R_ДОБ ≠ 0 .

Чтобы избежать аварии ДПТ, в цепь якоря вводят ограничивающее сопротивление R_ДОБ ≠ 0 (см. рис.4.3.). При этом получаем

I_ЯТ = - Е / (R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_ДОБ) < 2I_{Я НОМ} ;

n_Т = M_Т٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_ДОБ) / (С_Е٠С_М٠Ф²) .

Подставляя в полученное выражение n_Т(M_Т) числовые значения координат заданной точки (n_Т и M_Т), через которую должна проходить реостатная характеристика , определяем величину соответствующего R_ДОБ .

На общем графике строим естественную характеристику n(M), соответствующую работе машины в двигательном режиме, и две тормозных характеристики : n_ТЕ(M) при R_ДОБ = 0 и реостатную n_Т(M) (см. рис.4.4.). На них показываем частоты вращения, соответствующие заданному М_Т .

Далее необходимо указать преимущества и недостатки рассмотрен-ного метода торможения и сделать выводы о целесообразности его применения .

1. Торможение противовключением .

Применяются две модификации торможения противовключением:

а) с использованием реостатной характеристики n(M) ;

б) с изменением полярности напряжения в цепи якоря .

Торможение противовключением происходит, когда обмотки ДПТ включены для одного направления вращения, а якорь (ротор) под воздействием внешнего момента или сил инерции вращается в противоположном направлении.

1. Торможение противовключением с использованием R_{Я ДОБ}.

Описание процесса торможения.

Рассмотрим первый вариант торможения противовключением с использованием реостатной характеристики n(M). Схема включения ДПТ приведена на рисунке 4.1.

Рассмотрим, как происходит процесс торможения с помощью графика (см. рис.4.5.).

Рис.4.5.

Допустим лебедка поднимает груз, который создает на валу двигателя активный момент сопротивления М_С . Этому режиму на естественной характеристике n(M) соответствует точка 1. Теперь потребовалось этот груз опустить. При этом момент сопротивления остается тем же и действует в том же направлении, а изменяются величина и направление частоты вращения (n_Т < 0). На графике (рис.4.5.) этому соответствует на реостатной характеристике точка 2 с координатами n = n_Т и M = M_С . Для получения необходимой реостатной характеристики в цепь якоря вводим добавочное сопротивление R_{Я ДОБ} , обеспечивающее необходимый наклон зависимости n(M) :

n = U/(С_Е٠Ф) + M٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_{Я ДОБ})/(С_Е٠С_М٠Ф²) .

Изменяя величину R_{Я ДОБ} , можно влиять на скорость опускания груза.

Для выполнения торможения включаем в цепь якоря добавочное сопротивление R_{Я ДОБ} (см. рис.4.1.). В первый момент в силу инерции частота вращения ротора n остается неизменной, соответствующей точке 1, а двигатель уже начинает работать на реостатной характеристике в точке 3. Момент, создаваемый двигателем в точке 3, оказывается значительно меньше момента сопротивления М_С и двигатель начинает тормозиться, частота вращения n уменьшается, рабочая точка движется по реостатной характеристике вниз от точки 3 к точке 4.

Если требуется прекратить подъем груза, т.е. остановить двигатель, то необходимо в точке 4 отключить двигатель от сети.

Если ДПТ не отключать от сети, движение рабочей точки продолжится по реостатной характеристике вниз до точки 2 . В точке 2 вращающий момент двигателя М станет равным моменту сопротивления М_С , создаваемого грузом, двигатель будет вращаться с постоянной отрицательной скоростью n = n_Т < 0, груз будет равномерно опускаться.

Работе ДПТ в режиме торможения противовключением с введением добавочного сопротивления R_{Я ДОБ} в цепь якоря соответствует уравнение

n_Т = U/(С_Е٠Ф) + M_Т٠(R_Я + R_{ДОП ПОЛ} + R_{Я ДОБ})/(С_Е٠С_М٠Ф²) .

Подставляя в уравнение числовые значения координат рассматриваемой точки 2 (n_Т < 0 ; M_Т), определяем величину R_{Я ДОБ} , обеспечивающего необходимый наклон реостатной характеристики n(M) .

На одном графике для сопоставления строим две характеристики n(M) при изменении момента в диапазоне от 0 до 1.5∙М_Н (см. рис.4.5.) :

- естественную характеристику n(M) ДПТ (при R_{Я ДОБ} = 0) ;

- реостатную тормозную характеристику n_Т(M) при R_{Я ДОБ} ≠ 0.

На построенных характеристиках n(M) следует показать расчетные точки, соответствующие заданному тормозному моменту М_Т .

Далее следует отметить преимущества и недостатки данного метода торможения и сделать выводы о целесообразности его применения.

1. Торможение противовключением при изменении

полярности напряжения в цепи якоря.

Описание процесса торможения.

Второй вариант торможения противовключением заключается в изменении во время работы двигателя направления вращающего момента М на противоположное путем изменения полярности источника напряжения в цепи якоря.