Создание действующей установки конденсаторно-динамического торможения асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Санкт - Петербургский промышленно - экономический колледж

Дипломный проект

На тему: “Создание действующей установки конденсаторно-динамического торможения ассинхронного электродвигателя, с короткозамкнутым ротором”.

г. Ковдор 2008 г.

Содержание

Введение

1. Принципы управления электромагнитными процессами при пуске и торможении

1.1 Возможности повышения эффективности тормозных режимов

1.2 Особенности конденсаторного торможения

1.3 Управление режимом конденсаторного торможения (динамика процесса самовозбуждения)

1.4 Динамика симметричного конденсаторного торможения

1.5 Управление режимом торможения

1.6 Конденсаторно-магнитное торможение

1.7 Особенности конденсаторно-динамического торможения

1.8 Аспекты реализации конденсаторно-динамического торможения

2. Принципиальная электрическая схема

2.1 Выбор электрооборудования, коммутационной и защитной аппаратуры

3. Принцип работы электроустановки

3.1 Последовательность действий

4. Локальная смета

5. Техника безопасности

5.1 Оказание первой медицинской помощи пострадавшему, при поражении электрическим током

Список использованной литературы

Введение

Наиболее распространенному в промышленности электроприводу с асинхронным короткозамкнутым двигателем присущи малая управляемость и низкие динамические свойства.

Малая управляемость обусловлена не только невозможностью изменения скорости в широком диапазоне при постоянной частоте питающей сети, но и трудностью реализации режимов плавного пуска, точной остановки, позиционирования и отработки малых перемещений, а возникающие при коммутации цепей двигателя знакопеременные электромагнитные моменты существенно ухудшают переходные режимы.

Одним из возможных путей повышения управляемости и улучшения динамических свойств асинхронного электропривода является воздействие на электромагнитные переходные процессы.

Проведенные в этом направлении исследования привели к разработке как общих принципов управления электромагнитными переходными процессами, так и способов их реализации.

Наибольшие трудности при этом возникают при управлении режимом замедления из-за известных недостатков классических, плохо управляемых способов торможения - противовключением и динамического. Решение задачи оказалось возможным только на базе использования принципа совмещения различных, в том числе новых способов возбуждения процесса преобразования энергии при торможении асинхронной машины.

Правильное представление о физической природе сложных электромеханических процессов управления можно получить только путем математического анализа. Невозможность в большинстве случаев линеаризации математических моделей исследуемых режимов делает необходимым применение вычислительных машин и, следовательно, разработку методики решения соответствующих нелинейных задач асинхронного электропривода.

В настоящей работе за основу взяты результаты исследований и разработок принципов управления электромагнитными переходными процессами, проведенных на кафедре электропривода и автоматизации промышленных установок Одесского политехнического института с целью создания частично управляемого бесконтактного асинхронного электропривода с хорошими динамическими свойствами. Существенный вклад в развитие этой проблемы и разработку отдельных вопросов внесли аспиранты кафедры, ныне кандидаты технических наук В.А. Ладензон, Л.В. Буштян, М.П. Обуховский, Р.Г. Подзолов, В.Н. Невольниченко, ОА. Андрющенко и А.В. Яковлев. Приоритет отдан анализу физики процессов и влияния на них основных параметров электропривода. Исследования комплекса вопросов, связанных с управлением пуском и торможением асинхронного электропривода с учетом электромагнитных переходных явлений, нельзя считать законченными и их продолжение представляется актуальным.

электромагнитный торможение конденсаторный электропривод

1. Принципы управления электромагнитными процессами при пуске и

торможении

Все режимы работы асинхронного электропривода можно разделить на нормальные и аномальные. Нормальные, или естественные режимы имеют место, когда нормальный двигатель работает при нормальных параметрах питающей сети. Нормальным называется трехфазный двигатель с симметричными магнитной и электрической цепями и параметрами, не подвергающимися принудительному изменению. Под нормальными параметрами питающей сети, или нормальными электрическими условиями понимается синусоидальное симметричное напряжение сети при постоянной частоте, соответствующее паспортным номинальным параметрам двигателя.

Остальные режимы являются аномальными или искусственными. Они могут иметь место или в аварийных случаях, или в результате сознательного их создания с целью управления асинхронным электроприводом. В последнем случае такие режимы принято называть специальными. В соответствии с принятыми определениями к нормальным режимам асинхронных электроприводов с короткозамкнутыми двигателями относятся только пуск, торможение противовключением и реверс при подключении статора на полное напряжение сети.

Остальные режимы, в том числе и режимы управления, являются специальными. Все режимы управления электроприводом сводятся к управлению ускорением и замедлением. Наиболее характерным и часто применяемым режимом ускорения является пуск. Между пуском и режимом частичного ускорения нет принципиальной разницы, как в физике переходных процессов, так и в методах их описания и анализа. Поэтому пуск рассматривается в дальнейшем как общий случай управляемого ускорения. Режимом управляемого замедления является торможение, которое применяется для форсированного уменьшения скорости электропривода или, чаще всего, для его полной остановки. В обоих случаях задачи управления замедлением идентичны. Режим реверса состоит из последовательно действующих режимов торможения и пуска. Поэтому управление реверсом не представляет самостоятельной задачи.

Режим пуска характеризуется потреблением энергии из сети и наличием вынужденных составляющих намагничивающего тока и потока. Переходные электромагнитные моменты имеют знакопеременный характер, и основная задача управления заключается в общем случае в максимальном их ограничении. Для этого необходимо, в соответствии с установленным принципом управления, уменьшать скорость изменения магнитного потока, что, возможно, осуществить тремя способами: ограничением производной потока во времени; уменьшением предела изменения магнитного потока за счет ограничения его установившегося значения, а также за счет создания его некоторого начального значения.

При постоянной частоте питающей сети единственным методом управления током намагничивания и создаваемым им магнитным потоком является воздействие на систему приложенных к двигателю напряжений. Поэтому первый способ сводится к воздействию на скорость изменения приложенного к статору двигателя напряжения, второй -- к изменению этого напряжения, а третий -- к дискретной пофазной подаче напряжения к статору двигателя для создания необходимых ненулевых начальных электромагнитных условий (НЭМУ). В момент подключения к сети на выводах статора двигателя может существовать постепенно уменьшающаяся по амплитуде и частоте ЭДС, наводимая магнитным потоком, сохранившимся от предшествующего режима. Такие вынужденные НЭМУ характерны для повторных и импульсных включений двигателя, когда пауза между следующими друг за другом включениями меньше времени полного затухания сцепленного с обмоткой ротора магнитного потока. Взаимодействие наведенной этим потоком в статорной обмотке ЭДС с напряжением сети в момент включения может значительно увеличить свободную составляющую тока намагничивания и, следовательно, усилить влияние электромагнитных переходных моментов на динамику режима.

В подобных случаях управление электромагнитными моментами заключается или в ограничении их пиков, как и при обычном пуске, или в формировании переходного момента одного знака, действующего согласно с основным моментом, развиваемым двигателем. Подобное управление возможно за счет контроля НЭМУ и включения двигателя в момент времени, когда фаза и амплитуда наведенной ЭДС имеют необходимые, вполне определенные для каждого из режимов значения.

Все тормозные режимы являются генераторными и отличаются друг от друга только способом возбуждения процесса преобразования механической энергии привода в электрическую. Поэтому характер протекания процессов торможения определяется главным образом способом возбуждения и видом возбуждающей энергии. Возбуждение тормозного режима в таких классических способах торможения, как и противовключением и динамическое производится от независимых источников соответственно переменного и постоянного тока. В обоих случаях тормозной процесс характеризуется наличием вынужденных составляющих намагничивающего тока и потока, что определяет, как и при пуске, появление знакопеременных электромагнитных переходных моментов. Торможение обычно начинается при ненулевых начальных условиях. По этой причине свободная составляющая потока и, следовательно, переходные моменты могут достигать больших значений. Поэтому основная задача управления динамикой этих тормозных режимов заключается, как и при пуске, в ограничении переходных моментов или их формировании. Идентичность задачи определяет и общность методики ее решения.

Получение тормозных режимов возможно также без потребления возбуждающей энергии от посторонних источников и, следовательно, при отсутствии вынужденных составляющих тока намагничивания и магнитного потока. В таких режимах переходные моменты могут быть одного знака и оказывать не вредное, а полезное действие, создавая дополнительный или даже основной тормозной момент.

Одним из способов торможения, в котором нет потребления возбуждающей энергии из сети, является конденсаторное, основанное на использовании явления емкостного самовозбуждения асинхронной машины. При конденсаторном торможении переход от двигательного режима к тормозному может быть не связан со скачкообразным возмущением, а скорость приращения магнитного потока ограничивается в большинстве случаев развитием процесса самовозбуждения.

Вынужденные составляющие тока намагничивания и магнитного потока в этом случае отсутствуют. Поэтому переходный момент не меняет знака и действует согласно с основным тормозным моментом. Задача управления динамикой заключается в этом случае в ограничении переходного момента и, особенно, в формировании основного тормозного момента, возникающего за счет режима самовозбуждения. Решение первой части задачи заключается, как и в предыдущих случаях, в ограничении скорости изменения магнитного поля, что, однако, не может быть реализовано рассмотренными выше способами. Вторая, основная часть задачи решается с учетом специфики режима самовозбуждения, которая должна приниматься во внимание при ограничении переходного момента. Возбуждение тормозного режима может производиться и энергией затухающего магнитного поля машины. Такой способ иногда называется торможением коротким замыканием, что связано с одним из применяемых схемных решений, когда путем замыкания накоротко статорных обмоток образуется цепь для рассеяния преобразованной электрической энергии. Более удачным, отражающим принцип и физику тормозного режима, представляется название магнитное торможение, которое и применяется в дальнейшем изложении.

При магнитном торможении затухание магнитного потока асинхронной машины, отключенной от источников электрической энергии, вызывает появление переходного момента одного знака, создающего основной тормозной эффект. Следствием этого является невозможность получения установившегося режима и отсутствие статической тормозной характеристики. Соответственно изменению характера и роли переходных моментов меняется и задача управления, которая теперь заключается, главным образом, в их формировании с целью оптимизации режима для повышения эффективности и точности торможения. Поэтому необходимо увеличивать, а не уменьшать магнитный поток и его производные. Ограничение пика переходного момента без уменьшения общего тормозного эффекта возможно путем ограничения свободных токов в цепи статора.

1.1 Возможности повышения эффективности тормозных режимов

Формирование динамических характеристик позволяет частично оптимизировать отдельные тормозные режимы, но не устраняет известные существенные недостатки каждого из четырех рассмотренных выше основных способов торможения асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Так, динамическое торможение малоэффективно из-за малого тормозного момента, развиваемого двигателем в зоне высоких скоростей. Конденсаторное торможение, напротив, создавая значительные тормозные моменты при высокой угловой скорости, вообще прекращает свое действие при низкой. Магнитное торможение действует кратковременно также только в зоне высоких угловых скоростей и не может в большинстве случаев обеспечить полную остановку привода. Торможение противовключением вызывает значительный нагрев двигателя и даже при наличии специальных устройств контроля угловых скоростей не исключает возможности реверса.

Улучшение тормозных свойств асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором и решение общей задачи получения эффективного и экономичного их торможения применительно к конкретным требованиям различных приводов оказывается возможным только на основе принципа совмещения тормозных режимов, позволившего разработать несколько новых способов эффективного комбинированного торможения.

Принципиально возможны любые комбинации четырех основных способов торможения. Однако не все они оказываются удачными. Наиболее управляемым является конденсаторное торможение, с помощью которого можно получить значительный тормозной момент при высокой угловой скорости и большой кинетической энергии, запасенной вращающимися массами привода. Поэтому на его использовании и базируются основные способы эффективного комбинированного торможения.

Наиболее эффективным и универсальным является совмещение режимов конденсаторного и динамического торможения, образующее новый способ комбинированного конденсаторно-динамического торможения (КДТ). Этот способ имеет много схемных решений, которые обусловливают значительное своеобразие и сложность тормозных режимов, что определяет особую важность управления ими.

Применение КДТ особенно эффективно для инерционных приводов. Здесь и в дальнейшем инерционными называются приводы с суммарным, приведенным к угловой скорости вала двигателя, моментом инерции всех вращающихся масс, превышающим двукратный момент инерции ротора. Привода с меньшим суммарным моментом инерции считаются малоинерционными.

Для малоинерционных приводов весьма эффективным является совмещение конденсаторного и магнитного торможения. Такой способ комбинированного торможения был в свое время назван двухступенчатым конденсаторным. Его называют также конденсаторным с коротким замыканием.

Однако наиболее правильным представляется называть его конденсаторно-магнитным торможением (КМТ). Для малоинерционных приводов эффективно и сочетание магнитного торможения с динамическим. Такой способ в дальнейшем называется магнитно-динамическим торможением (МДТ).

Возможны и другие комбинации из двух, а в отдельных случаях и из трех тормозных режимов.

Известны, например, случаи сочетания торможения противовключением с динамическим и конденсаторным, а также конденсаторного, магнитного и динамического. На рис. 1 приведены способы комбинированного торможения асинхронных короткозамкнутых двигателей, получаемые сочетанием четырех основных способов, показанных в верхнем ряду. Во втором ряду сверху расположены эффективные и рациональные способы двухступенчатого торможения, а в третьем -возможные, но малорациональные. В четвертый ряд вынесены способы трехступенчатого комбинированного торможения, применение которых оказывается рациональным в отдельных случаях. Наиболее эффективные и рациональные способы комбинированного торможения обведены более жирными линиями. Последовательность действия отдельных тормозных режимов в пределах данного комбинированного способа торможения соответствует его названию. Попутно необходимо отметить, что в принятом названии торможения "противовключением" отражается не принцип действия, а способ его схемной реализации. Учитывая, что принцип действия того или иного способа торможения определяется характером и видом возбуждающей энергией, правильнее этот способ торможения называть, например, противопольным, поскольку возбуждение тормозного режима производится за счет вращения ротора в направлении, противоположном направлению вращения магнитного поля, т. е. против поля. Такое название применяется на рис. 1, поскольку в основу таблицы положен принцип классификации по способу возбуждения тормозного режима.

Рис.1. Способы электрического торможения асинхронных короткозамкнутых двигателей.

Во всех комбинированных способах совмещаются, как правило, тормозные режимы с ненулевыми начальными условиями, которые определяют значительное влияние электромагнитных переходных моментов на тормозной процесс. Поэтому особенно важным оказывается формирование динамической характеристики с ограничением пиков переходных моментов, без чего невозможно в большинстве случаев получить высокую эффективность торможения. Способы решения этой задачи, в значительной степени зависят от конкретных схемных решений, выбор которых связан, в свою очередь, с необходимостью управления динамикой режима.

1.2 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.

Минимальную емкость, необходимую для самовозбуждения асинхронной машины в установившемся режиме при синхронной скорости ротора можно приближенно определить, принимая, что реактивное сопротивление машины равно индуктивному сопротивлению намагничивания:

. {1}

Выражение {1} получено из условия равенства приведенных к одной фазе реактивных сопротивлений-емкостного и индуктивного контура намагничивания. При переходе от идеального

холостого хода к номинальному режиму магнитный поток практически не меняется. Поэтому ток Iт0 -ток намагничивания при холостом ходе можно принять равным Iтн -току намагничивания при номинальной нагрузке, легко определяемому по каталожным данным.

Рис. 2. Схемы симметричного трехфазного (а), несимметричных двухфазного (б) и однофазного (в) подключений конденсаторов к обмоткам статора двигателя.

Емкость, необходимую для полной компенсации тока намагничивания при номинальной нагрузке и определяемую соответственно выражением:

. (мкФ) {1}

удобно называть номинальной. Номинальная емкость при стандартной частоте сети

(мкФ) {2}

Выражения {1} и {2} справедливы при условии, что конденсаторы включены по той же схеме, что и обмотки статора асинхронной машины.

Для уменьшения суммарной емкости конденсаторы обычно включаются треугольником, как показано на рис. 2,а. В этом случае при стандартном номинальном напряжении 380 В и соединении обмоток статора звездой номинальная емкость:

CH=4,85*, (мкФ) {3}

1.3 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--0,02 с.

1.4 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.

Емкость конденсаторов может в обоих случаях распределяться по фазам симметрично и несимметрично. Для увеличения тормозного эффекта в статорную цепь последовательно или параллельно конденсаторам могут включаться резисторы. Основные возможные схемы реализации конденсаторного торможения приведены на рис. 3. В схемах рис. 3,а, ж, з конденсаторы подключены наглухо и симметрично, а в схемах рис. 3, б, в -- несимметрично. В схемах рис. 3, г, и, к симметрично соединенные конденсаторы включаются тормозным контактором Т после отключения двигателя от сети линейных контактором Л. В схемах рис. 3, д, e такие же контакторы коммутируют несимметрично включенные конденсаторы.

При наиболее часто применяемых емкостях разряд конденсаторов имеет колебательный характер. Возникающие при этом в статорной цепи свободные токи создают круговое поле с угловой скоростью, меньшей скорости ротора, поэтому асинхронная машина работает в генераторном режиме. Передаваемая с ротора энергия и возникающий тормозной момент зависят от разности между этими скоростями.

Передаваемая с ротора энергия в начале процесса расходуется в основном на приращение энергии магнитного поля и, если скорость двигателя поддерживается постоянной, то тормозной момент достигает максимального значения при наибольшем приращении энергии, что соответствует наибольшей скорости изменения магнитного потока. Когда поток достигает установившегося значения, электромагнитный переходный процесс прекращается и тормозной момент уменьшается до значения, соответствующего установившемуся генераторному режиму, возникающему за счет самовозбуждения, при котором энергия расходуется только в основном на покрытие потерь в меди и стали статора.

Рис. 3

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.

1.5 Управление режимом торможения

Анализ динамики конденсаторного торможения показывает, что при торможении с глухоподключенными конденсаторами в начальной стадии тормозного процесса преобладают составляющие, обусловленные приращением энергии магнитного поля машины и определяющие пики тормозного момента.

При подключении возбужденного двигателя к незаряженным конденсаторам даже при минимальном времени коммутации первый пик момента значительно меньше, чем при глухом подключении конденсаторов, а второй пик из-за меньшей скорости нарастания колебаний режима самовозбуждения вообще не возникает. При подключении невозбужденного двигателя к заряженному конденсатору переходные составляющие момента из-за демпфирующего влияния ротора еще меньше. Наименьшее значение они имеют в случае, когда самовозбуждение развивается при начальных условиях близких к нулевым. Первая составляющая переходной момента в этом случае вообще не возникает, а вторая из-за малой скорости нарастания колебаний имеет минимальное значение. При несимметричном подключении конденсаторов замедление скорости нарастания колебаний по сравнению с симметричным подключением также приводит к значительному уменьшению переходных составляющих момента.

Воздействие на составляющие тормозного момента позволяет в определенной степени управлять тормозным процессом, формируя необходимые его характеристики. Задачи управления в этом случае могут заключаться в ограничении переходных составляющих момента и в формировании его составляющей, определяемой эффектом самовозбуждения. Решение первой задачи связано, как и при управлении пуском, с ограничением скорости нарастания магнитного потока машины. Вторая задача решается с учетом рассмотренных выше особенностей режима емкостного самовозбуждения. При торможении с глухоподключенными конденсаторами первые пики переходного тормозного момента зависят только от емкости конденсаторов и параметров двигателя. Поэтому ограничение моментов возможно за счет уменьшения емкости.

Большие возможности управления представляет подключение конденсаторов после отключения двигателя от сети. Изменяя время коммутации статорных цепей двигателя, можно подключать конденсаторы при меньших значениях незатухшего магнитного потока машины и, следовательно, меньшей ЭДС на выводах обмотки статора. В этом случае в начальной стадии переходного процесса наблюдается некоторое уменьшение потока. Это небольшое ограничение скорости нарастания потока оказывается достаточным для значительного уменьшения пика переходного момента. Уменьшение незатухшей ЭДС до 0,2 Uн за счет увеличения промежутка времени между отключением двигателя от сети и подключением незаряженных конденсаторов не приводит к заметному снижению быстродействия привода, так как в этом случае основное влияние на тормозной процесс оказывает составляющая момента, обусловленная режимом самовозбуждения. Уменьшение ЭДС приводит к более плавному характеру нарастания момента и снижения скорости двигателя. Максимальное значение переходного момента также уменьшается. Ограничение пика переходного момента может быть достигнуто также подключением невозбужденного двигателя с полностью затухшим полем к предварительно заряженным конденсаторам. Энергия, запасаемая трехфазной батареей конденсаторов, не зависит от момента времени, при котором отключается напряжение, поэтому пик переходного момента двигателя, определяемый разрядом конденсаторов на обмотки статора, инвариантен относительно момента подключения. Пик переходного момента и интенсивность торможения в этом случае меньше, чем при отключении от сети двигателя с глухоподключенными конденсаторами, что объясняется размагничивающим влиянием ротора, ток в котором и связанный с ним поток в начале торможения равны нулю.

Наиболее целесообразным методом формирования переходного момента является двухступенчатое подключение конденсаторов. К двигателю глухо подключается конденсатор с небольшой емкостью (2--3) Сн. После отключения двигателя от сети к его выводам подключается вторая группа конденсаторов с емкостью, необходимой для получения заданных показателей эффективности торможения.

Увеличение составляющих тормозного момента, обусловленных явлением самовозбуждения, может быть достигнуто, включением в цепь статора дополнительных резисторов. Глухое подключение дополнительных резисторов нецелесообразно, так как при сопротивлении, обеспечивающем максимальный тормозной эффект, оказываются значительными потери энергии. Поэтому при глухом присоединении конденсаторов подключение резисторов следует осуществлять согласно схемам рис. 3. Параллельное подключение резисторов по схеме рис. 3,з происходит через промежуток времени, равный собственному времени срабатывания тормозного контактора. За это время переходный момент достигает своего максимального значения, соответствующего глухому подключению конденсаторов. При последовательном включении согласно схеме рис. 3, ж обеспечивается ограничение максимального момента.

Последовательное включение резисторов эквивалентно соответствующему увеличению активного сопротивления статора.

Максимальный тормозной момент и эффективность торможения в целом при постоянном значении емкости зависят от сопротивления резисторов. Эта зависимость имеет экстремальный характер. За счет увеличения активной составляющей тока уменьшаются намагничивающая составляющая, магнитный поток и напряжение на конденсаторах. Тот же тормозной момент достигается при меньшем токе статора двигателя. Увеличение момента от введения оптимального сопротивления тем больше, чем меньше емкость и, следовательно, начальный тормозной момент. При последовательном подключении резисторов с таким же сопротивлением тормозной момент возрастает меньше, чем при параллельном подключении. Уменьшается при этом также напряжение на конденсаторах.

Оптимальные значения сопротивлений, дающих наибольший прирост начального тормозного момента по статической характеристике и тормозного эффекта в динамике, несколько расходятся. Это расхождение уменьшается по мере увеличения приведенного момента инерции привода и, следовательно, габаритов двигателей, поскольку при этом возрастает момент инерции ротора. Зона экстремума момента является достаточно широкой и малокритичной по отношению к моменту инерции привода. Поэтому представляется возможным получить усредненную зависимость оптимального сопротивления резисторов от емкости симметрично включенных конденсаторов.

Изменяя сопротивления резисторов и схемы подключения резисторов и конденсаторов, можно существенно изменять мгновенное и среднее значения тормозного момента и, таким образом, получать желаемый характер тормозного процесса. Составляющая тормозного момента, обусловленная режимом самовозбуждения, может быть увеличена включением катушек индуктивности между обмотками двигателя и конденсаторами. Однако из-за больших габаритов катушек индуктивности и заметного повышения напряжения на конденсаторах применение резисторов является более целесообразным. При необходимости одновременного торможения двух двигателей, работающих на один вал, может оказаться целесообразным увеличение индуктивности за счет последовательного включения их статорных обмоток [23].

Наиболее громоздкой и дорогостоящей частью тормозного устройства являются конденсаторы. Применение металлобумажных конденсаторов существенно уменьшает габариты и стоимость конденсаторной батареи. Еще больший эффект достигается использованием электролитических конденсаторов, которые на порядок дешевле и меньше металлобумажных.

Существуют две группы электролитических конденсаторов -- полярные и неполярные. Последние предназначены для работы в цепях переменного тока и могут се успехом использоваться в тормозных устройствах. (Однако ограниченность выпуска этих конденсаторов делает более реальным применение самых дешевых и распространенных сухих полярных электролитических конденсаторов (СЭК). Возможность и практическая целесообразность использования СЭК для конденсаторного торможения доказана проведенными исследованиями и «опытом длительной эксплуатации [30]. Для предупреждения перегрева, вызываемого длительным приложением переменного напряжения, и связанного с ним разрушения оксидного слоя СЭК для конденсаторного торможения их следует подключать к статорной обмотке двигателя после отключения сети. При этом к конденсаторам кратковременно прикладывается генерируемое асинхронной машиной переменное напряжение с непрерывно уменьшающейся амплитудой и частотой. При многократном приложении такого напряжения происходит оксидирование катодной пластины, которая постепенно приобретает свойства анодной, в результате чего происходит деполяризация СЭК. После окончания деполяризации СЭК по своим свойствам эквивалентен обычному бумажномасляному конденсатору.

Рис. 4. Эквивалентные схемы асинхронной машины с лараллельно включенными резисторами (о) и электролитическими конденсаторами (б), а также схемы замещения электролитических конденсаторов (виг).

В полярном конденсаторе сопротивление запирающего слоя R3п во много раз больше сопротивления в прямом направлении Rnp, что позволяет упростить схему замещения, исключив R3п и диод 1 В. Кроме того, rэ<<хс, а для СЭК с высоким номинальным напряжением Rnр пренебрежимо мало. Поэтому схема замещения может быть упрощена еще больше, как это показано на рис.4,г. Процесс деполяризации имитируется увеличением сопротивления rэ, которое реально изменяется в 10--20 раз. В процессе деполяризации сопротивление электролита разных СЭК меняется не в одинаковой степени, а ГОСТ, кроме того, допускает отклонение фактических значений емкостей от номинального значения на ±20%. С учетом этого эквивалентная расчетная схема при включении СЭК треугольником принимает вид, показанный на рис.4,б.

Токи через диоды протекают при соблюдении условий

Ucc--Uca>0; Uca--Ucb>0; Uсс-Uсв>0. {4}

Если СЭК не подвергался действию переменного тока, то по схеме замещения рис.4,г емкость оказывается в один полупериод зашунтированной малым сопротивлением электролита гэ. Поэтому к каждой фазе прикладывается выпрямленное однополупериодное напряжение, под действием которого по обмоткам симметричной машины без нулевого провода протекают токи только основной частоты и ее четных гармоник. Токи основной частоты и второй гармоники создают потоки, вращающиеся в разные стороны. Соответственно тормозной момент содержит постоянную и переменную тройной частоты составляющие. Гармоники более высокого порядка не оказывают ощутимого влияния на работу двигателя.

Деполяризация СЭК под действием переменного напряжения превращает его в симметричный элемент, что эквивалентно увеличению гэ в схеме замещения. При полной деполяризации гэ = ?, поэтому СЭК становится эквивалентным обычному бумажномасляному конденсатору, и переменная составляющая момента двигателя полностью исчезает.

Можно отметить, что для двигателей мощностью до 10 кВт применение СЭК уменьшает габариты тормозного устройства примерно в 30--40 раз и стоимость в 15--18 раз. Меньшие цифры относятся к двигателям большей мощности. [27-30]

Успешное применение СЭК возможно в схемах торможения, обеспечивающих их подключение только после отключения двигателя от сети и исключающих возможность даже кратковременного приложения напряжения сети к конденсаторам. При повторно-кратковременном режиме должны применяться СЭК с номинальным напряжением на 10--20% выше максимального напряжения, которое может иметь место в процессе торможения. Возможность работы СЭК с заданной частотой включений необходимо проверять их тепловым расчетом и определением допустимого числа торможений в единицу времени по методике, разработанной в [30].

Расчеты и эксперименты показывают, что для двигателей мощностью до 1 кВт возможно поглощение более 85% кинетической энергии, запасаемой ротором двигателя при синхронной скорости. С увеличением мощности двигателя энергия, запасаемая в его магнитном поле, растет медленнее, чем момент инерции ротора. Поэтому эффективность торможения снижается. Однако даже у двигателей мощностью 5--7 кВт возможно поглощение более 65% запаса кинетической энергии. При номинальном напряжении на выводах статора в момент короткого замыкания пики момента в среднем составляют (4--5)MS для 6-полюсных и (6,5--7,5) МS для четырехполюсных двигателей. Пики тормозного момента достигают максимума в течение первого полупериода после замыкания обмоток и вызывают весьма интенсивное снижение скорости, которое продолжается не более 0,02--0,06 с независимо от мощности двигателя и инерционности привода. Поэтому тормозной путь весьма мал и для вала двигателя составляет доли одного оборота.

Рис. 5. Схемы устройств для магнитного торможения с токоограничивающим (а) и с разрядным (б) резисторами, а также для магнитно-динамического торможения (в).

Уменьшение пиков момента в 1,5--2 раза без уменьшения количества поглощаемой кинетической энергии и эффективности торможения достигается введением в цепь статора добавочных активных сопротивлений. Для уменьшения пика момента примерно в 2 раза добавочное сопротивление должно превышать сопротивление обмотки статора в 4--5 раз.

Для увеличения эффективности магнитного торможения необходимо увеличивать начальный запас электромагнитной энергии, что может быть достигнуто повышением напряжения на выводах двигателя перед торможением при помощи, например, переключения со звезды на треугольник или включением конденсаторов. Магнитное торможение рационально применять для интенсивного поглощения основной части кинетической энергии вращающихся масс малоинерционных приводов небольшой мощности и разгрузки механических тормозов или фиксаторов при точной остановке, реализация этого способа торможения при контакторном управлении может осуществляться по схемам рис. 5,а и б [8].

Применять магнитное торможение наиболее целесообразно для повышения эффективности и точности других способов торможения. Например, предварительное снижение скорости двигателя перед подачей в его обмотки постоянного тока значительно повышает эффективность динамического торможения, а перед реверсом-- допустимое число торможений противовключением, уменьшая одновременно влияние электромагнитных переходных моментов.

Одна из возможных схем реализации эффективного магнитно-динамического торможения (МДТ) при контакторном управлении приведена на рис. 5,в [6]. Распространение МДТ для торможения приводов малой мощности привело к появлению большего числа различных схемных решений, особенно в связи с развитием тиристорной техники. [15, 44, 46 и др.].

При МДТ подачу постоянного тока можно производить после полного затухания магнитного потока и прекращения действия первой ступени торможения. В этом случае динамическое торможение начинается при нулевых начальных электромагнитных условиях без возникновения переходных составляющих момента, что обеспечивает плавность и высокую повторяемость процесса торможения. Особенно увеличивается точность остановки за счет резкого уменьшения тормозного пути. Исследования показали, что применение МДТ для малоинерционных приводов мощностью до 7 кВт вместо чисто динамического торможения при одном и том же значении выпрямленного тока уменьшает время торможения в 1,4--2 раза, а тормозной путь соответственно в 3--4 раза. Большие цифры относятся к двигателям меньшей мощности. Для приводов мощностью меньше 1 кВт эти показатели уменьшаются еще значительнее.