2) Торможение с самовозбуждением

Этот способ торможения иногда применяется в установках с к.з. АД. Суть его заключается в том, что статор двигателя отключается от сети и к его обмоткам подключается батарея конденсаторов. Машина будет работать самовозбужденным асинхронным генератором с отрицательным скольжением по отношению к магнитному полю, созданному в статоре свободными токами низкой частоты. Поэтому на валу двигателя возникает тормозной момент, величина которого тем больше, чем больше начальное значение отрицательного скольжения.

Толчок для самовозбуждения создает ЭДС, индуктируемая в обмотках статора потоком остаточного намагничивания вращающегося ротора. При вращении ротора со скоростью (50-100%) от ₀ поток остаточной индукции наводит в обмотках статора ЭДС порядка 0,5-1,5 В.

Время переключения АД с момента отключения от сети и до присоединения емкости составляет 0,05-0,1 С. За это время поток ротора не успевает затухнуть окончательно. Поэтому самовозбуждение АД после присоединения емкости развивается за сотые доли секунды. Поскольку конденсаторы в данном случае находятся под напряжением весьма короткое время, оказывается возможным использование конденсаторов с номинальным напряжением, меньшим, чем если бы конденсаторы были подключены «наглухо», т.е. всегда. Да и срок службы их значительно больше, чем при глухоподключенной емкости.

ЭДС от остаточного намачивания Е₀, приложенная к конденсаторам, обеспечивает протекание по обмоткам статора емкостного тока I₀.

Он создает вращающееся магнитное, которое увеличивает ЭДС и напряжение на статоре. Напряжение на конденсаторах возрастает до величин Е₀₁ (см. график). Это вызовет увеличение тока через конденсаторы до I_μ1 и т.д. Процесс самовозбуждения протекает аналогично процессу самовозбуждения генератора постоянного тока.

Он будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесие ЭДС генератора и напряжения на зажимах конденсаторов (точка А), т.е. рост тока и ЭДС будет продолжаться до тех пор, пока не наступит насыщение магнитной системы АД. Так же, как и машина постоянного тока асинхронная машина возбуждается лишь при некотором конечном значении скорости, которая зависит от параметров машины и емкости конденсаторов и при выполнении условия ω_ротора  ω₀ – угловой скорости поля статора, созданного токами низкой частоты. Следовательно, существует нижняя граница конденсаторного самовозбуждения, которой соответствует _р, скольжение S, угловая частота свободных колебаний тока в статоре, которые называются нижними критическими.

Для определения скорости ротора, при которой возникает самовозбуждение, воспользуемся упрощенной схемой замещения для начального момента времени после отключения статора от сети и подключения батареи конденсаторов.

Уравнение равновесия ЭДС в обмотке статора для этого момента времени

где - относительная частота тока в статоре.

В начале самовозбуждения тока в роторе нет и весь ток статора является намагничивающим, т.е. I₁Iμ. В этом случае написанное выражение будет иметь вид:

, где

φ_Н -частота начала самовозбуждения в относительных единицах:

x_μφ_Н - индуктивное сопротивление намагничивающего контура при частоте _н.

Решая данное соотношение относительно _н при пренебрежении малыми величинами, получим:

или .Т.к. ; ; то и .

где ω₅₀ – угловая скорость при промышленной частоте 50 Гц.

При работе самовозбужденной машины вращающееся поле, созданное током статора, индуктирует в его обмотках ЭДС Е₁, отстающую от этого поля (потока) на . Этот же поток наводит в обмотке ротора, вращающегося со скоростью, превышающей скорость вращения магнитного потока, ЭДС Е₂, сдвинутую относительно Е₁ на 180. Ток статора I₁ вследствие преобладания емкости, опережает Е₁ на угол ₁ , а ток ротора I₂’ из-за наличия индуктивного сопротивления, отстает от Е₂ на угол ₂, что отражено на векторной диаграмме.

При повышении скорости вращения ротора, например, при активном Мс, частота будет расти. Вектор I₁ вследствие увеличения индуктивного сопротивления x₁₁ и уменьшения емкостного сопротивления будет поворачиваться по часовой стрелке из положения, совпадающего с I, т.к. в начале самовозбуждения I₁=Iμ.Вектор тока I₂^ вследствие увеличения индуктивного сопротивления x₂ с возрастанием частоты также будет поворачиваться по часовой стрелке. Такой характер изменения положения векторов приводит к тому, что Iμ сначала растет, достигает некоторого максимума, а при дальнейшем возрастании скорости ротора приближается к 0. Физически это означает, что вся реактивная мощность, генерируемая конденсаторами «потребляется» индуктивностями рассеяния. Иначе говоря, будет иметь место обмен реактивной энергией между конденсаторами и индуктивными полями рассеяния. При этом основной контур намагничивания в этом обмене энергии участия не принимает, что приводит к прекращению самовозбуждения. Т.о., имеется и верхняя граница существования режима самовозбуждения. Соответствующие ей параметры называются верхними критическими.

При I_=0 ЭДС в обмотках статора и ротора, следовательно и сумма падений напряжения будут равны 0. Поэтому, пренебрегая активным падением напряжения, можно написать:

, где

_К – относительная частота при исчезновении ЭДС в машине из-за уменьшения Iμ до нулевого значения.

Т.к. при этом I₂’ = I₁, то ,

откуда конечная частота, при которой прекращается самовозбуждение и соответствующая ей скорость ротора ;

С учетом активного сопротивления ротора и статора

Механические характеристики асинхронной машины в режиме торможения с самовозбуждением для различных значений емкости приведены на рисунке. Максимум тормозного момента при уменьшении емкости перемещается в область более высоких скоростей, причем он может в 5-8 раз превышать номинальный момент двигателя.

Недостатком является возникновение тормозного момента только при ω  30-50% от ₀, срыв тормозного момента при ω ω_к , необходимость большой емкости для обеспечения тормозного эффекта при малых скоростях, ограниченность зоны торможения при каждой данной емкости. Эти недостатки могут быть существенно уменьшены при вентильном возбуждении АД, когда он будет работать в режиме автономного самовозбужденного генератора.