Что такое рекуперативное торможение двигателем постоянного тока

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ТОРМОЖЕНИЕ

Двигатели постоянного тока, в том числе и тяговые, как уже было отмечено, обладают свойством обратимости , т. е, могут работать как генераторы. При этом кинетическая и потенциальная энергия поезда преобразуются в электрическую. Получаемая энергия превращается в тепловую в резисторах или возвращается в контактную сеть. В зависимости от этого различают два вида электрического торможения: реостатное и рекуперативное.
При реостатном торможении тяговые двигатели отключают от контактной сети и включают на тормозные резисторы. Преимуществом этого способа торможения является независимость тормозного процесса от наличия напряжения в контактной сети. Применяют две системы реостатного торможения: с самовозбуждением двигателей и с независимым возбуждением.
В первом случае обмотки возбуждения двигателей соединены последовательно с обмотками их якорей. Чтобы обеспечить переход из тягового режима в тормозной, начало и конец обмоток возбуждения тяговых двигателей ме­няют местами с помощью контактов реверсора (рис. 45). Это необходимо, так как в генераторном режиме ток по обмоткам якоря проходит в направлении, противоположном его направлению в двигательном режиме, а по обмотке возбуждения ток должен проходить в том же направлении.

Рис.45 Схема цепей электрического торможения при включении группы тяговых двигателей на отдельный тормозной реостат

Действительно, если отсутствует напряжение, подаваемое на двигатель извне, направление тока будет определяться направлением э. д. с. двигателя, противоположным направлению внешнего напряжения.
Известно, что сталь после прекращения ее намагничивания обладает остаточным магнетизмом, который исчезает, когда изменяется направление тока в обмотках возбуждения. При этом может нарушиться самовозбуждение двигателей.
Во время торможения каждую группу, например, из двух тяговых двигателей, соединенных последовательно, можно включить на отдельный тормозной резистор Rт (см. рис. 45). Если в режиме тяги были замкнуты контакты реверсора 1, 2, то перед переходом на реостатное торможение они размыкаются и замыкаются контакты 3, 4. При этом тормозной ток Iт, проходя по обмоткам возбуждения в том же направлении, что и в двигательном режиме, создает поток, намагничивающий машину. Их общая э. д. с. увеличивается. Ток Iт возрастает до некоторого значения, определяемого скоростью движения и сопротивлением тормозного реостата Rт. Тормозную силу регулируют, изменяя ток Iт путем включения или выключения секций тормозного реостата с помощью контакторов (на рис. 45 они не показаны).
При реостатном торможении тяговые двигатели включают параллельно по два в каждом плече. В этом случае возросшее напряжение на каждом двигателе находится в допустимых пределах — в 1,5—1,7 раза выше, чем в тяговом режиме, и можно использовать в режиме торможения пусковой реостат. Однако при параллельном соединении двигателей последовательного возбуждения приходится принимать специальные меры для обеспечения их устойчивой работы и равномерного распределения тока между ними. Если двигатели включить параллельно (рис. 46 — замкнуты контакты 1, 2, а контакты 3, 4 разомкнуты), реостатное торможение неустойчиво, так как любое случайное увеличение тока в одной из двух ветвей, содержащих по два последовательно со­единенных двигателя, увеличивает э. д. с. двигателей этой ветви. Появляется уравнительный ток, который еще больше нагружает их и разгружает двигатели другой ветви. Это может в конце концов привести к короткому замыканию двигателей первой ветви и полному размагничиванию, а затем и перемагничиванию двигателей второй ветви.

(Электрически устойчивой является система, в которой при нарушении установившегося состояния, вызванном так называемыми возмущающими воздействиями, токи и напряжения изменяются, но после исчезновения этих воздействий принимают прежние установившиеся значения. Если меняются условия, определяющие установившийся режим (например, напряжение сети, сопротивление тормозного реостата), то устойчивая система принимает новое состояние равновесия. Система, не удовлетворяющая этим условиям, неустойчива.)

Наилучшее распределение нагрузок между тяговыми машинами и их устойчивую работу обеспечивает так называемая перекрестная схема (на рис. 46 контакты 1, 2 разомкнуты, а контакты 3, 4 замкнуты).

Рис.46. Схема цепей электрического торможения с общим тормозным реостатом при перекрестном включении обмоток возбуждения

Если по какой-либо причине э. д. с. двигателей I, II, а следовательно, и ток будут больше, чем соответственно э. д. с. и ток двигателей III, IV, ток в обмотках возбуждения последних будет возрастать, пока э. д. с. двигателей I, II и III, IV не станут равными.
В случае параллельного соединения трех групп двигателей возможно применение так называемой циклической схемы реостатного торможения, при которой обмотка возбуждения каждого двигателя соединена последовательно с якорем двигателя другой параллельной ветви. Подразумевается такое включение обмоток, при котором их потоки не размагничивают двигатели.
Реостатное торможение двигателей с самовозбуждением имеет ряд недостатков. Одним из них является сравнительно медленное самовозбуждение и относительно большое время, которое требуется для создания необходимой тормозной силы. Чтобы ускорить самовозбуждение, можно подать дополнительное напряжение от независимого источника либо на основную обмотку возбуждения, либо на специальную добавочную обмотку с небольшим числом витков. При этом начальная э. д. с. определяется уже не потоком остаточного магнетизма, а значительно большим магнитным потоком.
Тормозную силу регулируют, изменяя как сопротивление Rт, так и магнитный поток двигателей, для чего изменяют напряжение независимого источника.
В случае рекуперативного торможения электрическая энергия, возвращаемая в контактную сеть рекуперирующим электровозом, потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме. Если таких электровозов нет или необходимая им энергия меньше рекуперируемой, то так называемая избыточная энергия рекуперации через устанавливаемые на тяговой подстанции специальные устройства — инверторы, преобразующие постоянный ток в переменный трехфазный, направляется в энергосистему. На электрифицированных участках с очень интенсивным движением, где, как правило, почти вся рекуперируемая энергия потребляется электровозами или электропоездами, работающими в режиме тяги, иногда вместо инверторов на подстанциях устанавливают поглощающие резисторы. Они автоматически включаются при наличии избыточной энергии рекуперации.
Применение рекуперации дает большой эффект. На отдельных участках с крутыми спусками может быть сэкономлено до 20% электрической энергии, затрачиваемой на тягу поездов. Преимущества рекуперативного торможения этим не ограничиваются. Когда поезд следует по крутому спуску, для того чтобы его скорость не превысила допустимую, обычно локомотив и состав периодически подтормаживают пневматическими тормозами. В результате скорость движения поезда уменьшается, а затем вновь возрастает, т. е. средняя скорость его на спуске ниже допустимой. Кроме того, все время притормаживать поезд нельзя, так как истощается пневматическая тормозная система, снижается коэффициент трения колодок вследствие их нагревания. При рекуперативном торможении можно обеспечить на спуске постоянную скорость, близкую к допустимой, зависящей от состояния пути, конструкции электровозов, вагонов, контактной сети. Кроме того, к контактной сети при рекуперации подключается дополнительный источник энергии, напряжение в ней повышается, и другие электровозы на этом участке, следующие по подъему или площадке, могут развивать более высокую скорость.
Благодаря электрическому торможению также значительно уменьшается износ тормозных колодок и колес подвижного состава, в результате чего намного снижаются расход металла и затраты на ремонт колесных пар.
Системы рекуперативного торможения должны обеспечивать постоянный ток рекуперации в тяговых двигателях и тормозной момент в условиях непрерывного изменения напряжения в контактной сети. Напряжение в контактной сети колеблется хотя бы потому, что от нее в разные периоды питается различное количество электровозов и электропоездов, да и потребляемая ими мощность меняется в очень широких пределах. При эти возможны резкие изменения тока pрекуперации. Этот ток определяется разностью суммарной э. д. с. последовательно соединенных двигателей и напряжения в контактной сети, деленного на сопротивление их обмоток. Общее сопротивление обмоток двигателей, даже соединенных последовательно, как отмечалось выше, мало. Поэтому даже относительно небольшие резкие изменения разности суммарной э. д. с. и напряжения сети вызывают большие броски тока.
Предположим, что в контактной сети по какой-либо причине напряжение увеличилось. Тогда ток в якоре тягового двигателя, работающего в режиме генератора, может изменить направление, и двигатель автоматически перейдет в тяговый режим. Вместо того чтобы тормозить поезд, двигатель будет разгонять его. При понижении напряжения, наоборот, ток рекуперации резко увеличится, тормозной момент возрастет и в поезде возникнут сильные толчки вследствие набегания хвостовых вагонов.
Следовательно, при допустимых нормами колебаниях напряжения в контактной сети в системе рекуперативного торможения должен автоматически поддерживаться примерно один и тот же ток рекуперации, а значит, и тормозной момент, установленный в зависимости от условий движения поезда.
Напомним, что для перехода двигателя из тягового режима в генераторный необходимо, чтобы э. д. с. в обмотке якоря стала больше приложенного напряжения, т. е. напряжения в контактной сети. Но двигатель с последовательным возбуждением не может перейти в режим генератора, потому что магнитный поток возбуждения в нем резко снижается при уменьшении нагрузки, а э. д. с. в обмотке якоря не может стать выше напряжения в сети.
Для того чтобы осуществить рекуперативное торможение, необходимо обмотки возбуждения отключить от обмоток якорей и питать их от постороннего источника энергии, например от специального генератора возбудителя В (рис. 47, а).

Рис.47 Схема рекуперативного торможения при независимом возбуждении тяговых двигателей со стабилизирующим резистором Rст (а) и с противовозбуждением возбудителя (б)

Якорь возбудителя приводится во вращение двигателем Д. В этом случае можно установить в обмотках возбуждения такой ток, при котором э. д. с. в обмотках якорей тяговых двигателей станет больше напряжения в контактной сети. Если скорость движения поезда уменьшится, то может снизиться э. д .с. двигателей, работающих в режиме генераторов. Однако достаточно увеличить ток возбуждения Iв чтобы поддержать необходимую э. д. с, а значит, ток и тормозной момент, создаваемый двигателями. Для этого регулируют ток Iв в независимой обмотке возбуждения возбудителя В, изменяя сопротивление реостата П..
Схемы, построенные по такому принципу, можно использовать для рекуперативного торможения нескольких параллельно включенных двигателей. При этом в каждой цепи двигателя имеется стабилизирующий резистор R т, а обмотки возбуждения подключены к общему возбудителю В. Стабилизирующие резисторы обеспечивают электрическую устойчивость системы в режиме рекуперативного торможения, но они жесоздают и присущий схеме недостаток: значительные потери энергии в этих резисторах и необходимость повышенной мощности возбудителя для их компенсации.
Предложено несколько схем, свободных от этого недостатка. Так, на восьмиосных электровозах для осуществления рекуперативного торможения используют противовозбуждение возбудителя (рис. 47, б). В этом случае обмотки возбуждения ОВ тяговых двигателей подключают к якорю возбудителя В. Возбудитель имеет две обмотки: независимую ОНВ, напряжение в которую подается от постороннего источника энергии, и обмотку противовозбуждения ОПВ, включенную последовательно в цепь тока рекуперации. Магнитные потоки обеих обмоток, создаваемые соответственно токами Iонв и Iр, направлены встречно. При увеличении тока рекуперации в случае уменьшения напряжения в контактной сети ток обмотки противовозбуждения снижает результирующий магнитный поток возбуждения возбудителя. Соответственно уменьшаются возбуждение генератора (тягового двигателя) и его э. д. с. Когда напряжение в контактной сети повышается, ток рекуперации уменьшается и все процессы в схеме проходят в обратном порядке. При рекуперативном торможении с использованием противовозбуждения обмотки возбуждения двигателей включают так же, как и при реостатном торможении, по циклической схеме. Это позволяет выравнивать токи в параллельных цепях якорей двигателей в случае повышения э. д. с. в одной из них.
В зависимости от скорости движения поезда рекуперативное торможение применяют на трех соединениях якорей тяговых двигателей. Если скорость движения большая, используют параллельное соединение. В случае малой скорости движения получить большую э. д. с. машин невозможно, и тогда применяют последовательно-параллельное или последовательное соединение.
Необходимые переключения в силовой цепи для перехода в рекуперативный режим производят тормозным переключателем. По устройству он аналогичен реверсору (см. рис. 44). На электровозах серий ВЛ8, ВЛ10, ВЛ11 (в двухсекционном исполнении) устанавливают два кулачковых тормозных переключателя.

Рекуперативное торможение

Рекуперати́вное торможе́ние (от лат. recuperatio «обратное получение; возвращение») — вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.

Рекуперативное торможение широко применяется на электровозах, электропоездах, современных трамваях и троллейбусах, где при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая электроэнергия передаётся через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции.

Аналогичный принцип используется на электромобилях, гибридных автомобилях, где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов. Некоторые контроллеры двигателей электровелосипедов реализуют рекуперативное торможение.

Проводились также эксперименты по организации рекуперативного торможения других принципов на автомобилях; для хранения энергии использовались маховики, пневматические аккумуляторы, гидроаккумуляторы и другие устройства. [1]

Содержание

• 1 Использование в автомобилестроении
  • 1.1 Использование на легковых и грузовых автомобилях
  • 1.2 Использование в автоспорте
• 2 Использование на железных дорогах
• 3 Использование в метрополитенах
• 4 Использование на городском общественном транспорте
• 5 Примечания
• 6 См. также
• 7 Ссылки

Использование в автомобилестроении [ править | править код ]

Использование на легковых и грузовых автомобилях [ править | править код ]

С развитием рынка гибридных и электроавтомобилей система рекуперации зачастую используется для увеличения дальности пробега автомобиля на электрическом заряде. Наиболее распространенными автомобилями этих классов является Toyota Prius, Chevrolet Volt, Honda Insight, Tesla Model S,3,X,Y, Audi e-tron

Есть отдельные случаи применения системы рекуперации в автомобиле с привычным бензиновым двигателем для сокращения расхода топлива. Такая система разрабатывалась на а/м Ferrari для обеспечения функционирования внутренних мультимедийных и климатических систем автомобиля от отдельной батареи, заряжаемой рекуперируемой энергией.

Система рекуперации энергии при торможении для электромобилей и электровелосипедов подвергается критике. Тормозной путь автомобиля очень мал по сравнению с проезжаемым путём и составляет от нескольких метров до несколько десятков метров (водитель обычно относительно резко тормозит у самого светофора или места назначения, или вообще подъезжает к месту назначения накатом). За такое короткое время аккумуляторы не успевают сколь-нибудь значительно зарядиться рекуперативным током, даже в городском цикле при частых торможениях. Экономия энергии за счёт рекуперации в лучшем случае составляет доли процента, и поэтому система рекуперативного торможения электромобиля неэффективна и не оправдывает усложнения конструкции. К тому же рекуперативное торможение не освобождает от необходимости обычной колодочной тормозной системы, так как на малых оборотах двигателя в режиме генератора его противо-ЭДС мала и недостаточна для полной остановки автомобиля. Также рекуперативное торможение не решает проблему стояночного тормоза (за исключением искусственного динамического удержания ротора на месте, на что расходуется значительная энергия). В современных электромобилях имеется возможность настройки педали «газа» — при её отпускании электромобиль либо продолжает двигаться по инерции накатом, либо переходит в режим рекуперативного торможения.

Однако рекуперация эффективна для электротранспорта с его частыми участками разгона-торможения, где тормозной путь большой и соизмерим с расстоянием между станциями (метро, пригородные электропоезда).

Использование в автоспорте [ править | править код ]

В сезоне 2009 года в Формуле-1 на некоторых болидах использовалась система рекуперации кинетической энергии (KERS). Рассчитывалось, что это подстегнёт разработки в области гибридных автомобилей и дальнейшие совершенствования данной системы.

Впрочем, у Формулы-1 с её мощным двигателем разгон на малых скоростях ограничивается сцеплением шин, а не крутящим моментом. На высоких же скоростях использование KERS не столь эффективно. Так что по результатам сезона-2009 оснащённые данной системой болиды не демонстрировали превосходства над соперниками на большинстве трасс. Однако это может объясняться не столько неэффективностью системы, сколько трудностью её применения в условиях строгих ограничений на вес машины, действовавших в 2009 году в Формуле-1. После соглашения команд не использовать KERS в 2010 году для сокращения издержек, в сезоне 2011 года использование системы рекуперации было продолжено.

По состоянию на 2012 год на систему KERS налагаются следующие ограничения [2] : передаваемая мощность не более 60 кВт (около 80 л.с.), ёмкость хранилища не более 400 кДж. Это означает, что 80 л.с. можно использовать не более 6.67 с на круг за один или несколько раз. Таким образом, время круга можно уменьшить на 0.1-0.4 с.

Техническим регламентом Формулы-1, утверждённым FIA на 2014 год, предусмотрен переход на более эффективные турбомоторы со встроенной системой рекуперации (ERS). Применение двойной системы рекуперации (кинетической и тепловой) в сезонах 2014—2015 годов стало гораздо более актуально из-за введения жёстких регламентных ограничений на расход топлива — не более 100 кг на всю гонку (в прошлые годы 150 кг) и мгновенный расход не более 100 кг в час. Неоднократно можно было наблюдать, как во время гонки при выходе из строя системы рекуперации машина начинала быстро терять позиции.

Рекуперативное торможение используется также в гонках на выносливость. Такой системой оснащены спортпрототипы класса LMP1 заводских команд Audi R18 и Toyota TS050 Hybrid, Porsche 919 Hybrid [en] .

Использование на железных дорогах [ править | править код ]

Рекуперативным торможением на железнодорожном транспорте (в частности, на электровозах и электропоездах, оборудованных системой рекуперативного торможения) называется процесс преобразования кинетической энергии движения поезда в электрическую энергию тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими в режиме генераторов. Выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть (в отличие от реостатного торможения, при котором выработанная электрическая энергия гасится на тормозных резисторах, то есть преобразовывается в тепло и рассеивается системой охлаждения). Рекуперативное торможение используется для подтормаживания состава в случаях, когда поезд идет по относительно некрутому уклону вниз, и использование воздушного тормоза нерационально. То есть, рекуперативное торможение используется для поддержания заданной скорости при движении поезда по спуску. Данный вид торможения дает ощутимую экономию энергии, так как выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть и может быть использована другими локомотивами на данном участке контактной сети.

Рекуперативное торможение имеет следующие проблемы, которые требуют особого учета при разработке схемы электровоза для их решения:

а) тормозной момент пропорционален не скорости, а разности между скоростью и «скоростью нейтрали», зависящей от настройки системы управления электровоза и напряжения контактной сети. Так, при скорости ниже нейтрали ТЭДы будут тянуть, а не тормозить. Таким образом, при скорости вблизи нейтрали даже небольшие (в процентах) скачки напряжения сети сильно меняют упомянутую разность, а с ней и момент, и приводят к рывкам. Правильное проектирование схемы электровоза снижает этот фактор.

б) при параллельном включении якорей рекуперирующих ТЭД схема может получиться неустойчивой при боксовании и склонной к «сваливанию» в режим, когда один ТЭД работает в моторном режиме, питаясь от второго ТЭДа, работающего как генератор, что подавляет торможение. Решение: включение обмоток возбуждения крест-накрест от «чужого» ТЭД (см. схемы ВЛ8 и ВЛ10).

в) необходимы меры защиты против короткого замыкания контактной сети или на самом электровозе. Для этого используются быстродействующие контакторы, срабатывание которых вызывает в схеме переходный процесс, перемагничивающий обмотки возбуждения ТЭД и ликвидирующий таким образом остаточную намагниченность статора (возбуждения генерации от которой может быть вполне достаточно для перегрева или пожара в случае КЗ в сети).

Ранее рекуперативным торможением оборудовались электровозы постоянного тока ввиду простоты метода переключения ТЭДов в режим генератора (в СССР схема появилась ещё на сурамском поколении электровозов, например, ВЛ22 и с незначительными изменениями применялась до ВЛ11 включительно, в ней решены все три описанные выше проблемы). В электровозах переменного тока существует проблема, которая заключается в преобразовании выработанного постоянного электрического тока в переменный и синхронизация его с частотой тягового тока, эта проблема решается с помощью тиристорных преобразователей [3] . Электровозы переменного тока, созданные до использования тиристорных инверторов (ВЛ60, ЧС4 и ЧС4Т, а также все поколения ВЛ80, кроме ВЛ80Р) не имели возможности рекуперативного торможения.

Рекуперативное торможение редко используется в пассажирском движении, по крайней мере на «классических» до-тиристорных электровозах вроде ВЛ10 и ВЛ11 из-за возникновение ощутимых рывков при переключении тормозной рукоятки локомотива со ступени на ступень, а также при скачках напряжения контактной сети. Большинство пассажирских локомотивов той поры вовсе не имели этой возможности.

Кроме того, рекуперативное торможение, как и реостатное, сжимает состав и создает удар от сжатия сцепных устройств.

Тем не менее рекуперативное торможение широко применяется на моторвагонном подвижном составе (МВПС) постоянного тока (ЭР2Р, ЭР2Т и более поздние электропоезда). В отличие от поездной работы, в МВПС обычно постоянен вес поезда (его почти никогда не переформируют), а также намного выше тяговооружённость. Это сильно упрощает создание автомата управления рекуперативным торможением. Применяется и в грузовых локомотивах, к примеру на 2ЭС6.

Рекуперативное торможение на постоянном токе требует переоборудования тяговых подстанций. Как минимум возможно рассеяние энергии на стационарных резисторах в случае изменения направления тока в фидерах ПС (при этом сохраняется возможность использования энергии рекуперации для тяги другого поезда на этом же участке, что важно при тяжелом профиле пути). Как максимум — необходима установка инверторов.

Рекуперативное торможение на железнодорожных локомотивах может использоваться также для подтормаживания в экстренных аварийных случаях при отказе воздушного тормоза. В частности, имеются сведения о неоднократном применении машинистами рекуперативного торможения на крутом участке Ерал — Симская (Челябинская область) [4] [ неавторитетный источник? ] . Следует отметить, что штатное экстренное торможение на локомотивах производится стравливанием воздуха (стоп-кран в пассажирских вагонах), а при полном отсутствии в системе воздуха тормоза блокируются [5] [ нет в источнике ] .

Использование в метрополитенах [ править | править код ]

В метрополитенах, где поезда совершают частые остановки, использование рекуперативного торможения очень выгодно. Поэтому уже самые ранние метровагоны имели аппаратуру рекуперативного торможения (за исключением метровагонов, производимых в СССР). Наибольший эффект достигается при согласовании моментов торможения прибывающего на станцию поезда с отправлением другого от той же или со смежной станции. Такая схема движения закладывается в расписание движения поездов.

Использование на городском общественном транспорте [ править | править код ]

На современном городском электротранспорте системы управления обеспечивающие рекуперацию используются почти всегда.

У трамвайных вагонов моделей УКВЗ 71-619А и далее, вагонов ПТМЗ 71-134А и далее, вагонов Уралтрансмаш 71-405 и далее, а также МТТА и МТТА-2 имеется возможность рекуперативного торможения. Оно используется как основное. После замедления вагонов до скорости 1-2 км/ч электродинамический (реостатный) тормоз становится неэффективным и подключается стояночный.

Что такое рекуперативное торможение двигателем постоянного тока

Название: Машины постоянного тока (Кислицын А. Л.)

Жанр: Энергетический

Просмотров: 1099

11. работа двигателей в тормозных режимах

Виды электрического торможения. Электрические двигатели используются не только для приведения во вращение механизмов, но и для их торможения. Электрическое торможение позволяет быстро остановить механизм или уменьшить его частоту вращения без применения механических тормозов.

Различают три вида электрического торможения двигателей постоянного тока:

рекуперативное торможение — генераторное торможение с отдачей электрической энергии в сеть;

динамическое или реостатное торможение — генераторное торможение с гашением выработанной энергии в реостате, подключенном к обмотке якоря;

электромагнитное торможение — торможение противовключением.

Во всех трёх указанных режимах электромагнитный момент М воздействует на якорь в направлении, противоположном п, т. е. является тормозным. Рассмотрим более подробно эти режимы.

Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным возбуждением переходит в режим рекуперативного торможения, если его частота вра

щения становится больше значения «0= и/(сеФ).Прв. этом ЭДС Е начинает превышать напряжение сети U. В этом случае ток якоря 1а изменяет своё направление и машина переходит в генераторный режим. В этом режиме машина создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть полезно использована.

В машине с параллельным возбуждением (рис. 11.1, а) механические характеристики генераторного режима являются продолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов (рис. 11.1, б). Поэтому переход из двигательного режима в генераторный может происходить автоматически, если под действием внешнего момента якорь будет вращаться с частотойп > п0. Можно перевести машину в генераторный режим и принудительно, если перевести её на работу с характеристики 1 на характеристику 2, уменьшив п0 путем увеличения магнитного потока (тока возбуждения) или снижения напряжения, подводимого к двигателю.

Двигатель с последовательным возбуждением при его обычной схеме включения работать в генераторном режиме с отдачей энергии в сеть не может. Действительно, генераторный режим с отдачей энергии в сеть может возникнуть, когда E>U, что возможно, если и > п0. Поскольку у двигателя последовательного возбуждения я0= , то работа двигателя в генераторном режиме исключается. При необходимости рекуперативного торможения схему двигателей в тормозном режиме изменяют, превращая двигатели в генераторы с независимым возбуждением.

Двигатели со смешанным возбуждением могут автоматически переходить в генераторный режим, что обусловило их применение в троллейбусах, трамваях и других устройствах с частыми остановками, где двигатель должен обладать мягкой механической характеристикой.

Динамическое торможение. При этом виде торможения двигателя с параллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и присоединяют к ней реостат Rdo6 (рис. 11.2, а).

Ток якоря при динамическом торможении меняет своё направление. При этом машина работает в генераторном режиме и создаёт тормозной момент, но выработанная электрическая энергия бесполезно гасится в реостате. Регулирование тока

т. е. тормозного момента М, осуществляют путём изменения сопротивления Rdo6, подключенного к обмотке якоря.

В процессе торможения по мере уменьшения скорости постепенно уменьшают Rdo6, чтобы поддержать средний ток якоря, а 7 следовательно, и

тормозной момент на заданном уровне (рис. 11.2, б). При очень больших частотах вращения в режиме торможения приходится уменьшать ток возбуждения, чтобы ЭДС машины Е не превзошла допустимого значения. При п — 0 тормозной момент М равен нулю, следовательно, машина не может быть заторможена в неподвижном состоянии.

При динамическом торможении двигателей последовательного возбуждения необходимо переключать обмотку возбуждения (рис. 11.3, а, б). Это делается для того, чтобы при изменении направления тока в якоре (при переходе из двигательного режима в генераторный) направление тока в обмотке возбуждения оставалось неизменным и создаваемая этой обмоткой МДС совпадала по направлению с МДС Foc т от остаточного маг-

нетизма якорной обмотки. В противном случае машина размагничивается. На рис. 11.4 показаны зависимости ЭДС Е от тока якоря 1а при различных частотах вращения (и, >п2>п3>пА) ивольтамперные характеристики Ia(^Ra + Rdo6)

ffla) полного сопротивления, включенного в цепь якоря

Точки пересечения Ах,Аг нА3 указанных зависимостей определяют зна-

чение тока якоря 1а =

е , т. е. частоту вращения п и сопротив-

ление Rdo6i при которых машина работает в режиме динамического торможения. Так, например, при подключении к машине реостата с сопротивлением Rdo6l тормозной режим при частоте вращения я, может быть

реализован (точка А г); при уменьшении же её до значения я2 он невозможен, так как в этом случае вольтамперная характеристика сопротивления цепи якоря располагается по касательной к зависимости Е

f(Ia), н0 не пересекает её. В соответствии с рис. 11.4 можно заключить, что при увеличении Rdo6 динамическое торможение оказывается возможным при

более высоких частотах вращения.

Двигатель со смешанным возбуждением также может работать в режиме динамического торможения.

Электромагнитное торможение. В этом режиме изменяют направление электромагнитного момента М, сохраняя неизменным направление тока из сети, т. е. момент делают тормозным. Последнее осуществляют так же, как и при изменении направления вращения двигателя — путём переключения проводов, подводящих ток,к обмотке якоря (рис. 11.5, а) или к обмотке возбуждения. Чтобы ограничить ток в этом режиме, в цепь обмотки якоря вводят

добавочное сопротивление Rdo6- Регулирование тока 1а

тормозного момента М, осуществляют путём изменения сопротивления Rdo6

или ЭДС Е (тока возбуждения 1в). Механические характеристики в этом режиме для двигателей с параллельным и последовательным возбуждением показаны на рис. 11.5,6 и в.

С энергетической точки зрения электромагнитное торможение является наиболее невыгодным, поскольку машина потребляет как механическую, так и электрическую энергию, которые гасятся в обмотке якоря и во включенном в её цепь реостате. Однако при этом способе можно получать большие тормозные моменты при низких частотах вращения и даже при я= 0, поскольку в этом случае ток la

Кроме рассмотренных тормозных режимов,также представляет интерес так называемый режим противовключения, используемый для целей регулирования скорости опускания грузов на кранах и других подъёмно-транспортных машинах. Прежде чем приступить к рассмотрению данного режима, необходимо принять во внимание некоторые сведения относительно поведения электропривода и, следовательно, производственного механизма. Данное поведение при регулировании скорости и изменении нагрузки зависит от сил или моментов, действующих в системе, а также от моментов инерции и масс вращающихся и поступательно движущихся частей электропривода и производственного механизма. В системе двигатель — производственный механизм в общем случае действуют два момента: момент, развиваемый двигателем, и момент статического сопротивления. Момент статического сопротивления может быть вызван силами трения, силой тяжести груза, действием ветра, различного рода деформациями материалов и т. д., а также несколькими причинами одновременно. Чтобы уравнение движения электропривода было универсальным, скорость и моменты считают величинами алгебраическим и принимают для них следующие условные положительные направления. За условное положительное направление скорости принимают её направление, соответствующее подъёму грузов. За условное положительное направление момента М двигателя принимают направление, совпадающее с условным положительным направлением скорости, а за условное положительное направление момента статического сопротивления Мс- противоположное направление. В простейшем случае двигатель соединяется с рабочим органом производственного механизма без промежуточных передач. В этом случае с учётом принятых выше условных положительных направлений можно написать уравнение движения в виде

где М и Мс — момент двигателя и момент статического сопротивления в Н-м;

J-момент инерции частей, вращающихся со скоростью щ

о) — угловая скорость вращения двигателя в рад/с .

Выражение в правой части формулы представляет собой динамический момент Мдин = J- ^

, возникающий при всяком изменении скорости двигателя в связи с инерцией вращающихся частей двигателя и приводимого им в действие механизма.

В практике чаще пользуются не угловой скоростью, а скоростью п, выраженной в об/мин

Учитывая это, получим

Из (113) следует, что если момент двигателя равен моменту статического сопротивления, т. е. М = Мс, то — = 0, и, следовательно, п = const.

В этом случае имеет место установившийся режим работы электропривода, который характеризуется определённым постоянным значением момента и соответствующей ему скоростью. А теперь перейдём непосредственно к рассмотрению режима противовключения.

Под режимом противовключения понимают режим, при котором двигатель, будучи включен в сеть, под действием постороннего момента или запаса кинетической энергии вращается в сторону, противоположную той, в которую он вращался бы при таком же включении в двигательном режиме. Режим противовключения удобно пояснить на примере грузоподъёмного механизма, где он может быть использован для опускания грузов.

Допустим, что в схеме двигателя параллельного, последовательного или смешанного возбуждения (рис. 11.6) контакт К замкнут, двигатель работает на естественной характеристике и с постоянной скоростью п при моменте М= Мс поднимает груз.

Если разомкнуть контакт К и включить в цепь якоря сопротивление г, ток якоря и момент двигателя уменьшатся. Двигатель перейдёт при этом на характеристику /ив первое мгновение при скорости п будет развивать момент М,. Так как Мх 0), двигатель работает в тормозном режиме.

Данный режим является режимом противовключения, так как якорь двигателя вращается в направлении, противоположном тому, в котором он должен был бы вращаться при данном способе его включения в двигательном режиме. С увеличением | п в режиме противовключения возрастает что приводит к увеличению тока якоря и момента двигателя. Установившийся режим наступит при скорости п,, при которой М- Мс. Скоростные и механические характеристики (рис. 11.6) двигателей в режиме противовключения являются продолжением характеристик двигательного режима и располагаются в IV квадранте, где п 0 и М> 0.

Изменяя величину сопротивления г, можно получать различные скорости опускания груза в режиме противовключения. Недостатком режима противовключения является то, что характеристики получаются слишком мягкими^ скорость в сильной степени зависит от нагрузки двигателя. В частности, если окажется, что Мс 0)>то двигатель работает, по существу, в качестве генератора и преобразует потенциальную энергию опускающегося груза в электрическую энергию. Последняя, в свою очередь, преобразуется в тепло в сопротивлениях цепи якоря. В этих же сопротивлениях расходуется и энергия, потребляемая цепью якоря из сети. Обычно торможение противовключением предшествует изменению направления вращения двигателя (реверсированию).

Торможение двигателей постоянного тока

Виды электрического торможения. Электрические двигатели, как правило, используют не только для вращения механизмов, но и для их торможения. Электрическое торможение позволяет быстро остановить механизм или уменьшить его частоту вращения без применения механических тормозов.

Различают три вида электрического торможения двигателей постоянного тока: 1) рекуперативное торможение — генераторное торможение с отдачей электрической энергии в сеть; 2) динамическое или реостатное торможение — генераторное торможение с гашением выработанной энергии в реостате, подключенном к обмотке якоря; 3) электромагнитное торможение — торможение противовключением.

Во всех указанных режимах электромагнитный момент М воздействует на якорь в направлении, противоположном и, т. е. является тормозным.

Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным в озбуждением переходит в режим рекуперативного торможения при увеличении его частоты вращения и выше п0 = U/ceФ. В этом случае ЭДС машины становится больше напряжения сети и ток согласно (8.80) изменяет свое направление, т. е. двигатель переходит в генераторный режим. В этом режиме машина создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть полезно использована.

В машине с параллельным возбуждением (рис. 8.71, а) механические характеристики генераторного режима являются продолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов.

Рис. 8.71. Схема и механические характеристики машины постоянного тока в двигательном и генераторном режимах.

Динамическое торможение. При этом виде торможения двигателя с параллельным возбуждением обмотку якоря отключают от сети и присоединяют к ней реостат Rдо6 (рис. 8.72, а) При этом машина работает как генератор, создает тормозной момент, но выработанная электрическая энергия бесполезно гасится в реостате. Регулирование тока Ia = Е/(ΣRa + Rдоб), т. е. тормозного момента М, осуществляют путем изменения сопротивления Rдоб, подключенного к обмотке якоря.

Рис. 8.72. Схема и механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением в режиме динамического торможения.

Электромагнитное торможение. В этом режиме изменяют направление электромагнитного момента М, сохраняя неизменным направление тока из сети, т. е. момент делают тормозным. Последнее осуществляют так же, как и при изменении направления вращения двигателя — путем переключения проводов, подводящих ток к обмотке якоря (рис. 8.76, а) или к обмотке возбуждения. Чтобы ограничить значение тока в этом режиме, в цепь обмотки якоря вводят добавочное сопротивление Rдоб. Регулирование тока Ia = (U + Е)/(ΣRa + Rдоб), т. е. тормозного момента М, осуществляют путем изменения сопротивления Rдоб или ЭДС Е (тока возбуждения Iв). Механические характеристики в этом режиме для двигателей с параллельным и последовательным возбуждением показаны на рис. 8.76, б и в.

Рис.8.76. схема и механические характеристики двигателей в режиме электромагнитного торможения.

21.Универсальные коллекторные двигатели — это электродвигатели малой мощности последовательного возбуждения с секционированной обмоткой возбуждения, благодаря чему они могут работать как на постоянном, так и на переменном стандартных напряжениях примерно с одинаковыми свойствами и характеристиками. Такие электродвигатели используют для привода маломощных быстроходных устройств и многих бытовых приборов. Они допускают простое, широкое и плавное регулирование скорости.

По своему устройству эти двигатели отличаются от двигателей постоянного тока общего применения конструкцией статора, магнитную систему которого собирают из топких изолированных друг от друга листов электротехнической стали с выступающими полюсами, на которых размещают по две секции обмотки возбуждения. Эти секции соединяют последовательно с якорем и располагают по обе стороны от его выводов, что снижает радиопомехи от ценообразования на коллекторе под щетками, которое при питании двигателя от сети переменного напряжения особенно усиливается из-за существенного ухудшения условий коммутации.

Что такое рекуперативное торможение двигателем постоянного тока

7.5. Работа электродвигателей в тормозных режимах

Электрические двигатели используются не только для приведения во вращение механизмов, но и для их торможения. Торможение необходимо, если нужно быстро остановить механизм или уменьшить его частоту вращения. Применение механических тормозов для этого затруднительно из-за нестабильности их характеристик, малого быстродействия и трудностей автоматизации.

Различаются три вида тормозных режимов двигателей постоянного тока:

1) генераторное торможение с отдачей электрической энергии в сеть (рекуперативное торможение);

2) генераторное торможение с гашением выработанной энергии в реостате, подключенном к обмотке якоря (реостатное, или динамическое, торможение);

3) электромагнитное торможение (торможение противовключе-нием).

Во всех трех режимах электромагнитный момент М воздействует на якорь в направлении, противоположном п, т. е. является тормозным. Рассмотрим более подробно эти режимы.

Рекуперативное торможение. Двигатель с параллельным возбуждением переходит в режим рекуперативного торможения, если его частота вращения превышает п_о=и/(с_еф). Тогда ЭДС машины становится больше напряжения сети и ток меняет направление:

т. е. двигатель переходит в генераторный режим, создает тормозной момент, а выработанная электрическая энергия отдается в сеть и может быть использована.

Переход машины с параллельным возбуждением из двигательного режима в генераторный может происходить автоматически, если под действием внешнего момента якорь вращается с частотой, большей частоты вращения холостого хода: п

>п. Можно перевести машину в генераторный режим и принудительно, уменьшив частоту вращения п за счет увеличения магнитного потока (тока возбуждения) или снижения напряжения, подводимого к двигателю. Механические характеристики в генераторном режиме являются продолжением механических характеристик двигательного режима в область отрицательных моментов (рис. 7.23).

Двигатели с последовательным возбуждением не могут автоматически переходить в режим рекуперативного торможения. Если необходимо иметь рекуперативное торможение, схему двигателей в тормозном режиме изменяют, превращая двигатели в генераторы с независимым возбуждением. Двигатели со смешанным возбуждением могут автоматически переходить в генераторный режим, что обусловило их применение в троллейбусах и трамваях, где часты остановки, а двигатель должен обладать мягкой механической характеристикой.

Рис. 7.23. Механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением в двигательном и генераторном режимах

Рис. 7.24. Схема включения двигателя с параллельным возбуждением в режиме динамического торможения (а), скоростные и механические характеристики при торможении (б)

Динамическое торможение. При динамическом (реостатном) торможении двигателя с параллельным возбуждением обмотка якоря отключается от сети и к ней присоединяется реостат /?_д (рис. 7.24, о). При этом машина работает в генераторном режиме и создает тормозной момент. Однако выработанная электрическая энергия гасится в реостате. Ток якоря при торможении

прямо пропорционален частоте вращения п, вследствие чего скоростные характеристики I=f(n)—прямые, проходящие через начало координат (рис. 7.24, б).

Тангенс угла наклона характеристик у в масштабе равен сопротивлению в цепи якоря:

В процессе торможения по мере уменьшения скорости постепенно уменьшают Я_л, плавно или ступенями, чтобы поддержать средний ток якоря, а следовательно, и тормозной момент на заданном уровне. При очень больших частотах вращения в режиме торможе-

нчя приходится уменьшать ток возбуждения, чтобы ЭДС машины Е не превзошла допустимого значения

Механические характеристики в тормозном режиме при постоянном магнитном потоке имеют тот же вид, что и скоростные характеристики, только масштаб по оси абсцисс меняется в соответствии с формулой М — с_чФ1_а (рис 7 24, б)

При ослабленном поле (при уменьшенном токе возбуждения) характеристики остаются линейными, но увеличивается угол их наклона При л «О тормозной

момент равен нулю Следовательно, для того чтобы якорь был заторможен в неподвижном состоянии, реостатное торможение должно быть дополнено другим, например механическим

Двигатель с последовательным возбуждением может работать в режиме динамического торможения, но при переводе его в этот режим нужно переключить провода, подводящие ток к обмотке возбуждения (рис 7 25) Это необходимо для того, чтобы при изменении направления тока в якоре при переходе из двигательного режима в генераторный направление тока в обмотке возбуждения оставалось неизменным (от б к а, рис 7 25) и создаваемая этой обмоткой МДС F_в совпадала по направлению с МДС F_OCT от остаточного магнетизма В противном случае генераторы с самовозбуждением размагничиваются

Построение тормозных характеристик поясняется рис 7 26, а. Если в цепь машины включено добавочное сопротивление /?_д, то установившийся режим работы соответствует точке пересечения

Рис 7 25 Изменение схемы при переводе двигателя последовательного возбуждения (а) в режим динамического торможения (б)

Рис 7 26 Характеристики n=f(l_a) при реостатном торможении двигателя последовательного возбуждения и их построение

Рис. 7.27. Схема включения двигателя с параллельным возбуждением в режиме электромагнитного торможения и его механические характеристики

вольт-амперной характеристики сопротивления (2# + /?_д) с характеристикой E—f(I_B), которая близка к характеристике холостого хода. При Пх это точка а_ь при п₂ — точка а₂ и т. д. При некоторой критической скорости, когда вольт-амперная характеристика сопротивления совпадает с начальным прямолинейным участком характеристики E=f(l_a), машина размагничивается и ток становится близким к нулю. По координатам точек а, а₂ и т. д. можно построить зависимость n—f(I_a); эти скоростные характеристики являются нелинейными (рис. 7.26, б).

Механические характеристики строятся на основании скоростных характеристик и моментной — М= =/(/_о), они также нелинейны.

Электромагнитное тормо жение. В этом режиме изменяют направление электромагнитного момента М, сохраняя неизменным направление вращения, т. е. момент делают тормозным. Последнее осуществляют так же, как и при изменении

направления вращения двигателя, путем переключения проводов, подводящих ток к обмотке якоря (рис. 7.27, а) или к обмотке возбуждения. Чтобы ограничить ток в этом режиме, в цепь обмотки якоря вводят добавочное сопротивление /?_д. Регулирование тока I_a=(U+E)/(I,R+R_A), т. е. тормозного момента М, осуществляют изменением R_a (рис. 7.27, б) или ЭДС (тока возбуждения /„).

С энергетической точки зрения рассматриваемый способ торможения невыгоден, так как машина потребляет как механическую, так и электрическую энергию, которые гасятся в обмотке якоря и включенном в ее цепь реостате. Но при этом способе можно получать большие тормозные моменты при низких частотах вращения и даже при п = 0, поскольку в этом случае ток I_a= U/ (2/? + /?_д).