Тормозные режимы двигателей постоянного тока

Электрические машины обладают замечательным свойством обратимости, т.е. они могут работать как в двигательном, так и в генераторном (тормозном) режиме. Под тормозным режимом понимают такой режим двигателя, при котором создаваемый им момент противодействует движению рабочей машины. В общем случае тормозные моменты в современных электроприводах используются для быстрой и точной остановки механизма, замедления его движения или изменения направления движения. Быстрота и точность, с которой будут проделаны эти операции, во многих случаях определяют производительность механизма, а иногда и качество вырабатываемого продукта.

Известны три режима торможения двигателя постоянного тока независимого возбуждения: рекуперативное, динамическое и торможение противовключением. Рассмотрим особенности механических характеристик при указанных способах торможения.

Режим рекуперативного торможениявозникает во всех случаях, когда скорость вращения двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода: ω > w₀. В этом случае ЭДС двигателя Е будет больше приложенного напряжения U, двигатель будет работать генератором в режиме рекуперации параллельно с сетью, которой он будет отдавать электрическую энергию. При этом ток якоря меняет свое направление, что очевидно из равенства

, (2.13)

следовательно, изменяет знак и момент двигателя, т.е. он переходит в режим рекуперативного торможения. При этом уравнение (2.4) запишется как, М = -kФI.

Поскольку переход в рекуперативный режим торможения происходит без изменения схемы включения двигателя (рис 2.1), для такого режима остаются справедливыми уравнения электромеханической (2.3) и механической (2.5) характеристик. Следовательно, характеристики в режиме рекуперации являются продолжением характеристик двигательного режима в область четвертого квадранта (рис.2.7).

Регулирование величины тормозного момента при w_т=const (на рисунке 2.7 w₂ или w₃) или скорости вращения при М_Т=const (на рисунке 2.7 М₂ или М₃) возможно путем изменения сопротивления R_Д в цепи якоря (рис.2.7). Недостатком данного способа торможения является то, что оно возможно только при скорости, превышающей скорость идеального холостого хода. Рекуперативное торможение используется в приводах подъемных механизмов при спуске груза, в обкаточных стендах при горячей обкатке двигателей внутреннего сгорания.Данный режим торможения экономичен, поскольку энергия, поступающая на вал двигателя, за вычетом потерь, отдается в сеть.

Режим динамического торможенияполучают при отключении якоря двигателя от сети и включении его на резистор R_Д (рис.2.8). Обмотка возбуждения при этом остается включенной в сеть. При динамическом торможении двигатель преобразует механическую энергию рабочей машины в электрическую. Однако эта энергия не отдается в сеть, а выделяется в виде теплоты в сопротивлениях цепи якоря и R_Д.

Так как после включения двигателя по схеме динамического торможения направление вращения якоря и направление магнитного потока возбуждения не меняются, то ЭДС двигателя в этом режиме сохраняет тот же знак, что и в двигательном режиме. Следовательно, на основании (2.3) и (2.5) приняв U=0, можно записать уравнение электромеханической и механической характеристик двигателя, работающего в режиме динамического торможения:

; (2.14)

. (2.15)

При Ф=const характеристики (2.15) представляют собой прямые линии, проходящие через начало координат во втором и четвертом квадрантах прямоугольной системы координат (рис.2.9).

Наклон характеристик определяется величиной сопротивления R_д. Динамическое торможение, благодаря простоте исполнения и экономичности (энергия потребляется только обмоткой возбуждения), широко используется для плавной остановки привода при отключении его от сети. Оно достаточно экономично, хотя и уступает торможению с отдачей энергии в сеть.

Режим торможения противовключением.Режим торможения, при котором обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием внешнего момента или сил инерции вращается в противоположную сторону, называется торможением противовключением. Данный режим можно получить двумя способами, например, в приводе подъемника, когда двигатель включен на подьем, а момент, развиваемый грузом, вращает его в направлении спуска груза. По второму способу режим противовключения получается при переключении полярности на зажимах обмотки якоря или обмотки возбуждения.

При работе двигателя в режиме противовключения сила тока в якоре значительно больше по сравнению с силой тока при работе в двигательном режиме. Величина тока при этом прямо пропорциональна напряжению сети и ЭДС, наведенной в якоре. Для снижения тока якорной цепи двигателя, работающего в режиме противовключения, в цепь якоря включают дополнительное сопротивление.

На рис.2.10 приведена механическая характеристика двигателя, работающего в режиме торможения противовключением (тормозной спуск электровоза). Данный режим наблюдается в электроприводе стенда обкатки двигателей внутреннего сгорания при включении достаточно большого сопротивления в цепь якоря двигателя постоянного тока. В этом случае двигатель переводится из точки 1 на более мягкую искусственную характеристику в точку 2. В точке 2 момент двигателя М_Д становится меньше момента сопротивления М_с. В результате скорость привода уменьшается. В точке 3 скорость равна нулю, но так как момент двигателя в данной точке все еще меньше момента сопротивления, привод начнет разгоняться в противоположном направлении и фактически перейдет в режим торможения противовключением. В точке 4 момент двигателя уравновесится моментом сопротивления и привод будет вращаться с установившейся скоростью.

При снижении скорости вращения (линия 2-3) ЭДС двигателя уменьшается и в точке 3 становится равной нулю. С увеличением скорости в обратном направлении (линия 3-4) ЭДС меняет свой знак на противоположный и совпадает по направлению с приложенным напряжением. В этом случае ток якоря

, (2.16)

при этом w < 0; Мт > 0.

Характеристика торможения противовключением является продолжением характеристики двигательного режима в область второго квадранта.

Для механизмов, имеющих момент сопротивления, обусловленный силами трения, режим торможения противовключением может быть получен путем изменения полярности на зажимах якоря двигателя.