Способы торможения двигателей постоянного тока
Во многих случаях возникает необходимость затормозить ЭП. Торможение можно осуществить различными механическими и электромеханическими тормозами. Однако в качестве тормоза может быть использован и сам двигатель, поскольку любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. При смене двигательного режима на генераторный происходит изменение знака электромагнитного момента машины. При двигательном режиме работы знак момента совпадает со знаком (направлением) скорости вращения, а при генераторном – знак момента противоположен знаку скорости. Торможение самим двигателем повышает экономичность установки и упрощает ее. Существует три метода торможения электрических двигателей: динамическое, рекуперативное и торможение противовключением.
При динамическом торможении якорь электродвигателя отключают от питающей сети и замыкают на нагрузочное сопротивление (см. рис.20).
Машина переходит в генераторный режим работы и превращает запасенную кинетическую энергии вращающихся частей ЭП в электрическую энергию, которая выделяется на сопротивлении обмотки якоря Rя и сопротивлении Rд, включенным в цепь обмотки якоря, Rя+Rд.
Ток обмотки якоря в режиме динамического торможения протекает под воздействием ЭДС обмотки якоря. Поскольку ЭДС обмотки якоря имеет знак противоположный знаку напряжения, подаваемого на машину, ток якоря и электромагнитный момент изменяют свои знаки на противоположные. Момент становится тормозным, скорость двигателя уменьшается до нуля, двигатель останавливается.
На рис. 19 показана характеристика динамического торможения ДПТ НВ, уравнения которой получают из (68) и (69) при U = 0:
Ω=-IR/(CeФ). (73)
Ω=-МR/(CeФ)2. (74)
Из (73) и(74) видно, что характеристики Ω(I) и Ω(М) при U = 0 являются линейными. Схема динамического торможения, при котором ДПТ НВ имеет такую характеристику, приведена на рис. 20. Она может называться также схемой генератора, работающего на автономную нагрузку Rд.
Рис.20. Схема динамического торможения двигателя постоянного тока независимого возбуждения
ПрямаяВО на рис.19 (во втором квадранте) представляет собой механическую характеристику двигателя постоянного тока в режиме динамического торможения. Эффективность торможения по мере снижения скорости вращения падает, так как величина тормозного момента двигателя зависит от скорости. Динамическое торможение применяют в машинах с независимым электромагнитным или магнитоэлектрическим возбуждением.
В двигателях с параллельным и последовательным возбуждением обмотка возбуждения в период динамического торможения должна получать независимое питание от сети, поскольку при работе машины в режиме самовозбуждения уменьшение скорости нарушает условие самовозбуждения и тормозной момент становится недостаточным для эффективного торможения.
Расчет величины добавочного сопротивления при динамическом торможении приведен в разделе 4.5 (Регулирование тока и момента при пуске, торможении и реверсе), формула (89).
Рекуперативное торможениедвигателя осуществляют путем отдачи электрической энергии в сеть постоянного тока, питающую двигатель. Двигатель получает механическую энергию от рабочей машины и отдает ее (рекуперирует) в виде электроэнергии в сеть (см. рис. 21, в). На этом участке Ω > +Ω0, поэтому ЭДС обмотки якоря больше напряжения сети, ток и момент изменяют свои направления на противоположные.
Из (65) можно получить выражение для тока якоря
Из приведенного выражения для тока якоря видно, что при Е>U ток якоря становится отрицательным, следовательно, и момент изменяет свой знак и становится тормозным. Механическая характеристика двигателя при рекуперативном торможении представлена на рис.19 прямой, представляющей собой продолжение характеристики двигательного режима (+ Ω 0 Мп) во втором квадранте характеристики. При рекуперативном торможении кинетическая энергия вращающихся масс ЭП расходуется не на истирание механических тормозов, не на нагрев добавочных сопротивлений, как в случае динамического торможения, а отдается в сеть и может быть полезно использована другими приемниками электрической энергии. Поэтому рекуперативное торможение широко используется в ЭП, имеющих значительные инерционные массы. Двигатель с последовательным возбуждением, используемый в тяговых устройствах, нельзя непосредственно перевести в генераторный режим. Процесс рекуперации более просто осуществляется в машинах со смешанным возбуждением, благодаря чему они находят применение в тяговых ЭП.
Торможение противовключениемприменяют при необходимости быстрого торможения двигателя для производства реверса, т.е. разгону двигателя в направлении, противоположном начальному. Для этого полярность напряжения, приложенного к якорю, изменяют на противоположную. При таком переключении направления тока обмотки якоря и электромагнитного момента изменяются:
В начальный период в якорной цепи напряжение и ЭДС обмотки якоря будут действовать согласовано, создавая очень большой ток и тормозной момент.
Для ограничения толчков тока и момента при противовключении в якорную цепь вводят добавочное сопротивление Rд. В этом случае при расчете тока якоря следует принимать суммарное сопротивление цепи обмотки якоря R=Rя+ Rд. Величину Rд следует выбирать такой, чтобы ток Iпр не превышал (2–2,5)IN.
Режим противовключения наступает и в том случае, когда знак приложенного к якорю напряжения остается прежним, а изменяется направление вращения двигателя, т.е. Ω < 0. Характеристика, соответствующая этому режиму, представляет собой продолжение характеристики двигательного режима (+ Ω 0 Мп) в четвертом квадранте (см. рис. 19). Такой режим возможен в ЭП грузоподъемных механизмах. За счет изменения направления скорости ЭДС обмотки якоря также меняет свою полярность. Полярность ЭДС в этом режиме совпадает с полярностью напряжения сети. Ток в якоре совпадает по направлению с напряжением и ЭДС и определяется их суммарным действием, т.е.
I = (U + E)/R.
В результате электроэнергия, поступающая из сети и вырабатываемая самим двигателем за счет механической энергии рабочей машины, рассеивается в виде тепла в резисторах цепи якоря (см. рис. 21, д).
Расчет величины добавочного сопротивления при торможении противовключением приведен в разделе 4.5 (Регулирование тока и момента при пуске, торможении и реверсе), формула (90).
Рис.21. Схемы работы ДПТ НВ в режимах холостого хода (а), двигательном (б), рекуперативного торможения (в), короткого замыкания (г), противовключения (д) и автономного генератора (е)
В двигателях малой мощности, которые находят широкое применение в электроприводах роботов для быстрого торможения и надежного фиксирования вала двигателя при аварийном останове иногда применяют встроенные электромеханические тормоза. Тормозные колодки во время работы двигателя фиксируются электромагнитом, обмотка которого включена параллельно обмотки якоря двигателя. При отключении двигателя одновременно снимается питание двигателя и обмотки якоря, тормозные колодки пружиной прижимаются к вращающемуся диску, насаженному на вал двигателя, и двигатель тормозится.
Таким образом, торможение ЭП реализуется при трех разновидностях генераторного режима работы ДПТ НВ.
Задача 16. Рассчитать и построить характеристики
Ω(I) и Ω(М) при динамическом торможении и добавочном сопротивлении цепи якоря Rд = 0,01 Ом. Номинальные данные ДПТ НВ см. в задаче 15.
Эффективность электромеханического преобразования энергии двигателя оценивается коэффициентом полезного действия (КПД) η, который определяется отношением механической мощности на его валу Р2 = МΩ к потребляемой из сети электрической мощности Р1= UI.
η = Р2/ Р1=(Р1-ΔР)/Р1=1- ΔР/ Р1, (75)
где ΔР - потери мощности в двигателе.
В состав потерь мощности в двигателе ΔР входят:
– электрические потери в обмотке якоря, ΔРэл1;
– механические потери на трение щеток о коллектор и трение в подшипниках ΔРмх;
– потери в стали магнитопровода якоря ΔРст.
Вопросы для самоконтроля
1. Нарисуйте механические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением и укажите на них точки, соответствующие режиму холостого хода, короткого замыкания.
2. Перечислите способы торможения двигателя
3. Как осуществляется динамическое торможение? Приведите схему динамического торможения.
4. Какие преимущества и недостатки рекуперативного торможения?
5. Какое назначение добавочного сопротивления при противовключении и динамическом торможении?
6. Нарисуйте механические характеристики при различных способах торможения.
7. Напишите формулу для расчета КПД двигателя.
4.3. Регулирование скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения с помощью резисторов в цепи якоря [1]
Этот способ применяется при невысоких требованиях к показателям качества регулирования скорости, отличаясь в то же время универсальностью и простотой реализации (см. рис. 18).
Из (65) видно, что скорость Ω0 не зависит от Rд, а наклон характеристик, как это следует из (72), тем больше, чем больше Rд. Этот краткий анализ позволяет изобразить семейство механических (электромеханических) характеристик ДПТ НВ в виде совокупности линий (рис. 22) различного наклона (жесткости), проходящих через одну и ту же точку на оси скорости с ординатой Ω0. Характеристика 1 соответствует случаю, когда Rд = 0 и является естественной, искусственные характеристики 2... 4 построены при наличии в цепи якоря резисторов с сопротивлениями соответственно Rд1 < Rд2 < Rд3.
Оценим данный способ регулирования скорости по основным показателям, рассмотренным в разд. 3.1. Диапазон регулирования скорости небольшой (обычно 2...3). Причина этого заключается в снижении жесткости характеристик по мере увеличения Rд. Направление регулирования скорости - вниз от естественной характеристики. Плавность регулирования скорости определяется характером изменения Rд. Если это сопротивление изменяется плавно, то данный способ обеспечивает плавное регулирование скорости. Чаще же рассматриваемый способ обеспечивает ступенчатое регулирование скорости. Стабильность скорости снижается по мере увеличения диапазона регулирования, так как уменьшается жесткость регулировочных характеристик.
Экономичность регулирования скорости оценим, сопоставив требуемые капитальные затраты на реализацию данного способа и стоимость потерь мощности при регулировании. Капитальные затраты на приобретение добавочных резисторов небольшие, так как их стоимость невелика. В то же время потери мощности и соответственно непроизводительный расход ЭП электрической энергии и ее стоимость оказываются существенными. Покажем это, оценив потери мощности в цепи якоря - основную долю потерь в двигателе.
Пренебрегая механическими потерями мощности и потерями мощности в стали магнитопровода якоря можно определить электрические потери мощности в цепи обмотки якоря ΔРэл1 как разность мощностей: потребляемой из сети Р1 = UI и полезной мощности, снимаемой с вала Р2 =МΩ. С учетом соотношений (67) и (71)
ΔРэл1= UI – MΩ =СеФΩ0I- СеФΩI= СеФ Ω 0I(Ω 0- Ω)/Ω 0=Р1δ, (76)
где δ =(Ω 0- Ω)/Ω 0=ΔΩ /Ω 0 - относительный перепад скорости.
Из (76) видно, что при принятых выше допущениях относительно мощности механических потерь и потерь в стали уже при снижении скорости в два раза по сравнению со скоростью идеального холостого хода Ω0, т.е. при δ = 0,5 и D ≈ 2, половина всей потребляемой из сети мощности Р1 теряется в цепи обмотки якоре двигателя – КПД двигателя не превышает 50%. При дальнейшем увеличении диапазона регулирования КПД снижается в еще большей степени.
Допустимая нагрузка при работе двигателя на искусственных характеристиках определяется по предельно допустимому моменту, который он может развивать, не перегреваясь выше нормы.
Рис.22. Механические характеристики при различных значениях дополнительного сопротивления цепи обмотки якоря
Так как при данном способе регулирования магнитный поток не изменяется и равен номинальному, то при подстановке в (67) Ф = Фном и I = Iном получим:
Мдоп =СеФном Iном =Мном . (77)
Выражение (77) показывает, что при рассматриваемом способе регулирования скорости ДПТ НВ может без перегрева работать на любой искусственной характеристике с моментом нагрузки, равным номинальному. Отметим, что способы регулирования скорости, при которых Мдоп=Мном, в теории ЭП называются регулированием скорости при постоянном моменте.
Сделанный вывод о характере допустимой нагрузки справедлив для ДПТ НВ, у которых охлаждение не ухудшается по мере снижения скорости. В тех же случаях, когда ДПТ НВ охлаждается с помощью вентилятора на своем валу, момент нагрузки при снижении скорости необходимо также уменьшить из-за ухудшения вентиляции двигателя.
Для регулирования скорости движения исполнительных органов рассмотренный способ используется при небольших диапазонах регулирования или кратковременной работе двигателя на пониженных скоростях.
Дата добавления: 2019-02-08; просмотров: 6750;