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 R_я и сопротивлении R_д, включенным в цепь обмотки якоря, R_я+R_д.

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/(C_eФ). (73)

Ω=-МR/(C_eФ)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 R_д.

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 М_п) 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 R_д. В этом случае при расчете тока якоря следует принимать суммарное сопротивление цепи обмотки якоря R=R_я+ R_д. Величину R_д следует выбирать такой, чтобы ток I_пр не превышал (2–2,5)I_N.

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 М_п) 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 R_д = 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, ΔР_эл1;

– механические потери на трение щеток о коллектор и трение в подшипниках ΔР_мх;

– потери в стали магнитопровода якоря ΔР_ст.

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 R_д, а наклон характе­ристик, как это следует из (72), тем больше, чем больше R_д. 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 R_д = 0 и является естественной, искусст­венные характеристики 2... 4 построены при наличии в цепи якоря резисторов с сопротивлениями соответственно R_д1 < R_д2 < R_д3.

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 R_д. Направ­ление регулирования скорости - вниз от естественной характерис­тики. Плавность регулирования скорости определяется характером изменения R_д. 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 ΔР_эл1 как разность мощностей: потребляемой из сети Р₁ = UI и полезной мощности, снимаемой с вала Р₂ =МΩ. С учетом соотношений (67) и (71)

ΔР_эл1= UI – MΩ =С_еФΩ₀I- С_еФΩI= С_еФ 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 = Ф_ном и I = I_ном получим:

М_доп =С_еФ_ном I_ном =М_ном . (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 М_доп=М_ном, 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.