Лекции по теории электропривода

• поддержания постоянства скорости движения системы, подверженной действию активных статических моментов нагрузки;
• удержания в неподвижном состоянии системы, находящейся под действием этих сил;
• интенсивного уменьшения скорости движения системы или механизма.

Нечеткая работа электропривода в тормозных режимах, а тем  более его отказ могут привести во многих случаях к серьезным  авариям. В практике электропривода находят применение следующие виды тормозных режимов ЭД:

• электродинамическое торможение;
• торможение противовключением;
• рекуперативное или генераторное торможение с отдачей энергии в сеть.

1.5. Режим электродинамического торможения.

При электродинамическом торможении цепь якоря ЭД отключают от сети постоянного тока и подключают к  специальному тормозному сопротивлению (схемотехническое решение, позволяющее  реализовать этот вид торможения, представлено на рис. 3.8.). В этом случае ЭД работает как электрический генератор за счет запасенной кинетической энергии вращающегося якоря. Рассмотрим физику процесса торможения более подробно. При работе в двигательном режиме (ключ К1 замкнут, а ключ К2 разомкнут) в цепи якоря ЭД протекает ток равный

и развивает электромагнитный момент равный

 

-12-

,

         где  -ток потребляемый цепью якоря из сети, А.

При переводе ЭД в тормозной режим  работы ключ К1 размыкается, а ключ К2 замыкается. Так как направление вращения якоря и направление действия магнитного потока при этом не изменились, то знак противоэдс, генерируемой в обмотке якоря, тоже не изменится. А ток, протекающий в цепи якоря, изменит свое направление и станет равным

Соответственно изменит свой знак и электромагнитный момент, развиваемый  ЭД, который станет тормозным, поскольку  будет препятствовать движению якоря, вращающемуся по инерции. Уравнение  механической характеристики ЭД, работающего  в режиме электродинамического торможения примет следующий вид

Очевидно, что механические характеристики ЭД, работающего в режиме электродинамического торможения представляют собой семейство  прямых линий, проходящих через начало координат. Наклон механических характеристик определяется величиной сопротивления тормозного резистора . Чем больше его величина, тем круче наклон механической характеристики и тем меньше тормозной момент. Графическое изображение семейства механических характеристик для режима электродинамического торможения показано на рис.3.9.

1.6. Режим торможения противовключением.

Режимом торможения противовключением  называют такой режим, при котором  ЭД вращается за счет запаса кинетической энергии или потенциальных сил  исполнительного механизма в одну сторону, а электромагнитный момент, создаваемый ЭД направлен в противоположную сторону. Создание такого режима возможно в двух случаях.

Случай 1. Предположим ЭД, входящий в состав грузоподъемного механизма, поднимает  тяжелый груз. Механическая характеристика ЭД показана на рис. 3.11. Величина статического момента нагрузки при этом составляет и установившаяся частота вращения ЭД, работающего на подъем равна . Для осуществления режима опускания груза с постоянной скоростью необходимо перевести электропривод в режим торможения противовключения. С этой целью в цепь якоря ЭД включают резистор, обладающий большим сопротивлением таким образом, чтобы механическая характеристика из положения 1 перешла в положение 2. В силу механической инерции частота вращения ЭД мгновенно измениться не может, поэтому рабочая точка, характеризующая работу электропривода из

-14-

положения А перейдет в положение  В. В этом режиме ЭД развивает электромагнитный момент, который будет значительно меньше статического момента нагрузки. В силу этого обстоятельства ЭД, по-прежнему работающий на подъем, начнет уменьшать частоту вращения. При уменьшении частоты вращения электромагнитный момент ЭД начнет увеличиваться. Если статический момент нагрузки будет превышать электромагнитный момент ЭД при коротком замыкании, то двигатель под действием разницы этих моментов изменит направление вращения на противоположное, т.е. электропривод начнет работать на опускание груза. Дальнейшее увеличение частоты вращения ЭД будет сопровождаться увеличением его электромагнитного момента до тех пор, пока увеличивающийся электромагнитный момент не станет равным статическому моменту нагрузки. Это произойдет в точке Д, которая будет характеризовать новый установившийся режим работы электропривода, в котором ЭД работает в режиме торможения противовключения, опуская груз с постоянной скоростью . Схемотехническое решение, реализующее 1 способ торможения противовключением, показано на рис.3.10.

Случай 2. Режим торможения противовключением  можно осуществить еще и изменением полярности напряжения на якорных зажимах  ЭД. Рассмотрим процессы, протекающие  в этом режиме подробнее. Предположим, что ЭД работает в двигательном режиме и приводит в движение какой-то исполнительный механизм. Механическая характеристика ЭД при этом располагается в первом квадранте и занимает положение 1, см. рис.3.13. Предположим, что, с целью получения тормозного режима, напряжение на якорных зажимах ЭД изменяет свой знак, и в цепь якоря включается дополнительное сопротивление .В результате этих действий механическая характеристика ЭД займет положение 2. Поскольку в силу механической инерции частота вращения ЭД, нагруженного на исполнительный механизм, мгновенно измениться не могла, система будет вращаться в ту же сторону, при этом рабочая точка из положения А перейдет в положение В, в котором ЭД развивает электромагнитный момент препятствующий движению. Под действием тормозного момента ЭД начнет уменьшать частоту вращения, а рабочая точка, характеризующая режим работы электропривода начнет опускаться по механической характеристике вниз до положения С. В этом положении частота вращения ЭД становится равной нулю и его можно отключать от сети. Схемотехническое решение электропривода, реализующее рассматриваемый режим торможения показано на рис.3.12.

1.7. Режим рекуперативного торможения.

Этот способ торможения осуществим в том случае, если частота  вращения ЭД по каким-либо причинам превысит частоту вращения холостого хода. Такое превышение может возникнуть, например, при опускании тяжелого груза подъемной машиной. Если ЭД включить на опускание груза, то под

-16-

действием электромагнитного  момента ЭД и статического момента  нагрузки система начнет ускоряться и частота вращения ЭД превысит частоту вращения идеального холостого хода. При этом ЭД автоматически из двигательного режима перейдет в режим рекуперативного торможения.

          Рассмотрим подробнее причины  возникновение тормозного режима. Из курса электрических машин известно, что у ЭД постоянного тока с независимым возбуждением ток, потребляемый из сети цепью якоря, равен

В случае, если по каким-то причинам частота  вращения ЭД превысит частоту вращения холостого хода, то противоэдс, генерируемая в цепи якоря, превысит напряжение в сети постоянного тока. То есть второе слагаемое в числителе формулы станет больше первого, а это значит, что ток, протекающий в цепи якоря, изменит свое направление и станет равным

Иными словами, ток в тормозном режиме будет протекать не из сети в двигатель, а, наоборот, из ЭД, который будет работать в режиме генератора, в сеть. Естественно, что поскольку ток в цепи якоря изменит свое направление, а магнитный поток сохранит его, то электромагнитный момент ЭД, пропорциональный произведению тока якоря на магнитный поток, тоже изменит свое направление и будет препятствовать вращению системы, т.е. станет тормозным. Уравнение механической характеристики для режима генераторного торможения примет следующий вид

Графические изображения механических характеристик ЭД постоянного тока независимого возбуждения, работающего  в режиме рекуперативного торможения, приведены на рис.3.15. Как следует  из графиков, механические характеристики также проходят через точку на оси ординат, соответствующую частоте вращения холостого хода , но располагаются во втором квадранте. Рассматриваемый способ торможения является весьма экономичным, поскольку в процессе торможения электрическая энергия отдается в сеть.

1.8. Механические характеристики асинхронных ЭД переменного тока.

Асинхронные ЭД переменного тока в  настоящее время получили наибольшее применение в промышленности, в том  числе и в горной. Это обстоятельство объясняется рядом их преимуществ по сравнению с другими типами ЭД такими как:

• простота и надежность;
• дешевизна и хорошие массогабаритные показатели.

К числу недостатков асинхронных  ЭД следует отнести следующие:

-18-

• сложность обеспечения режимов регулирования частоты вращения;
• квадратичная зависимость электромагнитного момента от напряжения сети, что ухудшает его работу в сетях с длинными кабельными линиями;
• наличие больших пусковых токов при относительно малых пусковых моментах.

В горной промышленности асинхронные  ЭД с фазным ротором применяются там, где требуется кратковременное регулирование частоты вращения или большое количество включений в час (шахтные подъемные машины, конвейерные установки, драги и т.д.). Асинхронные ЭД с короткозамкнутым ротором в горной промышленности применяются очень широко. Так все шахтные забойные машины и механизмы снабжены этими типами ЭД. Их также широко применяют в электроприводах насосов, вентиляторов, компрессоров, конвейеров и т.д.

         Конструктивно асинхронный ЭД  состоит из неподвижной части-статора, на которой расположена трехфазная или в общем случае многофазная обмотка статора, и вращающейся части-ротора. Причем ротор может быть выполнен в двух вариантах. В виде так называемой беличьей клетки (ЭД с короткозамкнутым ротором)-первый вариант. Либо ротор выполнен в виде цилиндрического магнитопровода с пазами, в которые укладывается трехфазная обмотка ротора ЭД -второй вариант (ЭД с фазным ротором).

         При подключении обмотки статора  к сети в воздушном зазоре  появляется магнитное поле, которое вращается относительно статора с частотой

,

         где  -частота напряжения трехфазной сети переменного тока, Гц;

               -число пар полюсов.

Под действием этого вращающегося магнитного потока в обмотке ротора или в беличьей клетке будет наводится ЭДС. Поскольку обмотка ротора или беличья клетка представляют собой замкнутые электрические контура, то в этих контурах начнут протекать токи ротора, которые, взаимодействуя с магнитным потоком в воздушном зазоре, создадут электромагнитный момент, под действием которого ЭД начнет вращаться с частотой . В теории электропривода для удобства анализа электромеханических процессов вводится понятие «скольжение», под которым понимается

Для получения уравнения механической характеристики асинхронного ЭД обычно используется его эквивалентная  схема замещения, которая имеет  вид, представленный на рис.3.16. Здесь  на схеме показаны:

-19-

         -фазное напряжение, подводимое к обмотке статора, В;

         -индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом;

         -активное сопротивление обмотки статора, Ом;

         -приведенное индуктивное сопротивление обмотки статора, Ом;

         -приведенное активное сопротивление обмотки ротора, Ом;

         -индуктивное сопротивление контура намагничивания, Ом;

         -активное сопротивление контура намагничивания, Ом;

         -фазный ток обмотки статора, А;

         -приведенное значение фазного тока ротора, А.

В соответствии со схемой замещения можно  записать выражение для приведенного значения тока ротора

Электромагнитная мощность, передаваемая в ротор вращающимся магнитным  потоком, будет равна

,

         где  -электромагнитный момент асинхронного ЭД, нм.

Электромагнитная мощность, передаваемая в ротор, частично теряется в виде тепловых потерь в обмотке ротора. Поэтому механическая мощность, развиваемая ЭД, будет равна

Принимая во внимание, что механическая мощность в свою очередь определяется как

,

имеем

Откуда можно найти выражение  для электромагнитного момента

А так как  , то в окончательном виде имеем

Полученное выражение и представляет собой механическую характеристику асинхронного Эд переменного тока, т.е. зависимость . Анализ этой зависимости показывает, что у асинхронного ЭД электромагнитный момент является сложной нелинейной зависимостью от скольжения, которая имеет свои экстремальные точки. Чтобы найти величину скольжения, при которой

-20-

электромагнитный момент принимает  максимальное значение необходимо продифференцировать  выражение для электромагнитного  момента и приравнять производную  к нулю. Тогда

Скольжение, при котором электромагнитный момент принимает свое максимальное значение называется критическим скольжением. Подставляя значение критического скольжения в уравнение электромагнитного  момента, получаем выражение для  максимального электромагнитного момента, который также называется критическим

Графическое изображение механической характеристики асинхронного ЭД показана на рис.3.17. Здесь следует отметить, что знак (+) в выражениях для определения  критического скольжения и критического электромагнитного момента соответствуют двигательному режиму работы ЭД. Знак (-) соответствует режиму генераторного торможения, который может возникнуть, если ЭД за счет потенциального статического момента нагрузки раскрутится до частоты вращения, превышающей частоту вращения холостого хода.