Теория электропривода

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.

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 РЭМ следует, что при S<0 PЭМ>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=Mc груз будет опускаться с установившейся скоростью wc, как показано на рисунке. Необходимо иметь в виду, что для обеспечения нормального спуска груза Mc 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 rП=1 на rП=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

Sн – номинальное скольжение

Sн 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.

Для вывода уравнения механической характеристики АД в режиме динамического торможения режим синхронного генератора, в который превращается АД после подключения к источнику постоянного тока, целесообразно заменить эквивалентным режимом АД, полагая, что его статор вместо постоянного питается переменным током. При такой замене МДС создается совместно обмотками статора и ротора и должно быть соблюдено равенство МДС для обоих случаев, т. е. FПОСТ=FПЕР. Определение МДС, создаваемой постоянным током IПОСТ для схемы “а”, поясняет рис. и векторная диаграмма, изображенные рядом.

. Амплитуда МДС, создаваемой переменным током I1 при протекании его по обмоткам статора: . Исходя из условия . Отсюда значение переменного тока, эквивалентного постоянному: , а . Необходимые напряжения и мощность постоянного тока : .

Определив ток I1, машину в тормозном режиме можно представить как нормальный АД. Однако, работа АМ в режиме динамического торможения существенно отличается от работы в нормальном двигательном режиме. В двигательном режиме намагничивающий ток и магнитный поток при изменении скольжения практически не изменяются. При динамическом торможении магнитный поток при изменении скольжения меняется вследствие непрерывного изменения результирующей МДС, складывающейся из неизменной МДС статора (постоянного тока) и меняющейся МДС ротора (переменного тока переменной частоты).

Результирующий намагничивающий ток, приведенный к числу витков обмотки статора . Из векторной диаграммы токов следует:

Возведя в квадрат Эти выражения и почленно складывая, получим: .Намагничивающий ток равен .

В приведенной машине , где E2’ – ЭДС ротора при синхронной скорости w0, соответствующей частоте сети. При w отличной от w0, ЭДС ротора будет равна: , где n - относительная скорость или иначе – скольжение в режиме динамического торможения. При этом уравнение равновесия ЭДС для роторной цепи имеет вид: , а намагничивающий ток, выраженный через E2’: .

Полное сопротивление ротора с учетом того, что его индуктивное сопротивление изменяется с изменением скорости вращения ротора: .

Учитывая, что и подставляя значения Im, siny2 и Z2’ в уравнение для I12, из полученного соотношения находится ток I2’, который будет равен: .

Электромагнитный момент, развиваемый двигателем, выраженный через электромагнитную мощность: , где m1 – число фаз обмотки статора.

Из выражения для М видно, что момент при динамическом торможении определяется переменным током I1, эквивалентным постоянному, протекающему по обмоткам статора.

Взяв производную и приравняв ее к 0, найдем, что момент будет максимален при относительной скорости: , а значение этого момента, также называемого критическим, равно: .

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 МК следует, что критический момент двигателя в режиме динамического торможения не зависит от активного сопротивления цепи ротора.

Разделив значение М на значение МК, 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.

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 Iμ1 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 ωротора > ω0 – угловой скорости поля статора, созданного токами низкой частоты. Следовательно, существует нижняя граница конденсаторного самовозбуждения, которой соответствует wр, скольжение S, угловая частота свободных колебаний тока в статоре, которые называются нижними критическими.

Для определения скорости ротора, при которой возникает самовозбуждение, воспользуемся упрощенной схемой замещения для начального момента времени после отключения статора от сети и подключения батареи конденсаторов.

Уравнение равновесия ЭДС в обмотке статора для этого момента времени

Где - относительная частота тока в статоре.

В начале самовозбуждения тока в роторе нет и весь ток статора является намагничивающим, т. е. I1@Iμ. В этом случае написанное выражение будет иметь вид:

, где

φН - частота начала самовозбуждения в относительных единицах:

Xμ×φН - индуктивное сопротивление намагничивающего контура при частоте jн.

Решая данное соотношение относительно jн при пренебрежении малыми величинами, получим:

или .Т. к. ; ; то и .

Где ω50 – угловая скорость при промышленной частоте 50 Гц.

При работе самовозбужденной машины вращающееся поле, созданное током статора, индуктирует в его обмотках ЭДС Е1, отстающую от этого поля (потока) на . Этот же поток наводит в обмотке ротора, вращающегося со скоростью, превышающей скорость вращения магнитного потока, ЭДС Е2, сдвинутую относительно Е1 на 180°. Ток статора I1 вследствие преобладания емкости, опережает Е1 на угол j1 , а ток ротора I2’ из-за наличия индуктивного сопротивления, отстает от Е2 на угол j2, что отражено на векторной диаграмме.

При повышении скорости вращения ротора, например, при активном Мс, частота будет расти. Вектор I1 вследствие увеличения индуктивного сопротивления x1j1 и уменьшения емкостного сопротивления будет поворачиваться по часовой стрелке из положения, совпадающего с Im, т. к. в начале самовозбуждения I1=Iμ.Вектор тока I2¢ вследствие увеличения индуктивного сопротивления x2j с возрастанием частоты также будет поворачиваться по часовой стрелке. Такой характер изменения положения векторов приводит к тому, что Iμ сначала растет, достигает некоторого максимума, а при дальнейшем возрастании скорости ротора приближается к 0. Физически это означает, что вся реактивная мощность, генерируемая конденсаторами «потребляется» индуктивностями рассеяния. Иначе говоря, будет иметь место обмен реактивной энергией между конденсаторами и индуктивными полями рассеяния. При этом основной контур намагничивания в этом обмене энергии участия не принимает, что приводит к прекращению самовозбуждения. Т. о., имеется и верхняя граница существования режима самовозбуждения. Соответствующие ей параметры называются верхними критическими.

При Im=0 ЭДС в обмотках статора и ротора, следовательно и сумма падений напряжения будут равны 0. Поэтому, пренебрегая активным падением напряжения, можно написать:

, где

JК – относительная частота при исчезновении ЭДС в машине из-за уменьшения Iμ до нулевого значения.

Т. к. при этом I2’ = I1, то ,

Откуда конечная частота, при которой прекращается самовозбуждение и соответствующая ей скорость ротора ;

С учетом активного сопротивления ротора и статора

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> ωк , 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.