Динамическое торможение асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

§ 15. Динамическое торможение асинхронных двигателей

Наибольшее распространение в грузовых электроприводах имеет, очевидно, торможение асинхронных двигателей противовключением, ко­торое не требует дополнительных устройств, а осуществляется переключением на обратное вращение. Однако наряду с этим способом до­статочно широкое применение находит и динамическое торможение.

Схема включения и физическая сущность процессов, протекающих в асинхронном двигателе в режиме динамического торможения, значи­тельно отличаются от аналогичных показателей других режимов рабо­ты двигателя. Для получения этого режима обмотка статора отключа­ется от сети трехфазного переменного тока и включается на понижен­ное напряжение постоянного тока.

Постоянный ток, протекая по обмотке статора, создает неподвижное в пространстве магнитное поле, которое наводит э. д. с. и ток в обмотке вращающегося ротора. Взаимодействие этого тока с магнитным потоком статора и создает тормозной момент. При этом асинхронный двигатель представляет собой синхронный генератор с неявновыраженными полюсами, работающий при переменной частоте на сопротивление цепи ротора. Однако для расчета механических харак­теристик асинхронного двигателя при динамическом торможении режим синхронного генератора заменяется режимом асинхронного двигателя с питанием статора вместо постоянного тока I_П равнозначным ему по м. д. с. трехфазным переменным током I₁. Механические характери­стики динамического торможения по форме аналогичны характеристи­кам двигательного режима, но, в отличие от них, выходят из нача­ла координат и располагаются во втором квадранте координатной пло­скости (рис.16).

Расчет динамического торможения и построение механических характеристик без учета насыщения магнитной системы двига­теля можно осуществить, имея паспортные (каталожные) данные машины, в том числе Е_2Н и I_2Н. При этом возможно ориенти­ровочное определение активного и индуктивного сопротивления обмоток двигателя.

Активное сопротивление обмотки ро­тора можно найти из уравнений (74) и (75).

Приведенное значение этого сопротивления будет

где – коэффициент трансформации асинхронного двигателя.

С достаточной для ориентировочных расчетов точностью можно принять активное сопротивление статора равным приведенному значе­нию сопротивления ротора, т.е.

Индуктивное сопротивление короткого замыкания двигателя

В этом уравнении можно принять:

– для асинхронных короткозамкнутых двигателей

– для двигателей с фазным ротором

Индуктивное сопротивление цепи намагничивания

При динамическом торможении используют параметр относитель­ной скорости ν, который аналогичен скольжению s, характеризую­щему работу асинхронного двигателя:

Критическое значение относительной скорости двигателя опре­делится из выражения

При выборе ν_КР для тормозной механической характеристики следует иметь в виду, что наибольший тормозной эффект при определенном М_КР имеет место при ν_КР ≈ 0,41, которую можно получить для двигателя с фазным ротором путем введения в цепь ротора активных добавочных сопротивлений.

Критический, а, следовательно, и тормозной динамический момен­ты выбираются в зависимости от времени, в течение которого необ­ходимо затормозить привод. Из уравнения критического момента при динамическом торможении

можно определить эквивалентный тормозной ток статора

В зависимости от схемы включения обмотки статора на питание от источника постоянного тока, между трехфазным переменным током I₁ и постоянным током I_П устанавливается определенное соотноше­ние. Если к источнику постоянного тока подключить два луча звезды обмотки статора, то I_П = 1,23I₁. При этом к статору подводят напряжение

где r₁ – активное сопротивление одной фазы статора.

Для построения всей механической характеристики асинхронного двигателя при динамическом торможении можно воспользоваться фор­мулой Клосса, записанной для этого режима;

Рассчитанная и построенная для сопротивления r₂ ’ механичес­кая характеристика является естественной. Искусственные характе­ристики можно рассчитать и построить с помощью соотношения

где R₂ = r₂ + r_Д – общее активное сопротивление фазы ротора.

Схема динамического торможения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

Динамическое торможение асинхронного двигателя выполняется отключением двигателя от трехфазной сети и подачи постоянного напряжения на любые две обмотки статора (AB, BC или AC). Магнитный поток в обмотках статора, взаимодействует с током ротора, создавая тормозной момент, что приводит к полному останову двигателя.

Пуск асинхронного двигателя с кз ротором

Подача напряжения на управляющую и силовую цепь осуществляется автоматическим выключателем QF. Нажатием кнопкой SB1 “Пуск” запитывается магнитный пускатель КМ1, который срабатывает и замыкает свои контакты:

• КМ1.1 в цепи статора — двигатель запускается
• КМ1.2 — шунтирует кнопку “Пуск”
• КМ1.3 -подает напряжения на реле времени КТ

и размыкает нормально замкнутый контакт КМ1.4 который не даст сработать магнитному пускателю КМ2, после срабатывания реле времени КТ.

Рисунок.1. Схема управления асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором с динамическим торможением в функции времени

Осатнов асинхронного двигателя с кз ротором

При нажатии кнопки SB2 “Стоп” катушка пускателя КМ1 обесточивается и пускатель одновременно возвращает свои контакты в исходное положение:

• Размыкает КМ1.1 (прекращает подачу электрического тока на обмотку статора) – асинхронный двигатель обесточен.
• Размыкает КМ1.2 — разблокирует кнопку пуска
• Размыкает КМ1.3 — обесточивает реле времени КТ
• Замыкает нормально замкнутый контакт КМ1.4, что приводит подачи напряжения на контактор КМ2, так как контакты реле времени КТ размыкаются не сразу, а через заданный временной интервал. При срабатывании КМ2 на статор асинхронного двигателя подаётся постоянное напряжение, двигатель переходит в режим динамического торможения.

В схеме применено реле времени с выдержкой времени при размыкании. Длительность подачи постоянного напряжения на статор будет равна выдержки реле КТ. После истечении выдержки скорость вала двигателя близка к нулю, контакты КТ размыкаются и обесточивают КМ2 и двигатель отключается от сети.

Для регулировки интенсивности торможения в цепь статора включен регулировочный резистор R. В схеме применена блокировка с помощью размыкающих контактов КМ1.4 и КМ2 для невозможности включения статора двигателя одновременно в сеть постоянного и трехфазного тока.

Асинхронный двигатель и его тормозные режимы

У асинхронного двигателя есть два рабочих тормозных режима: динамический, режим противовключения и режим рекуперативного торможения.

Режим рекуперативного торможения может появляться только в том случае, если роторная скорость асинхронного двигателя будет превышать синхронную скорость. На практике такой режим применяется к двигателям, в которых можно переключать полюса, а также в приводах машин, осуществляющих грузоподъем.

При изменении знака момента меняется знак активной составляющей роторного тока. В этом случае асинхронный двигатель передает активную мощность в сеть, и потребляет из нее реактивную мощность или, по-другому, энергию. Она необходима для возбуждения. Такой режим может возникнуть в случае, когда двухскоростной двигатель переходит с высокой скорости на низкую.

Асинхронный двигатель можно перевести в режим торможения противовыключением двумя способами. Суть первого заключается в изменении чередования двух фаз напряжения, от которого питается электрический двигатель.

В процессе торможения путем противовключения в обмотке двигателя токи могут превышать номинальные соответствующие токи в 7-8 раз. При этом коэффициент мощности двигателя заметно уменьшается.

Механическая и потребляемая из сети энергия рассеивается в сопротивлении ротора, поэтому невозможно говорить о каком-то КПД. Двигатели короткозамкнутые перегружаются по току на короткое время. Сопротивление ротора возрастает, это становится причиной увеличения и уменьшения момента.

Для того чтобы выполнить динамическое торможение, двигатель отключается от сети с переменным током и подключают к источнику постоянного. Для увеличения эффективности могут быть добавлены сопротивления, это позволяет ограничить в обмотке токи и также увеличить момент.

Торможение электродвигателя

Производственные процессы, связанные с эксплуатацией оборудования, оснащенного электрическими двигателями переменного или постоянного тока, требуют периодической остановки. Однако после отключения питающего напряжения от электродвигателей, их роторы продолжают вращение по инерции и останавливаются только через определенный промежуток времени. Такая остановка электродвигателя называется свободным выбегом.

Для электродвигателей, работающих с частыми пусками-остановами, остановка способом свободного выбега не подходит. Чтобы сократить время, необходимое для полной остановки вращения ротора применяется принудительное торможение. Способы торможения электродвигателя подразделяются на механические и электрические.

Механическое торможение

Остановка двигателей при таком способе торможения осуществляется благодаря специальным колодкам на тормозном шкиве. После отключения питающего напряжения тормозные колодки под воздействием пружин прижимаются к шкиву. В результате возникающего трения колодок о шкив кинетическая энергия вращающегося вала преобразуется в тепловую, что и приводит к его полной остановке. После подачи напряжения электромагнит (YB) растормаживает колодки, и эксплуатация электродвигателя продолжается в штатном режиме.

В зависимости от схемы электрического торможения, кинетическая энергия вращающегося ротора может отдаваться в сеть или на батарею конденсаторов, а также преобразовываться в тепло, которое поглощается обмотками электродвигателя или специальными реостатами.

Динамическое торможение электродвигателя

Эта схема остановки подходит для трехфазных электродвигателей как с которкозамкнутым, так и с фазным ротором.

Динамическое торможение электродвигателя с короткозамкнутым ротором осуществляется посредством отключения обмоток статора от питающей сети трехфазного переменного тока и переключением двух из них через систему контакторов и реле на источник выпрямленного постоянного напряжения.

Обмотки статора после подачи на них постоянного напряжения генерируют стационарное магнитное поле, под воздействием которого в короткозамкнутой «беличьей клетке»

вращающегося ротора начинает индуцироваться электрический ток, вызывающий появление тормозного момента. Направление этого момента противоположно направлению вращения останавливающегося вала. После остановки двигателя подача постоянного напряжения на обмотки статора прекращается.

В двигателях с фазным ротором величину тормозного момента можно регулировать с помощью дополнительных сопротивлений, в качестве которых используются пусковые резисторы.

Торможение противовключением

Торможение асинхронного электродвигателя методом противовключения осуществляется путем реверсирования двигателя без отключения от питающей сети.

Управление торможением выполняется реле контроля скорости. В рабочем режиме контакты реле замкнуты. После нажатия на кнопку «СТОП» (SBC) группа контакторов производит переключение двух фаз, меняя порядок их чередования. В результате этого магнитное поле статора начинает вращаться в противоположном направлении, что приводит к замедлению вращения ротора. Когда скорость вращения становится близкой к нулю, реле контроля скорости размыкает контакты и подача питающего напряжения прекращается.

Конденсаторное торможение электродвигателей

Этот способ, называемый еще торможение с самовозбуждением, применим только к электродвигателям с короткозамкнутым ротором.

После прекращения подачи питающего напряжения ротор электродвигателя продолжает вращение по инерции и генерирует в обмотках статора электрический ток, который вначале заряжает батарею конденсаторов, а после накопления номинального заряда возвращается в обмотки. Это приводит к возникновению тормозного момента, величина которого зависти от емкости конденсаторных батарей, подключенных к каждой фазе по схеме «звезда» или «треугольник». Торможение с самовозбуждением применяется на двигателях с большим числом пусков-остановов, так как величина потерь энергии в двигателях при такой схеме остановки минимальная.

Рекуперативное торможение

Рекуперативное или иначе генераторное торможение асинхронных электродвигателей на практике используется в качестве предварительного подтормаживания , а также при опускании грузов кранами всех типов или пассажирских и грузовых лифтовых кабин.

Торможение асинхронного электродвигателя в рекуперативном режиме происходит, когда номинальная частота вращения ротора превышает его синхронную частоту. Двигатель начинает генерировать электрическую энергию и отдавать ее в питающую сеть, в результате чего создается тормозящий момент. Такой способ остановки применяется для многоскоростных двигателей путем постепенного переключения с большей частоты вращения ротора на меньшую. Таким образом, в определенный момент скорость, вращающегося под воздействием инерции вала, будет больше синхронной частоты, соответствующей подключенному количеству полюсов статора. Кроме того, рекуперативная схема торможения применяется для двигателей, подключенных к преобразователям частоты. Для этого достаточно уменьшить частоту питающего напряжения.

Остановка двигателей постоянного тока (ДПТ)

Торможение электродвигателей постоянного тока осуществляется противовключением и динамическим способом.

Динамическое торможение

Такая схема торможения применяется для двигателей с независимым возбуждением.

После нажатия кнопки «Стоп» (SB1) происходит отключение обмоток якоря от питающей сети и переподключение их на тормозной резистор. В обмотках якоря, вращающегося по инерции в стационарном магнитном поле, индуцируется постоянный ток, который проходя по обмоточным проводам резистора, преобразовывается в тепловую энергию.

Торможение противовключением

Метод противовключения основан на изменении полярности напряжения, подключаемого к обмоткам индуктора или якоря двигателя. Это приводит к смене полярности магнитного потока или направлению тока, индуцируемого в якоре. Таким образом, направление вращающего момента меняется на противоположное, что вызывает появление тормозящего эффекта. Скорость вращения якоря контролируется реле скорости, которое отключает питание якоря, когда она приближается к нулевой.

Для оформления заказа позвоните менеджерам компании Кабель.РФ ® по телефону +7 (495) 646-08-58 или пришлите заявку на электронную почту zakaz@cable.ru с указанием требуемой модели электродвигателя, целей и условий эксплуатации. Менеджер поможет Вам подобрать нужную марку с учетом Ваших пожеланий и потребностей.