Электромеханические свойства двигателей независимого возбуждения при тормозных режимах работы

2.5 Электромеханические свойства двигателей независимого возбуждения при тормозных режимах работы

Наряду с двигательным режимом работы двигателей существенное значение для работы привода имеют тормозные режимы, при которых в двигателе создаются моменты, противодействующие движению. Тормозные режимы предназначены для:

- поддержания постоянной скорости движения системы, подверженной действию активных моментов или сил (при спуске груза, движению поезда под уклон и т.д.);

- удержания в неподвижном состоянии механизма, подверженного действию активных сил (например, удержание на весу кабины лифта);

- изменения скорости движения механизма при торможении двигателя или его остановки.

В некоторых случаях режим торможения двигателя является более ответственный, чем его пуск.

В практике работ электродвигателя находят применение следующие способы электрического торможения двигателей независимого возбуждения:

1) торможение с рекуперацией энергии в сеть;

2) динамическое торможение;

Рекомендуемые материалы

3) торможение противовключением.

Рассмотрим свойства двигателей в этих режимах.

2.5.1 Торможение с рекуперацией энергии в сеть

Переход двигателя в режим торможения с рекуперацией энергии в сеть будет иметь место, когда со стороны исполнительного механизма на вал двигателя действует в двигательном режиме момент, совпадающий по направлению с моментом, развиваемым двигателем. Допустим, что двигатель в исходном состоянии работает  со скоростью  в двигательном режиме и развивает момент М, при спуске груза (рис. 2.11).

Под действием статического момента, направленного согласно с движущим моментом скорость вращения увеличивается и достигает значения . При этом ЭДС двигателя становится равной , ток якоря  и момент М становится равным нулю М =0. Затем под действием статического момента (груза)  скорость продолжает возрастать () и ток изменит своё направление, т.е.

.

При этом момент, создаваемый двигателем также изменит свое направление, т. е. становится по характеру тормозным моментом . При достижении моментом  значения статического момента   возникает установившийся режим работы с постоянной скоростью . Такой режим работы часто используется в подъемно – транспортных установках. Уравнение механической характеристики двигателя в этом режиме будет:

                                  .                      (2.33)

Механическая характеристика при рекуперативном торможении  представлена на рис. 2.11. Такой способ торможения не может быть использован для полной остановки привода. Практически он имеет место при опускании тяжелых грузов со скоростью .

Электрическая машина в данном режиме работает в генераторном режиме параллельно с сетью ().

При заданном сопротивлении жесткость механической характеристики остаётся неизменной

Такой тормозной режим двигателя возможен в ограниченном количестве приводов, когда момент статической нагрузки обладает активными свойствами.

Достоинством такого генераторного торможения является экономичность. Объясняется это тем, что механическая энергия, поступающая с вала двигателя, преобразуется в электрическую и за вычетом потерь отдаётся в сеть:

Недостатки генераторного торможения:

1)  Генераторное торможение можно осуществить в ограниченных пределах, т.к. не во всех приводах можно достигнуть .

2)  Рассмотренный вид торможения может обеспечить только тормозной спуск со скоростью и не может быть использован для полной остановки двигателя.

2.5.2 Динамическое торможение двигателя

В режиме динамического торможения работающий в двигательном режиме двигатель отключается от сети, а якорная цепь двигателя замыкается на внешнее тормозное сопротивление . Обмотка возбуждения при этом остается включенной в сеть, поэтому магнитный поток остается неизменным. При этом скорость вращения и ЭДС двигателя сохраняет прежнее направление. Ток якоря двигателя под действием ЭДС  изменит свой знак.

,                    (2.34)

что приведет к изменению направления момента двигателя. Под действием этого тормозного момента двигатель будет тормозиться до .

В этом режиме кинетическая энергия, запасенная в механической части привода, будет затрачиваться на нагрев сопротивлений в якорной цепи.

Начальное значение тока обычно задаётся

.

В этом случае тормозное сопротивление  определится

.

Уравнение механической характеристики при динамическом торможении будет иметь вид

                                      .                                (2.35)

Характеристика представлена на рис. 2.12 (кривая 2).

Характер протекания режима динамического торможения будет различным при активном и реактивном моменте. Различие состоит в том, что при реактивом статическом моменте процесс торможения осуществляется до полной остановки привода, т.к.  направлен встречно движению привода.

Если же момент статический активный, то торможение осуществляется до скорости установившегося движения .

Например, при переходе в режим динамического торможения в случае подъема груза двигатель вначале тормозиться, до скорости , затем под давлением груза может вращаться в обратную сторону со скоростью , т. е. наступит новый установившейся режим спуска  груза с постоянной скоростью (рис. 2.12).

В режиме динамического торможения двигатель работает в генераторном режиме.

Преимуществом динамического торможения с независимым возбуждением следует считать возможность получения большей плавности торможения. Недостатком этого вида торможения является то, что по мере снижения скорости интенсивность торможения снижается из–за уменьшения тормозного момента. Поэтому для повышения интенсивности динамического торможения осуществляют торможение в 2 или 3 ступени с изменением сопротивления . Наиболее интенсивно осуществляется динамическое торможение при замыкании якоря накоротко. При это механическая характеристика будет параллельна естественной. Но при этом будут возникать большие токи, которые опасны для машины. Поэтому токи ограничивают увеличением внешнего сопротивления .

С теоретической точки зрения динамическое торможение выгоднее торможения противовключением, так как в процессе торможения из сети потребляется энергия только на питание обмотки возбуждения. Поэтому данный способ часто применяется как аварийный способ торможения.

Кроме того, при исчезновении напряжения в сети исчезает магнитный поток и тормозной момент становится практически равным нулю. Во избежание этого применяют динамическое торможение с самовозбуждением. В этом случае обмотка возбуждения подключается на зажимах якоря параллельно с тормозным сопротивлением.

2.5.3. Торможение противовключением двигателя

Противовключением называется такой режим, при котором якорь двигателя вращается под действием моментов, определяемых запасами кинетической потенциальной энергии в направлении противоположном действию электромагнитного момента двигателя.

Торможение противовключением может осуществляться двумя способами: изменением полярности напряжения на зажимах двигателя при реактивном статическом моменте, а также включением значительного по величине сопротивления в цепь якоря при активном статическом моменте.

Если на зажимах двигателя, работающего в двигательном режиме со скоростью , подать напряжение противоположной полярности, включив предварительно дополнительное сопротивление , двигатель переходит на характеристику 3 (рис.2.12) двигателя и начинает тормозиться. Если при двигатель не отключится от сети, произойдет реверс и двигатель будет разгоняться в обратном направлении до скорости   при реактивном статическом моменте либо до скорости  при активном статическом моменте.

Благодаря изменению полярности ток якоря изменяет свой знак:

.                                        (2.36)

При этом значительно возрастает тормозной момент:

.

Уравнение механической характеристики в этом режиме примет вид

     .                       (2.37)

Обратите внимание на лекцию "6 Использование объектов интеллектуальной собственности в экономическом обороте".

При наличии активного статического момента режим противовключения можно получить переключением полярности на якоре двигателя посредством включения большого по величине сопротивления противовключения . В этом случае под действием потенциальных сил двигатель начинает тормозиться по характеристике 4 (рис.2.12). Если при  двигатель не отключится от сети, то под действием активного момента двигатель начнет вращаться в обратную сторону до достижения нового установившегося режима при . В этом режиме ток якоря двигателя сохраняет прежний знак:

                    .                         (2.38)

В отличие от генераторного торможения с отдачей энергии в сеть в режиме противовключения к двигателю подводится мощность  из сети и со стороны механизма. Суммарные потери будут равны.

             .             (2.39)

Уравнение механической характеристики будет иметь такой же вид, что и в двигательном режиме.

Следовательно, режим противовключения обеспечивает интенсивное торможение привода до полный остановки. Однако он сопровождается значительным потреблением энергии от сети. Суммарные потери приводят к значительному нагреву обмоток двигателя и дополнительных сопротивлений.