Тормозные режимы двигателя с независимым возбуждением

Как известно все электрические машины обратимы, то есть могут работать и в двигательном, и в генераторном режимах.

Проанализируем преобразование энергии в двигателе постоянного тока независимого возбуждения с помощью эквивалентной схемы цепи якоря двигателя на рис. 2.7.

Направления напряжения, ЭДС и тока, показанные сплошными стрелками, соответствуют двигательному режиму, так как направление тока в источнике ЭДС противоположно ее направлению. Это соответствует потреблению энергии источником ЭДС, то есть электрическая энергия в двигателе преобразуется в механическую. В этом случае мощность двигателя и момент на его валу положительны.

Уравнение электрического равновесия для схемы рис. 2.7 при обходе контура по направлению, совпадающему с направлением U_c, запишется в виде:

(2.16)

В этом уравнении (2.16) левая часть представляет собой мощность P_c=U_cI, потребляемую двигателем из сети. Первое слагаемое правой части электромагнитная мощность двигателя P_эм:

(2.17)

.

Второе слагаемое правой части – мощность потерь DP в активных сопротивлениях якорной цепи. Таким образом, мощность сети P_c=P_эм+DP.

Принято считать знак электромагнитной мощности будет положительным при работе двигателя в двигательном режиме, то есть когда ток якоря и ЭДС не совпадают по направлению.

Полезная механическая мощность на валу двигателя P_м меньше электромагнитной мощности P_эм на величину механических потерь в подшипниках и вентиляторных потерь, а также потерь в стали якоря, обусловленных его перемагничиванием.

Если направление тока и ЭДС двигателя совпадают, значит, электрическая энергия отдается двигателем, то есть механическая энергия с вала двигателя преобразуется в электрическую. Этот режим для двигателя является тормозным режимом. При этом электромагнитная мощность двигателя имеет отрицательный знак P_эм<0;

Тормозной режим двигателя возможен в трех случаях:

1) E>U_c;

2) ЭДС Е и напряжение U_с совпадают по направлению;

3) U_c=0.

Соответственно у двигателя постоянного тока с независимым возбуждением возможны три тормозных режима.

Первый из них возникает при E>U_c и называется режимом рекуперативного торможения, подразумевая при этом, что двигатель отдает (возвращает) энергию в сеть. Условию рекуперации энергии E>U_c соответствует условие w>w₀. Этот режим может быть осуществлен тогда, когда к валу двигателя со стороны рабочей машины будет приложен движущий момент того же направления, что и электромагнитный, в результате чего скорость двигателя станет больше скорости идеального холостого хода w₀. В этом режиме нагрузка как бы «подкручивает» двигатель, при этом двигатель создает тормозной момент.

Поскольку при переходе в режим рекуперативного торможения схема включения двигателя не изменяется, характеристики этого режима являются продолжением электромеханических и механических характеристик двигательного режима в область второго (четвертого) квадранта (рис. 2.6). Классическим примером работы двигателя в режиме рекуперативного торможения является спуск груза со скоростью -w¢_c, несколько большей скорости подъема w_c на естественной характеристике (рис. 2.8а).

Так как направление (знак) тока при переходе в тормозной режим меняется, то меняются и знаки мощностей P_c и P_эм на противоположные. Следовательно, уравнение баланса (2.16) можно записать следующим образом.

,

(2.18)

или ,

где P_c - энергия, возвращаемая двигателем в сеть.

Так как E>U_c, то P_эм>P_c, что и следует из уравнения (2.18).

Второй тормозной режим возникает при совпадении направлений E и U_c, что возможно в двух случаях. В первом из них двигатель изменяет направление вращения под действием активного статического момента M_c, большего по величине момента короткого замыкания M_кз. Таким образом, при переходе из двигательного режима в тормозной изменяет свой знак ЭДС E. Такой режим используется для выполнения определенных технологических операций, например спуска груза на реостатной характеристике со скоростью -w¢_c (рис. 2.8б).

Второй случай имеет место тогда, когда при переходе из двигательного режима в тормозной с помощью схемы переключений изменяет свой знак напряжение на якоре двигателя. Двигатель, работавший до этого в естественной схеме включения со скоростью w_c, переходит на характеристику обратного направления вращения в точку “а”. Скорость при этом не изменяется из-за инерционности электропривода (рис. 2.8б). Двигатель развивает момент, действующий в направлении, противоположном направлению вращения (тормозной момент), что приводит к торможению двигателя. Торможение будет осуществляться до полной остановки в точке “б” на механической характеристике двигателя. В этот момент двигатель должен быть отключен от сети, если торможение имело целью остановку электропривода. В противном случае двигатель будет разгоняться в другую сторону.

В обоих рассмотренных случаях двигатель включен для одного направления, а под действием внешних сил (груз, инерция) вращается в противоположную сторону (против включения). Поэтому этот тормозной режим называется торможением противовключением.

Поскольку в этом режиме напряжение U_c , ЭДС двигателя E и ток якоря I имеют согласное направление, электрическая энергия поступает из сети и от двигателя (генераторный режим). Следовательно, ток и момент двигателя в этом режиме будут больше тока и момента короткого замыкания. Это обстоятельство заставляет ограничивать ток короткого замыкания при торможении противовключением значительными по величине сопротивлениями, включенными в якорную цепь:

(2.19)

.

О величине добавочного сопротивления можно судить, учитывая следующее: I_я.доп=(2¸2.5)I_н, E»U_c, R_яS»0.1R_н. Тогда:

.

Вследствие больших величин сопротивлений в цепи якоря жесткость механических характеристик в режиме противовключения невелика, а сами характеристики являются продолжением реостатных характеристик двигательных режимов в первом или третьем квадрантах в области второго или четвертого квадрантов.

Анализируя эквивалентную схему рис. 2.7 при согласном направлении U_c и E, можно заключить, что знак мощности P_эм меняется на противоположный P_эм<0. Поэтому уравнение баланса мощностей (2.16) для этого режима можно записать в следующем виде:

(2.20)

Таким образом, и мощность P_c, потребляемая из сети, и мощность P_эм, генерируемая электрической машиной в процессе торможения, преобразуются в потери, выделяемые в виде тепла в сопротивлениях якорной цепи двигателя.

Третий тормозной режим при U_c=0, можно получить, отключив якорь двигателя от сети и замкнув его накоротко или через добавочное сопротивление R_дт. Обмотка возбуждения при этом остается подключенной к сети (рис.2.9, а).

Такой режим называется режимом динамического торможения, в котором двигатель работает автономным генератором (якорная цепь двигателя независима от сети). Уравнение электромеханической и механической характеристик для этого режима может быть получено, если в (2.4) и (2.5) подставив U_я=0:

(2.21)

;

(2.22)

.

Из сопоставления (2.4)-(2.5) с (2.21)-(2.22) видно, что характеристики динамического торможения при равенстве R_p и R_дт представляют собой прямые, параллельные реостатным характеристикам, и проходящие через начало координат. В частности, при R_дт=0 и Ф=Ф_н характеристика динамического торможения будет параллельна естественной (рис. 2.9б). При постоянном магнитном потоке Ф=const электромеханические и механические характеристики могут быть совмещены соответствующим подбором масштабов по оси абсцисс.

Жесткость механических характеристик при динамическом торможении, можно изменять не только изменением сопротивления якорной цепи, но и изменением магнитного потока двигателя. В этом случае коэффициент пропорциональности между током и моментом для различных характеристик неодинаков и поэтому на рис. 2.9в представлены только механические характеристики.

Баланс мощностей в режиме динамического торможения можно получить из (2.20), подставив P_c=0:

(2.23)

.

Таким образом, вся энергия P_эм, генерируемая электрической машиной в процессе торможения, преобразуется в электрические потери, выделяемые в виде тепла в сопротивлениях якорной цепи двигателя.

Сравнивая режим динамического торможения с режимом противовключения, можно отметить, что потери энергии в первом случае меньше, чем во втором. Но в отличие от режима противовключения динамическое торможение при снижении скорости становится малоэффективным из-за снижения тормозного момента. С другой стороны, в режиме динамического торможения может быть обеспечена жесткая механическая характеристика при R_дт=0, которая используется в электроприводах подъемных механизмов для спуска тяжелых грузов на низкой скорости.

Рекуперативное торможение – самый экономичный тормозной режим. Его недостатком является торможение при скоростях, больших скорости идеального холостого хода.

Однако в современных замкнутых системах тиристорных и транзисторных электроприводов постоянного тока имеется возможность эффективного рекуперативного торможения контролируемым снижением напряжения на якоре двигателя.