Торможение двигателей параллельного возбуждения.

Торможение может осуществляться следующими способами [4,11,12,13,16]:

1.Рекуперативное торможение (торможение с возвратом энергии в сеть).

2.По способу противовключения.

3.Динамическое торможение.

Рекуперативное торможение имеет место в том случае, когда рабочая машина по каким - либо причинам сама начинает приводить двигатель во вращение с частотой, превышающей частоту вращения его идеального холостого хода. Сущность рекуперативного торможения можно пояснить с помощью механических характеристик, рис.12.2. Пусть электрический двигатель работает на естественной механической характеристике 1 - , точка А, с развиваемым моментом вращения, равным моменту сопротивления Мс, который в процессе работы остается неизменным. Частота вращения двигателя равна n₁. Далее предположим, что по каким - либо причинам, например, за счет разгона поезда при движении его под уклон, частота вращения двигателя начнет возрастать ( увеличение ее будет идти по характеристике 1-1 ) и в точке В превысит значение скорости холостого хода. В этом случае ЭДС, вырабатываемая двигателем

(9)

будет больше приложенного напряжения и машина перейдет в режим генератора, отдавая энергию в сеть. Кроме того, ток в обмотке якоря, определяемый выражением

(10)

изменит свой знак (примет отрицательное значение, так как ЭДС станет больше приложенного напряжения ) и на выходе машины, теперь уже работающей в режиме генератора, появится отрицательный электромагнитный момент

Этот момент будет направлен против механического момента, прикладываемого к валу электрическоймашины со стороны рабочей машины. Таким образом, на участке 1-В машина постоянного тока будет работать в режиме торможения.

Если обороты рабочей машины, а соответственно и генератора, снизятся вновь до значения частоты вращения идеального холостого хода, то машина постоянного тока опять перейдет в режим двигателя.

Рис. 12.2 . Характеристики двигателя параллельного возбуждения в тормозных режимах:

1-1 - естественная характеристика; В-1 - участок характеристики рекуперативного торможения;

2-2 и 3-3 - искусственные характеристики торможе­ния противовключением; 4-4 - искусственная ха­рактеристика динамического торможения.

Торможение противовключением осуществляется двумя способами:

Первый способ представляет такой режим торможения, когда развиваемый момент вращения двигателем имеет одно направление а якорь этого двигателя под действием внешнего момента или сил инерции вращается в противоположную сторону.

Второй способ заключается в изменении направления тока в обмотке якоря путем изменения полярности его питающего напряжения при вращающемся двигателе.

Первый способ достигается включением дополнительно с обмоткой якоря достаточно большого сопротивления, не отключая якорной цепи от напряжения. Поясним этот способ с помощью рис.12.2. Предположим, что до торможения двигатель, например, поднимая груз, работал на естественной механической характеристики 1-1 с моментом сопротивления Мс, точка А. Для осуществления торможения последовательно с обмоткой якоря включается сопротивление большой величины. При этом сопротивлении двигатель перейдет работать на искусственную механическую характеристику 2-2, точка С.

В первый момент времени ток якоря уменьшится, а частота его вращения за счет инерции не изменится и останется равной n1. С уменьшением тока якоря сразу снизится и момент вращения двигателя М. Если принять, что момент сопротивления на валу двигателя останется неизменным, то появится неравенство М<Mc. Это неравенство вызовет отрицательный динамический момент, который начнет уменьшать обороты двигателя по характеристике 2-2. При этом и груз начнет подниматься все медленнее.

Далее со снижением частоты вращения будет уменьшатся и противо-ЭДС, а ее уменьшение в свою очередь в соответствии с выражением (10) будет вызывать увеличение тока якоря и момента вращения двигателя. При достижении точки D частота вращения двигателя станет равной нулю.

Если в этой точке момент двигателя стал бы равен моменту сопротивления, то двигатель бы остановился и его вращение прекратилось. Однако, в соответствии с рис 12.2 такое равенство не наступит, то есть момент вращения, создаваемый грузом, будет продолжать оставаться больше момента вращения, вырабатываемого двигателем. При прохождении точкиD с частотой вращения равной нулю, двигатель изменит направление своего вращения на противоположное под действием груза, который уже начнет опускаться. С изменением направления вращения изменится и знак противо-ЭДС двигателя (она примет отрицательное значение) и тогда ток якоря с учетом выражения (10) определится так:

(11)

Далее за счет действия опускающегося груза частота вращения двигателя будет увеличиваться (теперь уже в другую сторону, в сторону отрицательных значений частоты вращения) по характеристике 2-2. Это вызовет увеличение ЭДС, тока якоря, а значит и момента вращения. Процесс увеличения частоты вращения закончится тогда, когда момент вращения двигателя станет равным моменту сопротивления на его валу, точка Е. равенство моментов произойдет при установившемся новом значении частоты вращения двигателя n2, с которого далее и будет опускаться груз. В этом случаи момент, создаваемый двигателем, направлен против вращения якоря, обусловленного опусканием груза, и вызывает торможение опусканию груза. В таком режиме торможения идет более интенсивный нагрев обмотки якоря за счет суммарной потребляемой электрической мощности из сети и механической мощности вала рабочей машины.

Второй способ заключается в изменении направления тока в обмотке якоря. Для ограничения тока якоря последовательно с обмоткой включается дополнительное сопротивление. Предположим, что до торможения двигатель работал на естественной механической характеристике с неизменным моментом сопротивления Мс и с частотой вращения n1 точка А. В первый момент времени после изменения направления тока якоря путем изменения полярности питающей сети, и включения дополнительного сопротивления в цепь обмотки якоря, двигатель перейдет работать, например на искусственную характеристику 3-3 точка F. При этом по инерции якорь двигателя будет еще продолжать вращаться в прежнюю сторону с той же частотой вращения n1. Направление ЭДС, обусловленное вращением якоря в прежнюю сторону, также не изменится при уже изменившемся знаке напряжения питания якоря.

При этих условиях ток в обмотке якоря будет определятся выражением:

(12)

Rтп - сопротивление, подключаемое последо­вательно с обмоткой якоря, для снижения тормозного тока.

Из этого выражения видно, что в числителе напряжение и ЭДС суммируются в противоположность обычному режиму работы двигателя, выражение (10). Это соответственно вызовет увеличение тока в обмотке якоря, изменившего свое направление. Для его уменьшения последовательно с якорной обмоткой включается дополнительное сопротивление' Rтп. Значение этого сопротивления может быть определено по формуле

(13)

где Uн - номинальное напряжение электрической сети, к которой подключен двигатель;

Ен - значение противо -ЭДС при номинальной частоте вращения двигателя и при номинальном напряжении питания (примерно 90 - 96% Uн ).

С изменением направления тока якоря изменится и направление момента вращения на валу двигателя

(14)

Появившийся отрицательный момент направлен противоположно вращающемуся еще по инерции двигателю и будет оказывать тормозящее воздействие на его вращение. С учетом этого частота вращения двигателя начнет снижаться по характеристике 3-3. Ее снижение будет вызывать уменьшение ЭДС двигателя, а соответственно и отрицательного значения момента вращения.

Если в точке К при частоте вращения, равной нулю, отключить напряжение, то двигатель остановится. Если же напряжение отключено не будет, то двигатель начнет вращаться в другую сторону, что обусловлено отрицательным моментом вращения ,выражение ( 14). .

Этот способ применяется при необходимости быстрой остановки двигателя.

Изменение направления вращения двигателя для достижения торможения противовключением осуществляется двумя способами: изменением направления тока в обмотке якоря или в обмотке возбуждения. Однако последнее используется достаточно редко из-за значительной индуктивности обмотки возбуждения приводящей к нежелательным переходным процессам в момент ее коммутации и к увеличению времени торможения.

Динамическое торможение достигается отключением обмотки якоря от сети и замыканием ее на тормозное сопротивление Rдт при сохранении прежнего тока возбуждения.

Предположим, что до осуществления торможения двигатель работал при неизменном моменте сопротивления с частотой вращения n1, точка А, рис. 12.2. Ток обмотки якоря двигателя определялся выражением ( 10 ). При отключении обмотки якоря от сети и замыкании ее на тормозное сопротивление напряжение в выражении ( 10 ) будет равно нулю, а ток якоря за счет еще существующей противо-ЭДС примет отрицательное значение и определится как

(15)

Машина постоянного тока перейдет на искусственную характеристику 4-4, точка L. При этом в первый момент времени за счет запаса кинетической энергии частота ее вращения не изменится, останется равной n1. Двигатель начнет работать в режиме генератора.

В этом режиме появится тормозной электромагнитный момент, вызванный отрицательным током якоря, выражение (15 ). Тормозной момент, будет направлен против прежнего направления вращения двигателя, которое продолжается еще по инерции. Значение тормозного момента определяется с учетом замены тока якоря в выражении ( 8 ) из выражения (15):

(16)

где Rдт - тормозное сопротивление, подключаемое к обмотке якоря. Величина этого сопротивления может быть рассчитана по формуле:

(17)

Тормозной момент будет приводить к снижению частоты вращения по характеристике 4-4, имеющей зависимость, полученную из выражения (18):

(18)

которая представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат из первого квадранта в четвертый.

За счет тормозного момента, выражение (16) частота вращения будет снижаться до нуля. Далее при воздействии на двигатель, нап­ример опускающегося груза, направление вращения может измениться в другую сторону. При этом изменит направление и тормозной момент, который теперь уже будет направлен против нового вращения электрической машины, работающей в режиме генератора. Установившийся режим с частотой вращения п2, точка N, наступит при достижении значения тормозного момента, равного моменту вращения, создаваемого грузом Mr = const.

Динамическое торможение может быть наглядно осуществлено, если якорь двигателя будет продолжать вращаться за счет внешнего момента, например с помощью инерции массивного маховика. Если такой момент будет отсутствовать, то при отключении обмотки якоря с целью включения ее на тормозное сопротивление, двигатель, имея режим, близкий к режиму холостого хода, остановится практически сразу и эффект торможения в явной форме не будет заметен. То же относится и к торможению противовключением путем изменения полярности напряжения на обмотке якоря, величина тока якоря определится выражением (12). С целью ограничения этого тока последовательно с обмоткой якоря подключается сопротивление, которое рассчитывается по выражению (13) как и при торможении противовключением

Задание и методика выполнения лабораторной работы.