Способы торможения асинхронного двигателя

Торможение АД можно осуществить как при питании его от сети переменного тока, так и путем подключения цепи статора к источнику по­стоянного тока (динамическое торможение), а также при его само­возбуждении [1].

При включении АД по основной схеме (см. рис. 62, а) возможно торможение противовключением и рекуперативное торможение.

Торможение противовключением осуществляется двумя путями. Один из них связан с изменением чередования на статоре двух фаз питающего АД напряжения. Допустим, например, что АД работа­ет по механической характеристике 1 в точке а (рис. 104, а) при чередовании на статоре фаз напряжения сети ABC. Тогда при пере­ключении двух фаз (например, В и С) АД переходит на работу по характеристике 1 в точке d, участок db которой соответствует тор­можению противовключением. При торможении противовключением к двигателю подводится мощность, как со стороны статора, так и со стороны ротора. Вся подведенная к АД мощность выделяется в цепи обмотки ротора. Для ограничения тока и момента АД при торможении противовключением необходимо вклю­чение добавочных резисторов в цепь ротора или статора. При включении добавочных сопротивлений в цепь ротора происходит «смягчение» механических характеристик двигателя. Причем, чем больше добавочное сопротивление цепи ротора, тем мягче механическая характеристика и тем дальше в область положительных значений скольжения s сдвигается максимум момента. Величина же самого максимального (критического) момента М_к остается неизменной.

Другой путь перевода АД в режим торможения противовключе­нием может быть использован при активном характере момента нагрузки М_с. Допустим, что требуется осуществить спуск груза, обес­печивая его торможение с помощью АД (так называемый тормоз­ной спуск груза). Для этого АД включается на подъем с большим добавочным сопротивлением R в цепи ротора (кривая 2). Вслед­ствие превышения моментом нагрузки М_с пускового момента двигателя М_п и его активного характера груз начнет опускаться с уста­новившейся скоростью - Ω _{уст 1}. АД при этом будет работать в режи­ме торможения противовключением.

Рис.104. Механические характеристики АД при торможении противовключением (а) и с рекуперацией энергии в сеть (б)

Рекуперативное торможение осуществляется в том случае, когда скорость АД превышает синхронную ω₁ и он работает в генератор­ном режиме параллельно с сетью. Такой режим возникает, например, при переходе двухскоростного АД с высокий скорости на низкую, как это показано на рис. 104, б. Предположим, что в исходном поло­жении АД работал по характеристике 1 в точке а, вращаясь со скоро­стью Ω_уст1. При увеличении числа пар полюсов АД переходит на ра­боту по характеристике 2 в точке b, участок be которой соответству­ет торможению с рекуперацией (отдачей) энергии в сеть.

Этот же вид торможения может быть реализован в системе «пре­образователь частоты - двигатель» при останове АД или его пере­ходе с одной характеристики (c частотой f₁) на другую характеристику (с частотой f₂ < f₁). Для этого осуществляет­ся уменьшение частоты выходного напряжения ПЧ f_рег, а значит, и син­хронной скорости ω₁. В силу механической инерции текущая ско­рость АД Ω будет изменяться медленнее, чем скорость вращения магнитного поля ω₁, т. е. будет постоянно ее превышать. За счет это­го и возникает режим торможения с отдачей энергии в сеть. Отме­тим, что ПЧ должен быть способен при этом передать энергию от двигателя в сеть.

Рекуперативное торможение также может быть реализовано в ЭП грузоподъемных механизмов при спуске грузов. Для этого АД включается в направлении спуска груза (характеристика 3 на рис. 104, а). После окончания разбега он будет работать в точке с со скоростью – Ω_уст.₂. При этом осуществляется процесс спуска груза с отдачей энергии в сеть.

Рекуперативное торможение является наиболее экономичным видом торможения АД.

Для динамического торможения обмотку статора АД отключа­ют от сети переменного тока и подключают к источнику постоян­ного тока, как это показано на рис. 105. Обмотка ротора АД 1 при этом может быть закорочена или в ее цепь включаются добавочные резисторы 3 с сопротивлением R_2д.

Постоянный ток I_п, значение которого может регулироваться ре­зистором 2, протекает по обмоткам статора и создает неподвижное в пространстве магнитное поле (возбуждает АД). При вращении ро­тора в нем наводится ЭДС, под действием которой в обмотке проте­кает ток, создающий магнитный поток, также неподвижный в прост­ранстве. Взаимодействие тока ротора с результирующим магнитным полем АД создает тормозной момент, за счет которого достигается эффект торможения. Двигатель в этом случае работает в режиме ге­нератора независимо от сети переменного тока, преобразовывая кинетическую энергию движущихся частей ЭП и рабочей машины в электрическую, которая рассеивается в виде тепла в цепи ротора.

Формулы для характеристик АД в режиме динамического тор­можения выводятся на основании анализа его схемы замещения. Опуская вывод формул, представим графически электромеханичес­кую I₂'(s) (кривая 7) и механические M(s) кривые 4-6 характерис­тики АД.

Характеристика расположена на рисунке в первом квадран­те, где s = Ω/ω₁ - скольжение АД в режиме динамического тормо­жения. Механические характеристики АД расположены во втором квадранте.

Различные искусственные механические характеристики АД в режиме динамического торможения можно получить, изменяя со­противление R_2д добавочных резисторов 3 в цепи ротора или по­стоянный ток I_п, подаваемый в обмотки статора. На рисунке пока­заны механические характеристики АД для различных сочетаний I_п и R_2д. Характеристика 6 соответствует току I_п1 и сопротивлению ре­зистора R_2д, максимальный момент на ней равен М_m1, а скольже­ние, ему соответствующее, - s_m1.

Увеличение сопротивления резис­торов 3 R_{2д 2} > R_{2д 1} при I_п = const не приводит к изменению максималь­ного момента, в то время как максимальное скольжение s_m при этом пропорционально возрастает, что видно из характеристики 4.

Увеличение тока I_п (I_п2>I_п1) при R_2д=const вызывает увеличение максимального момента пропорционально квадрату тока. Харак­теристика двигателя в этом случае имеет вид кривой 5. Варьируя зна­чения I_п и R_2д можно получить желаемый вид механических характе­ристик АД в режиме динамического торможения и тем самым соот­ветствующую интенсивность торможения асинхронного ЭП.

Рис.105. Схема (а) и характеристики (б) АД при динамическом торможении

Торможение АД при самовозбуждении основано на том, что после от­ключения АД от сети его электромагнитное поле затухает (исчеза­ет не мгновенно) в течение некоторого, пусть и небольшого интер­вала времени. За счет энергии этого затухающего поля и ис­пользования специальных схем включения АД можно обеспечить его самовозбуждение и реализовать тормозной режим. На практи­ке применение нашли так называемые конденсаторное и магнит­ное торможение АД.

При конденсаторном торможении, схема которого приведена на рис.105, а, возбуждение АД 1 осуществляется с помощью конден­саторов 2, подключаемых к статору. Отметим, что конденсаторы могут подключаться к статору постоянно (глухое подключение) или с помощью дополнительного контактора, будучи при этом со­единенными в схему треугольника или звезды.

Определяющим фактором, от которого зависят вид и расположе­ние характеристик АД 1... 3 (см. рис. 106, б), а значит, интенсивность торможения, является емкость конденсаторов С (кривые 1... 3 соот­ветствуют значениям С₁< С₂< С₃). Чем она больше, тем больше бу­дет максимум тормозного момента, а характеристики будут смещать­ся в область низких скоростей АД.

Магнитное торможение, общая схема которого показана на рис. 107, а, реализуется после отключения статора двигателя 2 от сети и замыкания с помощью контактов 1 его выводов накоротко. За счет запасенной в двигателе электромагнитной энергии проис­ходит самовозбуждение двигателя и на его валу создается тормозной момент. Особенностью такого торможения является быстротеч­ность, определяемая небольшим временем затухания магнитного поля двигателя, однако возникающие тормозные моменты до­статочно велики и обеспечивают интенсивное торможение ЭП.

Рис.106. Схема (а) и характеристики (б) АД при конденсаторном

торможении

Рис.107. Схемы магнитного торможения: общая схема (а) и с использованием тиристоров (б)

Практические возможности торможения АД существенно рас­ширило использование тиристорных регуляторов напряжения, ко­торые позволяют осуществлять как пуск двигателя, так и его тор­можение. Для обеспечения интенсивного торможения двигателя часто используется комбинированный способ, например динамичес­кое торможение в сочетании с торможением коротким замыкани­ем. Этот способ может быть реализован тиристорным устройством (см. рис. 107, б), состоящим из двух пар встречно-параллельно вклю­ченных тиристоров VS1-VS4, служащих для подключения или от­ключения двигателя 1 от источника питания, и дополнительного тиристора VS5 для реализации торможения коротким замыканием обмоток статора. Торможение осуществляется следующим образом. После закрытия тиристоров VS1-VS4 и отключения двигателя от сети подается сигнал управления на тиристор VS5, который замы­кает накоротко две фазы статора. Когда интенсивность торможе­ния коротким замыканием обмоток статора уменьшится, сигнал уп­равления подается на тиристор VS1, который пропускает в цепь ста­тора выпрямленный ток и тем самым обеспечивает режим динами­ческого торможения.

Выпускаемые серийно тиристорные пускорегулирующие устрой­ства обеспечивают и другие варианты торможения АД, а также так называемый безударный его пуск, при котором снижаются броски электромагнитного момента.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите способы торможения АД.

2. Дайте пояснение способу торможения АД противовключением.

3. Дайте пояснение рекуперативному способу торможения АД.

4. Дайте пояснение динамическому способу торможения АД.

5. Дайте пояснение способу торможения АД при самовозбуждении.

6. Дайте пояснение магнитному способу торможения АД.

6.12. Электропривод с линейным асинхронным двигателем [1]

В подавляющем большинстве асинхронных ЭП применяются двигатели вращательного движения, при использовании которых для привода рабочих машин и механизмов с поступательным дви­жением исполнительных органов (механизмов подач металлообра­батывающих станков и передвижения мостовых кранов, кузнечнопрессовых машин, транспортеров, задвижек и др.) требуются меха­нические передачи, обеспечивающие преобразование вращающего­ся движения вала двигателя в поступательное. К таким механичес­ким передачам относятся кривошипно-шатунный механизм, пере­дачи шестерня - рейка, винт - гайка и ряд других.

Совершенно очевидно, что применение в таких ЭП двигателей поступательного движения позволяет отказать­ся от применения механических передач и тем самым повысить технические и экономические показатели работы привода и техно­логического оборудования. Поэтому были разработаны линейные двигатели постоянного и переменного тока, в частности асинхрон­ные (ЛАД).

Представление об устройстве такого двигателя можно получить, если мысленно разрезать вдоль по образующей статор и ротор АД вращательного движения и развернуть их в плоскость, как это по­казано на рис. 108, а. Принцип действия ЛАД аналогичен принци­пу действия вращающегося АД. При подключении обмотки 4 ста­тора 3 к сети переменного тока она создает магнитное поле, посту­пательно движущееся с линейной скоростью υ= 2τf₁, где f₁ - часто­та питающего напряжения, τ - длина полюсного деления статора. Это линейно перемещающееся магнитное поле наводит в обмотке 1 ротора 2 ЭДС, под действием которой в ней начинает протекать ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем и создает на роторе (его называют вторичным элементом) тяговое усилие, кото­рое и приводит его в движение.

Вторичный элемент ЛАД может быть длиннее или короче ста­тора (первичного элемента), с обмоткой и без нее, плоской или ци­линдрической формы. Рассмотрим для примера конструкцию труб­чатого ЛАД (см. рис. 108, 6), статор которого выполнен в виде ци­линдра 7, внутри которого расположены катушки 2, образующие его обмотку, и металлические шайбы 3, являющиеся частью магнитопровода. Внутри статора помещается подвижный вторичный эле­мент 4 также трубчатой формы, выполненный из ферромагнитного материала.

Рис. 108. Общая схема (а), цилиндрическое исполнение (б) и пример использования в ЭП конвейера линейного АД (в)

Плоский вторичный элемент без обмотки выполняется в виде листа, полосы или рельса, которые могут помещаться между двумя статорами (ЛАД с двусторонним статором) или статором и ферро­магнитным сердечником (ЛАД с односторонним статором и сер­дечником). Принцип действия ЛАД с вторичным элементом в виде полосы аналогичен принципу действия обычного АД с массивным ферромагнитным ротором.

ЛАД могут работать и в обращенном режиме, когда вторичный элемент неподвижен, а перемещается статор. Такие ЛАД обычно применяются на транспорте, когда в качестве вторичного элемента используется рельс (или специальная полоса), а статор размещает­ся на самом подвижном транспортном средстве.

Регулирование координат ЛАД, как и обычного вращающегося двигателя, осуществляется с помощью резисторов, изменением ча­стоты и подводимого напряжения, а торможение может быть дина­мическое или противовключением.

Рассмотрим пример использования ЛАД для привода конвейе­ра (см. рис. 108, в), предназначенного для перемещения изделий 1 с помощью металлической ленты 2, укрепленной на барабанах 3. Лента 2 проходит между двух статоров ЛАД 4, являясь его вторич­ным элементом. Применение ЛАД в этом случае позволяет повы­сить скорость движения ленты, устранить ее проскальзывание, от­казаться от механической передачи. Установка нескольких ЛАД по­зволяет создавать длинные конвейеры, что затруднительно при ис­пользовании традиционного ЭП с вращающимся АД.

Применение ЛАД целесообразно для привода кузнечно-прессовых машин, задвижек и клапанов с поступательным движением штока, ткацких станков, механизмов дверей лифта. Отдельную боль­шую область применения линейных двигателей представляет собой электрический транспорт.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое линейный АД и каковы рациональные области его применения

2. Нарисуйте конструктивную схема линейного АД

7. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ЧАСТОТЫ ДЛЯ АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА [12]

Преобразователи частоты преобразуют электрическую энергию переменного тока одной частоты в электрическую энергию переменного тока другой частоты. Причем выходная частота преобразователя может быть регулируемая или стабилизирована. Преобразователи с регулируемой выходной частотой применяются в электроприводах переменного тока, которые находят широкое применение в таких отраслях промышленности, как нефтяная, газовая, цементная, горная, металлообработка, целлюлозно-бумажная, энергетика и ряда других.

К преобразователям частоты, предназначенным для частотного управления электроприводами, предъявляются следующие основные требования:

– независимое регулирование величины и частоты выходного напряжения;

– возможность двухстороннего обмена энергией между нагрузкой и питающей сетью;

– устойчивость протекания динамических режимов частотного управления электропривода;

– быстродействующая защита и эффективная диагностика;

– достаточно высокий коэффициент полезного действия;

– высокая симметрия фазных напряжений и токов;

– отсутствие постоянных составляющих и субгармоник в преобразованных напряжениях и токах;

– минимальные искажения напряжения питающей сети, низкий уровень радиопомех и шума;

– возможность форсировать кратковременные перегрузки по току и напряжению для форсирования переходных процессов двигателя;

– поддержание с требуемой точностью значений частоты, напряжения (тока) в установившихся режимах работы электропривода.

По принципу работы преобразователи частоты разделяются на преобразователи частоты со звеном постоянного тока и преобразователи частоты без звена постоянного тока (или преобразователи частоты с непосредственной связью цепей нагрузки и питающей сети). Можно отметить, что преобразователи частоты со звеном постоянного тока имеют несколько каскадов преобразования электрической энергии, что влечет за собой увеличение потерь мощности и снижение КПД. Преобразователи частоты без звена постоянного тока имеют только один каскад преобразования электрической энергии, поэтому их КПД выше, чем у преобразователей частоты со звеном постоянного тока.

Рассмотрим каждый из этих классов преобразователей [7].