16. Асинхронный двигатель может работать в следующих тормозных режимах: в режиме рекуперативного торможения, противовключения и динамическом.

Рекуперативное торможение асинхронного двигателя

Режим рекуперативного торможения осуществляется в том случае, когда скорость ротора асинхронного двигателя превышает синхронную.

Режим рекуперативного торможения практически применяется для двигателей с переключением полюсов и в приводах грузоподъемных машин (подъемники, экскаваторы и т.п.).

При переходе в генераторный режим вследствие изменения знака момента меняет знак активная составляющая тока ротора. В этом случаеасинхронный двигатель отдает активную мощность (энергию) в сеть и потребляет из сети реактивную мощность (энергию), необходимую для возбуждения. Такой режим возникает, например, при торможении (переходе) двухскоростного двигателя с высокой на низкую скорость, как показано на рис. 1 а. 

Рис. 1. Торможение асинхронного двигателя в основной схеме включения: а) с рекуперацией энергии в сеть; б) противовключением

Предположим, что в исходном положении двигатель работал на характеристике 1 и в точке а, вращаясь со скоростью ωуст1. При увеличении числа пар полюсов двигатель переходит на характеристику 2, участок бс которой соответствует торможению с рекуперацией энергии в сеть.

Этот же вид торможения может быть реализован в системе преобразователь частоты – двигатель при останове асинхронного двигателя или при переходе с характеристики на характеристику. Для этого осуществляется уменьшение частоты выходного напряжения, а тем самым синхронной скорости ωо = 2πf / p.

В силу механической инерции текущая скорость двигателя ω будет изменяться медленнее чем синхронная скорость ωо, и будет постоянно превышать скорость магнитного поля. За счет этого и возникает режим торможения с отдачей энергии в сеть.

Рекуперативное торможение также может быть реализовано в электроприводе грузоподъемных машин при спуске грузов. Для этого двигатель включается в направлении спуска груза (характеристика 2 рис. 1 б).

После окончания торможения он будет работать в точке со скоростью –ωуст2. При этом осуществляется процесс спуска груза с отдачей энергии в сеть.

Рекуперативное торможение является наиболее экономичным видом торможения. 

Торможение асинхронного электродвигателя противовключением

Перевод асинхронного двигателя в режим торможения противовключением может быть выполнен двумя путями. Один из них связан с изменением чередования двух фаз питающего электродвигатель напряжения.

Допустим, что двигатель работает на характеристике 1 (рис. 1 б) при чередовании фаз напряжения АВС. Тогда при переключении двух фаз (например, В и С) он переходит на характеристику 2, участок аб которой соответствует торможению противовключением.

Обратим внимание на то обстоятельство, что при противовключении скольжение асинхронного двигателя изменяется от S = 2 до S = 1.

Ротор при этом вращается против направления движения поля и постоянно замедляется. Когда скорость спадает до нуля, двигатель должен быть отключен от сети, иначе он может перейти в двигательный режим, причем ротор его будет вращаться в направлении, обратном предыдущему.

При торможении противовключением токи в обмотке двигателя могут в 7–8 раз превышать соответствующие номинальные токи. Заметно уменьшается коэффициент мощности двигателя. О КПД в данном случае говорить не приходится, т.к. и преобразуемая в электрическую механическая энергия и энергия, потребляемая из сети, рассеиваются в активном сопротивлении ротора, и полезно используемой энергии в данном случае нет.

Короткозамкнутые двигатели кратковременно перегружаются по току. Правда, у них при (S > 1) вследствие явления вытеснения тока заметно возрастает активное сопротивление ротора. Это приводит к уменьшению и увеличению момента.

С целью увеличения эффективности торможения двигателей с фазным ротором в цепи их роторов вводят добавочные сопротивления, что позволяет ограничить токи в обмотках и увеличить момент.

Другой путь торможения противовключением может быть использован при активном характере момента нагрузки, который создается, например, на валу двигателя грузоподъемного механизма.

Допустим, что требуется осуществить спуск груза, обеспечивая его торможение с помощью асинхронного двигателя. Для этого двигатель путем включения в цепь ротора добавочного резистора (сопротивления) переводится на искусственную характеристику (прямая 3 на рис. 1).

Вследствие превышения моментом нагрузки Мс пускового момента Мп двигателя и его активного характера груз может опускаться с установившейся скоростью –ωуст2. В этом режиме торможение скольжения асинхронного двигателя может изменяться от S = 1 до S = 2.

Динамическое торможение асинхронного двигателя

Для динамического торможения обмотки статора двигатель отключают от сети переменного тока и подключают к источнику постоянного тока, как это показано на рис. 2. Обмотка ротора при этом может быть закорочена, или в ее цепь включаются добавочные резисторы с сопротивлением R2д. 

Рис. 2. Схема динамического торможения асинхронного двигателя (а) и схема включения обмоток статора (б)

Постоянный ток Iп, значение которого может регулироваться резистором 2, протекает по обмоткам статора и создает относительно статора неподвижное магнитное поле. При вращении ротора в нем наводится ЭДС, частота которой пропорциональна скорости. Эта ЭДС, в свою очередь, вызывает появление тока в замкнутом контуре обмотки ротора, который создает магнитный поток, также неподвижный относительно статора.

Взаимодействие тока ротора с результирующим магнитным полем асинхронного двигателя создает тормозной момент, за счет которого достигается эффект торможения. Двигатель в этом случае работает в режиме генератора независимо от сети переменного тока, преобразовывая кинетическую энергию движущихся частей электропривода и рабочей машины в электрическую, которая рассеивается в виде тепла в цепи ротора.

На рисунке 2 б показана наиболее распространенная схема включения обмоток статора при динамическом торможении. Система возбуждения двигателя в этом режиме является несимметричной.

Для проведения анализа работы асинхронного двигателя в режиме динамического торможения несимметричную систему возбуждения заменяют симметричной. С этой целью принимается допущение, что статор питается не постоянным током Iп, а некоторым эквивалентным трехфазным переменным током, создающим такую же МДС (магнитодвижущую силу), что и постоянный ток.

Электромеханическая и механические характеристики представлены на рис. 3.

Рис. 3. Электромеханическая и механические характеристики асинхронного двигателя

Характеристика расположена на рисунке в первом квадранте I, где s = ω / ωo – скольжение асинхронного двигателя в режиме динамического торможения. Механические характеристики двигателя расположены во втором квадранте II.

Различные искусственные характеристики асинхронного двигателя в режиме динамического торможения можно получить, изменяя сопротивление R2д добавочных резисторов 3 (рис. 2) в цепи ротора или постоянный ток Iп, подаваемый в обмотки статора.

Варьируя значения R2д и Iп, можно получить желаемый вид механических характеристик асинхронного двигателя в режиме динамического торможения и, тем самым, соответствующую интенсивность торможения асинхронного электропривода.

17. ЭЛЕКТРОПРИВОД С СИНХРОННЫМ ДВИГАТЕЛЕМ 5.1. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ, СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Синхронные трехфазные двигатели (СД) широко применяются в электроприводах самых разнообразных рабочих машин и механизмов, что объясняется их высокими технико-экономическими показателями.

1. Синхронные двигатели имеют высокий коэффициент мощности cos, равный единице для электроприводов небольшой мощности и опережающий cos в установках большой мощности. Способность СД работать с опережающим cos и отдавать в сеть реактивную мощность позволяет улучшать режим работы и экономичность сети электроснабжения.

2. Высокий КПД современных СД, составляющий 96–98 %, что на 1–1,5 % выше КПД АД тех же габаритов и скорости.

3. Возможность регулирования перегрузочной способности СД за счет регулирования тока возбуждения и меньшая зависимость этого показателя от напряжения сети по сравнению с АД.

4. Синхронный двигатель обладает абсолютно жесткой механической характеристикой.

5 . Важным преимуществом конструкции СД является большой воздушный зазор, вследствие чего его характеристики и свойства мало зависят от износа подшипников и неточности монтажа ротора. 6. Возможность их изготовления на очень большие мощности (до нескольких десятков мегаватт и более).

На рис. 5.1 приведена схема включения СД. На статоре СД, выполненном аналогично статору АД, располагается трехфазная обмотка, подключенная к сети переменного тока.

Ротор СД выполняется с двумя обмотками: обмоткой возбуждения постоянного тока и короткозамкнутой пусковой обмоткой в виде беличьей клетки. Пусковая обмотка обеспечивает механическую характеристику СД в виде одной из кривых, показанных на рис. 5.2, а. Характеристика 1 обеспечивает по сравнению с характеристикой 2 больший «входной» момент СД (Mв1>Mв2), но меньший пусковой момент Выбор вида пусковой механической характеристики определяется конкретными условиями работы СД.  После вхождения СД в синхронизм его скорость при изменениях момента нагрузки на валу до некоторого максимального значения Мmax остается постоянной и равной угловой скорости магнитного поля (синхронной скорости)     (5.1) где р – число пар полюсов СД; f1 – частота питающей сети. Поэтому его механическая х арактеристика имеет вид горизонтальной прямой линии, показанной на рис. 5.2, б. Если момент нагрузки превысит значение Мmax, то СД может выпасть из синхронизма. Для о пределения максимального момента СД Мmax, до которого сохраняется синхронная работа СД с сетью, служит угловая характеристика СД. Она отражает зависимость момента М от внутреннего угла СД , представляющего собой угол сдвига между ЭДС статора Е и напряжением сети Uф или, что то же самое, между осью магнитного поля СД и осью его полюсов. Получим угловую характеристику для неявнополюсного СД при пренебрежении активным сопротивлением обмотки статора (R1=0). Векторная диаграмма для этого случая показана на рис. 5.3, а, где обозначено: x1 – индуктивное сопротивление фазы обмотки статора; I –ток статора СД. Подводимая к СД мощность может быть принята равной электромагнитной мощности   (5.2) где Uф – фазное напряжение сети;  – угол сдвига между напряжением сети и током СД. Отсюда   (5.3) Из векторной диаграммы рис. 5.3, а следует    (5.4) Рассмотрение треугольника АВС позволяет определить, что    (5.5) с учетом чего (5.4) запишется как    (5.6) Подстановка (5.6) в (5.3) дает следующее выражение:   (5.7.) где Mmax=3UфЕ/(0x1) – максимальный момент СД. Из выражения (5.7) видно что момент СД представляет собой синусоидальную функцию внутреннего угла машины. Полученное выражение угловой характеристики (5.7) может быть с погрешностью примерно 10–20 % использовано и для явнополюсных СД. Угловая характеристика СД показана на рис. 5.3, б. Максимального значения момент СД достигает при =/2. Эта величина характеризует собой перегрузочную способность СД. При больших значениях угла СД выпадает из синхронизма, а при меньших углах  его работа устойчива. Важной величиной является номинальный угол сдвига ном, его значение равно 25–30°, которому соответствует номинальный момент Mном. При таком значении ном м=Мmax/Mном=22,5. Синхронный двигатель может работать во всех основных энергетических режимах, а именно: двигательном и генераторном при параллельной и последовательной работе с сетью и независимо от сети. При этом режим генератора последовательно с сетью (торможение противовключением) используется редко из-за того, что перевод СД в этот режим сопровождается значительными бросками тока и требует применения сложных схем управления. Для осуществления торможения СД чаще используется генераторный режим при работе независимо от сети переменного тока (режим динамического торможения). Для реализации этого режима обмотка статора СД отключается от сети и замыкается на дополнительный резистор R1д, как показано на рис. 5.4, а, обмотка возбуждения продолжает питаться от источника, постоянного тока

18. Переходной процесс в э.п. – процесс перехода его параметров из одного устойчивого состояния в другое.

На п.п. в э.п. влияют различные виды инерции:

1) механическая инерция частей рабочей машины, промежуточных передач двигателя. Степень влияния механической инерции на скорость протекания переходных процессов характеризуется электромеханической постоянной Tм; 2) электромагнитная инерция, обусловленная индуктивностью обмоток э.д. и аппаратуры управления. Характеризуется электромагнитной постоянной Т_эм:

L – индуктивность э.ц., r – сопротивление э.ц.;

3) тепловая инерция, обусловленная теплоемкостью С и теплоотдачей э.д. А Характеризуется постоянной времени нагрева Т: