Электрические машины конспект лекций

25.3. Торможение двигателей постоянного тока

Основные способы торможения двигателей постоянного тока те же, что и для асинхронных двигателей: генераторное торможение, противовключение и динамическое торможение.

25.3.1. Генераторное торможение

Генераторное торможение двигателя параллельного возбуждения можно получить, если приложить к валу двигателя внешний вращающий момент и вращать якорь в том же направлении, что и при холостом ходе двигателя, но со скоростью, большей скорости идеального холостого хода, n n0 . Так как при идеальном холостом ходе (I a 0)

U C e n0 ,

òî ïðè n n0 ЭДС двигателя будет больше приложенного к двигателю напряжения, E U. Ток якоря станет при этом отрицательным, т. е. изменит направление и будет отдаваться в сеть:

I a	U E	0.	(25.1)
	ra

В соответствии с этим момент двигателя также изменит свой знак и станет отрицательным (тормозным).

Энергия при генераторном торможении подводится в форме механической энергии к валу двигателя, преобразуется в якоре двигателя в электрическую энергию и отдается в сеть (за выче- том потерь в двигателе).

Скоростная и механическая характеристики при генераторном торможении располагаются во втором квадранте (рис. 25.4).

Генераторное торможение двигателя последовательного возбуждения в обычной схеме включения осуществить нельзя.

ВОПРОСЫ

25.3.1.1. Как изменится скорость двигателя параллельного возбуждения при генераторном торможении с постоянным тормозным моментом, если включить добавочное сопротивление в цепь якоря?

а) уменьшится; б) не изменится;

281

в) увеличится.

25.3.1.2. Почему при генераторном торможении двигателя смешанного возбуждения последовательную обмотку обычно отключают?

25.3.2. Торможение противовключением

Для получения режима противовключения двигатель вклю- чают в одном направлении и принудительно, прикладывая к валу двигателя внешний вращающий момент, вращают его в обратном направлении (рис. 25.4, 25.5). Таким образом, момент, развиваемый двигателем, оказывается направленным навстречу вращения якоря, т. е. тормозным. Скорость двигателя при этом будет отрицательной, как и ЭДС якоря по сравнению с двигательным режимом. Она действует согласно с напряжением. Тогда ток якоря двигателя в режиме противовключения определится так:

I a	U E a	.	(25.2)
	ra

Величина тока будет недопустимо велика, и поэтому в цепь якоря включается специальное тормозное сопротивление rÒ, ограничивающее ток до нужного значения:

I a	U E a	.	(25.3)
	ra rT

Скорость двигателя определяется в соответствии с выражением (24.6):

n	U ra rT I a
		.
	C e

В связи с большим тормозным сопротивлением и значительным током якоря падение напряжения в якорной цепи будет больше напряжения:

ra rT I a U è n 0.

Характеристики двигателя для режима противовключения располагаются в IV квадранте (см. рис. 25.4).

282

Энергия подводится к якорю двигателя и из сети (в форме электрической энергии), и с вала двигателя (в форме механиче- ской энергии, преобразуемой в якоре в электрическую). Вся эта энергия идет на покрытие потерь в якорной цепи, превращается в тепло, выделяемое в основном в тормозном сопротивлении.

Несмотря на неэкономичность этого способа с точки зрения расхода энергии и связанную с большими потерями энергии опасность перегрева якоря сверх допустимой температуры, торможение противовключением применяется часто. Это объясняется гибкостью этого вида торможения, позволяющего подбором тормозных сопротивлений получать нужные тормозные моменты при нужных скоростях, вплоть до нулевой.

Рис. 25.4. Механические характери-	Рис. 25.5. Механические
стики двигателя параллельного возбу-	характеристики двигателя
ждения при торможении: Г. Т.— гене-	последовательного возбуж-
раторное торможение, П. В.— проти-	дения при противовключе-
вовключение, Д. Т.— динамическое	íèè
торможение

Торможение противовключением применяется и для двигателей последовательного возбуждения. Все вышесказанное будет справедливо и в этом случае. Только тормозные характеристики будут криволинейными (см. рис. 25.5).

ВОПРОСЫ

25.3.2.1. Вал двигателя связан с барабаном лебедки, опускающей груз G (рис. 25.6). Соответствует ли направление токов

283

					в якорных проводниках, пока-
					занное на рисунке, режиму
					противовключения?
					а) соответствует;
					б) не соответствует.
					25.3.2.2. Êàê íàäî èçìå-
					нить величину тормозного со-
					противления, чтобы при той
					же скорости получить боль-
					ший тормозной момент?
					а) уменьшить;
					б) увеличить.
Рис. 25.6. Схема тормозного режима					25.3.3. Динамическое
					торможение

Динамическое торможение двигателя параллельного возбуждения осуществляется по схеме, представленной на рис. 25.7, à. Якорь двигателя отключается от сети и замыкается на тормозное сопротивление (в отдельных случаях возможна работа с якорем, замкнутым накоротко). Обмотка возбуждения остается подключенной к сети. В якоре двигателя, вращающемся в магнитном поле за счет внешнего вращающего момента, индуктируется ЭДС, вызывающая ток в якорной цепи. Этот ток, взаимодействуя с магнитным потоком, создает на якоре двигателя тормозной момент. Машина в этом режиме работает также генератором, преобразуя подведенную к валу механиче- скую энергию в электрическую. Отличие от генераторного рекуперативного торможения состоит в том, что преобразованная электрическая энергия не отдается в сеть и гасится (превращается в тепло) в тормозном сопротивлении.

Поскольку напряжение, подводимое к якорю, в этом режиме равно нулю, то ток якоря и скорость будут следующими:

I a		E a		,			(25.4)
		ra rT
	a		T		a
r			r	I
n						.	(25.5)

C e

284

		Механические		характери-
	стики двигателя в этом режиме, в
	соответствии с (25.5), являются
	прямыми,		проходящими через
	начало координат (см. рис. 25.4).
	Динамическое торможение дви-
	гателя параллельного возбужде-
	ния экономично, удобно и за
	ñ÷åò	регулирования		величины
	тормозного		сопротивления по-
	зволяет получить нужные тор-
	мозные моменты при нужных
	скоростях (кроме очень малых).
		Динамическое торможение			Рис. 25.7. Схема динамического тор-
					можения двигателя постоянного то-
	двигателя		последовательного
					êà: a, á — двигатели параллельного
	возбуждения также осуществи-
					и последовательного возбуждения
	ìî,	но применяется		не часто.	соответственно
	Последовательная обмотка воз-
	буждения имеет очень малое со-
	противление и, чтобы оставить ее подключенной к сети при от-
	ключенном якоре, необходимо последовательно с ней включить
	добавочное сопротивление (рис. 25.7, á).
		Ток в обмотке возбуждения должен быть номинальным или
	близким к нему. Поэтому потери энергии в добавочном сопро-
	тивлении будут весьма значительными.

ВОПРОСЫ

25.3.3.1.Определите скорость двигателя параллельного возбуждения (номинальные данные двигателя см. в вопросе 25.1.1), работающего в режиме динамического торможения с током якоря, равным 50 А, и тормозным сопротивлением в 2 Ома.

25.3.3.2.Какой вид имеют характеристики динамического торможения двигателя последовательного возбуждения (вели- чина добавочного сопротивления постоянна)?

а) прямолинейны и проходят через начало координат. Находятся во II и IV квадрантах;

б) криволинейны, обычной для двигателей последовательного возбуждения формы. Проходят через начало координат

èнаходятся во II и IV квадрантах.

285

25.4.Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Как видно из выражения (24.6), скорость двигателя постоянного тока можно регулировать тремя способами:

1.Изменением сопротивления якорной цепи.

2.Изменением магнитного потока.

3.Изменением напряжения на якоре двигателя.

25.4.1.Регулирование частоты вращения изменением сопротивления якорной цепи (реостатное регулирование)

Реостатное регулирование осуществляется включением добавочного регулируемого сопротивления (регулировочного реостата) в цепь якоря. В двигателях параллельного возбуждения регулировочный реостат включается так же, как и пусковой реостат, только в якорную цепь (см. рис. 24.2). При этом частота вращения двигателя

n	U ra rð I a
		,
	C e

и при одном и том же токе якоря она будет тем меньше, чем больше добавочное сопротивление rð. Регулировочные (реостатные) характеристики двигателя параллельного возбуждения показаны на рис. 25.8, à, а двигателя последовательного возбуждения — на рис. 25.8, á.

Этот способ регулирования прост, удобен, но обладает теми же недостатками, что и реостатное регулирование асинхронного двигателя: большие потери энергии в регулировочных сопротивлениях и сужение диапазона регулирования по мере уменьшения нагрузки. Можно показать, что с уменьшением частоты вращения якоря потери линейно возрастают:

I a

Ra Räîá

I a2 Ra Räîá

n

#

Pýë

(25.6)

n

U

UI a

P1

ãäå Pýë — электрические потери в цепи якоря; P1 — мощность, подведенная к якорю.

286

Рис. 25.8. Скоростные характеристики при регулировании скорости двигателей постоянного тока: à, á — двигатели параллельного и последовательного возбуждения; ест.— естественная характеристика, R — регулирование сопротивлением в якорной цепи, Ф — регулирование магнитным потоком

Решая уравнение (25.6) относительно Pýë , получим

Pýë P1	n	P1	n0 n	.	(25.7)
	n0		n0

Очевидно, что данный способ позволяет только уменьшать частоту вращения.

25.4.2. Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока

Изменять магнитный поток можно регулированием тока возбуждения двигателя. При различных магнитных потоках Ф1 è Ô2 частота вращения будет определяться формулами

n1		U I a # Ra				U		I a # Ra		n01	n1 ,
			C e 1		C e 1				C e 1
											(25.8)
n2		U I a # Ra				U			I a # Ra	n02	n2 .
			C e 2		C e 2				C e 2

В двигателе с параллельным возбуждением частота вращения при холостом ходе и падение частоты вращения изменяются обратно пропорционально изменению магнитного потока:

287

n02		n2		1	.	(25.9)
n01		n1		2

Следовательно, скоростные характеристики двигателя 1 è 2 при различных магнитных потоках 1 è 2 не являются параллельными (рис. 25.9, à) и пересекаются в точке À при частоте вращения, равной нулю, так как ток при коротком замыкании Iàê не зависит от величины потока,

I àê	U	,	(25.10)
	rà

определяется величинами напряжения и сопротивления цепи якоря. Величину тока Iàê ïðè n 0 называют током короткого замыкания.

Механические характеристики для двигателя с параллельным возбуждением могут быть построены по двум точкам: точке холостого хода, в которой момент равен нулю, и точке короткого замыкания, в которой момент максимален.

Сравнивая моменты при коротком замыкании, соответствующие различным значениям магнитного потока, получим

M ê1	C M 1 I àê
M ê 2	C M 2 I àê

	1	.	(25.11)
	2

Рис. 25.9. Скоростные и механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением при регулировании частоты вращения путем изменения магнитного потока

288

Рис. 25.10. Механические характеристики двигателей: à — с параллельным, á — с последовательным возбуждением

Таким образом, с уменьшением магнитного потока

частота вращения при холостом ходе возрастает, а момент при коротком замыкании снижается. Следова-

тельно, механические характеристики, построенные при различных величи- нах магнитного потока, пересекаются при некотором

значении момента Mêð è ÷àñ-

тоте вращения, меньшей частоты вращения при холостом ходе, но больше нуля (рис. 25.9, á). Из рассмотрения механических характеристик видно, что при значениях нагрузочного момента, меньших Mêð, уменьшение потока ведет к увеличению частоты вращения (см. точки C1 è C2 при нагрузочном моменте Mí1). При значениях нагрузочного момента, больших Mêð, уменьшение потока приводит к уменьшению частоты вращения (см. точки C1 èC 2 при нагрузочном моменте Mí2). В двигателях параллельного (рис. 25.10, à) и последовательного (рис. 25.10, á) возбуждения средней и большой мощности уменьшения потока используют для повышения частоты вращения.

Уменьшение магнитного потока в двигателях последовательного возбуждения осуществляют путем включения регулировоч- ного реостата rð.â параллельно обмотке возбуждения (рис. 25.11), вследствие чего ток возбуждения

	I â	I a rð.â	k ð.â I à ,		(25.12)
		râ rð.â
	ãäå rð.â — сопротивление			регулиро-
	вочного		реостата,		âêëþ-
	ченного		параллельно об-
	мотке возбуждения;
	kð.â — коэффициент			регулирова-
	íèÿ		возбуждения,

k ð.â I â .

I à

Рис. 25.11. Схема включения регулировочного реостата в двигателе с последовательным возбуждением

289

Рис. 25.12. Скоростные и механиче- ские характеристики двигателей при регулировании частоты вращения путем изменения напряжения на зажимах якоря: à — при параллельном соединении; á — при последова-

тельном

Рассмотренный способ регулирования весьма прост и экономичен, поэтому его широко применяют на практике. Однако при этом регулирование частоты вращения можно осуществить только в сравнительно небольшом диапазоне; обычно

nìàêñ = 2–5. Нижний предел nìèí

nìèí

ограничивается насыщением

магнитной цепи машины, которое не позволяет увеличивать в значительной степени магнитный поток. Верхний предел nìàêñ определяется условиями устой- чивости (при сильном уменьшении Ф двигатель идет в «разнос»), а также тем, что при глубоком ослаблении возбуждения резко увеличивается искажающее действие реакции якоря и

раст¸т реактивная ЭДС, что повышает опасностъ возникновения искрения на коллекторе и появления кругового огня.

Изменение напряжения на зажимах якоря. При изменении

питающего напряжения от U1 äî U 2

частоты вращения будут со-

ответственно определяться формулами

n1

U1 I a

Ra

U1

I a

Ra

n01 n1

,

C e

C e C e

(25.13)

n2

I a Ra

U 2

I a Ra

n02

n2 .

C e

C e

C e

В двигателе с параллельным возбуждением частота вращения при холостом ходе изменяется пропорционально изменению

напряжения, т. е. n02 U 2 , а уменьшение частоты вращения,

n01 U1

обусловленное воздействием нагрузки, при M í const остается

290