3.2.7. 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.

Рекуперативное генераторное торможение возможно, когда скорость ротора выше скорости вращения электромагнитного поля статора, чему соответствует отрицательное значение скольжения .

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 (3.25). 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.

Энергетический баланс в режиме рекуперативного генераторного торможения определяется следующим (рис.3.15). Механическая мощность, поступающая на вал двигателя, преобразуется в электромагнитную мощность вращающегося поля Р_эм и электрическую мощность, трансформируемую в роторную цепь двигателя. По аналогии с (3.33) получим

.

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).

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

,

где: - номинальная угловая скорость вращения поля статора.

Вид механических характеристик (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_дт в обмотках статора. Чем выше ток, тем больший тормозной момент развивает двигатель. При этом, однако, нужно учитывать, что при токах начинает сказываться насыщение магнитной цепи двигателя.

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 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 I_дт протекает (при соединении обмоток в звезду) не по трем, а по двум фазным обмоткам.

Для расчета характеристик нужно заменить реальный I_дт эквивалентным током I_экв, который, протекая по трем фазным обмоткам, создает ту же намагничивающую силу, что и ток I_дт.

Для схемы рис.3.16,б – I_экв=0,816I_дт.

Для схемы рис.3.16,в - I_экв=0,472I_дт.

С учетом указанных особенностей векторная диаграмма асинхронной машины в режиме динамического торможения (рис.3.18) будет определяться соотношением:

.

Ток намагничивания зависит от тока ротора при постоянном I_экв. По мере роста скольжения ток намагничивания будет уменьшаться под действием реактивного тока ротора.

Упрощенная формула для приближенного расчета механических характеристик (не учитывающая насыщение двигателя) подобна формуле Клосса для двигательного режима

.

Здесь , ,

Следует подчеркнуть, что критическое скольжение в режиме динамического торможения существенно меньше критического скольжения в двигательном режиме, т.к. . Для получения максимального тормозного момента, равного максимальному моменту в двигательном режиме токI_экв должен в 2-4 раза превышать номинальный ток намагничивания I₀. Напряжение источника питания постоянного тока будет значительно меньше номинального напряжения и примерно равно .

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.

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 5 кВт), 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 единицы

.

В первом случае (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 момента М_c. 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.

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 потерь короткого замыкания двигателя и мощности, которая передается на вал двигателя при торможении

.

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.