Еще одним вариантом торможения асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором является торможение самовозбуждением или, как его еще называют, конденсаторное торможение. Для выполнения такого режима торможения параллельно к обмоткам асинхронной машины подключают конденсаторы.
Схема показана ниже:
Где: С1, С2, С3 – тормозные конденсаторы соединенные в звезду;
КМ1 – контактор, подключающий двигатель к сети;
КМ2 – контактор для подключения тормозных конденсаторов;
Как работает данная схема. При замкнутом контакторе КМ1 и разомкнутом КМ2 асинхронная машина работает в двигательном режиме. При необходимости осуществить торможения контактор КМ1 отключается от сети, а контактор КМ2 замыкается, подключая таким образом тормозные конденсаторы. Машина начинает работать как самовозбужденный асинхронный генератор. Толчком к самовозбуждению будет ЭДС, индуктируемая в статорной обмотке вращающимся ротором за счет остаточного намагничивания. ЭДС, возникшее от остаточного намагничивания Е0, приложится к конденсаторам, что вызовет протекание емкостного тока через обмотки статора I0. Ток I0, возникший в обмотках статора, создаст в генераторе вращающееся магнитное поле, которое, в свою очередь, увеличит ЭДС и напряжение на зажимах статора. Напряжение на конденсаторах увеличится до Е01. Следствием чего станет увеличение тока конденсатора до величины I01, а дальнейшее увеличение напряжения генератора до величины Е02 вызовет очередное увеличение тока и так далее:
Произойдет самовозбуждение асинхронного электродвигателя.
Зависимость между напряжением и током конденсатора прямолинейна, а вот зависимость между током намагничивания и ЭДС генератора будет определятся кривой холостого хода генератора. Поэтому, процесс самовозбуждения протекает до точки пересечения прямой конденсатора и кривой генератора. В точке А напряжение на зажимах конденсатора и генератора будут равны.
Упрощенная схема замещения для данного случая показана ниже:
Уравнение ЭДС статорной обмотки примет вид:
Где: φ= f/50 – частота статорного тока в относительных единицах;
Х1 – сопротивление индуктивное статорной обмотки;
ХС – сопротивление реактивное тормозного конденсатора;
r1 – активное сопротивление первичной цепи;
Хμ – сопротивление индуктивное намагничивающего контура;
В начале процесса самовозбуждения тока в роторе нет, весь ток статора будет намагничивающим, то есть I1≈Iμ. В таком случае:
Где: φн – частота начала самовозбуждения, выраженная в относительных единицах;
Хμ φн — сопротивление индуктивное контура намагничивания при частоте φн;
Преобразовав предыдущую формулу получим:
Решив биквадратное уравнение:
Членом (2Х1ХС — r12) пренебрегаем ввиду его малости и Х12 по сравнению с Хμ2, получим значение частоты начала самовозбуждения:
Заменив отношение частот отношением скоростей, найдем условие для начала самовозбуждения:
Где n50 синхронная скорость равная частоте сети.
Выразив ХС через емкость конденсатора С:
При работе самовозбужденного асинхронного электродвигателя вращающееся поле, созданное током статора, будет индуцировать в обмотке статора ЭДС Е1, которая будет отставать от магнитного потока на π/2. Этот же магнитный поток в обмотке ротора, вращающийся со сверхсинхронной скоростью, будет индуктировать ЭДС Е2/, которая будет сдвинута относительно Е1 на 1800. Ток статора I1, благодаря преобладанию емкости упреждает Е1. Ток ротора I2 из-за наличия индуктивного сопротивления будет отставать от ЭДС Е2/. Упрощенная векторная диаграмма показана ниже:
При повышении скорости вращения ротора будет расти и частота. Изменение частоты вызовет изменение параметров вторичной и первичной цепи. Вектор I1 в векторной диаграмме, вследствии увеличения сопротивления индуктивного Х1φ и уменьшения реактивного сопротивления конденсатора, будет поворачиваться по часовой стрелке из положения совпадающего с Iμ. Вектор I2/ при увеличении частоты тоже поворачивается по часовой стрелке, пытаясь совпасть с направлением Iμ. Такой характер поведения векторов приводит к тому, что в начале Iμ растет, достигая какого-то максимума, и при дальнейшем возрастании скорости приближается к нулю. Очевидно, что при Iμ=0 ЭДС в статорных и роторных обмотках, а также их сумма будет равна нулю. Поэтому, пренебрегая активным падением напряжения получим:
Так как при этом I1=I2/:
Откуда:
В этих выражениях φк – частота относительная при исчезновении ЭДС в двигателе при уменьшении Iμ до нуля.
Из векторной диаграммы видно, что при Iμ=0 имеем ψ1 = ψ2 и соответственно tg ψ1 = tg ψ2.
На основе эквивалентной схемы:
Откуда
Где Sk – скольжение, присущее асинхронной машине при потере самовозбуждения.
Подставив в это уравнение значение φн получим:
Скорость ротора, при которой прекратится торможение самовозбуждением, будет равна:
Механические характеристики асинхронного электродвигателя при торможении самовозбуждением при различных значениях тормозных емкостей С1>C2>C3 будут иметь вид:
При уменьшении тормозной емкости максимум тормозного момента переместится в область более высоких скоростей вращения ротора.
Главным недостатком такого способа торможения, пожалуй, будет то, что тормозной момент может возникнуть только при скорости выше (1/3 – 1/2)n0 (скорости холостого хода). Также возникает срыв тормозного момента при скоростях превышающих nкр, а также необходимость большой емкости для торможения на малых скоростях.
К преимуществам можно отнести то, что для реализации данного вида торможения не нужен внешний источник питания для электродвигателя.
