3.13 Тормозные режимы асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель может работать во всех трех тормозных режимах:

а) с рекуперацией энергии в сеть;

б) в режиме противовключения;

в) в режиме динамического торможения.

При отсутствии внешнего статического момента на валу двигатель, подключенный к сети, будет вращаться со скоростью, близкой к синхронной, потребляя из сети энергию, необходимую для покрытия потерь в стали и обмотках. Если за счет внешней силы ротор вращается с синхронной скоростью, то сеть будет покрывать только потери в статоре, а механические и в стали будут покрываться внешней силой.

В двигательном режиме, когда <₀, вращающееся магнитное поле пересекает проводники обмоток статора и ротора в одинаковом направлении, ЭДС статора Е₁ и ротора Е₂ совпадают по фазе. При =₀ ЭДС в роторе не наводится, т.к. его проводники не пересекаются магнитным полем. При >₀ проводники ротора будут пересекаться в противоположном направлении, а статора – в прежнем направлении. ЭДС ротора Е₂ меняет свой знак на обратный и машина переходит в генераторный режим с рекуперацией энергии в сеть. Что касается тока, то изменяет свое направление только его активная составляющая, а реактивная составляющая при отрицательном скольжении сохраняет свое направление. Это видно и из выражения для тока ротора:

Такие же выводы можно сделать и на основе анализа активной (электромагнитной) и реактивной мощностей. Действительно

Т.е. активная мощность меняет направление (отдается в сеть), а из выражения для реактивной мощности Q₂ следует, что при S<0 реактивная мощность вторичного контура Q₂ сохраняет свой знак независимо от режима работы машины.

Это значит, что АД как в двигательном, так и в генераторном режиме потребляет реактивную мощность, необходимую для создания вращающегося магнитного поля.

Торможение с отдачей энергии в сеть используется в подъемно-транспортных установках, при спуске тяжелых грузов. Под действием груза ротор машины будет вращаться со скоростью >₀, она переходит в генераторный режим и создает тормозной момент. При равенстве M=M_c груз будет спускаться с установившейся скоростью _c, как показано на рис. 3.13.1“а”. Для нормального спуска груза M_c не должен превышать M_КР в генераторном режиме.

При реактивном M_c кратковременно режим с рекуперацией энергии можно получить, если АД допускает переключение обмотки статора с одной пары полюсов на другую, как показано на рис. 3.13.1“б”. Этот режим имеет место на участке ВС после переключения числа пар полюсов с _П=1 на _П=2.

В режиме противовключения ротор двигателя вращается в направлении, противоположном действию момента двигателя. Его скольжение S>1, а частота тока в роторе f₂ больше частоты f₁ питающей сети: . Поэтому несмотря на то, что ток ротора 7 –9 раз больше номинального т.е. больше пускового тока, момент вследствие большой частоты тока, следовательно, большого индуктивного сопротивления роторной цепи (), будет невелик, т.е. ток почти чисто индуктивный. Поэтому для увеличения начального тормозного момента АД с фазовым ротором включают большое добавочное сопротивление

Где Е₂₀ – номинальная ЭДС ротора при S=1;

S_н – номинальное скольжение;

S_ни – скольжение при номинальной нагрузке на искусственной характеристике.

При спуске груза в режиме противовключения торможение протекает на прямолинейном участке механической характеристики, жесткость которой определяется активным сопротивлением роторной цепи. Процесс перевода АД из двигательного режима в режим противовключения при тормозном спуске груза показан на рис. 3.13.2“а”.

Для перевода Ад в режим противовключения при реактивном моменте сопротивления необходимо на ходу двигателя изменить порядок следования фаз питающего напряжения, что приведет к изменению направления вращения магнитного поля, и одновременно ввести в цепь ротора добавочное сопротивление с целью увеличения начального тормозного момента и уменьшения броска тока. Процесс показан на рис. 3.13.2“б”.

Торможение противовключением к.з. АД при реактивном моменте сопротивления не эффективно, так как начальный тормозной момент при S близком к 2, из-за большого реактивного сопротивления, равного , будет небольшим (отрезок СВ' на рис. 3.13.2“б”).

Рассмотрим теперь динамическое торможение АД.

При отключении обмотки статора АД от сети, сохраняется лишь незначительный магнитный поток от остаточного намагничивания стали статора. ЭДС, наводимая этим потоком во вращающемся роторе и ток ротора будут очень малыми. Взаимодействие тока ротора с потоком не может создать сколько-нибудь значительного электромагнитного момента. Поэтому для получения должного тормозного момента необходимо искусственно создать надлежащий магнитный поток статора. Это может быть достигнуто подачей в обмотки статора постоянного тока или подключением к ним конденсаторов, или тиристорного преобразователя частоты, обеспечивающего протекание по обмоткам статора опережающего тока, создающего эффект емкости. В 1-м случае будет иметь место режим динамического торможения с независимым возбуждением, во 2-м – с самовозбуждением.

Рассмотрим только 1-й случай, поскольку торможение, соответствующее этому случаю, является основным.

При динамическом торможении с независимым возбуждением обмотки статора отключаются от сети трехфазного тока и подключаются к источнику постоянного тока. Этот ток создает неподвижный в пространстве магнитный поток, который при вращении ротора наводит в последнем ЭДС. Под действием ЭДС в обмотках ротора потечет ток, от взаимодействия которого с неподвижным потоком возникает тормозной момент. Двигатель превращается в синхронный генератор с неявновыраженными полюсами, работающий при переменной скорости.

Симметричное включение 3-х обмоток статора в сеть постоянного тока невозможно без их переключений. Поэтому используется одна из схем, приведенных на рис. 3.13.3.

Поскольку при питании постоянным током обмотки обладают только омическим сопротивлением, для получения нужного значения тока достаточно небольшого по величине напряжения. В качестве источника постоянного тока для двигателей небольшой и средней мощности используются полупроводниковые выпрямители, а для крупных двигателей могут использоваться специальные генераторы постоянного тока низкого напряжения.

Для вывода уравнения механической характеристики АД в режиме динамического торможения режим синхронного генератора, в который превращается АД после подключения к источнику постоянного тока, целесообразно заменить эквивалентным режимом АД, полагая, что его статор вместо постоянного питается переменным током. При такой замене МДС создается совместно обмотками статора и ротора и должно быть соблюдено равенство МДС для обоих случаев, т.е. F_пост=F_пер. Определить МДС, создаваемую постоянным током, для схемы “а” рис. 3.13.3 можно из векторной диаграммы рис. 3.13.4, в который вектор МДС обмоток статора располагается так, как расположены обмотки статора, по которым протекает постоянный ток I_п.

.

Амплитуда МДС, создаваемой переменным током I₁ при протекании его по обмоткам статора

Приравнивая F_пост и F_пер, исходя из условия , получим значение переменного тока, эквивалентного постоянному

; , а.

Необходимые напряжения и мощность постоянного тока

; .

Определив ток I₁, машину в тормозном режиме можно представить как нормальный АД. Однако его работа в режиме динамического торможения существенно отличается от работы в нормальном двигательном режиме, в котором намагничивающий ток и магнитный поток при изменении скольжения практически не изменяются. При динамическом торможении магнитный поток при изменении скольжения меняется вследствие непрерывного изменения результирующей МДС, складывающейся из неизменной МДС статора (постоянного тока) и меняющейся МДС ротора (переменного тока переменной частоты).

Результирующий намагничивающий ток, приведенный к числу витков обмотки статора

Из векторной диаграммы токов (рис. 3.13.5) следует:

Возведя в квадрат, правые и левые точки этих уравнений и почленно складывая, получим:

Намагничивающий ток равен .

В приведенной машине , гдеE₂’ – ЭДС ротора при синхронной скорости ₀, соответствующей частоте сети. При , отличной от ₀, ЭДС ротора будет равна: , где - относительная скорость или иначе – скольжение в режиме динамического торможения. При этом уравнение равновесия ЭДС для роторной цепи имеет вид: , а намагничивающий ток, выраженный черезE₂’:

.

Полное сопротивление ротора с учетом того, что изменяется с изменением скорости вращения ротора:

.

Учитывая, что и подставляя значенияZ₂’, I_, sin₂ в уравнение для тока I₁², находим

Электромагнитный момент

, где m₁ – число фаз статора.

Из этого выражения видно, что момент при динамическом торможении определяется переменным током I₁, эквивалентным постоянному, протекающему по обмоткам статора.

Взяв производную и приравняв ее к 0, найдем, что момент будет максимален при критической относительной скорости:, а значение этого момента, также называемого критическим, равно:

.

Видно, что М_кр в режиме динамического торможения не зависит от активного сопротивления цепи ротора.

Семейство механических характеристик соответствующих различным значениям постоянного тока и различном сопротивлениям роторной цепи изображено на рис. 3.13.6.

Кривые 1 и 2 соответствуют одинаковому значению сопротивления цепи ротора и различным значениям постоянного тока в статоре, а кривые 3 и 4 – тем же значениям постоянного тока, но большему сопротивлению цепи ротора.

Разделив значение М на значение М_КР, уравнению механической характеристики можно представить в виде: