Механические характеристики асинхронного двигателя

 Таким образом, реализация современных способов торможения АД в существенной степени  зависит от опыта и знаний разработчика электропривода. Поэтому рассмотрим детально режимы торможения.

 Торможение  с отдачей энергии  в сеть. Обратимость асинхронного двигателя, как и других машин, использующих принцип электромагнитной индукции (максвелловского типа), позволяет ему работать в генераторном режиме. Если на валу двигателя отсутствует нагрузка, то энергия, потребляемая из сети, расходуется на покрытие потерь в статоре, а также потерь в стали и механических потерь в роторе. Прикладывая к валу машины внешний момент, действующий в направлении вращения ротора, можно достичь синхронной скорости. При этом потери в роторе покрываются уже внешним источником энергии, а из сети будет потребляться только энергия, идущая на покрытие потерь в статоре. Дальнейшее увеличение скорости выше синхронной приводит к тому, что асинхронная машина переходит в генераторный режим.

 При работе в этом режиме проводники статора  пересекаются магнитным полем в прежнем направлении, а проводники ротора - в противоположном, поэтому ЭДС ротора Е₂ меняет знак, т. е. Е₂'s = (- s)Е₂' ≈ - Е₂'s. Ток в роторе соответственно будет равен

  (4-34)

 Рис. 4-13. Векторная диаграмма асинхронного двигателя, работающего в генераторном режиме 

 Из  выражения (4-34) видно, что при переходе АД в генераторный режим изменяет направление только активная составляющая тока ротора, так как вращающий  момент на валу изменил свое направление  по сравнению с имевшим место  в двигательном режиме. Это иллюстрирует векторная диаграмма на рис. 4-13. Здесь угол φ₁ > π/2, что подтверждает изменение причины появления тока I₁ в виде ЭДС E₁ (а не напряжения сети U₁, как в двигательном режиме), хотя направление тока намагничивания I_μ сохранилось прежним. Перемена знака у активной составляющей тока I'_2a приводит к тому, что и электромагнитная мощность становится отрицательной, т. е. отдается в сеть, так как s < 0:

 Знак  же реактивной мощности вторичного контура  сохраняется неизменным независимо от режима работы машины, что следует из выражения

  (4-35)

 Благодаря наличию активных статических моментов торможение используется в подъемных  установках (рис. 4-14,а), в транспортных приводах (рис. 4-14,б). Различие в этих тормозных режимах заключается в том, что в первом случае (рис. 4-14,а) двигатель при опускании большого груза переключается на его спуск (ω < 0) и последовательно проходит режим противовключения (второй квадрант), реверса (третий квадрант) и выход на режим генераторного торможения с рекуперацией энергии в сеть (точка 3 в четвертом квадранте при |ω| > |ω₀|). Предельное значение момента груза М_С не должно превосходить М_НОМ. При движении транспорта «под уклон» потенциальная энергия перемещаемого груза начинает способствовать движению и создает внешний движущий момент, прикладываемый к валу двигателя. Таким образом, в этом случае, благодаря увеличению скорости привода (ω > ω₀) и изменению знака ЭДС Е₂, двигатель непосредственно, без переключения обмоток статора, переходит в генераторный режим с отдачей энергии в сеть (точка 2 на рис. 4-14,б).

Рис. 4-14. Механические характеристики асинхронного двигателя при активном статическом моменте: а - спуск тяжелого груза; б - работа транспортного средства «под уклон»

 При наличии реактивного статического момента генераторное торможение с рекуперацией энергии в сеть можно получить в асинхронных двигателях с переключением числа полюсов или в приводах с частотным, частотно-токовым и векторным регулированием скорости вращения АД.

   В первом случае (рис. 4-15,а), переключая статор машины с меньшего числа полюсов на большее, уменьшается синхронная скорость ω₀₂ < ω₀₁ и происходит торможение с отдачей энергии в сеть в течение всего периода, пока двигатель работает во втором квадранте.

 При частотном регулировании скорости, уменьшая частоту питания статора от основной f₁ до f₂ < f₁ и f₃ < f₂, постепенно переключают двигатель с одной механической характеристики на другую (рис. 4-15,б). Привод работает в тормозном режиме с отдачей энергии в сеть, пока его рабочая точка перемещается по участкам механических характеристик, расположенных во втором квадранте. Изменяя плавно и автоматически частоту питания двигателя, можно получить тормозной режим привода с малоизменяющимся моментом торможения. Однако при этом определенным образом нужно регулировать и напряжение питания .

Рис. 4-15. Механические характеристики асинхронного двигателя в режиме генераторного  торможения при реактивном статическом  моменте: а - переключение числа пар полюсов; б - частотное регулирование скорости

 Торможение  противовключением. Этот вид торможения возникает при вращении ротора двигателя под действием статического момента в направлении, противоположном вращению поля статора. При наличии реактивного момента длительность торможения мала, после чего машина из тормозного вновь переходит в двигательный режим, (рис. 4-16,а). Первоначально двигатель работал в точке 1 двигательного режима, а затем после переключения двух фаз обмотки статора меняется направление вращения магнитного поля машины и ее электромагнитный момент (точка 2). Движение привода замедляется до точки О, а затем совершается реверс ротора и разгон двигателя в противоположном направлении до установившегося движения в точке 3.

   Для двигателей с фазным ротором при наличии большого добавочного сопротивления возможна полная остановка привода с тормозным моментом M_ТР (точка 5 на рис. 4-16,а).

 При наличии активного момента (рис. 4-16,б), если меняется направление вращения магнитного поля, как в предыдущем случае, двигатель также изменяет режим работы, т. е. имеет место торможение противовключением - второй квадрант, двигательный режим с реверсом направления вращения ротора - третий квадрант и новый режим - генераторный с отдачей энергии в сеть - четвертый квадрант, где лежит точка установившегося длительного движения 3.

   Для двигателей с фазным ротором при активном статическом моменте режим противовключения можно получить и без переключения фаз статора, только введением больших добавочных сопротивлений в ротор (рис. 4-16,б). Тогда машина в двигательном режиме из точки 1 переводится в точку 4 при введении добавочного сопротивления r_Д, и далее она изменяет свое движение по искусственной механической характеристике, переходя в четвертый квадрант. Точка 5 соответствует длительному установившемуся движению асинхронного двигателя в режиме противовключения.

Рис. 4-16. Схема включения и механические характеристики асинхронного двигателя: а - в режиме противовключения при реактивном статическом моменте; б - то же, при активном статическом моменте

 Режим торможения противовключением часто используется в подъемно-транспортных установках. Переключение фаз статора, без введения добавочного сопротивления используется только в асинхронных двигателях с короткозамкнутым ротором ввиду того, что начальные значения токов в точке 2 (рис. 4-16) незначительно больше пускового, который составляет (5-6)I_НОМ. Для двигателей с фазным ротором такие пики тока вообще недопустимы. Недостатком тормозных характеристик противовключения является их большая крутизна и значительные потери энергии, которая полностью превращается в теплоту, рассеиваемую во вторичной цепи двигателя. Вследствие большой крутизны механических характеристик возможны большие колебания скорости привода при незначительных изменениях нагрузки.

 Если  известен момент М_С, при котором необходимо осуществить торможение, то нетрудно рассчитать значение скольжения в этой точке по формуле (4-25), а затем по формуле (4-29) определить добавочное сопротивление.

 Электродинамическое (динамическое) торможение. Если отключить  статор АД от сети, то магнитный поток остаточного намагничивания формирует незначительную ЭДС и ток в роторе.

 При независимом возбуждении получают неподвижный поток статора, который  индуктирует в обмотках вращающегося ротора ЭДС и ток.

Рис. 4-17. Схемы включения обмоток статора асинхронного двигателя в сеть постоянного (выпрямленного) напряжения

 Для включения в сеть постоянного (выпрямленного) тока обмоток статора применяют  различные схемы их соединения, часть  из которых изображена на рис. 4-17.

 Для анализа режима динамического торможения удобнее заменить МДС F_П, создаваемую постоянным током, переменной эквивалентной МДС F_~, формируемой совместно обмотками статора и ротора, как в обычном асинхронном двигателе. Тогда режим синхронного генератора заменяется эквивалентным режимом асинхронной машины. При такой замене должно соблюдаться равенство: F_П = F_~.

Рис. 4-18. Схемы соединения начала (Н) и конца (К) обмоток статора «в звезду» (а),определение направлений МДС обмоток статора (б), геометрическое сложение МДС (в)

Взаимодействие  малых величин магнитного потока и тока в роторе не способно создать большой электромагнитный момент. Поэтому необходимо найти способы существенного увеличения магнитного потока. Это можно сделать, подключая статор машины в режиме динамического торможения к источнику постоянного или выпрямленного напряжения. Можно также создать схему самовозбуждения двигателя подключением к его обмотке статора конденсаторов. В результате получим режимы динамического торможения асинхронной машины с независимым возбуждением и самовозбуждением

 Определение МДС постоянного тока для схемы на рис. 4-17,а поясняет рис. 4-18.

 При трехфазном включении обмотки статора  в сеть переменного тока необходимо определить максимум МДС машины, равный [18]:

  (4-36)

 где I₁ - действующее значение переменного тока; ω - число витков обмотки одной фазы статора.

 Вначале рассмотрим питание обмотки статора  постоянным током. Если при работе машины в двигательном режиме ее скольжение и намагничивающий ток изменяются мало, то в режиме динамического  торможения скольжение ротора изменяется в широких пределах. Следовательно, с изменением скорости меняется ЭДС ротора, ток в роторе и создаваемая им МДС, которая оказывает существенное влияние на результирующую МДС.