книги из ГПНТБ / Головин Ю.К. Судовые электрические приводы. Устройство и эксплуатация учебник

данной точке пути, проходимого его подвижными частями (рулевой электропривод), а также значительно облегчает работу электромаг­ нитного тормоза (грузоподъемные механизмы).

Торможение противовключеннем или противотоком применяют в основном в реверсивных электроприводах, для которых процесс торможения является промежуточным при переходе от одного направ­ ления вращения к другому. Реже данный способ находит применение в грузоподъемных устройствах при опускании тяжелых грузов во включенном положении двигателя, соответствующем подъему.

Рассмотрим подробнее процессы электрического торможения для электродвигателей постоянного и переменного тока.

§ 14. Тормозные режимы электродвигателей постоянного тока

Генераторное, или рекуперативное, торможение. При включении шунтового электродвигателя на спуск тяжелого груза пли при наличии каких-либо других внешних воздействии, направлен­

Рис. 26. Механические характери­ Когда частота вращения п под вли­

стики шунтового двигателя при янием внешних воздействий станет

рекуперативном торможении больше п0, его э. д. с. станет больше

приложенного напряжения. Из уравнения (54) видно, что в этом случае ток якоря

~ R ~~ R

стал отрицательным. В результате изменения направления тока ме­ няет направление и момент двигателя, который для вращающегося

50

в прежнем направлении привода является тормозным н определяется выражением

С увеличением частоты вращения тормозной момент электродвигателя увеличивается. Ускорение электродвигателя в генераторном режиме прекращается, когда при определенной частоте вращения тормозной момент настолько возрастет, что уравновесит момент сопротивления, ускорявший до этого электропривод.

При переходе из двигательного режима в тормозной схема подклю­ чения электродвигателя к сети и его параметры не изменялись. Поэто­ му для режима рекуперативного торможения шунтового электродви­ гателя можно воспользоваться уравнением механической характери­ стики (24), подставив в него птвместо п и Мт вместо —М :

Анализируя это выражение, видим, что при увеличении сопротив­ ления R частота вращения в тормозном режиме при том же моменте

не уменьшается, как в двигательном, а увеличивается. Механические характеристики (естественная и искусственная), соответствующие урав­ нению (57), показаны на рис. 26. Они являются продолжением механи­ ческих характеристик в двигательном режиме и проходят в квадранте IV при спуске груза и во II — при движении электротранспорта в

направлении вперед под уклон.

Рекуперативное торможение сериесных электродвигателей при нормальной'схеме присоединения к сети неосуществимо ввиду невыпол­ нения условия п > п0. При рекуперативном торможении компаунд-

ных электродвигателей из-за изменения направления тока в сериесной обмотке ее намагничивающая сила действует встречно с н. с. шунтовой обмотки и размагничивает электродвигатель. Вследствие этого тормозной момент значительно уменьшается и торможение происходит при недопустимо больших частотах вращения. Поэтому на времядорможенпя сериесиую обмотку выключают из цепи якоря или замыкают накоротко для того, чтобы магнитный поток электродвигателя соз­ давался только одной шунтовой обмоткой. В этом случае механичес­ кие характеристики получаются такими же, как при рекуператив­ ном торможении шунтовых электродвигателей.

Недостаток этого способа торможения — большие тормозные ско­ рости; положительное качество — отдача электрической энергии в сеть. Однако при мощности грузоподъемного механизма, соизмеримого с мощностью судовой электростанции, это приводит к повышению на­ пряжения судовой сети и отрицательно сказывается на работе отдель­ ных потребителей, и в первую очередь сети освещения.

Динамическое торможение. Если отключить электропривод от питающей сети, то он, вращаясь сначала по инерции, через некоторое время остановится вследствие тормозящего действия отрицательного статического момента механизма и сил трения в самом электродвига­

51

теле. Этот процесс называют свободным выбегом. В большинстве слу­ чаев такой метод остановки вполне приемлем. Однако для механизмов, работающих в режиме с частыми пусками, это не годится.

Наиболее эффективный вид электрического торможения электро­ двигателей постоянного тока— динамическое торможение.

При динамическом торможении шунтового электродвигателя его якорь отключают от питающей сети и замыкают на сопротивление, а

Рис. 27. Динамическое торможение электродвигателей постоянного тока:

шунтовую обмотку продолжают по-прежнему питать от сети (рис. 27, а).

В обмотке якоря, вращающегося по инерции в магнитном поле воз­ буждения, продолжает индуктироваться э. д. с., вследствие чего по обмотке и по сопротивлению динамического торможения R r проходит

ток. Электродвигатель переходит в генераторный режим, преобразо­ вывая запасенную в нем при вращении кинетическую энергию в элек­ трическую, которая расходуется на нагрев якоря и сопротивления. Так как вращение по инерции происходит в прежнем направлении, знак э. д. с. при переходе в генераторный режим не изменяется. Рас­ сматривая выражение (18) при U = 0, замечаем, что в этом режиме ток

отрицательный:

Rя + Rt

52

Изменившийся по направлению ток создает противоположный по на­ правлению момент, который для вращающегося по инерции якоря бу­ дет являться тормозным.

Под действием этого момента электродвигатель останавливается, причем тем быстрее, чем момент больше. По мере уменьшения частоты

получим уравнение механической характеристики шунтового электро­ двигателя при динамическом торможении:

Чем меньше сопротивление Rr, тем меньше угол а и тем характеристи­ ка более пологая. На рис. 27, г в квадранте II показаны две характери­ стики 1 и 2 для разных значений тормозных сопротивлений: R T1;> RT2. При одинаковой начальной скорости торможения пттормозной момент получается большим при работе на более пологой характеристике 2,

т. е. при меньшем сопротивлении. Наибольший тормозной момент по­ лучается при замыкании обмотки якоря накоротко. Однако при этом возникает ток, недопустимый по условиям коммутации.

Если включить неподвижный электродвигатель по схеме динами­ ческого торможения для направления спуска, то при наличии положи­ тельного статического момента на валу он начнет вращаться под дей­ ствием этого момента в сторону спуска и создаст тормозной момент

—М т. Таким способом можно осуществлять тормозной спуск тяжелых грузов при ограниченной частоте вращения —пт. Механическая ха­ рактеристика 3, соответствующая указанному режиму работы, изо­ бражена на рис. 27, г'в квадранте.IV. Силовой спуск легких грузов при

работе на этой характеристике невозможен.

Динамическое торможение сериесных электродвигателей возможно

ссамовозбуждением и с независимым возбуждением.

Впервом случае двигатель отключается от сети и якорь последо­

вательно с обмоткой возбуждения включается иа тормозное сопротив­ ление; при этом машина самовозбуждается за счет магнитного потока от остаточного магнетизма; возникшая э. д. с. создает в цепи якоря ток, который проходит через обмотку возбуждения, обусловливая маг­ нитный поток; взаимодействие этого потока с током якоря создает тор­ мозной момент на валу двигателя.

Так как при отключении от сети двигатель представляет собой изо­ лированный генератор, замкнутый на внешнее сопротивление, ток якоря будет иметь направление, противоположное току в двигатель­ ном режиме, и намагничивающая сила, создаваемая этим током, будет

53

оказывать размагничивающее действие на н. с. остаточного магнетиз­ ма. Во избежание этого при переводе двигателя в режиме динамиче­ ского торможения необходимо переключить зажимы обмотки якоря или обмотки возбуждения (рис. 27, б).

Динамическое торможение с самовозбуждением малоэффективно, так как, несмотря на большую начальную величину тормозного мо­ мента, последний при уменьшении частоты вращения и э. д. с. убывает не только из-за снижения тока, как при торможении шунтовых элек­ тродвигателей, но и вследствие уменьшения магнитного потока возбу­ ждения. В результате он оказывается очень малым гораздо раньше, чем электродвигатель останавливается. Механическая характеристика 4 для этого случая показана на рис. 27, д в квадранте II. Криволиней-

ность ее обусловливается изменяющимся магнитным потоком сериесной обмотки. В случае спуска тяжелого груза вначале при небольшой частоте вращения тормозной момент очень мал (см. характеристику 4 в квадранте IV), вследствие чего груз падает с большим ускорением. Из-за этого тормозной момент —М твозрастает очень резко, и в резуль­

тате происходит рывок грузового троса, а весь механизм испытывает

вэто мгновение большую динамическую нагрузку. По указанным при­ чинам торможение с самовозбуждением применяют редко, в основном

вкачестве аварийного способа торможения на случай исчезновения напряжения в питающей сети при спуске груза.

При торможении с независимым возбуждением сериесную обмотку отсоединяют от якоря электродвигателя и подключают через добавоч­ ное сопротивление к сети (рис. 27, в). В этом случае процесс торможения

протекает так же, как при динамическом торможении шунтовых элек­ тродвигателей,Hi механические характеристики 5 имеют такой же вид.

Экономически такое торможение невыгодно,^так как в цепи возбужде­ ния проходит ток, примерно равный номинальному, и из сети потреб­ ляется почти номинальная мощность электродвигателя.

Динамическое торможение компаундных электродвигателей обыч­ но осуществляют при отключенной сериесной обмотке возбуждения. Ее отсоединяют от якоря по причинам, изложенным при описании ре­ куперативного торможения этих электродвигателей. Поток возбужде­ ния при торможении создается одной только шунтовой обмоткой. По­ этому механические характеристики в этом случае имеют такой же вид, как у шунтовых электродвигателей.

Торможение противовключением. При таком торможении двигатель, включенный на вращение в одном направлении, под действием внеш­ них сил или по инерции вращается в противоположную сторону. Ре­ жим противовключения может быть осуществлен при реактивном и при активном статическом моменте. В первом случае торможение при­ меняют в реверсивных электроприводах, для которых процесс тормо­ жения является промежуточным при переходе от одного направления вращения к другому, во втором — для ограничения скорости опуска­ ния тяжелых грузов.

Реверсировать шунтовой двигатель можно, изменив направление тока в якорной обмотке либо в обмотке возбуждения. В основном при­ меняют первый способ, так как переключение цепи шунтовой обмотки

54

Это уравнение искусственной характеристики, соответствующей двигательному режиму при вращении электродвигателя в направле­ нии, противоположном первоначальному. Она проходит в квадранте III, а продолжение ее — во I I (характеристика 2 на рис. 28, б). При

переключении электродвигателя по схеме противовключепия он пере­ ходит с естественной характеристики 1 при частоте п и, с которой он вращался в двигательном режиме, на характеристику 2 в квадранте

Рис. 28. Торможение протпповключеппем электродвигателей постоянного тока:

тродвигатель на обычные пусковые характеристики для разгона его до —п с, соответствующей статическому моменту на валу электродвига­

теля при другом направлении вращения. Если целью торможения было не ускорение процесса реверса, а остановка электродвигателя, то в момент, когда п » 0, его отключают от питающей сети. Начальный тормозной момент М тзависит от величины сопротивления противотока.

Чем оно меньше, тем больше момент и тем быстрее протекает процесс торможения. В то же время уменьшение сопротивления приводит к возрастанию тока, который должен быть ограничен по условиям ком­ мутации.

Режим противовключепия получается и в случае, когда электро­ двигатель включен для вращения в одну сторону, например в сторо­ ну подъема груза, а положительный статический момент, создаваемый массой груза, оказывается больше, чем момент стоянки электродвига­ теля при работе на данной искусственной характеристике (характери­ стика 3 на рис. 28, б). Под действием статического момента электродви­

гатель вращается в сторону спуска груза. Момент, развиваемый элек­

56

тродвигателем и совпадающий с направлением подъема, для электро­ привода, вращающегося в сторону опускания, будет являться тормоз­ ным моментом. Так как направление вращения изменилось, изменнл-

увеличиваются. Когда тормозной момент электродвигателя станет равным статическому моменту, его вращение происходит с установив­ шейся частотой —/гт. Так же как и при реверсе, для ограничения тока в этом режиме вводят добавочные сопротивления. Это делает механи­ ческую тормозную характеристику электропривода более мягкой, что не обеспечивает стабильной работы электропривода. Указанный недо­ статок и низкая экономичность ог­ раничивают его использование, ко­ торое возможно лишь для обеспече­ ния посадочных скоростей при опу­ скании тяжелых грузов.

Торможение противовключением сериесных и компаундных электродвигателей протекает ана­ логично описанному. Механические характеристики компаундного элек­ тродвигателя в режиме противо-

включения представлены на рис. 29. Криволинейный характер тор­ мозных механических характеристик объясняется изменением маг­ нитного потока серпесной обмотки, происходящего при изменении тска якоря.

§ 15. Тормозные режимы асинхронных электродвигателей

Генераторное, или рекуперативное, торможение. Рекуперативный режим электрического торможения используется пре­ имущественно для короткозамкнутых асинхронных двигателей с пере­ ключением числа полюсов обмотки статора (многоскоростных). Он мо­ жет быть получен под действием момента, развиваемого опускаемым грузом. Способ изменения частоты вращения путем переключения числа полюсов обмотки статора и возникающий при этом рекупера-’ тивный режим подробно рассматриваются в § 20.

Рассмотрим режим генераторного торможения, который возможен в электроприводе грузоподъемного механизма при опускании тяжелого груза. При включении электропривода на спуск тяжелого груза дви­ гатель постепенно увеличивает частоту вращения, вследствие чего

скольжение s = 'll~ п постепенно уменьшается. Направление и вели­

чина момента электродвигателя М = /е/гOcos i|)2 определяются сколь-

57

женпем, так как скольжение определяет э. д. с. E.,s, от которой за­

корение ротора и частота его становится больше частоты вращения поля

Когда он станет равным движущему моменту сопротивления, разгон прекратится и привод будет вращаться с установившейся частотой; Следует отметить, что при больших моментах сопротивления частота вращения ротора в значительной степени будет превосходить син­ хронную частоту вращения, и тогда влиянием индуктивного сопротив­

ротора приводит к более интенсивному уменьшению cos я|;2, чем уве­ личение тока ротора, и тормозной момент будет уменьшаться (происхо­ дит почти свободное падение груза). Механические характеристики для генераторного торможения представлены на рис. 30 (квадранты II и IV), опрокидывание показано пунктирной линией.

При работе асинхронного двигателя в режиме рекуперации проис­ ходит отдача электрической энергии в сеть. Это объясняется тем, что в двигательном режиме магнитные поля статора н ротора действуют

58

встречно и результирующее магнитное поле наводит в статоре э. д. с., которая меньше по величине, чем напряжение сети,

где kx — обмоточный коэффициент; w1— число витков статора.

Когда асинхронный двигатель переходит в генераторный режим, то вследствие изменения направления тока в роторе магнитное поле его действует согласно с магнитным полем статора и результирующий магнитный поток увеличивается. Соответственно возрастает э. д. с. статора, и ввиду того что величина ее оказывается больше напряжения сети, происходит отдача активной энергии в сеть. Для подмагничивания статор одновременно потребляет из сети реактивную составляющую. Наряду с разгрузкой генераторов судовой электростанции (безуслов­ но положительным фактором с точки зрения экономичности) такое явле­ ние может привести к повышению напряжения и отрицательно сказать­ ся на работе отдельных потребителей.

Динамическое торможение. Динамическое торможение асинхрон­ ных электродвигателей может происходить при независимом возбуж­ дении и при самовозбуждении. Торможение с независимым возбужде­ нием осуществляют, отключая обмотку статора от сети и подавая на нее (обычно на две ее фазы) постоянный ток. Последний получают от сети через понижающий трансформатор и полупроводниковый выпрями­ тель, а при большой мощности электродвигателя — от специальных возбудителей низкого напряжения (рис. 31, а). У фазных электродви­

гателей наряду с этим в цепь ротора вводят тормозное сопротивле­ ние (рис. 31, б). При таком соединении в обмотке статора возникает

неподвижное магнитное поле, возбуждающее в обмотке вращающегося по инерции ротора электродвижущую силу. Электродвигатель в.этом режиме работает как неявнополюсный синхронный генератор, выра­ батывая в роторной цепи ток, частота которого уменьшается по мере снижения частоты вращения ротора. Этот ток, взаимодействуя с по­ током возбуждения статора, создает, как и в обычном синхронном ге­ нераторе, тормозной момент, под действием которого ротор останав­ ливается. По мере снижения частоты вращения э. д. с. ток ротора и тормозной момент убывают до нуля. Запасенная в двигательном режиме кинетическая энергия преобразовывается в электрическую, а затем в тепловую, выделяемую в обмотке ротора и в сопротивлении динами­ ческого торможения, если оно есть.

Величина начального тормозного момента и форма механических характеристик при торможении зависят от тока возбуждения и от со­ противления роторной цепи. На рис. 31, в показаны механические ха­ рактеристики короткозамкнутого электродвигателя 1 я 2 при разных

токах возбуждения / в2> / в1. Большему току соответствуют большие начальный и максимальный тормозные моменты. На том же рисунке приведены характеристики фазного электродвигателя 3 и 4 при том же

токе возбуждения / в, но с разными сопротивлениями в цепи ротора <Rt2 > -Rti. и характеристики 5 и 6 при тех же значениях тормозного

сопротивления, но при токе возбуждения / в2. Из сопоставления этих

59