Тормозные режимы асинхронного двигателя

Тормозные режимы асинхронного двигателя.

АД может работать во всех трех тормозных режимах:

а) с рекуперацией энергии в сеть;

б) противовключение;

в) динамическое торможение.

а) Торможение с рекуперацией энергии в сеть .

При отсутствии внешнего статического момента на валу двигатель, подключенный к сети будет вращаться со скоростью, близкой к синхронной. При этом из сети потребляется энергия, необходимая для покрытия потерь. Если за счет внешней силы ротор вращается с синхронной скоростью, то сеть будет покрывать только потери в статоре, а потери в роторе (механические и в стали) будут покрываться внешней силой.

В двигательном режиме, когда вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмоток статора и ротора в одинаковом направлении, ЭДС статора Е₁ и ротора Е₂ совпадают по фазе. При w=w₀ ЭДС в роторе не наводится, т.е. равна 0. При w>w₀ проводники обмотки статора пересекаются вращающимся полем в прежнем направлении, а проводники ротора – в противоположном.

Рекомендуемые материалы

ЭДС ротора Е₂ меняет свой знак на обратный; машина переходит в генераторный режим с рекуперацией энергии. Что касается тока, то изменяет свое направление только его активная составляющая. Реактивная составляющая при отрицательном скольжении сохраняет свое направление. Это видно и из выражения для тока ротора (при S<0 S²>0).

Такие же выводы можно сделать и на основе анализа активной (электромагнитной) и реактивной мощностей. Действительно, из выражения для Р_ЭМ следует, что при S<0 P_ЭМ>0 Т.е. активная мощность меняет направление (передается в сеть), а из выражения для Q₂ следует, что при S<0 реактивная мощность вторичного контура Q₂ сохраняет свой знак независимо от режима работы машины.

Это значит, что асинхронная машина как в двигательном, так и в генераторном режиме потребляет реактивную мощность, необходимую для создания магнитного поля.

Торможение с отдачей энергии в сеть используется в подъемно-транспортных установках, при спуске тяжелых грузов. Под действием груза ротор машины будет вращаться со скоростью w>w₀, машина переходит в генераторный режим и начинает создавать тормозной момент. При равенстве M=M_c груз будет опускаться с установившейся скоростью w_c, как показано на рисунке. Необходимо иметь в виду, что для обеспечения нормального спуска груза M_c не должен превышать критический момент в генераторном режиме. При реактивном моменте сопротивления кратковременно режим с рекуперацией энергии в сеть можно получить, если АД допускает переключение обмотки статора с одной пары полюсов на другую, как показано на приведенном графике.

Режим с рекуперацией имеет место на участке ВС после переключения обмотки статора с числа пар полюсов        r_П=1 на r_П=2 .

б) торможение противовключением.

В режиме противовключения ротор двигателя вращается в направлении, противоположном действию момента двигателя. Его скольжение S>1, а частота тока в роторе больше частоты питающей сети (). Поэтому несмотря на то, что ток ротора больше номинального в 7 –9 раз, т.е. больше пускового тока, момент в следствие большой частоты тока, следовательно большого индуктивного сопротивления роторной цепи (), будет невелик. Поэтому для увеличения момента и одновременного уменьшения тока в цепь ротора включают большое добавочное сопротивление, величину которого можно подсчитать по выражению

Где Е₂₀  - номинальная ЭДС ротора при S=1

S_н – номинальное скольжение

S_{н и} – скольжение при номинальной нагрузке на искусственной характеристике.

При спуске груза в режиме противовключения торможение протекает на прямолинейном участке механической характеристики, жесткость которой определяется активным сопротивлением в цепи ротора. Механическая характеристика АД при тормозном спуске груза в режиме противовключения изображена на рисунке. Для торможения противовключением при реактивном  моменте сопротивления необходимо на ходу двигателя изменить порядок следования фаз питающего напряжения и одновременно ввести в цепь ротора добавочное сопротивление с целью ограничения первоначального броска тока и одновременного увеличения тормозного момента. Механическая характеристика в этом случае выглядит так, как показано на рисунке.  Торможение противовключением КЗАД при реактивном моменте сопротивления не эффективно, так как начальный тормозной момент при скольжении, близком к 2, из-за большого реактивного сопротивления, равного , будет незначительным (см. рис. отрезок ).

в) динамическое торможение с независимым возбуждением постоянным током

При отключении обмотки статора АД от сети, сохраняется лишь незначительный магнитный поток от остаточного намагничивания стали статора. ЭДС наводимая во вращающемся роторе и ток в роторе будут весьма малыми. Взаимодействие тока ротора с потоком от остаточного намагничивания не может создать сколько-нибудь значительного электромагнитного момента. Поэтому для получения должного тормозного момента необходимо искусственно создать надлежащий магнитный поток статора. Это может быть достигнуто подачей в обмотки статора постоянного тока или подключением к ним конденсаторов или тиристорного преобразователя частоты, обеспечивающего протекание по обмоткам статора емкостного тока, т.е. опережающего тока, создающего эффект емкости. В 1-м случае будет иметь место режим динамического торможения с независимым возбуждением, во 2-м – с самовозбуждением.

При динамическом торможении с независимым возбуждением обмотки статора отключаются от сети трехфазного тока и подключаются к источнику постоянного тока. Этот ток создает неподвижный в пространстве магнитный поток, который при вращении ротора наведет в последнем ЭДС. Под действием ЭДС в обмотках ротора потечет ток, от взаимодействия которого с неподвижным потоком возникает тормозной момент. Двигатель превращается в синхронный генератор с неявновыраженными полюсами, работающий при переменной скорости.

Симметричное включение 3-х обмоток статора в сеть постоянного тока невозможно без их переключений. Обычно используется одна из схем, приведенных на рис.

Поскольку при питании постоянным током обмотки обладают только омическим сопротивлением, для получения нужного значения тока  достаточно небольшого по величине напряжения. В качестве источника постоянного тока для двигателей небольшой и средней мощности используются полупроводниковые выпрямители, а для крупных двигателей могут использоваться специальные генераторы постоянного тока низкого напряжения.

Механические характеристики при различном значении постоянного тока и различном сопротивлении роторной цепи  изображены на рисунке. Кривые 1 и 2 соответствуют одинаковому значению сопротивления цепи ротора и различным значениям постоянного тока в статоре, а кривые 3 и4 – тем же значениям постоянного тока, но большему сопротивлению цепи ротора.

Из выражения для М_К следует, что критический момент двигателя в режиме динамического торможения не зависит от активного сопротивления цепи ротора.

Разделив значение М на значение М_К, уравнению механической характеристики можно придать вид: .

2) Торможение с самовозбуждением

Этот способ торможения иногда применяется в установках с к.з. АД. Суть его заключается в том, что статор двигателя отключается от сети и к его обмоткам подключается батарея конденсаторов. Машина будет работать самовозбужденным асинхронным генератором с отрицательным скольжением по отношению к магнитному полю, созданному в статоре свободными токами  низкой частоты. Поэтому на валу двигателя   возникает тормозной момент, величина которого тем больше, чем больше начальное значение отрицательного скольжения. 

Толчок для самовозбуждения создает ЭДС, индуктируемая в обмотках статора потоком  остаточного намагничивания вращающегося ротора. При вращении ротора со скоростью (50-100%) от w₀ поток остаточной индукции наводит в обмотках статора ЭДС порядка 0,5-1,5 В.

Рекомендуем посмотреть лекцию "15 Ультразвуковая диагностика неопухолевых заболеваний молочной железы".

Время переключения АД с момента отключения от сети   и до присоединения емкости  составляет 0,05-0,1 С. За это время поток ротора не успевает затухнуть окончательно. Поэтому самовозбуждение АД после присоединения емкости развивается за сотые доли секунды. Поскольку конденсаторы в данном случае находятся под напряжением весьма короткое время, оказывается возможным использование конденсаторов с номинальным напряжением, меньшим, чем если бы конденсаторы были подключены «наглухо», т.е.  всегда. Да и срок службы их значительно больше, чем при  глухоподключенной емкости.

ЭДС от остаточного намачивания Е₀, приложенная к конденсаторам, обеспечивает протекание по обмоткам статора емкостного тока I₀.

 Он создает  вращающееся магнитное, которое увеличивает ЭДС и напряжение на статоре. Напряжение на конденсаторах возрастает до величин Е₀₁ (см. график). Это вызовет увеличение тока через конденсаторы до I_μ1  и т.д. Процесс самовозбуждения протекает аналогично процессу самовозбуждения генератора постоянного тока.

  Он будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесие ЭДС  генератора и напряжения на зажимах конденсаторов (точка А), т.е. рост тока и ЭДС будет продолжаться до тех пор, пока не наступит насыщение магнитной системы АД. Так же, как и машина постоянного тока асинхронная машина возбуждается лишь при некотором конечном значении скорости, которая зависит от параметров машины и емкости конденсаторов и при выполнении условия ω_ротора > ω₀ – угловой скорости поля статора, созданного токами низкой частоты. Следовательно, существует нижняя граница конденсаторного самовозбуждения, которой соответствует w_р, скольжение S, угловая  частота свободных колебаний тока в статоре, которые называются нижними критическими.

Механические характеристики асинхронной машины в режиме торможения с самовозбуждением для различных значений емкости приведены на рисунке.   Максимум тормозного момента при уменьшении емкости перемещается в область  более высоких скоростей, причем он может в 5-8 раз превышать номинальный момент двигателя.

Недостатком является возникновение тормозного  момента только при ω > 30-50% от w₀,  срыв тормозного момента при ω> ω_к , необходимость  большой емкости для обеспечения тормозного эффекта при малых скоростях, ограниченность зоны торможения при каждой данной емкости. Эти недостатки могут быть существенно уменьшены при вентильном возбуждении АД, когда он будет работать в режиме автономного самовозбужденного генератора.