Механические характеристики двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. 
Режим электрического торможения

Для повышения производительности технологической машины или улучшения качества продукции часто необходимо быстро и точно остановить электропривод. В начале процесса торможения, во-первых, заканчивается преобразование ЭЭ в МЭ и подача её к рабочему органу технологической машины и, во-вторых, начинается отбор МЭ, запасённой в механической части привода. В зависимости от того, куда расходуется эта энергия, можно выделить три способа торможения.

Торможение в режиме свободного выбега — запасённая МЭ расходуется на преодоление сил сопротивления. Движение рабочего органа может продолжаться ещё достаточно долго.

Механическое торможение — запасённая МЭ в механическом тормозном устройстве преобразуется в тепловую. Время торможения может быть очень небольшим, но при этом плавность торможения регулируется плохо, что приводит к появлению значительных динамических нагрузок.

Электрическое торможение — запасённая МЭ, благодаря свойству обратимости электрической машины, преобразовывается двигателем в ЭЭ и либо отдается в сеть, либо затрачивается на нагрев двигателя. Управляя процессом преобразования ЭЭ в МЭ можно обеспечивать плавное торможение и ограничивать величину динамических нагрузок.

Существует три способа электрического торможения: торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное торможение), динамическое торможение и торможение противовключением.

Рекуперативное торможение возможно в том случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода щ>щ0 и э.д.с. вращения становится больше напряжения якорного источника Е>U.

В приводе подъёмной лебёдки рекуперативное торможение используется при опускании поднятого груза, который создаёт активный Мс. Двигатель включается в направлении опускания груза и в этом же направлении его раскручивает момент сопротивления. Поэтому уравнение движения электропривода будет иметь вид:

Поскольку МД>0, скорость вращения двигателя будет увеличиваться. С увеличением щ, будет увеличиваться э.д.с. Е=кщФ и, как следствие, будут уменьшаться якорный ток IЯ=(U-Е)/RЯЦ и момент М=кIЯФ.

При щ=щ0 Е будет равно U, а т.к. они направлены встречно, то IЯ=0 и М=0. Уравнение движения в этом случае примет вид:

Момент динамический остаётся положительным МД>0 и под действие активного Мс скорость вращения двигателя будет увеличиваться.

При щ>щ0 Е станет больше U и ток IЯ изменит своё направление.

Следовательно, изменяет направление и становится тормозным момент двигателя М= -кФIЯ. Уравнение движения приобретает вид:

Когда абсолютное значение |M| достигнет величины Мс, момент динамический станет равным нулю МД=0 и увеличение скорости вращения двигателя и опускания груза прекратится. Если характеристики двигателя при подъёме груза располагаются в первом квадрате, то при опускании для двигательного режима они будут располагаться в третьем квадрате, а для режима электрического торможения — в четвёртом. Уравнение механической характеристики в режиме рекуперативного торможения будет иметь вид:

Характеристика проходит через точкущ0= -U/кФ. Наклон её определяется сомножителем второго слагаемого RЯЦ/к2Ф2, который по абсолютному значению при заданном сопротивлении RЯЦ остаётся неизменным. Следовательно, наклон механической характеристики будет таким же, как и в двигательном режиме, и она является продолжением характеристик для двигательного режима из ІІІ квадрата в IV. Характеристики приведены на рис. 2.3. При работе двигателя на естественной характеристике увеличение скорости опускания груза прекратится при скорости (-щ1), а на реостатной — (-щ2). В режиме рекуперативного торможения двигатель работает как генератор, включённый параллельно с сетью. Он преобразовывает МЭ в ЭЭ и отдает её в сеть.

Динамическое торможение. Для перевода работающего двигателя в режим динамического торможения якорная цепь отключается от источника якорного напряжения и на зажимы якоря подключается реостат динамического торможения RДТ. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.4а.

Под действием инерционных сил якорь продолжает вращаться в прежнем направлении, а полярность напряжения Uв, прикладываемого к обмотке возбуждения, не изменяется. Следовательно, сохраняет своё направление э.д.с. вращения Е. В образовавшемся контуре ток Iя будет протекать под действием Е. Поскольку Е направлено встречно U, то и направление тока по отношению к двигательному режиму изменится на противоположное:

.

Рис. 2.4 — а) схема включения двигателя в режиме динамического торможения; б) характеристики двигателя в режиме динамического торможения.

Момент двигателя становится тормозным М= -кФIЯ. Поскольку U=0, уравнение механической характеристики двигателя в режиме динамического торможения имеет вид:

.

Механические характеристики двигателя в режиме динамического торможения приведены на рис. 2.4б. Они представляют расположенные во втором квадранте прямые линии, проходящие через начало координат.

Двигатель, работавший в точке, А на естественной характеристике, в зависимости от величины RДТ перейдет в точку В или С на характеристике динамического торможения. С уменьшением скорости двигателя щ будут уменьшаться Е, IЯДТ и тормозной момент двигателя М. При щ=0 будут равны нулю Е, IЯДТ, М, поэтому характеристика динамического торможения и проходит через начало координат. Двигатель в режиме динамического торможения работает как автономный генератор. Он преобразовывает МЭ в ЭЭ, которая выделяется в виде тепла на сопротивлениях, включенных в цепь протекания IЯДТ. Динамическое торможение используется для остановки электропривода при реактивном Мс, при опускании груза в подъемных механизмах.

Торможение противовключением. Осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а вращающаяся часть двигателя под воздействием сил инерции или активного момента сопротивления Мс вращается в противоположную сторону — против включения. Наиболее часто торможение противовключением используется в реверсивных электроприводах, так как реверсу двигатель обязательно предшествует процесс торможения. Реверсивная схема включения ДПТ с независимым возбуждением приведена на рис. 2.5. Реверс осуществляется со стороны якоря двигателя, для чего якорь включен в реверсивный мост, образованный главными контактами контакторов направления вращения КВ («вперед» в электроприводах передвижения или «верх» в электроприводах подъёма) и КН («назад» и «низ» соответственно). При реверсе со стороны обмотки возбуждения она включается в реверсивный мост, образованный контактами электрических аппаратов меньшего габарита, так как потребляемая по цепи питания обмотки возбуждения мощность не превышает 15% мощности, потребляемой по цепи питания якоря. Однако реверс со стороны якоря осуществляется гораздо быстрее, поскольку постоянная времени якорной цепи Тя на порядок меньше постоянной времени цепи возбуждения Тв.

Рис 2.5 — Реверсивная схема включения ДПТ с независимым возбуждением

В цепь протекания тока Iя включены пусковой реостат с сопротивлением RП и реостат противовключения RПР. Такая схема включения двигателя может быть в электроприводе подъемной лебедки, на крюке которой подвешен груз массой m.

Допустим, что замкнуты контакты КВ, а RП и RПР зашунтированы, то есть их сопротивления равны нулю. Зажим якоря Я1 подключен к +U, а Д2 к — U источника якорного напряжения. Ток в якоре IЯ протекает от Я1 к Д2, а э.д.с. вращения Е направлено в обратную сторону, то есть от Д2 к Я1.

Размыкаются контакты КВ и замыкаются КН. Якорь двигателя подключается к источнику якорного напряжения с обратной полярностью. Это означает, что двигатель включается для работы в противоположном направлении. В момент переключения якорь двигателя под действием инерционных сил сохраняет направление вращения, то есть вращается против включения. Остается неизменным и направление тока в обмотке возбуждения LM. Поэтому сохраняется и направление э.д.с. вращения .

С изменением полярности напряжения на зажимах якоря изменяет направление ток якоря и поэтому момент двигателя становится тормозным. Так как величина Е в установившемся режиме работы двигателя составляет около 90% от величины U, то в момент переключения напряжения на зажимах якоря и ток в начале режима торможения противовключением IЯ ПР будет существенно превышать пусковой ток IЯП. Поэтому для его ограничения, а также ограничения момента двигателя, одновременно с замыкателем КН в цепь якоря кроме пускового реостата Rп необходимо включать и реостат противовключения Rпр. Сопротивление реостата RПР должно быть таким, чтобы IЯ ПР?2,5 IЯН. Тогда ток IЯ ПР будет определяться по формуле:

.

Характеристики ДПТ с независимым возбуждением, соответствующие схеме включения двигателя на рис. 2.5, приведены на рис. 2.6. Поскольку схема включения двигателя реверсивная, характеристики расположены в четырех квадрантах. При замкнутых контактах КВ и зашунтированных RП и RПР двигатель работает на естественной характеристике в первом квадранте в точке А.

В момент переключения изменяется полярность напряжения на зажимах якоря двигателя и он оказывается включенным для работы в направлении «назад». Поэтому его характеристики будут начинаться в третьем квадранте в точке с координатами (0; -щ0).

Изменяется направление тока якоря Iя и вращающего момента двигателя М. Однако скорость двигателя щ остается неизменной, так как постоянная времени электромагнитного переходного процесса гораздо меньше постоянной времени электромеханического переходного процесса. Поэтому двигатель из точки, А переходит в точку В на характеристике противовключения во втором квадранте по прямой, параллельной оси абсцисс. Если величина RПР выбрана правильно, то бросок тока якоря и тормозного момента при переключении не превысят допустимого значения.

Рис. 2.6 — Характеристики ДПТ с независимым возбуждением в режиме торможения противовключением

Под влиянием тормозного момента скорость двигателя уменьшается и если он тормозится для остановки, то в точке С необходимо разомкнуть КН и отключить двигатель от напряжения источника. Если же сразу после остановки начинается разгон в противоположном направлении, то при скорости близкой к нулю необходимо зашунтировать RПР и перевести двигатель на предельную пусковую характеристику. Это обеспечит разгон в направлении «назад» с максимальным ускорением и позволит уменьшить время разгона. В третьем квадранте двигатель будет работать в точке Д на пусковой характеристике или в точке Е на естественной.

Если еще раз изменить полярность напряжения на зажимах якоря двигателя и ввести в якорную цепь RП и RПР, двигатель перейдет из точки Е в точку F на характеристике противовключения в четвертом квадранте. Процесс торможения и разгон в направлении «вперед» будут протекать аналогично.

В электроприводах с активным Мс, например, в электроприводе подъемной лебедки, где активный Мс создает груз массой m, подвешенный на крюке, режим торможения противовключением можно получить за счет изменения механической характеристики двигателя. Схема включения двигателя приведена на рис. 2.5, а соответствующие схеме включения механические характеристики двигателя приведены на рис. 2.7. Они располагаются в первом и четвертом квадранте, так как активный Мс не изменяет своего направления при изменении направления вращения двигателя.

Рис. 2.7 — Характеристики ДПТ с независимым возбуждением в режиме торможения противовключением при активном Мс

Допустим, что замкнуты контакты КВ и зашунтированы RП и RПР. Двигатель со скоростью щ1 работает в направлении подъема на естественной характеристике в точке А.

При введении в цепь тока якоря пускового реостата RП двигатель перейдет на предельную пусковую характеристику и будет работать в точке В со скоростью щ2. С введением RПР наклон характеристики будет увеличиваться, а скорость двигателя уменьшаться (щ= щ3 при RПР= RПР1).

Можно так подобрать величину RПР, что М будет равен Мс при скорости двигателя щ, равной нулю. На рис. 2.7. этому случаю соответствует точка Д при RПР= RПР2. Двигатель останавливается, и поднимаемый груз удерживается в подвешенном состоянии за счет вращающего момента двигателя М. При.

RПР= RПР3 момент двигателя М станет меньше Мс. Поднятый груз начнет опускаться и двигатель, включенный для работы на подъем, под действием активного Мс будет вращаться в направлении опускания — против включения. Момент двигателя становится тормозным. Поскольку якорь двигателя теперь вращается в обратную сторону, а направление магнитного потока не изменилось, изменит свое направление э.д.с. вращения двигателя. Величина якорного тока IЯ ПР будет определяться выражением:

С увеличением скорости опускания груза, будут увеличиваться Е, IЯ ПР и тормозной момент двигателя М. При щ= -щ4 (точка Е на рис. 2.7.) величина тормозного момента двигателя М станет равной величине активного Мс и увеличение скорости опускания груза прекратится.

Такой режим торможения широко используется в электроприводах подъемных лебедок, так как он позволяет получить очень низкие «посадочные» скорости двигателя и устанавливать груз в требуемом месте без удара.

При торможении противовключением э.д.с. вращения Е направлена последовательно — согласовано с напряжением якорного источника U, то есть двигатель работает в режиме генератора, включенного последовательно с сетью. Он преобразует МЭ в ЭЭ, а также потребляет ЭЭ из сети. Вся ЭЭ выделяется в виде тепла в двигателе и на сопротивлениях, включенных в цепи протекания тока якоря. Поэтому торможение противовключением не экономично с точки зрения затрат энергии, однако по сравнению с другими видами оно обеспечивает минимальное время торможения.