Механические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Режим электрического торможения

Для повышения производительности технологической машины или улучшения качества продукции часто необходимо быстро и точно остановить электропривод. В начале процесса торможения, во-первых, заканчивается преобразование ЭЭ в МЭ и подача её к рабочему органу технологической машины и, во–вторых, начинается отбор МЭ, запасённой в механической части привода. В зависимости от того, куда расходуется эта энергия, можно выделить три способа торможения.

Торможение в режиме свободного выбега – запасённая МЭ расходуется на преодоление сил сопротивления. Движение рабочего органа может продолжаться ещё достаточно долго.

Механическое торможение – запасённая МЭ в механическом тормозном устройстве преобразуется в тепловую. Время торможения может быть очень небольшим, но при этом плавность торможения регулируется плохо, что приводит к появлению значительных динамических нагрузок.

Электрическое торможение – запасённая МЭ, благодаря свойству обратимости электрической машины, преобразовывается двигателем в ЭЭ и либо отдается в сеть, либо затрачивается на нагрев двигателя. Управляя процессом преобразования ЭЭ в МЭ можно обеспечивать плавное торможение и ограничивать величину динамических нагрузок.

Существует три способа электрического торможения: торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное торможение), динамическое торможение и торможение противовключением.

Рекуперативное торможение возможно в том случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода ω>ω₀ и э.д.с. вращения становится больше напряжения якорного источника Е>U.

В приводе подъёмной лебёдки рекуперативное торможение используется при опускании поднятого груза, который создаёт активный М_с. Двигатель включается в направлении опускания груза и в этом же направлении его раскручивает момент сопротивления. Поэтому уравнение движения электропривода будет иметь вид:

Поскольку М_Д>0, скорость вращения двигателя будет увеличиваться. С увеличением ω, будет увеличиваться э.д.с. Е=кωФ и, как следствие, будут уменьшаться якорный ток I_Я=(U–Е)/R_ЯЦ и момент М=кI_ЯФ.

При ω=ω₀ Е будет равно U, а т.к. они направлены встречно, то I_Я=0 и М=0. Уравнение движения в этом случае примет вид:

Момент динамический остаётся положительным М_Д>0 и под действие активного М_с скорость вращения двигателя будет увеличиваться.

При ω>ω₀ Е станет больше U и ток I_Я изменит своё направление.

Следовательно, изменяет направление и становится тормозным момент двигателя М= –кФI_Я. Уравнение движения приобретает вид:

Когда абсолютное значение |M| достигнет величины М_с, момент динамический станет равным нулю М_Д=0 и увеличение скорости вращения двигателя и опускания груза прекратится.

Если характеристики двигателя при подъёме груза располагаются в первом квадрате, то при опускании для двигательного режима они будут располагаться в третьем квадрате, а для режима электрического торможения – в четвёртом.

Уравнение механической характеристики в режиме рекуперативного торможения будет иметь вид:

Характеристика проходит через точку –ω₀= –U/кФ. Наклон её определяется сомножителем второго слагаемого R_ЯЦ/к²Ф², который по абсолютному значению при заданном сопротивлении R_ЯЦ остаётся неизменным. Следовательно, наклон механической характеристики будет таким же, как и в двигательном режиме, и она является продолжением характеристик для двигательного режима из ІІІ квадрата в IV. Характеристики приведены на рис. 2.3.

При работе двигателя на естественной характеристике увеличение скорости опускания груза прекратится при скорости (–ω₁), а на реостатной – (–ω₂).

В режиме рекуперативного торможения двигатель работает как генератор, включённый параллельно с сетью. Он преобразовывает МЭ в ЭЭ и отдает её в сеть.

Рисунок 1 - Характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением в режиме рекуперативного торможения.

Динамическое торможение. Для перевода работающего двигателя в режим динамического торможения якорная цепь отключается от источника якорного напряжения и на зажимы якоря подключается реостат динамического торможения R_ДТ. Схема включения двигателя приведена на рис.2.4а.

Под действием инерционных сил якорь продолжает вращаться в прежнем направлении, а полярность напряжения U_в, прикладываемого к обмотке возбуждения, не изменяется. Следовательно, сохраняет своё направление э.д.с. вращения Е. В образовавшемся контуре ток I_я будет протекать под действием Е. Поскольку Е направлено встречно U, то и направление тока по отношению к двигательному режиму изменится на противоположное:

.

Рисунок 2 – а) схема включения двигателя в режиме динамического

торможения; б) характеристики двигателя в режиме

динамического торможения.

Момент двигателя становится тормозным М= –кФI_Я. Поскольку U=0, уравнение механической характеристики двигателя в режиме динамического торможения имеет вид:

.

Механические характеристики двигателя в режиме динамического торможения приведены на рис. 2.4б. Они представляют расположенные во втором квадранте прямые линии, проходящие через начало координат.

Двигатель, работавший в точке А на естественной характеристике, в зависимости от величины R_ДТ перейдет в точку В или С на характеристике динамического торможения. С уменьшением скорости двигателя ω будут уменьшаться Е, I_ЯДТ и тормозной момент двигателя М. При ω=0 будут равны нулю Е, I_ЯДТ, М, поэтому характеристика динамического торможения и проходит через начало координат.

Двигатель в режиме динамического торможения работает как автономный генератор. Он преобразовывает МЭ в ЭЭ, которая выделяется в виде тепла на сопротивлениях, включенных в цепь протекания I_ЯДТ.

Динамическое торможение используется для остановки электропривода при реактивном М_с, при опускании груза в подъемных механизмах.

Торможение противовключением. Осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а вращающаяся часть двигателя под воздействием сил инерции или активного момента сопротивления М_с вращается в противоположную сторону – против включения.

Наиболее часто торможение противовключением используется в реверсивных электроприводах, так как реверсу двигатель обязательно предшествует процесс торможения. Реверсивная схема включения ДПТ с независимым возбуждением приведена на рис. 2.5. Реверс осуществляется со стороны якоря двигателя, для чего якорь включен в реверсивный мост, образованный главными контактами контакторов направления вращения КВ («вперед» в электроприводах передвижения или «верх» в электроприводах подъёма) и КН («назад» и «низ» соответственно). При реверсе со стороны обмотки возбуждения она включается в реверсивный мост, образованный контактами электрических аппаратов меньшего габарита, так как потребляемая по цепи питания обмотки возбуждения мощность не превышает 15% мощности, потребляемой по цепи питания якоря. Однако реверс со стороны якоря осуществляется гораздо быстрее, поскольку постоянная времени якорной цепи Т_я на порядок меньше постоянной времени цепи возбуждения Т_в.

Рисунок 3 - Реверсивная схема включения ДПТ с независимым

возбуждением

В цепь протекания тока I_я включены пусковой реостат с сопротивлением R_П и реостат противовключения R_ПР. Такая схема включения двигателя может быть в электроприводе подъемной лебедки, на крюке которой подвешен груз массой m.

Допустим, что замкнуты контакты КВ, а R_П и R_ПР зашунтированы, то есть их сопротивления равны нулю. Зажим якоря Я1 подключен к +U, а Д2 к – U источника якорного напряжения. Ток в якоре I_Я протекает от Я1 к Д2, а э.д.с. вращения Е направлено в обратную сторону, то есть от Д2 к Я1.

Размыкаются контакты КВ и замыкаются КН. Якорь двигателя подключается к источнику якорного напряжения с обратной полярностью. Это означает, что двигатель включается для работы в противоположном направлении. В момент переключения якорь двигателя под действием инерционных сил сохраняет направление вращения, то есть вращается против включения. Остается неизменным и направление тока в обмотке возбуждения LM. Поэтому сохраняется и направление э.д.с. вращения .

С изменением полярности напряжения на зажимах якоря изменяет направление ток якоря и поэтому момент двигателя становится тормозным. Так как величина Е в установившемся режиме работы двигателя составляет около 90% от величины U, то в момент переключения напряжения на зажимах якоря и ток в начале режима торможения противовключением I_{Я ПР} будет существенно превышать пусковой ток I_ЯП. Поэтому для его ограничения, а также ограничения момента двигателя, одновременно с замыкателем КН в цепь якоря кроме пускового реостата R_п необходимо включать и реостат противовключения R_пр. Сопротивление реостата R_ПР должно быть таким, чтобы I_{Я ПР}≤2,5 I_ЯН. Тогда ток I_{Я ПР} будет определяться по формуле:

.

Характеристики ДПТ с независимым возбуждением, соответствующие схеме включения двигателя на рис. 2.5, приведены на рис. 2.6. Поскольку схема включения двигателя реверсивная, характеристики расположены в четырех квадрантах. При замкнутых контактах КВ и зашунтированных R_П и R_ПР двигатель работает на естественной характеристике в первом квадранте в точке А.

В момент переключения изменяется полярность напряжения на зажимах якоря двигателя и он оказывается включенным для работы в направлении «назад». Поэтому его характеристики будут начинаться в третьем квадранте в точке с координатами (0; -ω₀).

Изменяется направление тока якоря I_я и вращающего момента двигателя М. Однако скорость двигателя ω остается неизменной, так как постоянная времени электромагнитного переходного процесса гораздо меньше постоянной времени электромеханического переходного процесса. Поэтому двигатель из точки А переходит в точку В на характеристике противовключения во втором квадранте по прямой, параллельной оси абсцисс. Если величина R_ПР выбрана правильно, то бросок тока якоря и тормозного момента при переключении не превысят допустимого значения.

Под влиянием тормозного момента скорость двигателя уменьшается и если он тормозится для остановки, то в точке С необходимо разомкнуть КН и отключить двигатель от напряжения источника. Если же сразу после остановки начинается разгон в противоположном направлении, то при скорости близкой к нулю необходимо зашунтировать R_ПР и перевести двигатель на предельную пусковую характеристику. Это обеспечит разгон в направлении «назад» с максимальным ускорением и позволит уменьшить время разгона. В третьем квадранте двигатель будет работать в точке Д на пусковой характеристике или в точке Е на естественной.

Если еще раз изменить полярность напряжения на зажимах якоря двигателя и ввести в якорную цепь R_П и R_ПР, двигатель перейдет из точки Е в точку F на характеристике противовключения в четвертом квадранте. Процесс торможения и разгон в направлении «вперед» будут протекать аналогично.

Рисунок 4 - Характеристики ДПТ с независимым возбуждением в режиме торможения противовключением

В электроприводах с активным М_с, например, в электроприводе подъемной лебедки, где активный М_с создает груз массой m, подвешенный на крюке, режим торможения противовключением можно получить за счет изменения механической характеристики двигателя. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.5, а соответствующие схеме включения механические характеристики двигателя приведены на рис. 2.7. Они располагаются в первом и четвертом квадранте, так как активный М_с не изменяет своего направления при изменении направления вращения двигателя.

Рисунок 5 - Характеристики ДПТ с независимым возбуждением в режиме торможения противовключением при активном М_с

Допустим , что замкнуты контакты 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 тока якоря 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 двигателя уменьшаться (ω= ω₃ при R_ПР= R_ПР1).

Можно так подобрать величину R_ПР, что М будет равен М_с при скорости двигателя ω, равной нулю. На рис. 2.7. 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. Поскольку якорь двигателя теперь вращается в обратную сторону, а направление магнитного потока не изменилось, изменит свое направление э.д.с. вращения двигателя . Величина якорного тока I_{Я ПР} будет определяться выражением:

С увеличением скорости опускания груза, будут увеличиваться Е, I_{Я ПР} и тормозной момент двигателя М. При ω= -ω₄ (точка Е на рис. 2.7.) величина тормозного момента двигателя М станет равной величине активного М_с 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 э.д.с. вращения Е направлена последовательно – согласовано с напряжением якорного источника U, то есть двигатель работает в режиме генератора, включенного последовательно с сетью. Он преобразует МЭ в ЭЭ, а также потребляет ЭЭ из сети. Вся ЭЭ выделяется в виде тепла в двигателе и на сопротивлениях, включенных в цепи протекания тока якоря. Поэтому торможение противовключением не экономично с точки зрения затрат энергии, однако по сравнению с другими видами оно обеспечивает минимальное время торможения.