Электромагнитный тормоз как режим асинхронного двигателя

Способы электрического торможения электроприводов

Для того чтобы быстро остановить устройство или обеспечить постоянную скорость вращения используют электрические способы остановки. В зависимости от схемы включения тормозные режимы подразделяют на:

  • противовключения;
  • динамический;
  • рекуперативный.

Противовключения

Режим противовключения применяется при необходимости быстрой остановки механизма. Представляет собой смену полярности на обмотке якоря двигателя постоянного тока или переключения двух фаз на обмотках асинхронного электродвигателя.

В этом случае ротор вращается в противоположном направлении магнитного поля статора. Вращение ротора замедляется. При скорости вращения близкой к нулю с реле контроля скорости поступает сигнал, отключая механизм от сети.

На нижеприведенном рисунке представлена схема противовключения асинхронного электромотора.

После переключения обмоток возникает повышенное действующее напряжение и увеличение тока. Для его ограничения, в обмотки ротора или статора устанавливают дополнительные резисторы. Они ограничивают токи в обмотках в режиме торможения.

Динамическая остановка электропривода

Этот способ применяют на асинхронных машинах, подключенных к сети переменного тока. Он заключается в отключении обмоток от сети переменного напряжения и подачи постоянного тока на обмотку статора.

На вышеприведенном рисунке представлена схема торможения трехфазного двигателя постоянным током.

Подача постоянного напряжения осуществляется с помощью понижающего трансформатора для динамического торможения. Пониженное переменное напряжение преобразуется в постоянное диодным мостом и подается на статорную обмотку. Для торможения электромотора может применяться дополнительный источник постоянного тока.

При этом ротор может быть выполнен в виде «беличьей клетки» или ее обмотку  подключают к добавочным резисторам.

Постоянное напряжение создает неподвижный магнитный поток. При вращении ротора в нем наводится ЭДС, т.е. электромотор переходит в режим генератора. Возникающая электродвижущая сила рассевается на обмотке ротора и добавочных резисторах. Создается тормозной момент. В момент остановки механизма постоянное напряжение отключается по сигналу реле скорости.

Механизмы, где применяется электродвигатель с самовозбуждением, динамическую остановку выполняют с помощью подключения конденсаторов. Они соединяются треугольником или звездой.

Схема приведена на нижеприведенном рисунке.

На выбеге остаточная энергия магнитного поля переходит в заряд конденсаторов, а затем она питает обмотку статора. Возникающий тормозной эффект останавливает механизм. Конденсаторная батарея может быть подключена постоянно или подсоединяться в момент отключения от сети. Такая схема получила название «конденсаторное торможение асинхронного двигателя».

Если необходимо быстро остановить двигатель, то после отключения от сети, замыкают контакты накоротко без гасящих резисторов. При соединении обмоток закорачиванием в них возникают большие токи. Для уменьшения токов к обмоткам подключают токоограничивающие резисторы.

На нижеприведенном рисунке представлена схема с токоограничивающими резисторами.

Расчет тормозного резистора

Исходными данными для вычисления параметров тормозных резисторов служат номинальное напряжение, мощность и частота вращения электродвигателя, момент инерции на валу, время остановки и т.д.

Расчет делается в несколько этапов:

  • Определение максимального момента торможения. Эта величина определяется по формуле:

Где n1, n2 начальная и конечная скорость замедления, J – сумма все моментов инерции на валу, t – проектное время замедления.

Расчет механической мощности торможения по формуле:

где n1, n2 начальная и конечная скорость замедления, t – проектное время замедления, М- максимальный момент торможения.

Вычисление электрической мощности торможения по формуле:

Расчет максимального тормозного сопротивления по формуле:

где U – напряжение звена постоянного тока, Р – электрическая мощность торможения.

Определение номинальной мощности резистора. Значение мощности добавочного сопротивления рассчитывается по формуле:

Выбор тормозного резистора из таблицы, представленной на сайте производителя.

При расчете также учитывается коэффициент уменьшения нагрузки, который зависит от мощности привода, к.п.д. редуктора. Если передаточный механизм не включен в состав электропривода, значение к.п.д. редуктора принимается равным единице.

При необходимости управления торможением без добавочного сопротивления, при программировании ПЧ указываем отсутствие тормозного резистора или выбираем торможение противовключением на низкой частоте.

Компания Данфосс выпускает резисторы с рабочим циклом от 10% до 40%, класса пылевлагозащищенности IP20, IP65. Мощные устройства комплектуют термодатчиками и устройствами защиты от перегрева.

Пример с электромагнитным стопором

Современная промышленность выпускает различные варианты электродвигателей с тормозом. Установка моторов с электромагнитным тормозом, обычно, осуществляется на оборудовании, которому требуется мгновенная остановка. Это нашло довольно широкое применение для работы на станках и конвейерах, где большую роль играет соблюдение техники безопасности.

На практике это обычные промышленные асинхронные электродвигатели, особенностью которых является их длина (оборудование облачается в специальный кожух).

Первый способ подходит для случаев, когда неважно время срабатывания. При прекращении подачи напряжения из-за наведённого магнитного поля происходит постепенное уменьшение тока катушки. Медленное снижение магнитного поля приводит к медленному росту тормозного момента и длительному срабатыванию тормоза

Медленное снижение магнитного поля приводит к медленному росту тормозного момента и длительному срабатыванию тормоза.

Второй вариант используется там, где требуется много срабатываний и точное позиционирование электропривода. В момент прерывания тока между катушкой и выпрямителем получается довольно быстрое снижение магнитного поля. Тормозной момент увеличивается быстро и соответственно срабатывание тормоза происходит почти мгновенно.

5.14. ОДНОФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Статор однофазного двигателя
имеет однофазную обмотку, которая занимает 2/3 общего числа пазов статора. Ротор
— коротко-замкнутый.

При подключении к сети
однофазная статорная обмотка создает не вращающийся, а пульсирующий магнитный
поток с амплитудой Ф. Этот поток может быть искусственно разложен на два вращающихся
потока ФI и ФII, каждый из которых равен Ф/2. Обозначим
ФI прямым потоком, а ФII — обратным. Частота вращения
каждого потока — n1I=n1II=n1.

Предположим, что ротор
двигателя уже вращается в направлении прямого потока. Тогда скольжение двигателя
относительно прямого потока ФI равно:

,

а относительно обратного потока:

.

Потоки ФI и
ФII наводят в обмотке ротора ЭДС E2I и E2II,
которые создают токи I2I и I2II. Известно, что частота
тока в обмотке ротора пропорциональна скольжению f2=Sf1.
Т.к. SII>SI, то ток, наведенный обратным полем, имеет
частоту намного больше частоты, наведенной в обмотке ротора прямым полем f2II>f2I.

Пусть n1=1500 об/мин, n2=1450 об/мин, f1=50 Гц, тогда:

SI =(1500-1450)/1500=0,03     f2I=50×0,03=1,5 Гц

SII=(1500+1450)/1500=1,96     f2II=50×1,96=98 Гц

Нам также известно, что
индуктивное сопротивление роторной обмотки x2 зависит от частоты
f2:

Поскольку f2I2II,
то и сопротивление x2I2II

Переходя к токам I2,
которые, как известно, обратно пропорциональны сопротивлениям x2,
можно записать: I2I>>I2II.

Вращающие моменты двигателя
пропорциональны магнитным потокам статора и токам в обмотке ротора. (М~ФI2).

Исходя из значений токов
I2I и I2II и учитывая, что ФIII
можно записать:

MI>>MII.

Следовательно, если ротор
двигателя уже вращается в сторону прямого потока, то он будет продолжать вращаться
в этом направлении. Тормозящее воздействие МII не будет оказывать
заметного влияния на работу двигателя.

Вспомним, что мы условно
предполагали вращение ротора в сторону прямого потока ФI. А если
бы он вращался вначале в сторону обратного потока ФII?

Тогда, проведя аналогичные
рассуждения, можно заключить, что ротор будет устойчиво вращаться в сторону
обратного потока. Рассмотрим механическую характеристику однофазного двигателя
(рис. 5.14.2).

Из характеристики М=f(S)
видно, что при пуске, когда S=1, пусковой момент Мп=О. Двигатель
при включении его в сеть сам не начнет вращаться. Необходим его сдвиг в ту или
иную сторону.

Если сдвинуть точку Мп
влево от S=1, то момент будет положительным, если вправо — отрицательным.

Другими словами, направление
устойчивого вращения ротора двигателя будет зависеть от направления первоначального
импульса.

Проведенный анализ показал, что однофазный двигатель нуждается в принудительном пуске.

Пусковые устройства могут быть механическими (пуск от руки) и электрическими.

Первый способ пуска практически выжил себя, и на его смену пришел второй — электрический.

Для создания необходимого пускового момента однофазный двигатель снабжается дополнительной пусковой обмоткой.
Эта обмотка размещается в оставшейся незаполненной 1/3 пазов.

Однофазный двигатель, таким
образом, превратился в двухфазный. Двухфазный двигатель обладает вращающимся
магнитным полем, если выполнены два обязательных условия.

Первое условие состоит
в пространственном сдвиге рабочей и пусковой обмоток на 90 эл. градусов. Такое
условие, легко реализуется на заводе-изготовителе.

Второе обязательное условие
диктуется сдвигом по фазе тока в пусковой обмотке на 90° относительно тока в
рабочей обмотке. Выполнение этого условия связано с включением в пусковую обмотку
фазосдвигающего элемента, например, конденсатора (рис. 5.14.3).

После того как ротор двигателя
придет во вращение, пусковую обмотку ПО отключают. Делается это с
помощью выключателя В. Иногда в бытовой технике отключение пусковой обмотки
производится автоматически по ходу разгона двигателя.

Динамическое торможение асинхронного двигателя

Динамическое торможение АД (торможение постоянным током) осуществляется путем подключения к двум любым обмоткам статора источника постоянного тока. При этом с помощью группы контактов К1 асинхронный двигатель сначала отключают от питания трехфазным переменным током, и только после этого, замыкают группу контактов К2 и подают постоянный ток. Величину постоянного тока регулируют сопротивлением rт (рисунок 1).

Рисунок 1 — Схема динамического торможения асинхронного двигателя

Само динамическое торможение асинхронного двигателя сопровождается следующими процессами и изменениями:

При отключении переменного тока, вращающееся магнитное поле перестает существовать. Далее подключают источник постоянного тока, который создает постоянное магнитное поле. Ротор по инерции продолжает крутиться теперь уже в постоянном магнитном поле, в обмотке ротора наводится ЭДС, ее частота прямо пропорциональна скорости вращения вала. Появление тока в обмотке ротора вызвано наличием вышеупомянутой ЭДС. Ток создает магнитный поток, который неподвижнен относительно статора. Взаимодействие результирующего магнитного поля АД и тока ротора создает тормозной момент. При этом асинхронный двигатель становится генератором; преобразовует кинетическую энергию вращающегося вала в электрическую, которая на обмотке ротора рассеивается в виде тепловой энергии. При переходе в режим динамического торможения частота и угловая скорость равны: f=0 w=0. Кривая динамического торможения должна проходить через начало координат и торможение происходит до полной остановки (рисунок 2).

Эффективность динамического торможения зависит от параметров:

— Величина постоянного тока, который протекает по статорной обмотке двигателя (чем больше ток, тем больше тормозной эффект);

— Величина сопротивления, введенного в цепь ротора. Эффективность торможения повышается путем комбинирования динамического торможения и торможения с введением сопротивлений в обмотку ротора (рисунок 2):

Рисунок 2 – Механическая характеристика динамического торможения асинхронного двигателя

Чем больше сопротивление введено в цепь ротора, тем выше эффективность торможения, то есть на кривой а1 изображена самая быстрая остановка двигателя при наибольшем сопротивлении — R1>R2>R3.

— Схема соединения обмоток статора.

Величина магнитодвижущей силы (F) напрямую связана с понятием эффективность торможения, чем больше значение силы – тем эффективней происходит торможение,

F=I·W.

На рисунках, которые изображены ниже, стрелками показаны направления протекания постоянного тока по обмоткам, IW– ампер витки (так как количество витков в обмотках одинаково, то зависит значение только от величины тока). Векторные диаграммы иллюстрируют направления магнитодвижущих сил (F), сложив по правилам суммирования векторы, мы получим результирующий вектор, который обозначен жирной стрелкой.

Обмотка статора может быть соединена:

а) Схема соединения обмотки статора в звезду:

б) Схема соединения статорной обмотки в треугольник:

в) Соединение обмотки статора в звезду с закороченными двумя фазами:

г) Подключение звезда с разорванным нулем:

д) Подключение треугольник с закороченными фазами:

Схемы соединения а) и б) имеют наибольшее распространение, потому что не требуют переключения при торможении самих обмоток.

Необходимо подметить, что напряжение (U) источника постоянного тока должно быть малой величиной, потому что сопротивление обмотки статора мало. Ток выбирается из условия необходимого начального тормозного момента, обычно выбирают ~2Mном.

Преимущества режима динамического торможения:

— Относительная простота осуществления способа;

— Возможность торможения до полной остановки вала ротора;

— Высокая эффективность торможения, особенно при использовании комбинированного метода.

Основным недостатком является необходимость наличия источника постоянного тока.

Расчет величины тормозного сопротивления:

RT = 2·rф.ст + rт,

rт=RT — 2rф.ст,

где RT — полное сопротивление цепи источника постоянного тока,

rф.ст — сопротивление фазы статора.

Вышеприведенные формулы являются частным случаем (для понимания отношений величин сопротивления), когда постоянный ток протекает только по двум обмоткам статора, если же ток будет протекать по трем обмоткам, то коэффициент (количество фаз) перед сопротивлением фазы статора нужно соответственно изменить.

Советую вам прочесть статью про торможение противовключением, в которой подробно расписан данный вид остановки двигателя.

Недостаточно прав для комментирования

Способы и схемы торможения электродвигателей

Торможение электродвигателя применяют, если необходимо сократить время свободного выбега и фиксацию механизма в конкретном положении. Существует несколько видов принудительной остановки устройства. Это механическое, электрическое и комбинированное. Механическое устройство представляет собой тормозной шкив, закрепленный на валу, с колодками. После отключения устройства колодки прижимаются к шкиву. За счет трения кинетическая энергия преобразуется в тепловую, т.е. происходит процесс торможения. Остальные способы и схемы торможения электрического двигателя будут рассмотрены далее в статье.

  • Способы электрического торможения электроприводов
  • Противовключения
  • Динамическая остановка электропривода
  • Режимы торможения моторов постоянного тока
  • Рекуперативное торможение электрических машин
  • Режим рекуперации в асинхронных электрических машинах
  • Комбинированный режим

Схема торможения однофазного асинхронного двигателя

Торможение однофазным переменным током.

Для его осуществления необходимо одну фазу статора асинхронного двигателя отключить от сети, после чего замкнуть её на другую.

Рисунок 1 — Схема подключения при однофазном торможении

Вращающееся поле этом перестает существовать, но образуется пульсирующее поле, ось его пульсаций проходит вдоль той фазы, которая не подвергалась никаким изменениям. Всякое пульсирующее поле можно разделить на 2 поля, вращающееся с одинаковой скоростью, но в противоположных направлениях. Каждая из них у АД создает свой асинхронный момент.

Рисунок 2 — Суммарная механическая характеристика

Таким образом получить тормозной момент у АД с короткозамкнутым ротором этим способом не возможно, это видно из графика, создается только двигательный момент, но меньшей мощности. Тормозной момент можно получить только в двигателе с фазным ротором, введя большое сопротивления в фазу ротора.

Рисунок 3 — Суммарная характеристика с введенным сопротивлением в цепь ротора

Механические характеристики по виду схожи с характеристиками, полученными при динамическом торможении.

Преимущества такого вида торможения АД:

– нет необходимости в источнике постоянного тока.

– неприемлем для АД с короткозамкнутым ротором;

– малый тормозной момент.

Для его осуществления статор вращающегося двигателя отключают от сети, и замыкают на конденсаторную батарею, соединенную в треугольник либо звезду.

Рисунок 4 — Схема конденсаторного торможения

Конденсаторная батарея обычно остается подключенная и при нормальной установившейся работе машины в двигательном режиме. При отключении двигателя от сети, он будет работать как асинхронный генератор с самовозбуждением. Реактивная мощность для самовозбуждения потребляется от конденсаторной батареи, которая создает свое вращающееся поле. Однако его скорость оказывается меньше скорости вращения ротора АД, таким образом тормозной эффект имеет место лишь до момента уравновешивания этих скоростей. По этому этот вид торможения эффективен при больших скоростях двигателя, а при малых скоростях тормозной момент либо мал, либо исчезает вообще. Для повышения эффективности вводят сопротивление в фазы ротора, иначе при чисто емкостном торможении двигатель не остановится.

Рисунок 5 — Конденсаторное торможение

С уменьшением емкости абсолютное значение момента увеличится, но торможение будет происходить на больших скоростях.

– Достаточный тормозной эффект имеет место лишь при больших скоростях;

– способ требует наличие конденсаторной батареи большой емкости;

– для полной остановки необходимо применять вместе с динамическим торможением.

Конденсаторное торможение отличается от рекуперативного и динамического тем, что оно не требует возбуждающей энергии из сети.

Потери энергии в АД при конденсаторном торможении на порядок меньше по сравнению с динамическим, рекуперативным и другими видами торможения, в следствии чего такое торможение рекомендуется для электроприводов с частым включением.

Схемы конденсаторного торможения электродвигателей

Конденсаторное торможение асинхронных двигателей

На рисунке приведена схема включения двигателя при конденсаторном торможении. Параллельно обмотке статора включают конденсаторы, обычно соединенные по схеме треугольника.

При отключении двигателя от сети токи разряда конденсаторов создают магнитное поле, вращающееся с низкой угловой скоростью. Машина переходит в режим генераторного торможения, частота вращения снижается до значения, соответствующего частоте вращения возбужденного поля. Во время разряда конденсаторов появляется большой тормозной момент, который с уменьшением частоты вращения падает.

В начале торможения происходит быстрое поглощение запасенной ротором кинетической энергии при малом тормозном пути. Торможение резкое, ударные моменты достигают 7 Мном. Значение пика тормозного тока при самых больших значениях емкости не превышает пускового тока.

С ростом емкости конденсаторов тормозной момент увеличивается и торможение длится до более низкой частоты вращения. Исследования показали, что оптимальное значение емкости лежит в пределах 4 — 6 Сном. Конденсаторное торможение прекращается при частоте вращения 30 — 40% номинальной, когда частота вращения ротора становится равной частоте вращения поля статора от возникающих в статоре свободных токов. При этом в процессе торможения поглощается более 3/4 кинетической энергии, запасенной приводом.

Для полной остановки двигателя по схеме на рисунке 1,а необходимо наличие на валу момента сопротивления. Описанная схема выгодно отличается отсутствием переключающих аппаратов, простотой обслуживания, надежностью и экономичностью.

При глухом подключении конденсаторов параллельно двигателю можно применять только такие типы конденсаторов, которые рассчитаны на длительную работу в цепи переменного тока.

Если торможение осуществляется по схеме рисунке 1 с подключением конденсаторов после отключения двигателя от сети, возможно применение более дешевых и малогабаритных металлобумажных конденсаторов типов МБГП и МБГО, предназначенных для работы в цепях постоянного и пульсирующего тока, а также сухих полярных электролитических конденсаторов (КЭ, КЭГ и др.).

Конденсаторное торможение с глухо подключенными по схеме треугольника конденсаторами целесообразно применять для быстрой и точной остановки электроприводов, на валу которых действует момент нагрузки не менее 25% номинального момента двигателя.

Для конденсаторного торможения может быть применена и упрощенная схема: однофазное включение конденсаторов (рис. 1,6). Для получения такого же тормозного эффекта, как при трехфазном включении емкости, необходимо, чтобы емкость конденсатора в однофазной схеме была в 2,1 раза больше емкости в каждой фазе в схеме на рис. 1,а. При этом, однако, емкость в однофазной схеме составляет лишь 70% суммарной емкости конденсаторов при их трехфазном включении.

Потери энергии в двигателе при конденсаторном торможении наименьшие по сравнению с другими видами торможения, поэтому оно рекомендуется для электроприводов с большим числом включений.

При выборе аппаратуры следует учесть, что контакторы в цепи статора должны быть рассчитаны на ток, протекающий по конденсаторам. Для устранения недостатка конденсаторного торможения — прекращения действия до полной остановки электродвигателя — используют его сочетания с динамическим имагнитным торможением.

Минусы торможения двигателем

У обсуждаемого варианта торможения есть и свои недостатки. Их немного, но все же они существуют:

  • Увеличивается риск аварийных ситуаций . Это связано с том, что при указанном замедлении не загораются стоп-сигналы. Соответственно, водители едущих сзади машин могут не заметить, что обсуждаемое транспортное средство теряет скорость и не сделать из этого соответствующие выводы.
  • Повышается изнашиваемость механизмов . Мотор обратные нагрузки переносит не очень хорошо. А так как современные движки имеют несимметрично размещенные поршни, то при названом торможении боковые нагрузки у него возрастают. Также, к примеру, повышается нагрузка на впускной коллектор, что увеличивает изнашиваемость вентиляционной системы.
  • Увеличивается потребление масла . Практика показывает, что если на чем-то при обсуждаемом процессе можно сэкономить, то с маслом тут ситуация другая. Его расход, наоборот, увеличивается.
  • Увеличивается вероятность заноса . Хотя часто торможение автомобиля двигателем используется именно на скользких дорогах, но при выполнении хотя бы одного действия тут неправильно, машину может занести гораздо больше ожидаемого.

Асинхронный двигатель и его работа


Очевидно, что режимы функционирования электродвигателей асинхронного типа напрямую зависят от их конструкции и общих принципов работы. Этот силовой агрегат совмещает в себе два ключевых компонента:

  1. Неподвижный статор. Пластинчатый цилиндр, в продольные пазы на внутренней поверхности которого укладывается проволочная обмотка,
  2. Вращающийся ротор. Совмещенный с валом сердечник (магнитопровод), который содержит прутковую обмотку на внешней стороне.

За счет различных частот вращения статора и ротора между ними возникает ЭДС, которая приводит вал в движение. Стандартное значение этого параметра может достигать 3000 об/мин, что требует определенного усилия для ее остановки. Из логических соображений можно заключить, что раз стартует двигатель за счет ЭДС, то и останавливать его тоже нужно электродинамическим путем.

Изменение магнитного поля статора

Этот способ можно назвать не полным реверсом. Также данный способ называют электромагнитным торможением или же торможением путем противовключения, так как в момент работы асинхронного двигателя, поменяв местами две фазы, тем самым изменив направление вращения магнитного поля статора двигателя, последний начинает затормаживать ротор машины, до полной остановки. Крайне важным является, то, что в момент остановки, или при скорости вращения вала близкой нулю, необходимо отключить подачу питания на статор двигателя, иначе, он начнет свое вращение в обратном направлении. Также у асинхронных двигателей с фазным ротором, для увеличения тормозного момента, а также ограничения возникающих в это время токов, в цепь фазного ротора включают реостат. Данный способ отлично подходит для регулировки скорости опускания грузов, когда момент груза, который действует на вал асинхронного двигателя больше момента магнитного поля статора.

Подведем итоги

Вполне очевидно, что освоить данную технику торможения будет правильным решением для каждого водителя, особенно если автомобиль на «механике». При этом всегда нужно учитывать:

Только грамотное выполнение означает, что вреда коробке и мотору вы не нанесете

Не стоит злоупотреблять данным способом или резко тормозить двигателем без необходимости.
Указанный способ торможения может создать аварийную обстановку на дороге для движущихся позади вас транспортных средств, неправильное выполнение снижает ресурс двигателя и трансмиссии, а также может привести к серьезной поломке.
Что касается экономии горючего, то выгода от такого способа торможения оказывается крайне незначительной.
Если в автомобиле установлена коробка «автомат», тогда необходимо отдельно и с повышенным вниманием изучить вопрос касательно возможности реализации и общей целесообразности торможения двигателем на конкретной модели авто.. Источник

Источник