Асинхронный короткозамкнутый двигатель

                                          Схема торможения

1)генераторное торможения (рекуперативное) работу асинхронного электродвигателя переводят в режим генератора, то есть  частоту вращения ротора увеличивают, а частоту вращение магнитного потока остается не изменой  или уменьшают.

Рекуперативное – это перевод с режима работы двигателя в режим работы генератора после отключение системы. В обмотке ротора образуется индуктивные токи эти токи, и магнитное поле взаимодействуют, создают торможение противодействуя вращающим моментом. Если ротор разогнать с помощью внешнего момента (например, каким-либо двигателем) до частоты, большей частоты вращения магнитного поля, то изменится направление ЭДС в обмотке ротора и активной составляющей тока ротора, то есть асинхронная машина перейдёт в генераторный режим. При этом изменит направление и электромагнитный момент, который станет тормозным. В генераторном режиме работы скольжение  .

Для работы асинхронной машины в генераторном режиме требуется источник реактивной мощности, создающий магнитное поле. При отсутствии первоначального магнитного поля в обмотке статора поток создают с помощью постоянных магнитов, либо при активной нагрузке за счёт остаточной индукции машины и конденсаторов, параллельно подключенных к фазам обмотки статора.

Асинхронный генератор потребляет реактивный ток и требует наличия в сети генераторов реактивной мощности в виде синхронных машин, синхронных компенсаторов, батарей статических конденсаторов (БСК). Из-за этого, несмотря на простоту обслуживания, асинхронный генератор применяют сравнительно редко, в основном в качестве ветрогенераторов малой мощности, вспомогательных источников небольшой мощности и тормозных устройств. Зато генераторный режим асинхронного двигателя используется довольно часто. В таком режиме работают двигатели эскалаторов метро, которые едут вниз. В генераторном режиме работают двигатели лифтов, в зависимости от соотношения веса в кабине и в противовесе.

2)конденсаторное  торможение

Особенности конденсаторного торможения

Наиболее эффективные и управляемые тормозные режимы асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором основаны на применении конденсаторного торможения, принцип действия которого связан с эффектом емкостного самовозбуждения. Режим конденсаторного торможения является весьма сложным электромеханическим переходным процессом, в ходе которого, как это будет показано ниже, изменяется ряд параметров машины. Установившийся режим, когда под действием активной нагрузки асинхронная машина вращается с постоянной скоростью, развивая на валу тормозной момент, оказывается только частным и относительно редким случаем. Однако его анализ имеет теоретическое значение и полезен тем, что позволяет более просто, чем при переходных процессах, получить представление о физике этого сложного режима и уточнить его некоторые особенности. Ценность такого подхода и убедительность полученных результатов возрастают, если анализ статики и динамики проводится с единых позиций путем решения на АВМ уравнений нелинейной модели асинхронной машины. Поэтому ниже излагаются основные особенности установившегося режима конденсаторного торможения, рассматриваемого как частный случай переходного процесса.

В установившемся режиме конденсаторного торможения асинхронная машина работает в генераторном режиме с самовозбуждением, возможность которого была установлена М. Лебланом (М. Leblane) еще в 1895 г. Однако только в 1922 г. появилась первая статья, в которой емкостное самовозбуждение асинхронной машины рассматривалось с практической точки зрения.

С тех пор этот интересный режим привлекает постоянное внимание исследователей. Первое упоминание о собственно конденсаторном торможении асинхронных двигателей появилось в 1938 г. в статье, автор которой пришел к выводу о нецелесообразности его практического применения.

Это заключение было принято в некоторых отечественных трудах по электроприводу, что помогло созданию необоснованного представления о практической непригодности этого способа торможения и надолго задержало его распространение. В 1944 г. А.Т. Голован и И.Н. Барбараш впервые показали, что при конденсаторном торможении путем увеличения возбуждающей емкости могут быть получены значительные тормозные моменты. Однако эта серьезная для своего времени работа осталась незамеченной, а мнение о бесперспективности конденсаторного торможения, обусловленное малой изученностью этого сложного режима, продолжало господствовать как в отечественных, так и в зарубежных источниках. В самой обстоятельной из публикаций делался вывод о нецелесообразности не только применения, но и дальнейшего изучения конденсаторного торможения.

Только в конце пятидесятых годов на основе главным образом экспериментальных исследований были выяснены основные свойства и особенности конденсаторного торможения и накоплен большой опыт его практического применения. Был установлен и сформулирован принцип совмещения различных тормозных режимов и разработаны новые способы комбинированного эффективного торможения. Полученные результаты и их публикация явились переломным этапом в развитии конденсаторного торможения, положив начало его широкому практическому применению как у нас в стране, так и за рубежом. Одновременно вместе с развитием общей теории электромагнитных переходных процессов началось и более глубокое исследование физики тормозных режимов и методов управления ими. Основные представления о физике и особенностях конденсаторного торможения, полученные в процессе этих исследований, главным образом, в Одесском политехническом институте, явились базой для последующей разработки многообразных схемных и конструктивных решений.

Управление режимом конденсаторного торможения (динамика

процесса самовозбуждения).

Форма и характер изменения тормозного момента, развиваемого асинхронным двигателем в процессе конденсаторного торможения, определяются совместным действием нескольких физических явлений, из которых основным часто оказывается емкостное самовозбуждение. Многое в этом интересном явлении исследовано еще недостаточно, и несмотря на большое число работ, посвященных различным аспектам самовозбуждения, его физическая сущность не вполне ясна и существуют различные взгляды «а природу и условия возникновения самовозбуждения. Многочисленные эксперименты и расчеты позволяют считать наиболее обоснованным представление о емкостном самовозбуждении асинхронной машины как об особом виде неустойчивости, проявляющейся при определенном сочетании параметров и при наличии некоторого начального запаса магнитной или электрической энергии в колебательном контуре «индуктивность машины -- емкость» или при периодическом изменении одной из этих величин.

При постоянстве скорости ротора частота возникающих при самовозбуждении свободных токов остается также постоянной, амплитуды токов и напряжений нарастают по экспоненте. С увеличением емкости конденсаторов частота свободных колебаний уменьшается, а скольжение растет. Эквивалентное индуктивное сопротивление двигателя изменяется в пределах от синхронного до переходного. Поэтому изменение сопротивлений намагничивания и рассеяния в результате насыщения по-разному влияет на характер нарастания колебаний. При малых емкостях, когда скольжение мало, в большей степени проявляется влияние сопротивления намагничивания, а при больших емкостях преобладающее влияние на характер переходного процесса оказывают сопротивления рассеяния.

Изменение сопротивлений рассеяния влияет на частоту колебаний и скорость их нарастания. В начале процесса, когда пути рассеяния не насыщены, скорость нарастания колебаний и их частота меньше, чем в конечной стадии. Скорость нарастания колебаний при максимальной емкости (при которой вообще возможен режим самовозбуждения), близка к нулю. С уменьшением емкости она возрастает, достигая максимума при (4--6) Сн, а затем при приближении к нижнему граничному значению емкости опять уменьшается. При этом из-за уменьшения степени насыщения магнитной системы индуктивные сопротивления почти не меняются, частота нарастающих колебаний также остается постоянной, причем ее отличие от угловой скорости ротора пренебрежимо мало.

Таким образом, изменение в процессе нарастания колебаний сопротивления контура намагничивания почти не сказывается ни на скорости нарастания, ни на частоте колебаний. При возбуждающих емкостях, больших 2СН, скольжение таково, что эквивалентное индуктивное сопротивление машины определяется, в основном, сопротивлениями рассеяния. При меньших емкостях из-за малой степени насыщения магнитной системы индуктивные сопротивления намагничивания и рассеяния почти не меняются.

Уменьшение активного сопротивления статорной цепи увеличивается скорость нарастания колебаний, так как большая часть энергии, передаваемой с ротора, идет на увеличение магнитного потока в воздушном зазоре. Увеличение сопротивления роторной цепи приводит к уменьшению частоты и увеличению скорости нарастания колебаний, поскольку постоянная времени роторной обмотки при этом уменьшается. При несимметричных схемах подключения конденсаторов активные и индуктивные сопротивления обратной последовательности приводят к замедлению скорости нарастания колебаний по сравнению с симметричной схемой подключения конденсаторов с той же суммарной емкостью.

Существенное влияние на время нарастания колебаний оказывают начальные условия: незатухший поток двигателя и напряжение на конденсаторе. Существенное уменьшение индуктивностей в начальной стадии переходного процесса приводят при ненулевых начальных условиях к значительному сокращению времени достижения установившегося режима. Наибольшее влияние оказывает начальное значение магнитного потока в воздушном зазоре. Поэтому наименьшее время достижения установившегося режима получается при таком подключении конденсаторов, когда магнитный поток и напряжение на конденсаторах близки к номинальным значениям. В этом случае процесс самовозбуждения заканчивается менее чем за период.

Влияние начального значения напряжения на конденсаторах при подключении к ним невозбужденного двигателя аналогично влиянию незатухшего потока двигателя. В начальной стадии развития колебаний преобладает процесс, возбуждаемый разрядом конденсаторов на обмотки двигателя и сопровождающийся увеличением магнитного потока, который достигает тем большего значения, чем больше напряжение на конденсаторах. Длительность переходного процесса получается примерно такой же, как и при подключении незаряженных конденсаторов к возбужденному двигателю.

Рассмотренная выше закономерность изменения частоты колебаний, обусловленная изменением индуктивностей, сохраняется также при ненулевых начальных условиях. В начальной стадии процесса частота меньше, а затем возрастает, оставаясь меньше угловой скорости ротора. Возникающие в начальной стадии переходного процесса при ненулевых начальных условиях броски токов приводят к значительному уменьшению индуктивностей рассеяния. В последующих стадиях переходного процесса эти индуктивности почти не меняются и поэтому в меньшей степени, чем при нулевых начальных условиях, влияют на скорость нарастания колебаний.

Рассмотренные выше закономерности изменений частоты колебаний позволяют сделать вывод о том, что во всем диапазоне изменения емкостей при симметрии в цепи ротора самовозбуждения развивается за счет асинхронного момента. Как вблизи границ, так и внутри рабочей зоны на всех стадиях переходного процесса и в установившемся режиме частота колебаний меньше угловой скорости ротора. При этом характер нарастания колебаний в пределах всей зоны самовозбуждения не меняется и, следовательно, имеет одну и ту же физическую природу.

При ненулевых начальных условиях на первом этапе развития процесса самовозбуждения сказываются также явления, обусловленные разрядом заряженных конденсаторов через обмотки статора или разрядом электромагнитной энергии через конденсаторы. Эти явления ускоряют процесс самовозбуждения, но не влияют на его характер. При полностью заряженных конденсаторах или при номинальном значении незатухшего магнитного потока процесс самовозбуждения развивается за 0,01--0,02с.

Динамика симметричного конденсаторного торможения

Изменение частоты вращения ротора во время торможения существенно влияет на переходный электромеханический процесс. В еще большей степени характер физика переходного процесса зависят от схемы подключения конденсаторов и схемы тормозного устройства.

Конденсаторы могут подключаться к статорной обмотке двигателя непосредственно или через отдельный коммутирующий аппарат. В первом случае имеет место, так называемое глухое подключение конденсаторов, и процесс торможения начинается сразу после отключения двигателя от сети. В этом случае начальные напряжения на конденсаторах и магнитный поток машины определяются напряжением сети в момент отключения, а характер переходного процесса зависит от возбуждающей емкости, момента инерции вращающихся масс привода и параметров двигателя. Во втором случае торможение начинается только после подключения конденсаторов к двигателю, который предварительно отключается от сети. Начальные условия и, следовательно, характер тормозного процесса в значительной степени зависят от длительности интервала между переключениями, а также от наличия и значения остаточного заряда конденсаторов.

В реальных условиях скорость двигателя при торможении не остается постоянной, и переходный процесс превращается в электромеханический. При снижений скорости уменьшается скольжение и, следовательно, передаваемая с ротора энергия. Режим самовозбуждения начинается при меньшей скорости, поэтому максимальный тормозной момент зависит как от возбуждающей емкости, так и от скорости, которая, в свою очередь, определяется тормозным моментом инерционностью привода. При большом моменте инерции и высокой скорости в начале процесса самовозбуждения генераторный тормозной момент может увеличиваться. В этом случае наблюдаются два пика момента, а затем он плавно уменьшается до нуля по мере снижения скорости. При малых моментах инерции и резком снижении скорости двигателя второй пик генераторного момента может быть выражен слабо или вообще отсутствовать.

В процессе торможения как при увеличении потока, так и, особенно, при резком снижении скорости в обмотках статора и ротора возникают апериодические составляющие токов, создающие дополнительные знакопеременные моменты, накладывающиеся на основной тормозной момент. Действием этих составляющих объясняются, в частности, колебания момента при его резком уменьшении. Пики переходного тормозного момента с увеличением возбуждающей емкости возрастают и могут достигать весьма больших значений.

При большой возбуждающей емкости и малом моменте инерции привода скорость двигателя в начальный период торможения при разряде конденсаторов, который в этом случае имеет апериодический характер, быстро снижается и может стать меньше нижнего критического значения. С ростом возбуждающей емкости пик переходного момента непрерывно увеличивается и значительно влияет на характер протекания тормозного процесса. По этой причине тормозной процесс существенно отличается от его приближенного описаний с помощью статических тормозных характеристик, когда весь эффект торможения объясняется действием генераторного тормозного момента, связанного с явлением самовозбуждения асинхронной машины. Так как роль этого генераторного момента в создании тормозного эффекта снижается, соответственно уменьшается влияние добавочного момента, создаваемого потерями в стали статора. Учет этих потерь отражается только на втором пике момента. Чем больше возбуждающая емкость, тем меньше влияние этого генераторного тормозного момента и добавочного момента от потерь в стали. Характер тормозного момента существенно изменяется, когда к отключенному от сети двигателю подключаются незаряженные конденсаторы по схеме рис. 3,г. В этом случае решающее влияние на динамику торможения оказывает ЭДС, наводимая в обмотках статора затухающим потоком машины. Если эта ЭДС невелика, то процесс емкостного самовозбуждения развивается постепенно и генераторный тормозной момент плавно увеличивается. Вместе с ростом момента увеличивается замедление привода и соответственно снижается его скорость. Поэтому максимальный тормозной момент оказывается значительно меньшим, чем определяемый по статическим характеристикам. Значение этого максимума оказывается также существенно меньшим по сравнению с пиком переходного момента при торможении с глухоподключенными конденсаторами. Соответственно падает и эффективность торможения. Вместе с тем плавное нарастание момента определяет высокую плавность замедления привода. Подключение незаряженных конденсаторов к обмоткам статора с незатухшей ЭДС сопровождается импульсом зарядного тока, вызывающего пик переходного тормозного момента, который обусловлен передачей энергии с ротора в статор, и увеличением магнитного потока. Чем больше незатухшая ЭДС и подключаемая емкость, тем больше этот пик момента и тем быстрее развивается процесс самовозбуждения.