Тормозные режимы работы двигателей

Как известно, для сокращения времени торможения при остановке производственных машин и механизмов часто применяются механические тормоза. Сокращение времени торможения, особенно в случае непродолжительного цикла работы, приводит к существенному повышению производительности машин и механизмов. Недостатками механических тормозов являются быстрый износ трущихся поверхностей, сложность и необходимость периодического регулирования тормозящего усилия, необходимость дополнительного места для размещения тормоза и его соединения с механизмом.

Рис.9.33 - К пояснению режима противовключения

Все перечисленные недостатки устраняются, если для указанных целей вместо механического тормоза использовать свойства электродвигателей работать в тормозных режимах, т. е. работать по существу в качестве генератора и развивать не вращающий, а тормозной момент.

Во многих подъемно-транспортных машинах (кранах, лифтах, эскалаторах и т. д.), где возможно движение под действием сил тяжести, с помощью тормозного момента электродвигателя обеспечивается постоянная, установившаяся скорость опускания грузов.

Электродвигатели постоянного тока могут работать в трех тормозных режимах:

в режиме противовключения;

в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть;

в режиме динамического торможения.

В любом из тормозных режимов электродвигатель работает как генератор, преобразует, например, кинетическую энергию движущихся частей либо потенциальную энергию опускающегося груза в электрическую энергию.

Режим противовключения. Режим противовключения представляет собой режим, в котором якорь двигателя под действием внешнего момента либо запаса кинетической энергии вращается в направлении, противоположном тому, в котором он должен был бы вращаться при данной схеме его включения в двигательном режиме (или вхолостую).

Режим противовключения удобно пояснить на примере грузоподъемного механизма, где этот режим может быть использован для опускания с постоянной скоростью грузов. Предположим, что с помощью двигателя параллельного, последовательного или смешанного возбуждения, включенного по схеме рис. 9.22 и работающего в двигательном режиме с моментом М = М_с и частотой вращения n, поднимается груз (рис. 9.33). Момент М обусловлен силой тяжести груза, трение в передаче не учитывается.

Если при работе двигателя с частотой вращения n_в цепь якоря включить реостат r с достаточно большим сопротивлением (см. рис. 9.22), то двигатель перейдет на искусственную характеристику и в первое мгновение будет развивать момент M₁. Поскольку М₁ < М_c, частота вращения начнет уменьшаться, что будет сопровождаться увеличением момента двигателя. Как видно, при n = 0 М₂ < М_с. Поэтому после остановки двигатель под действием момента М_с, вызванного силой тяжести груза, начнет вращаться в противоположную сторону (n < 0), а груз будет опускаться.

Так как Е = k_еФn, то изменение направления вращения приводит к изменению направления ЭДС якоря и следует считать Е < 0. Как видно из формулы (9.19),

Iя =	U - E	=	U + |E|	>0;
	rя + r		rя + r

при Е < 0 ток не изменяет своего направления (I_я > 0), вследствие чего не изменяет направления и момент двигателя (М > 0), поскольку М = k_MФI_я.

Так как при n < 0 момент направлен против частоты вращения и якорь вращается в направлении, противоположном двигательному режиму, электродвигатель работает в тормозном режиме противовключения.

С увеличением |n| в режиме противовключения возрастает |Е|, что приводит к увеличению тока и момента двигателя. Механические (см. рис. 9.33) и электромеханические характеристики двигателя в режиме противовключения подчиняются уравнениям (9.23) и (9.24), являются продолжением характеристик двигательного режима и располагаются в IV квадранте. Установившийся режим наступает при частоте вращения n₁, при которой М = М_c.

Изменяя значение сопротивления реостата r, можно получить различные скорости опускания груза. Однако, как видно, характеристики при работе в режиме противовключения получаются слишком «мягкими», вследствие чего частота вращения в сильной степени зависит от нагрузки.

Так как в режиме противовключения ток и ЭДС якоря совпадают по направлению (I_я > 0, а Е < 0, рис. 9.22), то двигатель работает по существу в качестве генератора и преобразует потенциальную энергию опускающегося груза в электрическую энергию, которая равна |ЕI_я = t|. Последняя в свою очередь преобразуется в теплоту в сопротивлениях r_я и r цепи якоря. В этих же сопротивлениях расходуется энергия UI_яt , потребляемая цепью якоря из сети.

К использованию режима противовключения для уменьшения времени торможения двигателя

Пример 9.5. Определить сопротивление резистора, который необходимо включить в цепь якоря двигателя примера 9.3, чтобы в режиме противовключения при моменте 80 Н•м получить частоту вращения 200 об/мин. Решение. Моменту М = 80 Н•м по графику М(I) соответствует ток I = 41 А, а последнему по характеристике n_e (I) — частота вращения n_е = 860 об/мин (см. рис. 9.28).

Используя формулу (9.24) и учитывая, что при работе в режиме противовключения следует считать nи < 0, т. е. — 200 об/мин, получим r = 5,4 Ом.

Режим противовключения используется часто для уменьшения времени торможения при остановке двигателя и соединенного с ним механизма.

Допустим, что якорь двигателя смешанного (рис. 9.34), параллельного или последовательного возбуждения включен через контакты В, работает в двигательном режиме с частотой вращения n> 0, моментом М > 0, током якоря I_я > 0 и ЭДС якоря Е > 0.

Если во время работы двигателя разомкнуть контакты В и замкнуть контакты H, то согласно второму закону Кирхгофа

Iя = -	U + E	<0.
	rя + r

Так как ток якоря изменяет направление (I_я < 0), то соответственно изменит направление и момент двигателя (М < 0). Последнее должно привести в конечном итоге к изменению вращения якоря двигателя.

Однако в течение некоторого времени под действием запаса кинетической энергии он будет вращаться в прежнем направлении, что и соответствует режиму противовключения двигателя. Под действием тормозного момента двигатель и механизм сравнительно быстро остановятся. При n = 0 двигатель должен быть отключен, иначе он разгонится в противоположную сторону.

Рис. 9.35. К пояснению тормозного генераторного режима с отдачей энергии в сеть

Генераторный режим с отдачей энергии в сеть. Генераторным режимом с отдачей энергии в сеть называется режим, в котором двигатель под действием внешнего момента либо запаса кинетической энергии вращается с частотой, большей частоты вращения холостого хода (n > n₀), в том же направлении, в котором он должен был бы вращаться при данной схеме его включения в двигательном режиме (или вхолостую).

Предположим, что двигатель параллельного возбуждения, включенный контактами В по схеме, изображенной на рис. 9.34, работает на естественной характеристике и перемещает грузовую тележку (рис. 9.35, а и б). Когда тележка находится на горизонтальном участке пути ab,статический момент М_с1 вызван силой сопротивления движению, обусловленной трением и зависящей от силы тяжести F тележки и груза. Электродвигатель работает при этом в двигательном режиме с n₁ < n₀, 0 < E₁ < U, I_я1 > 0, М₁ = М_с1 > 0.

Когда тележка окажется на криволинейном участке пути bc, статический момент будет обусловлен как силой сопротивления движению, вызванной трением и зависящей от составляющей F₁ силы тяжести F тележки и груза, так и движущей силой F₂, равной другой ее составляющей (рис. 9.35, а). По мере продвижения тележки по участку bc сила сопротивления движению будет уменьшаться, а движущая сила возрастать. Естественно, что это приведет к уменьшению статического момента и увеличению частоты вращения двигателя.

При достаточно большой массе тележки и груза в некотором положении тележки на участкеbcдвижущая сила окажется больше силы сопротивления движению, вследствие чего статический момент изменит направление (М_с < 0) и превратится в движущий. Так как действительные направления моментов будут при этом совпадать (М > 0, а М_с < 0, см. рис. 9.34), то будет происходить разгон двигателя и тележки под действием указанных двух моментов. Когда частота вращения достигнет n₀, окажется, что Е = U, I_я = 0 и М = 0. Однако частота вращения будет продолжать возрастать, поскольку существует движущий момент М_с. При n > n₀ получим Е > U, I_я< 0 и М < 0. Таким образом, снова возникнет момент двигателя, но теперь он будет тормозным. Установившийся режим наступит на наклонном участке пути cd, при частоте вращения n₂ > n₀, при которой М₂ = М_c2 < 0.

Поскольку при М < 0 момент направлен против направления частоты вращения (n > 0, М < 0), а якорь вращается в ту же сторону, что и в двигательном режиме с частотой n > n₀, электродвигатель работает, по определению, в тормозном генераторном режиме.

Изменяя сопротивление резистора в цепи якоря, можно регулировать частоту вращения в генераторном режиме и получать, например, частоты вращения n₃ и n₄. При работе двигателя в генераторном режиме ЭДС и ток якоря совпадают по направлению (Е > 0, а I_я < 0); это значит, что двигатель работает по существу в качестве генератора. Вырабатываемая им энергия, равная |EI_яt|, отдается в сеть постоянного тока и частично преобразуется в теплоту в сопротивлениях цепи якоря. Очевидно, достоинством генераторного режима является его экономичность. К недостаткам следует отнести то, что регулирование частоты вращения можно производить лишь в области, где n > n₀.

Генераторный режим двигателя параллельного возбуждения широко используется в грузоподъемных машинах при опускании грузов, преодолевающих трение в механизме.

Пример 9.6. Определить частоту вращения двигателя примера 9.1 в генераторном режиме при моменте М = 90 Н•м, если в цепь якоря включен реостат с сопротивлением r = 0,5 Ом.

Решение. Используя уравнение (9.23) и учитывая, что при работе в генераторном режиме следует считать М < 0, т. е. — 90 Н•м, получим n_и = 1412 об/мин.

Двигатель последовательного возбуждения при обычной схеме его включения (см. рис. 9.34) работать в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть не может. Это объясняется тем, что генераторный режим может возникнуть при Е > U, что в свою очередь возможно, если n > n₀. У двигателя же последовательного возбуждения n₀ = ∞.

У двигателя смешанного возбуждения в генераторном режиме последовательная обмотка размагничивает электродвигатель и при токе I_я1 < 0 (см. рис. 9.23) магнитный поток двигателя становится равным нулю, а согласно (9.20) при Ф = 0 n = ∞.

Момент двигателя М = k_MФI_я может быть равен нулю в двух случаях: 1) при I_я = 0 и n = n_0х, что соответствует режиму холостого хода, и 2) при I_я = I_я1 и n = ∞, когда Ф = 0.

Очевидно, при увеличении частоты вращения в генераторном режиме момент двигателя будет сначала возрастать (см. рис. 9.35, в, характеристика 1), при некоторой частоте вращения достигнет наибольшего значения М₁, а при дальнейшем увеличении частоты вращения будет уменьшаться. Ограниченное значение наибольшего момента M₁ затрудняет практическое использование генераторного режима смешанного возбуждения. Если при работе двигателя в генераторном режиме последовательную обмотку выключить, то двигатель будет иметь механическую характеристику 2, как у двигателя параллельного возбуждения.

Режим динамического торможения. Режим динамического торможения возникает при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор, называемый резистором динамического торможения.

Естественно, что поскольку электродвигатель работает при этом по существу как генератор, он развивает тормозной момент (см. принцип действия генератора в § 9.2) Вырабатываемая им электрическая энергия расходуется в сопротивлении динамического торможения и частично в сопротивлениях якоря двигателя.

Обмотки возбуждения различных двигателей включаются при динамическом торможении по-разному. Обмотки возбуждения двигателей параллельного и смешанного возбуждения остаются включенными в сеть, чтобы последовательная обмотка двигателя смешанного возбуждения не размагничивала машину, ее следует отключить. Двигатель последовательного возбуждения может работать как с независимым возбуждением, так и с самовозбуждением. В первом случае обмотка подключается к сети через резистор с большим сопротивлением, который должен быть рассчитан на значительную мощность. При работе с самовозбуждением обмотка возбуждения включается последовательно с якорем при соблюдении условий, необходимых для самовозбуждения (см  § 9.8)

Развиваемый двигателем тормозной момент зависит при прочих равных условиях от сопротивления резистора динамического торможения.

Режим динамического торможения используется в большинстве случаев для уменьшения времени торможения двигателя и механизма при их остановке. Однако этот режим может быть использован с успехом и для получения установившейся частоты вращения при движущем внешнем моменте.