ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Глава   десятая
АСИНХРОННЫЕ  МАШИНЫ

10.17. ТОРМОЗНЫЕ РЕЖИМЫ РАБОТЫ

Работа многих производственных механизмов состоит из трех этапов: пуска в ход, технологической операции и останова. После отключения двигателя останов (торможение) происходит под действием сил трения, при этом кинетическая энергия движущихся частей выделяется в виде теплоты в узлах трения механизма. В тех случаях, когда запас кинетической энергии велик, а силы трения малы, время торможения может составить десятки секунд и даже минут.

Сокращение времени торможения, особенно когда время торможения технологической операции мало и исчисляется минутами или секундами, может значительно повысить производительность механизма, так как при торможении обычно полезной работы не совершается. Поэтому для сокращения времени торможения раньше применялись механические тормоза.

Транспортные устройства (электровозы, лебедки, мостовые краны, экскаваторы, эскалаторы и др.) отличаются тем, что в них возникают условия, когда под действием сил тяжести они могут развивать недопустимо высокие скорости. Для поддержания скорости на заданном уровне в этих условиях раньше использовались рабочие механические тормоза, которые обычно состоят из неподвижных тормозных колодок, прижимающихся силами пружины или другими способами к тормозному диску или барабану; в результате трения между колодками и диском возникает тормозной момент. Механические тормоза имеют ряд существенных недостатков, главными из которых являются быстрый износ трущихся поверхностей, трудность регулирования силы трения, значительное место, занимаемое тормозом, и т. д. Оказывается, двигатель может выполнять функции механических тормозов, работая при этом в том или ином тормозном режиме.

Рис. 10.30. К пояснению тормозных режимов работы асинхронного двигателя: а — генераторный тормозной режим, б — режим противовключения

В настоящее время широко используются тормозные свойства двигателя, что во многих случаях позволило отказаться от механических тормозов. Механические тормоза необходимы как запасные или аварийные, если откажет электрическое торможение, а также для удержания механизма в неподвижном состоянии.

Асинхронный двигатель может работать в следующих тормозных режимах:

1. генераторном с отдачей энергии в сеть;
2. противовключения;
3. динамического торможения и др.

Во всех тормозных режимах двигатель развивает момент, действующий в сторону, противоположную направлению вращения ротора, поэтому он называется тормозным моментом. Под действием этого момента в одних случаях происходит быстрый   останов,  в   других — поддержание   заданной   скорости.

Генераторным тормозным режимом называется режим работы двигателя, когда под действием внешнего момента ротор двигателя вращается в том же направлении, что и магнитное поле, но с большей частотой вращения. Направление возникающей при этом ЭДС в обмотке ротора определяется по пра­вилу правой руки и указано на рис. 10.30, а. Поскольку обмотка ротора замкнута, в ней возникает ток того же направления. В результате взаимодействия тока ротора с вращающимся магнитным полем создаются сила и момент, направленные в сторону, противоположную вращению ротора (рис. 10.30, а), что легко определить с помощью правила левой руки.

Тормозной режим противовключения возникает в том случае, когда под действием внешнего момента, приложенного к валу двигателя, ротор вращается в противоположную сторону относительно вращающегося магнитного поля. На рис. 10.30, б показаны направления ЭДС и тока ротора, а также направления действия силы и момента при тормозном режиме противовключения.

Рис   10.31.   Схемы  соединения  обмоток  статора   при  динамическом торможении

Для получения режима динамического торможения обмотку статора отключают от сети трехфазного тока и подключают на время торможения к источнику энергии постоянного тока по одной из схем, изображенных на рис. 10.31, а — в. По­стоянный ток создает неподвижное в пространстве магнитное поле, картина которого для схемы рис. 10.31, а двухполюсного двигателя изображена на рис. 10.32.

Если ротор вращается, например, по часовой стрелке, то его проводники пересекают неподвижное магнитное поле и в них возникает ЭДС, а следовательно, ток указанного на рис. 10.32 направления. В результате взаимодействия тока ротора с неподвижным магнитным полем возникают сила и момент, действующие на ротор в направлении, противоположном направлению вращения ротора.

Кроме рассмотренных тормозных режимов существуют и другие, например конденсаторное торможение. Конденсаторное торможение осуществляется по схеме, изображенной на рис. 10.33. После отключения от сети обмотка статора оказывается замкнутой на конденсаторы. Энергия магнитного поля двигателя и электрического поля конденсатора возбуждает в цепи трехфазный ток. Магнитное поле двигателя, образованное этим током, вращается в ту же сторону, что и ротор, но с меньшей частотой, чем ротор. В результате в обмотке ротора возникают ЭДС, ток и тормозной момент. Этот режим аналогичен генераторному тормозному режиму работы двигателя. По мере торможения энергия магнитного и электрического полей уменьшается, превращается в теплоту в обмотках и тормозной момент убывает.

Для анализа тормозных режимов воспользуемся уравнением механической характеристики двигателя

M =	2Мmax	.
	sкр/s + s/sкр

Рис. 10.32. К пояснению режима динамического торможения асинхронного двигателя

Рис. 10.33. Схема включения двигателя при конденсаторном торможении

В двигательном режиме скольжение изменяется в пределах от s = 1 до s = 0 и механические характеристики располагаются в квадранте I(графики 1 и 2 на рис. 10.34). Если в уравнение подставлять значения s больше единицы и меньше нуля, то механическая характеристика окажется соответственно в квадрантах IVи II. В квадранте II ротор вращается в сторону поля, но с большей частотой (n > n0), в квадранте IV— против поля. Таким образом, участок механической характеристики, расположенный в квадранте II, соответствует генераторному тормозному режиму, в квадранте IV— тормозному режиму противовключения.

Возникновение тормозных режимов можно пояснить на примере простейшего устройства — лебедки. Барабан 2 лебедки (рис. 10.35), на котором уложен канат с подвешенным на конце грузом G, через систему зубчатых передач связан с валом двигателя 1.

Напомним вначале известное из механики положение. Допустим, что груз удерживается на каком-то расстоянии от земли механическим тормозом. Как поведет себя лебедка, если отключить тормоза, не включая двигатель. Груз будет опускаться, если момент, развиваемый грузом Мгр , окажется больше момента сил трения Мтр во всех звеньях механизма. Система останется в покое, если момент сил трения окажется больше момента веса груза.

Рассмотрим, как будет вести себя лебедка, когда механические тормоза отключены и двигатель включен в сеть таким образом, что его магнитное поле вращается в сторону, соответ­ствующую опусканию груза (рис. 10.35, а). В этом случае двигатель создаст момент, действующий согласно с моментом, развиваемым грузом, и начнет разгоняться, а груз опускаться. До какой частоты вращения разгонится двигатель?

При Мтр > Мгр двигатель будет работать в двигательном режиме с частотой вращения, соответствующей точке а характеристики   2   (см.   рис.   10.34),   и   развивать   момент,   равный

M = Mтр - Mгр .

При Мгр > Мтр избыточный момент, равный

М = Мизб = Мгр - Мтр,

заставит ротор вращаться с частотой, большей n0. Двигатель будет работать в генераторном режиме с частотой вращения, соответствующей точке б характеристики 2, и развивая тормозной момент

Мт = Мизб .

Этот режим называется генераторным потому, что энергия, поступающая к валу двигателя (потенциальная энергия опускающегося груза), возвращается за вычетом потерь энергии в двигателе в сеть. Мощность на валу двигателя, обусловленная потенциальной энергией опускающегося груза (развиваемая избыточным моментом),

Рв = - Мω*.

Электромагнитная мощность, передаваемая статору двигателя,

Рэм = - Мω*0 = Рв - ΔР2.

Рис. 10.34. Естественная (1) и реостатная (2) механические характеристики двигателя; динамический (3) и конденсаторный (4) режимы торможения

Рис. 10.35. К пояснению генера­торного тормозного режима (а) и режима проивовключения (б)

---

* Знак « - » в выражениях для Рв и Рэм указывает на то, что двигатель потребляет энергию с вала и что электромагнитная мощ­ность передается вращающимся полем от ротора к статору.

---

Мощность, отдаваемая двигателем в сеть,

Р1 = Рэм - ΔР1.

Тормозной режим противовключения возникает следующим образом.

Если после отключения тормозов включить двигатель в сеть так, чтобы его магнитное поле вращалось в сторону подъема груза (рис. 10.35, б), то груз будет подниматься, когда

Мп > Мгр + Мтр,

где Мп — начальный пусковой момент двигателя.

Если же

Мгр > Мп + Мтр,

то ротор двигателя начнет вращаться в сторону спуска груза против поля и достигнет частоты, соответствующей точке в характеристике 2 (см. рис. 10.34), где Мгр = М + Мтр.

Таким образом, возникает тормозной режим противовключения. В этом режиме двигатель одновременно потребляет энергию из сети и с вала, и вся энергия выделяется в двигателе в виде теплоты. Мощность на валу двигателя

Рв = М(- ω) = - Мω.

Электромагнитная мощность

Рэм = Мω0

положительная, следовательно, как и в двигательном режиме, она передается вращающимся полем от статора к ротору. Мощность, потребляемая двигателем из сети,

Р = Рэм + ΔР1.

выделяющаяся в роторе в виде теплоты,

ΔР2 = Рв+ Рэм.

Рис. 10.36 Схема включения двигателя для осуществления торможения противовключением

Рис. 10.37 Механические характеристики, поясняющие процесс торможения

Быстрый останов двигателя и связанного с ним механизма может быть осуществлен по схеме, изображенной на рис. 10.36. Переключатель П позволяет включать двигатель для вращения по часовой стрелке и против часовой стрелки. Если в положении а переключателя ротор вращается по часовой стрелке, то при положении б он вращается против часовой стрелки.

На рис. 10.37 изображены механические характеристики двигателя. Если в положении а переключателя механическая характеристика располагается в первом и четвертом квадрантах, то в положении б переключателя характеристика будет располагаться во втором и третьем квадрантах. Предположим, что переключатель находится в положении а и двигатель разгоняется до установившейся частоты вращения, соответствующей точке 1 механической характеристики (рис. 10.37). После технологической операции переключатель переводят в положение б. При этом магнитное поле мгновенно изменит направление вращения, а ротор по инерции будет продолжать вращаться в ту же сторону. Двигатель окажется в режиме противовключения (в точке 2 механической характеристики). Под действием тормозного момента двигатель быстро остановится. В тот момент, когда ротор достигнет частоты вращения, равной нулю (точка 3), двигатель необходимо от­ключить от сети, в противном случае ротор разгонится в обратном направлении.

Методика расчета сопротивлений реостатов в цепи ротора, расчета и построения механических характеристик двигателя, работающего в тормозных режимах, такая же, как и для двигательного режима.

Расчет и построение механических характеристик двигателя, работающего в режиме динамического и конденсаторного тор­можений, выходит за пределы программы данного курса. Однако для ознакомления на рис. 10.34 приведены механические характеристики двигателя при динамическом и конденсаторном торможении (соответственно графики 3 и 4).