Механические характеристики асинхронных двигателей. Режим электрического торможения.

Асинхронный двигатель, как и двигатель постоянного тока с независимым возбуждением, может работать во всех трех режимах электрического торможения.

Рекуперативное торможение.Возврат энергии в сеть возможен при скорости ротора ω выше синхронной скорости ω₀. По мере приближения ω к ω₀ уменьшается величина Е₂, ток в обмотке ротора и вращающий момент двигателя М. Увеличение ω до значений, больших ω₀ возможно под влиянием М_с, способствующего вращению двигателя. В данном случае АД работает как генератор, включенный параллельно с сетью: занесенную в движущихся элементах механической части электропривода механическую энергию он преобразует в электрическую и возвращает ее в сеть. Применяется режим рекуперативного торможения в электроприводах подъемных лебедок различных грузоподъемных машин. Реверсивная схема включения АД с фазным ротором приведена на рис. 2.17а, а соответствующие ей характеристики АД для режима рекуперативного торможения – на рис. 2.17б.

Реверсировать АД, в отличие от ДПТ, можно только одним способом – изменением порядка чередования фаз напряжения, питающего статорные обмотки двигателя. Для этого используют два трехполюсных контактора (в электроприводах малой и средней мощности – магнитных пускателя), конструкция которых имеет механическую блокировку, исключающую возможность одновременного срабатывания контакторов. На рис. 2.17а показаны главные контакты контакторов направления КВ (вперед или верх) и КН (назад или низ).

При замкнутых КВ статорные обмотки АД подключены к сети с прямым порядком чередования фаз – вывод С1 статорных обмоток к напряжению фазы А, вывод С2 – фазы В и вывод С3 – фазы С. Вращающееся магнитное поле и ротор двигателя вращаются в направлении «вперед».

При разомкнутых КВ и замкнутых КН вывод С1 будет подключен к напряжению фазы С, вывод С2 останется подключенным к напряжению фазы В, а вывод С3 будет подключен к напряжению фазы А. прямой порядок чередования фаз (А, В, С)изменяется на обратный (С, В, А). В результате этого изменяется направление вращения поля и ротора двигателя.

Поднятый груз создает активный момент сопротивления М_с, направление которого не изменяется при изменении направления вращения двигателя (см. рис. 2.17б). Поэтому при замыкании КН и включении двигателя в направлении опускания груза ротор двигателя будут раскручивать как вращающий момент сопротивления М_с. Уравнение движения электропривода будет иметь вид:

.

Рис. 2.17.а) реверсивная схема включения АД с фазным ротором;

б) механические характеристики АД с фазным ротором в режиме рекуперативного торможения.

Скорость вращения двигателя, а значит и скорость опускания груза, будет увеличиваться. При ω=ω₀ вращающий момент М=0 и уравнение движения примет вид:

.

Скорость двигателя будет расти под действием активного М_с. Когда скорость ротора превысит скорость вращающегося поля (ω>ω₀), момент двигателя изменит направление и станет тормозным, а уравнение движения электропривода будет иметь вид:

.

Поскольку схема включения двигателя не изменяется, механические характеристики АД для режима рекуперативного торможения (как и для ДПТ с независимым возбуждением) получаются продолжением характеристик для двигательного режима в третьем квадранте в четвертый.

С увеличением скорости двигателя будет расти величина тормозного момента М. При работе двигателя на естественной характеристике М станет равным М_с при скорости (–ω₁) и двигатель перейдет в установившийся режим работы. Груз будет опускаться с постоянной скоростью. На реостатных характеристиках скорость установившегося режима будет больше – (–ω₂) на пусковой характеристике.

Торможение противоключением, как и для ДПТ с независимым возбуждением, осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а ротор двигателя под воздействием сил инерции или активного момента сопротивления вращается в противоположную сторону – против включения.

Допустим, что на рис. 2.17а замкнуты контакты КВ, а R_П и R_ПР зашунтированы. Статорные обмотки подключены к напряжению сети с прямым порядком чередования фаз.

Размыкаются контакты КВ и замыкаются КН. Работающий двигатель включается на противоположное направление. Статорные обмотки двигателя подключаются к сети с обратным порядком чередования фаз. Изменяется направление вращения магнитного поля статора, а ротор двигателя под действием инерционных сил сохраняет направление вращения – вращается против включения. Изменяет направление вращающий момент двигателя, т.е. он становится тормозным.

Поскольку ротор двигателя вращается навстречу полю, частота, с которой вращающееся поле пересекает обмотку ротора, в два раза превышает частоту при пуске (ротор неподвижен, а поле вращается с синхронной скоростью ω₀). Наводимая в обмотке ротора э.д.с. Е₂ в два раза превышает номинальную э.д.с. Е_2н, наводимую в обмотке ротора при пуске. Поэтому для ограничения тока в цепь ротора необходимо кроме пускового сопротивления R_П включать сопротивление противовключения R_ПР. Механические характеристики двигателя, соответствующие схеме включения на рис. 2.17а, приведены на рис. 2.18. При замкнутых КВ и зашунтированных R_П и R_ПР двигатель работал на естественной характеристике в точке А. После размыкания КВ, включения в цепь ротора R_П+R_ПР и замыкания КН двигатель из точки А переходит в точку В на характеристике торможения противовключением. Под действием тормозного момента скорость двигателя будет снижаться. Если двигатель тормозится для остановки, то в точке С при ω=0 необходимо разомкнуть КН.

Рис. 2.18. Механические характеристики АД с фазным ротором в режиме торможения противовключением.

Если же после остановки начинается разгон в противоположном направлении, то при скорости близкой к нулю необходимо зашунтировать R_ПР и перевести двигатель на предельную пусковую характеристику. На этой характеристике двигатель закончит торможение и сразу же начнет разгон в противоположном направлении с максимальным ускорением. В третьем квадранте он может работать в установившемся режиме в точке Д на пусковой характеристике или в точке Е на естественной. Если разомкнуть КН, включить в цепь ротора R_П+R_ПР и замкнуть КВ двигатель

из точки Е перейдет в точку F на характеристике противовключения в четвертом квадранте. Процесс торможения и разгон будут проходить аналогично.

При реверсивной схеме включения АД с короткозамкнутым ротором у двигателя будут две естественных характеристики (см. рис. 2.17б) в первом и третьем квадрантах. Для получения характеристик торможения противовключением естественные характеристики следует продлить во второй и четвертый квадранты. Процессы торможения и разгона будут протекать аналогично рассмотренным для АД с фазным ротором. Однако нагрев двигателя будет намного большим, т.к. ограничение тока ротора отсутствует.

В электроприводах с активным М_с, например, в электроприводе подъемной лебедки, где активный М_с создает груз массой m, подвешенный на крюке, режим торможения противключением можно получить за счет изменения механической характеристики двигателя. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.17а, а механические характеристики двигателя на рис. 2.19.

Допустим, что замкнуты КВ и зашунтированы R_П и R_ПР. Двигатель со скоростью ω₁ работает в направлении подъема на естественной характеристике в точке А.

При введении в цепь ротора пускового реостата R_П двигатель перейдет на предельную пусковую характеристику и будет работать в точке В со скоростью ω₂.С введением R_ПР наклон характеристики будет увеличиваться, а скорость движения уменьшается (ω=ω₃ при R_ПР= R_ПР1).

Рис. 2.19. Механические характеристики АД с фазным ротором в режиме торможения противовключением при активном М_с.

Можно так подобрать величину R_ПР, что М будет равен М_с при скорости двигателя ω, равной нулю. На рис. 2.19 этому случаю соответствует точка Д при R_ПР= R_ПР2. Двигатель останавливается и поднимаемый груз удерживается в подвешенном состоянии за счет вращающего момента двигателя М. При

R_ПР= R_ПР3 момент двигателя М станет меньше М_с. Поднятый груз начнет опускаться и двигатель, включенный для работы на подъем, под действием активного М_с будет вращаться в направлении опускания – против включения. Момент двигателя становится тормозным. С увеличением скорости опускания груза он будет увеличиваться. При ω=-ω₄ (точка Е на рис. 2.19) величина тормозного момента двигателя М станет равной величине активного М_с. Двигатель перейдет в установившийся режим работы и увеличение скорости опускания груза прекратится. Такой режим торможения широко используется в электроприводах подъемных лебедок, так как он позволяет получить очень низкие «посадочные» скорости двигателя и устанавливать груз в требуемом месте без удара.

При торможении противовключением АД работает в режиме генератора, включенного последовательно с сетью. Он преобразует механическую энергию в электрическую, а также потребляет электрическую энергию из сети. Вся электроэнергия выделяется в виде тепла в двигателе и на сопротивлениях, включенных в цепи протекания тока ротора. Поэтому торможение противовключением не экономично с точки зрения затрат энергии, однако по сравнению с другими видами оно обеспечивает минимальное время торможения.

Динамическое торможение осуществляется при отключении обмоток статора от сети переменного тока и подключении двух из них к сети постоянного тока. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.20а, механические характеристики – на рис. 2.20б.

При замкнутых КЛ и разомкнутых КДТ и зашунтированном R_ДТ двигатель работает в первом квадранте на естественной характеристике в точке А.

При размыкании КЛ и замыкании КДТ выводы С2 и С3 статорных обмоток подключается к сети постоянного тока. Постоянный ток, протекая к обмотке статора, образует неподвижное магнитное поле. В обмотке вращающегося ротора наводится э.д.с., под действием которой протекает переменный ток. Создаваемое этим током поле неподвижно относительно статора. Тормозной момент возникает в результате взаимодействия суммарного магнитного потока с током ротора.

Двигатель из точки А перейдет в точку В на одной из характеристик динамического торможения, которые расположены во втором квадранте. Они проходят через начало координат, так как при ω=0 э.д.с. ротора, ток ротора и тормозной момент двигателя тоже будут равны нулю.

В режиме динамического торможения двигатель работает как автономный генератор. Механическую энергию, запасенную в движущихся элементах механической части он преобразовывает в электрическую и расходует ее на нагрев обмоток и дополнительных сопротивлений в цепи ротора.

Рис. 2.20. а) схема включения АД с фазным ротором в режиме динамического торможения;

б) механические характеристики АД с фазным ротором в режиме динамического торможения.