Тормозные режимы асинхронных двигателей

4.3 Тормозные режимы асинхронных двигателей

Асинхронный двигатель может работать в следующих тормозных режимах:

1) генераторное торможение с отдачей энергии в сеть;

2) торможение противовключением;

3) динамическое торможение.

Все перечисленные способы применимы принципиально как к двигателю с фазным ротором, так и короткозамкнутым ротором.

4.3.1 Генераторное торможение с отдачей энергии в сеть

Как все электрические машины, асинхронная машина, обратима. Если к валу асинхронной машины приложен тормозной статический момент, то она, преодолевая внешний момент, работает как двигатель и потребляет мощность из сети. Если внешний статический момент на валу двигателя отсутствует, то двигатель, подключенный к сети, будет вращаться со скоростью, близкой к синхронной. При этом из сети потребляется энергия, необходимая для покрытия потерь. Если же с помощью первичного двигателя вращать ротор с синхронной скоростью, то есть будет покрывать только потери статора, а потери ротора (механические и в стали) будут покрываться первичным двигателем.

Рассмотрим работу двигателя при скорости выше синхронной. В этом случае ротор будет вращаться со скоростью большей, чем скорость магнитного поля. Это приводит к изменению направления пересечения обмоток ротора магнитными силовыми линиями поля статора (в двигательном режиме ротор отставал от поля статора). Следовательно, изменится направление ЭДС, наводимой в статоре, и направление статорного тока, т.е. теперь энергия будет отдаваться в сеть.

Указанное явление можно объяснить векторной диаграммой АД в генераторном режиме, представленной на рис. 4.10. При переходе в генераторный режим ЭДС ротора меняет свой знак Е₂=Е₂·S, т.к. приведенный ток ротора в этом случае

     (4.24)

Рекомендуемые материалы

т.е. .

В двигательном режиме S>0 и составляющие  и - положительны, причём - индуктивный ток.

В генераторном режиме S<0. При этом не меняет свой знак, а ток меняет знак (φ₂=180⁰). Физически это объясняется тем, что поле вращается относительно ротора по сравнению с двигательным режимом в обратную сторону. При этом изменяется и знак ЭДС .

Двигатель переходит в генераторный режим. Электромагнитный момент также меняет свой знак и он становится тормозным. Следовательно, двигатель работает уже генератором параллельно с сетью, и отдает электрическую энергию, потребляя при этом реактивную мощность для возбуждения. Следует заметить, что асинхронная машина как в двигательном, так и в генераторном режиме потребляет реактивную энергию из сети, т.е. генераторный режим возможен только при наличии сети, которая способна снабжать асинхронный генератор реактивной мощностью, необходимой для создания магнитного поля.

Часто характеристики, соответствующие генераторному скольжению, будут располагаться во втором квадрате (II). Поэтому данному режиму будут соответствовать значения скольжения от “0” до “-”. В этом режиме, как видно из формулы для критического момента, критический момент имеет большую величину, чем в двигательном режиме.

Торможение с рекуперацией энергии в сеть используется в подъемно транспортных устройствах при спуске тяжелых грузов. Под действием опускающегося груза асинхронная машина начинает вращаться со скоростью . При этом машина переходит в генераторный режим и начинает создавать тормозной момент. Установившемуся равновесному состоянию будет соответствовать точка пересечения механической характеристики двигателя и линии статического момента. При этом устанавливается равенство М>М_с и груз будет спускаться с установившейся скоростью.

Для этого, чтобы обеспечить нормальный тормозной спуск груза статический момент не должен превосходить критического момента машины в генераторном режиме.

Если на валу механизма имеется реактивный, статический момент, то торможение с рекуперацией энергии в сеть возможно только в случае использование асинхронного двигателя с переключением числа пар полюсов.

Предположим, что обмотки статора включены таким образом, что они обеспечивают меньшее число пар полюсов, т.е. двигатель работает в точка А, на высшей скорости

Если обмотки переключить на меньшее число пар полюсов p₂, то двигатель перейдёт работать в точку В на характеристику 2, проходящую через точку

Скорость вращения двигателя при переключении окажется больше синхронной скорости, соответствующей новому числу полюсов, т.е.

.

Машина перейдет в режим генератора. На рис. 4.10 область с отдачей энергии в сеть соответствует участку ВСД механической характеристики.

Этот процесс применяется (имеет место) например в приводах металлорежущих станков при переключении скоростей двигателя.

4.4.2 Торможение противовключением асинхронного двигателя

Значительно большее применение на практике имеет торможение противовключением.

· Торможение противовключением посредством включения значительного по величине сопротивления в цепь ротора.

Режим противовключения можно получить в том случае, если обмотка статора будет включена для одного направления вращения, а ротор под действием внешнего момента или по инерции будет вращаться в противоположном направлении. Этот режим может иметь место в подъемно – транспортных установках при спуске груза, когда статор двигается включен для работы на подъем, а ротор под действием момента от груза вращается в противоположном направлении.

При неподвижном роторе (f₂=f₁) его ток достигает 5 – 6 кратного значения. При противовключении, когда , ЭДС ротора  и ток ротора  еще больше увеличиваются, а момент из – за большой частоты тока ротора (большого индуктивного сопротивления контура ротора) будет невелик. Поэтому для ограничения тока и получения (увеличения) соответствующего момента при торможении необходимо в цепь ротора включить дополнительное активное сопротивление. В этом случае торможение будет протекать на прямолинейном участке механической характеристики, крутизна которой определяется активным сопротивлением цепи ротора. Установившемуся режиму при торможении противовключением соответствует точка  ,  точка Д.

Недостатком данных характеристик является их большая крутизна, трудность получения малых скоростей опускания груза, и возможность значительного колебания скорости спуска при незначительном изменении веса груза. Несмотря на это данный вид торможения применяется широко.

· Торможение противовключением изменением порядка чередования фаз статора АД

Наиболее часто режим противовключения применяется для быстрой остановки двигателя. Для перехода из двигательного режима в режим противовключения необходимо переключить две фазы статора. Вращающееся поле статора при этом изменит направление вращения, а ротор по инерции будет вращаться в прежнем направлении. Машина перейдет в режим противовключения.

При этом ток и момент изменяют свой знак. Момент станет тормозным и двигатель быстро остановится. Механическая характеристика такого режима противовключения показа на рис. 4.12. Режим противовключения соответствует  участку ВС механической характеристики.

Для того, чтобы остановить двигатель, нужно отключить его от сети при достижении скорости, равной нулю. Если же его не отключить, то произойдет реверс двигателя и он увеличит свою скорость в противоположном направлении до установившегося состояния.

При реактивном статическом моменте М_с установившийся режим наступит в точке D (ω=ω₂).

При активном статическом моменте М_с, который не изменяет своего знака, скорость АД  превысит ω=-ω₀ и достигнет значения ω=ω₃.

В режиме противовключения ротор и поле статора вращаются в противоположном направлениях, поэтому скорость пересечения обмотки ротора полем статора определяется суммой скоростей ротора и поля статора. Скольжение двигателя в точке В будет:

т.к. .

Это приводит к разному увеличению ЭДС, ,индуктируемой в роторе и резкому броску тока при переходе в режим противовключения. Поэтому для ограничения броска ток в цепи ротора двигателей с фазным ротором и включают значительное добавочное сопротивление R_2д.

Несмотря на повышенные потери в двигателе в этом режиме, в двигателе развивается повышенный тормозной, что обеспечивает торможение АД. Поэтому торможение противовключением очень широко применяется в электроприводе.

4.3.3 Динамическое торможение асинхронных двигателей

Динамическое торможение асинхронного двигателя осуществляется обычно отключением статора двигателя от сети переменного тока и включением его на сеть постоянного тока. Для перехода из двигательного режима в режим динамического торможения контактор КМ1 отключает статор от сети переменного тока, а контактор КМ2 присоединяет обмотку статора к сети постоянного тока. Для ограничения тока и получение различных тормозных характеристик в цепь ротора включено внешнее сопротивление R_2д.

Ротор при отключении двигателя продолжает вращаться по инерции. По обмоткам статора начинает протекать постоянный ток, который образует неподвижное магнитное поле статора. Под действием этого поля в обмотках вращающегося ротора наводится ЭДС. А так как обмотка ротора замкнута на сопротивление, то по ним протекает ток, величина которого определяется значением наводимой ЭДС и сопротивлением цепи ротора. Взаимодействие неподвижного магнитного потока статора с током ротора создает тормозной момент двигателя.

В этих условиях асинхронный двигатель представляет собой синхронный генератор с неявно выраженными полюсами, работающий при переменной частоте.

При динамическом торможении, также и как в двигательном режиме обмотки ротора пересекаются магнитным потоком статора.

Поэтому процессы в машине для этих режимов аналогичные. А, следовательно, и механические характеристики двигателя при динамическом торможении будут аналогичны механическим характеристикам при двигательном режиме работы (это же можно доказать аналитически). Все характеристики проходят через начало координат, так как при скорости, равной нулю, тормозной момент в этом режиме также равен нулю.

Скольжение при динамическом торможении определяется как отношение скорости вращения ротора к синхронной скорости:

.

Это определение скольжения полностью соответствующему общему определению скольжения асинхронной машины. Действительно, под скольжением асинхронной машины в любом режиме работы понимают отношение скорости вращения ротора относительно поля статора  к синхронной скорости .

В режиме динамического торможения поле неподвижно в пространстве, и поэтому скорость вращения ротора относительно поля статора будет равна скорости вращения ротора.

Величина критического момента пропорциональна квадрату приложенного к статору напряжения и возрастает с ростом напряжения (если пренебречь насыщением): критическое скольжение зависит от сопротивления, включенного в ротор. Оно увеличивается пропорционально этому сопротивлению.

Следует иметь в виду, что в схеме динамического торможения токи I_дт протекают (при соединении обмоток в звезду не по трём, а по двум фазным обмоткам) Для расчёта характеристик нужно заменить реальный ток I_дт эквивалентным током I_экв, который протекая по трём фазам, вызывает ту же намагничивающую силу, что и ток I_дт. Например, для схемы рис. 4.15,а I_экв=0.816·I_дт, и для схемы (рис. 4.15, б) I_экв=0.472I_дт.

С учетом этих особенностей можно записать следующие выражения для тока

                                                   (4.25)

Ток намагничивания  зависит от тока ротора при постоянном . При росте скольжения ток намагничивания будет уменьшаться под действием реактивного тока ротора. Упрощенная формула для приближенного расчета механических характеристик (не учитывается насыщение двигателя) подобна формуле Клосса для двигательного режима

                                       (4.26)

где М_дтк = критический момент при динамическом торможении

                     (4.27)

S_отк - критическое скольжение при динамическом торможении

                                    (4.28)

Следует отметить, что критическое скольжении в режиме динамического торможения меньше критического скольжения в двигательном режиме, т.к.  Для получения максимального тормозного момента, равного максимальному моменту в двигательном режиме, ток эквивалентный должен в 2-4 раза превышать номинальный ток намагничивания .

Вид механических характеристик (рис. 4.14) подобен характеристикам в режиме рекуперативного торможения. Исходный точкой характеристик является начало координат. Интенсивность динамического торможения можно регулировать, изменяя ток в обмотках статора. Тормозной момент пропорционален току  и сопротивлению . При появляется насыщение машины. При включении  улучшается cosφ₂, Повышается S_крт.

Энергетика в режиме динамического торможения АД работает как синхронный генератор, нагруженный на сопротивление R_д. Вся механическая мощность, поступающая на вал двигателя при торможении преобразуется в электрическую и идёт на нагрев сопротивления роторной цепи.

Механические характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения при различных сопротивлениях в цепи ротора и различных значениях постоянного тока в статоре  будут иметь вид, изображенный на рис 4.14.

Симметричное включение двух обмоток статора к сети постоянного тока практически невозможно без переключений обмоток.

Поэтому используют различные способы включения обмоток статора при питании их от источника постоянного тока (рис.4.15).

Наиболее простыми применяющимися на практике является первые две схемы.

Питание постоянным током короткозамкнутых двигателей сравнительно небольшой мощности осуществляется от сети переменного тока через выпрямители.

Иногда используются динамическое торможение с самовозбуждением для двигателей с короткозамкнутым ротором. В этом случае к обмотке статора приключаются конденсаторы по схеме рис. 4.16.

Машина работает самовозбужденным асинхронным генератором. Толчок для самовозбуждения создает ЭДС, индуктируемая в обмотках как статора вращающимся ротором за счет остаточного намагничивания последнего.

ЭДС от остаточного намагничивания , приложенная к конденсатором, обуславливает протекание по обмоткам статора емкостного тока . Этот возникший в статоре ток создает в генераторе вращающееся магнитное поле, которое увеличивает ЭДС и напряжение на зажимах статора. Напряжение на конденсаторах увеличивается до величины . Т.к. протекающий через конденсаторы, в результате еще увеличится и еще больше увеличится напряжение генератора до величины Е_о2 и т.д. В результате будем наблюдать процесс самовозбуждения асинхронного генератора, который протекает аналогично процессу, самовозбуждения постоянного потока (рис. 4.17).

Зависимость между напряжением и током конденсатора прямоугольника, а зависимость между потоком намагничивания и ЭДС генератора определится его кривой холостого хода. Поэтому процесс самовозбуждения будет протекать до тех пор, пока не наступит равновесие напряжения на зажимах конденсаторов и генератора (точка А).

Механические характеристики асинхронной машины при работе в режиме асинхронного генератора с самовозбуждением для различных значений емкости имеют вид (рис. 5.19).

Максимум тормозного момента при уменьшении емкости конденсатора перемещается в области более высоких скоростей.

Недостатки данного вида торможения:

1) возникновение тормозного момента только при ;

2) срыв моментов при скоростях, превышающих  (скорость при которой прекращается самовозбуждение);

3) необходимость большой емкости конденсаторов для обеспечения тормозного эффекта при пониженных скоростей.

Лекция "Синтез комбинационных устройств" также может быть Вам полезна.

Преимуществом. Конденсаторного напряжения является отсутствие необходимости во внешнем источнике электрической энергии.

Примечание. Несмотря на аналогию уравнения механической характеристики для режима динамического торможения и уравнений для других режимов, режим динамического торможения и характеризующие его кривые имеют значительное отличие от двигательного режима:

1) при двигательном режиме работы результирующий магнитный поток, созданный магнитодвижущими силами статора и ротора, вращается в пространстве с синхронной скоростью, при динамическом торможении магнитный поток неподвижен.

2)  Ток статора в двигательном режиме изменяется в функции скольжения, а при динамическом торможении постоянный ток статора не меняется.

3) Результирующий магнитный поток в двигательном режиме остается примерно постоянным, а при динамическом торможении и малой скорости ротора магнитный поток увеличивается, т. к. при этом уменьшается размагничивающее действие реакции ротора.

В двигательном режиме все характеристики начинаются в точке, соответствующей синхронной скорости, а при динамическом торможении выходят из точки, соответствующей неподвижному ротору.