5. Тормозные режимы асинхронных двигателей

Полная механическая характеристика асинхронного двига­теля во всех квадрантах по­ля М_s, пред­ставлена на рис.3.14.

Асин­хронный двига­тель может ра­ботать в трех тормозных ре­жимах: рекупе­ративного тор­можения, дина­мического тор­можения и тор­можения противовключением; специфи­ческим тормоз­ным режимом является также конденсатор­ное торможе­ние.

Рис.3.14. Полная механическая характеристика асинхронного двигателя

Рекуперативное генераторное торможение возможно, когда скорость ротора выше скорости вращения электромагнитного поля статора, чему соответствует отрицательное значение скольжения ω > ω₀; s < 0 .

Для того, чтобы ротор двигателя перешел синхронную ско­рость и разогнался до скорости выше синхронной, к его валу должен быть приложен внешний совпадающий со знаком скоро­сти вращающий момент. Это может быть, например, в приводе подъемной лебедки в режиме спуска груза.

Механическая характеристика асинхронного двигателя в ре­жиме рекуперативного торможения идентична (с учетом угловой симметрии) характеристике двигателя в двигательном режиме. Расчет характеристик может производиться по формуле Клосса (3.27), Максимальный момент в режиме рекуперативного тормо­жения несколько выше, чем максимальный момент в двигатель­ном режиме. Для рекуперативного режима

Несколько большая величина максимального момента в генераторном режиме объясняется тем, что потери в статоре (на сопротивлении r₁) в двигательном режиме уменьшают момент на валу, а в гене­раторном режиме момент на валу должен быть больше, чтобы покрыть поте­ри в статоре.

Рис.3.15. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя в режиме реку­перативного торможения

Энергетический баланс в режиме ре­куперативного генераторного торможения определяется следующим (рис.3.15). Ме­ханическая мощность, поступающая на вал двигателя, преобразу­ется в электромагнитную мощность вращающегося поля Рэм и электрическую мощность, трансформируемую в роторную цепь двигателя. По аналогии с (3.35) получим

Р_мех = Р_эм – Р_s = Мω₀ – М ω₀s

Электромагнитная мощность, за исключением потерь в ста­торе, отдается в питающую сеть, а мощность скольжения рассеи­вается в роторной цепи.Отметим, что в режиме рекуперативного торможения асинхронный двигатель генерирует и отдает в сеть активную мощность, а для создания электромагнитного поля асинхронный двигатель и в режиме генератора должен обмениваться с сетью реактивной мощностью. Поэтому асинхронная машина не может работать автономным генератором при отклю­чении от сети. Возможно, однако, подключение асинхронной машины к конденсаторным батареям, как к источнику реактив­ной мощности (см. рис.3.19).

Рис.3.16. Схемы подключения асинхронного двигателя в режиме дина­мического торможения

Способ динамического торможения характеризуется тем, что статорные обмотки отключаются от сети переменного тока и подключаются к источнику постоянного напряжения (см. рис.3.16). При питании обмоток статора постоянным током соз­дается неподвижное в пространстве электромагнитное поле, т.е. скорость вращения поля статора ω_0дт = 0. Скольжение будет равно

s_дт = – ω/ ω_0н

где ω_0н– номинальная угловая скорость вращения поля ста­тора.

Вид механических характеристик (см. рис.3.17) подобен ха­рактеристикам в режиме рекуперативного торможения. Исходной точкой характеристик является начало координат. Регулировать интенсивность динамического торможения можно изменяя величину тока возбуждения I_дтв обмотках статора. Чем выше ток, тем больший тормозной мо­мент развивает двига­тель. При этом, однако, нужно учитывать, что при токахI_дт>I_1нна­чинает сказываться насыщение магнитной це­пи двигателя.

Рис.3.17. Механические характеристи­ки асинхронного двигателя в режиме динамического торможения

Для асинхронных двигателей с фазным ротором регулирование тормозного момента мо­жет производиться так­же введением дополни­тельного сопротивления в цепь ротора. Эффект от введения добавочно­го сопротивления анало­гичен тому, которое имеет место при пуске асинхронного двигателя: благодаря улуч­шению cosφ₂ повышается критическое скольжение двигателя и увеличивается тормозной момент при больших скоростях вращения

Работу асинхронного двигателя в режиме динамического торможения можно рассматривать как работу трехфазного асин­хронного двигателя при питании его постоянным током, т.е. то­ком при частоте f₁|=0. Второе отличие заключается в том, что об­мотки статора питаются не от источника напряжения, а от источ­ника тока. Следует также иметь в виду, что в схеме динамическо­го торможения ток протекает (при соединении обмоток в звез­ду) не по трем, а по двум фазным обмоткам.

Энергетически в режиме динамического торможения асин­хронный двигатель работает как синхронный генератор, нагру­женный на сопротивление роторной цепи двигателя. Вся механи­ческая мощность, поступающая на вал двигателя, при торможении преобразуется в электрическую и идет на нагрев сопротивле­ний роторной цепи.

Возбуждение асинхронной машины в режиме динамического торможения может осуществляться не только подачей постоянного тока в обмотки статора машины, но также в режиме самовозбуждения путем подключения конденсаторов к цепям статора асинхронной машины, как это показано на рис. 3.19. Такой способ торможения называют конденсаторным торможением асинхронных двигателей. По энергетической сущности этот вид торможения идентичен динамическому торможению, т.к. энергия, поступающая с вала, преобразуется в электрическую и выделяется в виде потерь в роторе двигателя.

Рис.3.19. Схема включения асинхронного двигателя в ре­жиме динамического торможе­ния с самовозбуждением от конденсаторов

Процесс самовозбуждения асинхронного двигателя проис­ходит следующим образом. Под действием остаточного потока ротора в обмотках статора наводится э.д.с,, под действием кото­рой возникает намагничивающий ток, протекающий через кон­денсаторы. При этом увеличивается поток машины, следователь­но, наводимая э.д.с. и ток намагничивания. Верхняя и нижняя границы режима самовозбуждения и величина тормозного мо­мента зависят от величины емкости конденсаторов. Данный спо­соб торможения применяется для приводов малой мощности (до 5кВт), т.к. требует установки конденсаторов значительного объе­ма.

Торможение противовключением может быть в двух случа­ях:

• в первом, когда при работе двигателя необходимо его экстренно остановить, и с этой целью меняют порядок чередова­ния фаз питания обмоток статора двигателя;

• во втором, когда электромеханическая система движется в отрицательном направлении под действием спускаемого груза, а двигатель включается в направлении подъема, чтобы ограни­чить скорость спуска (режим протягивающего груза).

В обоих случаях электромагнитное поле статора и ротор двигате­ля вращаются в разные стороны. Скольжение двигателя в режиме противовключения всегда больше 1

> 1

В первом случае (см.рис.3.20) двигатель, работавший в т.1, после изменения порядка чередования фаз двигателя переходит в тормозной режим в т. 1, и скорость привода быстро снижается под действием тормозного момента М_т и статического моментаМ_с. При замедлении до скорости, близкой к ну­лю, двигатель необходи­мо отключить, иначе он будет разгоняться в противоположном направ­лении вращения.

Во втором случае после снятия механиче­ского тормоза двигатель, включенный в направле­нии вверх, под действи­ем силы тяжести спус­каемого груза будет вращаться в противопо­ложном направлении со скоростью, соответст­вующей точке 2. Работа в режиме противовключения под действием протягивающего груза возможна при использо­вании двигателей с фаз­ным ротором. При этом в цепь ротора вводится значительное добавоч­ное сопротивление, ко­торому соответствует характеристика 2 на рис.3.20.

Рис.3.20. Режим противовключения асинхронного двигателя 1, Г - естественные механические ха­рактеристики при включении «вперед» и «назад» 2 - механическая характеристика дви­гателя с фазным ротором со включен­ным добавочным сопротивлением в цепь ротора.

Энергетически режим противовключения крайне неблаго­приятен. Ток в этом режиме для асинхронных короткозамкнутых двигателей превосходит пусковой, достигая 10-кратного значе­ния. Потери в роторной цепи двигателя складываются из потерькороткого замыкания двигателя и мощности, которая передается на вал двигателя при торможении

ΔР_snв = М_тω₀ + М_т ω₀

Для короткозамкнутых двигателей режим противовключения возможен только в течение нескольких секунд. При использова­нии двигателей с фазным ротором в режиме противовключения обязательно включение в цепь ротора добавочного сопротивле­ния. В этом случае потери энергии остаются такими же значи­тельными, но они выносятся из объема двигателя в роторные сопротивления.