Файл: Электрический привод.pdf

50 1)
повышением скорости вращения
ω за счёт механической энергии нагрузки;
2)
понижением напряжения питания;
Скорость вращения в статическом режиме превышает скорость холостого хода, если момент нагрузки действует в направлении вращения. Такая ситуация возможна, например, при спуске груза, создающего на валу двигателя, вращаю- щегося в положительном направлении, отрицательный момент сопротивления
(
2
c
M
−
на рис. 2.11,
б
). В этом случае точка пересечения механических харак- теристик двигателя и нагрузки распола- гается во втором квадранте выше точки холостого хода (точка
1
c
на рис. 2.11,
б
). При этом вращающий момент двигателя и ток якоря отрицательны.
Аналогичная ситуация возникает, если знак момента нагрузки изменяется на противоположный. Например, если при движении изменится соотношение грузов на рис. 1.9,
б
. Тогда машина, работавшая в режиме двигателя с положи- тельным моментом нагрузки
1
c
M (точка
a
на рис. 2.11,
б
), перейдёт в генера- торный режим, соответствующий моменту нагрузки
2
c
M
−
(точка
1
c
на рис.
2.11,
б
).
В генераторном режиме параллельно с сетью будет работать машина с по- ложительным активным моментом нагрузки
1
c
M
, если изменить полярность ис- точника питания. В этом случае участок механической характеристики, соот- ветствующий режиму генератора, будет располагаться в четвёртом квадранте, и статический режим будет соответствовать точке
2
c
на рис. 2.11,
б.
Режим рекуперативного торможения возникает также в переходных про- цессах, например, когда требуется понизить скорость вращения. Если скачко- образно уменьшить напряжение питания двигателя, то механическая характе- ристика, соответствующая новому значению скорости холостого хода
0
′
ω будет располагаться ниже исходной (рис. 2.11,
б
). В случае работы двигателя с мо- ментом нагрузки
1
c
M в первый момент после понижения напряжения скорость вращения вследствие инерционности останется прежней, соответствующей точке
a
, а вращающий момент станет равным
b
M
−
, т.е. момент двигателя ста- нет тормозным и машина перейдёт в режим генератора. Под действием тормоз- ного момента
1
b
c
M
M
−
−
скорость будет понижаться, пока в точке
3
c
не воз- никнет новый статический режим. При этом с момента начала переходного процесса до момента снижения скорости до значения
0
′
ω машина будет рабо- тать в режиме рекуперативного торможения (участок
0
b
′
ω механической харак- теристики на рис. 2.11,
б
), после чего перейдёт в режим двигателя.
Рис. 2.11.

51
В случае двигателя последовательного возбуждения режим рекуператив- ного торможения не может возникнуть путём простого повышения скорости вращения, т.к. увеличение скорости сопровождается уменьшением магнитного потока. Поэтому его осуществляют переключением машины на параллельное возбуждение.
2.2.3.2. Торможение противовключением
Торможение противовключением возникает
1)
в статическом состоянии, когда исполнительный механизм вращает машину в сторону, противоположную направлению действия элек- тромагнитного момента;
2)
в переходном процессе при переключении полярности источника пи- тания.
В обоих случаях направление действия ЭДС якоря совпадает с направле- нием ЭДС источника питания и в цепи якоря рассеивается суммарная мощ- ность, потребляемая от сети и генерируемая машиной –
(
)
2
a
a
z
a
a a
I r
r
UI
E I
+
=
+
Поэтому противовключение называют также генераторным режимом последо- вательно с сетью (рис. 2.12,
а).
Участки механических характеристик, соответствующие режиму проти- вовключения при положительном электромагнитном моменте двигателя нахо- дятся в четвёртом квадранте, а при отрицательном – во втором квадранте.
Режим противовключения без дополнительного сопротивления в цепи яко- ря является аварийным, т.к. при этом ток возрастает до величин, недопустимых по условиям коммутации.
В случае работы двигателя на активную механическую нагрузку, напри- мер, при подъёме груза, переход к спуску можно осуществить включением до- бавочного резистора в цепь якоря (рис. 2.12,
а). При этом двигатель, работав- ший в статическом режиме, соответствующем точке a на рис. 2.12, б, перейдёт на искусственную характеристику
0 1
c
ω в точку
1
b . Его вращающий момент рез- ко уменьшится и скорость начнёт снижаться. Если при нулевой скорости мо- мент нагрузки будет больше пускового момента, то двигатель начнёт вращаться в противоположную сторону (груз начнёт опускаться). С этого момента машина перейдёт в режим противовключения. Скорость её вращения и ток якоря будут
Рис. 2.12.

52
увеличиваться до тех пор, пока вращающий момент не достигнет величины момента нагрузки
c
M , что будет соответствовать точке статического режима
1
c .
Для двигателей последовательного возбуждения торможение противовк- лючением является основным видом торможения. Здесь переход к режиму про- тивовключения также осуществляется включением добавочного сопротивления в цепь якоря. После этого двигатель перейдёт на искусственную механическую характеритику в точку
1
b на рис. 2.12, в, его вращающий момент уменьшится и далее процесс торможения будут протекать аналогично торможению двигателя с независимым возбуждением.
Режим противовключения используется также при реверсе и при экстрен- ном торможении. В этом случае в приводах с двигателями независимого воз- буждения он реализуется переключением полярности источника питания якоря, а в приводах с двигателями параллельного и последовательного возбуждения переключением выводов щёток. При этом в цепь якоря обязательно включается токоограничивающее добавочное сопротивление. После переключения машина сразу переходит в тормозной режим, соответствующий точке
2
b на искусствен- ной механической характеристике. Как следует из рис. 2.12, б и в, тормозной момент при переключении равен
2
b
c
M
M
−
−
. Он существенно больше, чем тор- мозной момент при включении добавочного сопротивления
1
b
c
M
M
−
. Поэтому торможение будет гораздо более эффективным, т.к. эта разность определяет ве- личину углового ускорения. Постепенно скорость вращения уменьшится до ну- ля (точка
2
c на рис. 2.12, б), и всё это время машина будет работать в режиме противовключения. Развитие переходного процесса после остановки будет за- висеть от характера и величины нагрузки. Если нагрузка активная, то под дей- ствием разности моментов двигатель начнёт вращаться в противоположную сторону. Если это нежелательно, то после остановки двигатель нужно отклю- чить от сети, а механизм затормозить. В случае реактивной нагрузки с момен- том, превышающим пусковой момент двигателя, механизм остановится и будет удерживаться в неподвижном состоянии силами трения.
2.2.3.3. Динамическое торможение
В режиме динамического торможения якорь двигателя отключатся от сети и замыкается на добавочное сопротивление (рис. 2.13, а-в). При этом обмотка возбуждения может оставаться подключённой к источнику питания (рис. 2.13,
а), но может также подключаться параллельно или последовательно к якорю
(рис. 2.13, б и в). В последнем случае питание обмотки возбуждения осуществ- ляется энергией, генерируемой якорем, и режим работы называется динамиче- ским торможением с самовозбуждением. Двигатели последовательного возбу- ждения переводятся в режим динамического торможения включением по схеме с независимым возбуждением.

53
Машина в режиме динамического торможения с возбуждёнными полюса- ми работает генератором за счёт механической энергии нагрузки и рассеивает электрическую энергию в цепи якоря.
Уравнение механической характеристики динамического торможения дви- гателя независимого возбуждения получается из уравнения (2.9) при условии
0
U
= :
( )
( )
2 2
a
z
a
z
c
r
r
M
M
r
r
c
Φ
+
ω = −
⇔
= −ω
+
Φ
. (2.35)
Механическая характеристика представляет собой прямую линию, прохо- дящую через начало координат (рис. 2.13,
д). Тормозной момент линейно зави- сит от скорости вращения и жёсткости характеристики (угла наклона), опреде- ляемой при постоянном потоке const
Φ =
суммарным сопротивлением цепи якоря (
a
z
r
r
+ ).
Для ограничения тока и момента при торможении в цепь якоря обычно включается добавочное сопротивление
z
r .
Однако этого можно не делать, если торможение происходит на малых скоростях вращения. То- гда вся мощность, генерируемая машиной при торможении, бу- дет рассеваться на сопротивле- нии обмотки якоря.
Рассмотрим в качестве примера режим торможения при активной нагрузке двигателя. После отключе- ния якоря от сети и замыкания на добавочное сопротивление, электромагнит- ный момент двигателя станет равным
b
M
−
, и скорость вращения начнёт пони- жаться, пока привод не остановится. После остановки двигатель под действием активного момента нагрузки начнёт вращаться в противоположную сторону до тех пор, пока не достигнет скорости
c
ω , соответствующей статическому режи- му. В случае реактивной нагрузки типа сухого трения вращение прекратится по достижении нулевой скорости.
Динамическое торможение с самовозбуждением реализуется включением двигателей параллельного и последовательного возбуждения по схемам рис.
2.13,
б и в. Для самовозбуждения необходимо, чтобы главные полюсы имели поток остаточного намагничивания
δ
Φ , составляющий минимум 2…3% от но- минального. Если машину с подключённой параллельно обмоткой (рис. 2.13,
б) привести во вращение, то на щётках и на обмотке возбуждения появится не- большое напряжение, пропорциональное остаточному потоку и скорости вра- щения. Под действием этого напряжения ток в обмотке возбуждения увеличит- ся, и если создаваемый обмоткой поток направлен так же как остаточный, то
Рис. 2.13.

54
суммарный поток увеличится, что вызовет возрастание напряжения и дальней- шее увеличение потока. Этот процесс будет продолжаться до определённого состояния, при котором наступит статическое равновесие.
Необходимым условием развития процесса самовозбуждения является со- гласное направление остаточного магнитного потока и потока, формируемого обмоткой возбуждения. При этом направление потока главных полюсов маши- ны определяется направлением протекания тока в обмотке, которое, в свою очередь, зависит от направления действия ЭДС якоря, т.е. от направления вра- щения, и от полярности подключения обмотки. Таким образом, при любом на- правлении вращения можно выбрать такое подключение обмотки возбуждения, которое обеспечит развитие процесса самовозбуждения.
Однако условие согласования остаточного и возбуждаемого обмоткой по- токов не является достаточным для самовозбуждения. Пусть, например, генера- тор параллельного возбуждения работает на холостом ходу, т.е. внешнее сопро- тивление
z
r в схеме рис. 2.13, б отсутствует. Напряжение на обмотке возбужде- ния равно ЭДС вращения за вычетом падения напряжения на сопротивлении якоря и щётках. Если построить характеристики холостого хода генератора при различных скоростях вращения в
( , )
a
U
f i
=
ω , то они, в силу линейной зависи- мости ЭДС от скорости вращения, будут отличаться друг от друга только мас- штабом по оси ординат (рис. 2.14, а).
Уравнение Кирхгофа для цепи обмотки возбуждения имеет вид
e
a
e e
e
di
U
r i
L
dt
=
+
где ;
;
e
e
e
r L i – сопротивление, индуктивность и ток обмотки.
Статический режим генератора наступит, когда
/
0
e
di dt
= , т.е. когда паде- ние напряжения на обмотке возбуждения станет равным напряжению на щёт- ках якоря. Графически это соответствует точке пересечения вольтамперной ха- рактеристики обмотки возбуждения с какой-либо характеристикой холостого хода. Статическая вольтамперная характеристика обмотки представляет собой
Рис. 2.14.

55
прямую линию, тангенс угла наклона которой пропорционален величине со- противления
e
r .
Из рис. 2.14, а следует, что обмотка с малым сопротивлением (линия 1) обеспечивает режим самовозбуждения только при скоростях вращения выше четверти от номинальной скорости (
0,25
n
ω >
ω ), а обмотка с большим сопро- тивлением (линия
2) – при скоростях 0,75
n
ω >
ω . Граничное значение сопро- тивления, при котором обеспечивается самовозбуждение при заданной скоро- сти вращения, называется критическим. Оно соответствует касательной к ли- нейному участку характеристики холостого хода. Например, тангенс угла на- клона линии 2 соответствует критическому сопротивлению при скорости
0,75
N
ω =
ω .
При заданном значении сопротивления обмотки возбуждения можно тем же методом касательной решить обратную задачу, т.е. найти скорость враще- ния, обеспечивающую самовозбуждение и называемую критической.
При подключении тормозного резистора
z
r сопротивление внешней цепи генератора уменьшится и станет равным
e z
e
z
r r
r
r
+
. С учётом того, что обычно
z
e
r
r , результирующее сопротивление будет определяться в основном тор- мозным резистором
e z
z
e
z
r r
r
r
r
≈
+
. Тогда уравнение механической характеристики режима динамического торможения с самовозбуждением будет иметь вид:
[
]
[
]
2 2
( )
( )
a
z
a
z
c
r
r
M
M
r
r
c
Φ ω
+
ω = −
⇔
= −ω
+
Φ ω
. (2.36)
Процесс динамического торможения с самовозбуждением двигателей по- следовательного возбуждения ничем по существу не отличается от торможения двигателей параллельного возбуждения. Отличие заключается только в уравне- нии механической характеристики, в котором к сумме сопротивлений
a
z
r
r
+ нужно добавить сопротивление обмотки возбуждения.
Сравнение уравнений (2.35) и (2.36) показывает, что в отличие от динами- ческого торможения с возбуждёнными полюсами, тормозной момент при само- возбуждении является сложной функцией от нелинейной зависимости магнит- ного потока от скорости вращения ( )
Φ ω . Примерный вид механической харак- теристики показан на рис. 2.14, б. Такая характеристика весьма неудобна для практики. При малых скоростях вращения тормозной момент очень мал, т.к. создаётся магнитным потоком остаточного намагничивания. После достижения критической скорости машина возбуждается, магнитный поток и тормозной момент резко возрастают, в результате чего характеристика приобретает излом.
Неблагоприятный вид механической характеристики динамического тор- можения с самовозбуждением является причиной того, что оно применяется только как аварийное торможение в случае отключения питания двигателя.

56