Еще одним видом торможения асинхронного электродвигателя, применимого как для машин с короткозамкнутым ротором, так и с фазным, является динамическое торможение. Динамическое торможение довольно распространено в системах электроприводов, так как не требует большой сложности схемы, имеет устойчивые характеристики в отличии от конденсаторного торможения и торможения противовключением.
Одна из возможных схем включения ниже:
Принцип работы динамического торможения довольно прост – двигатель отключается от сети с помощью контактора КМ1 и с помощью контактора КМ2 подключают к двум фазам электродвигателя постоянный ток, в нашем случае полученный с выпрямителя. Постоянный ток, который начнет протекать по двум обмоткам статора, создаст постоянное магнитное поле. При вращении ротора асинхронной машины в этом постоянном магнитном поле в обмотках роторных индуктируется ЭДС, которая в свою очередь приведет к появлении в роторе тока. При взаимодействии тока ротора с магнитным полем статора возникает тормозной момент.
В таком режиме работы асинхронный электродвигатель будет представлять собой обычный синхронный генератор с неявно выраженными полюсами и работающим с переменной частотой. Нагрузкой этого генератора будет сопротивление включенное в роторную цепь, или же при использовании асинхронной машины с короткозамкнутым ротором – его обмотка. При торможении будет снижаться скорость асинхронного электродвигателя, и соответственно начнет снижаться ЭДС ротора, его ток и тормозной момент.
Симметричное подключение всех трех обмоток при динамическом торможении невозможно без специальной коммутирующей аппаратуры. Поскольку подключение всех трех фаз к цепи постоянного тока не окажет существенное влияние на характеристику и существенно усложнит схему, используют подключение двух фаз к цепям постоянного тока как показано ниже для соединения звезда:
И для соединения в треугольник:
Также при выборе источника постоянного напряжения для выполнения динамического замедления асинхронной машины необходимо учитывать то, что при подаче на статорные обмотки постоянного напряжения изменится сопротивления обмоток, а именно, исчезнет индуктивное сопротивление. Именно поэтому, при выборе устройства динамического торможения необходим перерасчет напряжения (постоянное будет значительно меньше переменного), что бы не «спалить» обмотку двигателя.
В качестве такого источника могут использовать обычные диодные выпрямители неуправляемые подключенные через трансформатор, тиристорные преобразователи или же для машин больших мощностей специальные генераторы постоянного тока с пониженным выходным напряжением.
Для анализа явлений, происходящих в асинхронном электродвигателе при динамическом торможении, более целесообразно заменить режим работы синхронного генератора переменной частоты (в этом режиме работает асинхронный двигатель при динамическом замедлении) заменить эквивалентным ему режимом, когда статор вместо постоянного тока питается переменным. В этом случае совместно обмотками ротора и статора будет создаваться результирующая магнитодвижущая сила МДС. При замене эквивалентной режима работы необходимо, что бы выполнялось равенство магнитодвижущих сил, то есть Fn=Fϟ.
Где: а) подключение обмотки статора к источнику постоянного напряжения;
б) создание обмотками статора пространственно смещенных друг относительно друга магнитодвижущих сил;
в) результирующая МДС. Векторная диаграмма.
Из рисунка в) можем определить:
Амплитуда данной МДС, создаваемая переменным I1 статорной обмотки:
Из равенства Fn=Fϟ можно вычислить эквивалентное значение переменного тока постоянному:
Из этого выражения следует то, что для создания номинального магнитного потока постоянный ток должен быть больше, чем переменный.
Где: In – постоянный, а I1 – действующий токи статора.
W1 – количество витков в одной фазе статорной обмотки.
Характерные величины для питания других схем постоянным током показаны в таблице ниже:
После определения I1, который эквивалентен постоянному, можно асинхронную машину в режиме динамического торможения представить как нормальный асинхронный электродвигатель. Ниже показана векторная диаграмма для токов асинхронной машины в предположении того, что к частоте сети и числу витков статора приведена обмотка ротора.
Но, работа асинхронного электродвигателя в режиме динамического торможения существенно отличается от его работы в нормальном режиме. При работе в нормальном (двигательном) режиме магнитный поток машины остается практически неизменным. А при динамическом торможении с изменением скорости вращения вала электродвигателя будет меняться и магнитный поток. Это вызвано изменением результирующей МДC, которая складывается с МДС статора (постоянный I) и изменяющейся МДС ротора (переменный I переменной частоты).
Приведенный к числу витков статора намагничивающий ток:
Из векторной диаграммы:
Возведя в квадрат получим:
При фиксированном значении частоты сети, синхронной скорости ω0, магнитном потоке в роторе машины будет индуцироваться ЭДС Е2. Если скорость изменится, то ЭДС будет равна Е2(ω/ω0). Соответственно индуктивное и активное сопротивление роторной цепи будет r2 и Х2(ω/ω0), где Х2 – сопротивление индуктивное при определенной частоте сети. Для упрощения расчетов введем коэффициент ν, равный ν=(ω/ω0). Для вторичного контура будет справедливо следующее соотношение: Е2/ν = I2/z2/. После выполнения приведения параметров вторичного контура к количеству витков первичного получим Е1 = Е2/. Намагничивающий ток:
Очевидно:
Преобразовав предыдущие выражения:
Или:
Подставив значение в предыдущее уравнение:
Получим:
Развиваемый двигателем момент электромагнитный будет определятся потерями во вторичном контуре:
Из полученного выражения можно определить, что возникающий момент при динамическом торможении будет определятся током I1 и есть функцией скорости вращения вала электродвигателя ν.
Исследовав выражения на максимум и минимум, найдем критический момент при относительной скорости:
А критический момент:
Ниже показана характеристика динамического торможения при различных роторных сопротивлениях и разных значениях статорных токов:
На графике кривые 1 и 3 снятые при постоянном сопротивлении роторной цепи и изменении постоянного напряжения статора, а 2 и 4 – при неизменном напряжении статора и меняющемся сопротивлении ротора.
Выражения момента может принять вид:
При динамическом торможении асинхронного двигателя его можно рассматривать как генератор синхронный в режиме короткого замыкания и при переменной скорости вращения. Соответственно Iкз:
Роторное сопротивление функции скорости Е = сω, и Хd = 2πfLd = kω.
Поэтому, ток короткого замыкания Ik практически не зависит от скорости при больших скоростях вращения вала машины:
Однако при сильном снижении скорости индуктивное сопротивление тоже снижается, и оно становится соизмеримым с активным. Активное сопротивление, в свою очередь, начинает существенно влиять на Ik в сторону его уменьшения. Данная зависимость приведена ниже:
Вид данной механической характеристики будет определять зависимость активной составляющей Ik от скорости вращения:
Механические характеристики асинхронного электродвигателя в режиме динамического торможения по форме практически ничем не отличаются от механических характеристик в двигательном режиме. Однако в режиме динамического торможения характеризующие его кривые имеют сильные отличия от двигательного режима:
- При динамическом торможении результирующий магнитный поток неподвижен, в отличии от двигательного режиме, где он вращается с синхронной скоростью;
- В двигательном режиме статорный ток меняется в зависимости от скольжения, при динамическом замедлении он неизменен;
- Магнитный результирующий поток в двигательном режиме постоянен, при динамическом же торможении, особенно при малых скоростях, он увеличивается. Это вызвано малым размагничивающим действием ротора;
- Для двигательного режима все характеристики берут начало в точке синхронной скорости (n0 или ω0), а при динамическом торможении начало находится в точке, которая соответствует неподвижному ротору.
Расчет механической характеристики асинхронного электродвигателя в режиме динамического торможения заключается в необходимости определить основные параметры схемы, которые обеспечат получение характеристики нужного вида. Для данного случая характеристики определяют значения момента критического Мк и критической скорости νк.
По универсальной или же экспериментально снятой характеристике холостого хода определяют реактивное сопротивления контура намагничивания:
Где Uф.хх – фазное напряжение холостого хода; I0 – ток холостого хода соответственно. В случае если νк приближается к единице, то Хμ рекомендуется определять по начальной линейной части характеристики холостого хода (ХХ).
Для известных Хμ, νк и Х2/ приведенное активное сопротивление ротора будет равно:
Последнее необходимо для того, что бы определить добавочное сопротивление ротора, которое подключается, конечно же, только для асинхронных электродвигателей с фазным ротором. Зная Мк и Хμ:
После этого для выбранной схемы подключения устройства динамического торможения с помощью таблицы указанной выше или же с помощью расчетов находят необходимое значение постоянного Iн. после чего переходят к построению характеристики механической без учета насыщения.
Насыщение оказывает влияние на динамическое торможение асинхронным электродвигателем тем, что при изменении тока намагничивания индуктивное сопротивление намагничивания Хμ будет величиной переменной, что соответственно скажется на тормозном моменте (он тоже будет переменен).
Зависимость Хμ = f(Iμ) может определятся по кривой намагничивания Е1 = f(Iμ). Для этого могут использовать либо экспериментально снятую кривую, либо универсальную для данного типа асинхронного двигателя. Что бы получить характеристику Е1 = f(Iμ) к зажимам статора асинхронной машины, приводимой в движение другой машиной с синхронной скоростью, подключают изменяющееся по величине напряжение. Потребляемый из сети ток, при таких условиях, и будет Iμ, соответствующий приложенному напряжению.
С учетом насыщения механическая характеристика строится по точкам. Для этого задаются рядом значений Iμ в пределах от I1 до 0 и с помощью кривой намагничивания определяют соответствующие значения индуктивности намагничивания:
Если значения I1, Iμ, а также Хμ и выполнив соответствующие преобразования в уравнениях, получим две неизвестные: I2/ и ν. Исключив I2/:
Откуда:
Интересующее нас выражение примет вид:
После чего, располагая знаниями I1, Хμ, ν находят значение момента по формуле приведенной ранее, которое соответствует ν с учетом насыщения. Таким образом, находят точки механической характеристики для значений Iμ от максимального значения до нуля.
Наиболее широко динамическое торможение распространено в электроприводах шахтных подъемных машин, но оно не менее активно применяется и в других отраслях промышленности.
