Что такое рекуперативный режим двигателя

Онлайн журнал электрика

Статьи по электроремонту и электромонтажу

• Справочник электрика
  • Бытовые электроприборы
  • Библиотека электрика
  • Инструмент электрика
  • Квалификационные характеристики
  • Книги электрика
  • Полезные советы электрику
  • Электричество для чайников
• Справочник электромонтажника
  • КИП и А
  • Полезная информация
  • Полезные советы
  • Пусконаладочные работы
• Основы электротехники
  • Провода и кабели
  • Программа профессионального обучения
  • Ремонт в доме
  • Экономия электроэнергии
  • Учёт электроэнергии
  • Электрика на производстве
• Ремонт электрооборудования
  • Трансформаторы и электрические машины
  • Уроки электротехники
  • Электрические аппараты
  • Эксплуатация электрооборудования
• Электромонтажные работы
  • Электрические схемы
  • Электрические измерения
  • Электрическое освещение
  • Электробезопасность
  • Электроснабжение
  • Электротехнические материалы
  • Электротехнические устройства
  • Электротехнологические установки

Тормозные режимы асинхронных двигателей

Асинхронный движок может работать в последующих тормозных режимах: в режиме рекуперативного торможения, противовключения и динамическом.

Рекуперативное торможение асинхронного мотора

Режим рекуперативного торможения осуществляется в этом случае, когда скорость ротора асинхронного мотора превосходит синхронную.

Режим рекуперативного торможения фактически применяется для движков с переключением полюсов и в приводах грузоподъемных машин (подъемники, экскаваторы и т.п.).

При переходе в генераторный режим вследствие конфигурации знака момента меняет символ активная составляющая тока ротора. В данном случае асинхронный движок дает активную мощность (энергию) в сеть и потребляет из сети реактивную мощность (энергию), нужную для возбуждения. Таковой режим появляется, к примеру, при торможении (переходе) двухскоростного мотора с высочайшей на низкую скорость, как показано на рис. 1 а.

Рис. 1. Торможение асинхронного мотора в основной схеме включения: а) с рекуперацией энергии в сеть; б) противовключением

Представим, что в начальном положении движок работал на характеристике 1 и в точке а, вращаясь со скоростью ωуст1 . При увеличении числа пар полюсов движок перебегает на характеристику 2, участок бс которой соответствует торможению с рекуперацией энергии в сеть.

Тот же вид торможения может быть реализован в системе преобразователь частоты – движок при останове асинхронного мотора либо при переходе с свойства на характеристику. Для этого осуществляется уменьшение частоты выходного напряжения, а тем синхронной скорости ωо = 2π f / p .

В силу механической инерции текущая скорость мотора ω будет изменяться медлительнее чем синхронная скорость ωо , и будет повсевременно превосходить скорость магнитного поля. Из-за этого и появляется режим торможения с отдачей энергии в сеть .

Рекуперативное торможение также может быть реализовано в электроприводе грузоподъемных машин при спуске грузов. Для этого движок врубается в направлении спуска груза (черта 2 рис. 1 б).

После окончания торможения он будет работать в точке со скоростью – ωуст2 . При всем этом осуществляется процесс спуска груза с отдачей энергии в сеть.

Рекуперативное торможение является более экономным видом торможения.

Торможение асинхронного электродвигателя противовключением

Перевод асинхронного мотора в режим торможения противовключением может быть выполнен 2-мя способами. Какой-то из них связан с конфигурацией чередования 2-ух фаз питающего электродвигатель напряжения.

Допустим, что движок работает на характеристике 1 (рис. 1 б) при чередовании фаз напряжения АВС. Тогда при переключении 2-ух фаз (к примеру, В и С) он перебегает на характеристику 2, участок аб которой соответствует торможению противовключением.

Обратим внимание на то событие, что при противовключении скольжение асинхронного мотора меняется от S = 2 до S = 1.

Ротор при всем этом крутится против направления движения поля и повсевременно замедляется. Когда скорость спадает до нуля, движок должен быть отключен от сети, по другому он может перейти в двигательный режим, при этом ротор его будет крутиться в направлении, оборотном предшествующему.

При торможении противовключением токи в обмотке мотора могут в 7–8 раз превосходить надлежащие номинальные токи. Приметно миниатюризируется коэффициент мощности мотора. О КПД в этом случае гласить не приходится, т.к. и преобразуемая в электронную механическая энергия и энергия, потребляемая из сети, рассеиваются в активном сопротивлении ротора, и полезно применяемой энергии в этом случае нет.

Короткозамкнутые движки краткосрочно перегружаются по току. Правда, у их при (S > 1) вследствие явления вытеснения тока приметно растет активное сопротивление ротора. Это приводит к уменьшению и повышению момента.

С целью роста эффективности торможения движков с фазным ротором в цепи их роторов вводят дополнительные сопротивления, что позволяет ограничить токи в обмотках и прирастить момент.

Другой путь торможения противовключением может быть применен при активном нраве момента нагрузки, который создается, к примеру, на валу мотора грузоподъемного механизма.

Допустим, что требуется выполнить спуск груза, обеспечивая его торможение при помощи асинхронного мотора. Для этого движок методом включения в цепь ротора дополнительного резистора (сопротивления) переводится на искусственную характеристику (ровная 3 на рис. 1).

Вследствие превышения моментом нагрузки Мс пускового момента Мп мотора и его активного нрава груз может опускаться с установившейся скоростью – ωуст2 . В этом режиме торможение скольжения асинхронного мотора может изменяться от S = 1 до S = 2.

Динамическое торможение асинхронного мотора

Для динамического торможения обмотки статора движок отключают от сети переменного тока и подключают к источнику неизменного тока, как это показано на рис. 2. Обмотка ротора при всем этом может быть закорочена, либо в ее цепь врубаются дополнительные резисторы с сопротивлением R2д.

Рис. 2. Схема динамического торможения асинхронного мотора (а) и схема включения обмоток статора (б)

Неизменный ток Iп, значение которого может регулироваться резистором 2, протекает по обмоткам статора и делает относительно статора недвижное магнитное поле. При вращении ротора в нем наводится ЭДС, частота которой пропорциональна скорости. Эта ЭДС, в свою очередь, вызывает возникновение тока в замкнутом контуре обмотки ротора, который делает магнитный поток, также недвижный относительно статора.

Взаимодействие тока ротора с результирующим магнитным полем асинхронного мотора делает тормозной момент, за счет которого достигается эффект торможения. Движок в данном случае работает в режиме генератора независимо от сети переменного тока, преобразовывая кинетическую энергию передвигающихся частей электропривода и рабочей машины в электронную, которая рассеивается в виде тепла в цепи ротора.

На рисунке 2 б показана более всераспространенная схема включения обмоток статора при динамическом торможении. Система возбуждения мотора в этом режиме является несимметричной.

Для проведения анализа работы асинхронного мотора в режиме динамического торможения несимметричную систему возбуждения подменяют симметричной. С этой целью принимается допущение, что статор питается не неизменным током Iп, а неким эквивалентным трехфазным переменным током, создающим такую же МДС (магнитодвижущую силу), что и неизменный ток.

Электромеханическая и механические свойства представлены на рис. 3.

Рис. 3. Электромеханическая и механические свойства асинхронного мотора

Черта размещена на рисунке в первом квадранте I, где s = ω / ωo – скольжение асинхронного мотора в режиме динамического торможения. Механические свойства мотора размещены во 2-м квадранте II.

Разные искусственные свойства асинхронного мотора в режиме динамического торможения можно получить, изменяя сопротивление R2 д дополнительных резисторов 3 (рис. 2) в цепи ротора либо неизменный ток I п, подаваемый в обмотки статора.

Варьируя значения R2 д и I п, можно получить хотимый вид механических черт асинхронного мотора в режиме динамического торможения и, тем, подобающую интенсивность торможения асинхронного электропривода.

Торможение противовключением асинхронных двигателей.

Способы электрического торможения электроприводов

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

• противовключения;
• динамический;
• рекуперативный.

Противовключения

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

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

На нижеприведенном рисунке представлена схема противовключения асинхронного электромотора.

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

Динамическая остановка электропривода

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

На вышеприведенном рисунке представлена схема торможения трехфазного двигателя постоянным током.

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

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

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

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

Схема приведена на нижеприведенном рисунке.

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

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

На нижеприведенном рисунке представлена схема с токоограничивающими резисторами.

Схемы торможения двигателей постоянного тока

При остановке и реверсировании двигателей постоянного тока (ДПТ) применяется электрическое (динамическое и противовключением) и механическое торможения. При динамическом торможении схема отключает обмотку якоря от сети и замыкает ее на тормозной резистор с одной или несколькими ступенями. Управление динамическим торможением производится с заданием времени или с контролем скорости. Для управления моментом ДПТ с заданием времени в режиме динамического торможения применяется узел схемы, приведенный на рис. 1, а, составленный для управления торможением ДПТ с независимым возбуждением с одной ступенью тормозного резистора R2.

Рис. 1. Схема, осуществляющая одноступенчатое (а) и трехступенчатое (б) динамическое торможение двигателя постоянного тока с управлением по времени и пусковая диаграмма трехступенчатого торможения (в).

Команда на перевод ДПТ в режим динамического торможения в приведенной схеме подается от кнопки SB1. При этом линейный контактор КМ1 отключает якорь двигателя от напряжения сети, а тормозной контактор КМ2 подключает к нему тормозной резистор. Команду на отсчет времени процесса динамического торможения для реле торможения КТ подает линейный контакторам КМ1, выполняющий предыдущую операцию в схеме перед началом динамического торможения. В качестве тормозного реле используется электромагнитное реле времени постоянного тока.

Схема может применяться для управления ДПТ с независимым возбуждением и ДПТ с последовательным возбуждением, но в последнем случае — с реверсом тока в последовательной обмотке возбуждения.

Управление динамическим торможением с заданием времени чаще используется при многоступенчатом торможении, когда применяется несколько реле времени, подающих команды на последовательное выведение ступеней тормозного резистора (как при пуске). Узел такой схемы, составленный для ДПТ с независимым возбуждением с тремя ступенями тормозного резистора, приведен на рис. 1, б.

Последовательное включение ступеней торможения осуществляют контакторы КМ2, КМ3, КМ4, управляемые от электромагнитных реле времени КТ1, КТ2 и КТ3. Управляющая команда на начало торможения в схеме подается кнопкой SB1, которая отключает контактор КМ1 и включает КМ2.

Дальнейшая последовательность включения контакторов КМ3, КМ4 и отключения КМ2 в конце процесса торможения определяется настройкой реле торможения КТ2, КТ3 и КТ1, обеспечивающих переключения при значениях тока I1 и I2, как показано на рис. 1, в. Приведенная схема управления может применяться и для управления двигателем переменного тока в режиме динамического торможения.

При одноступенчатом динамическом торможении наибольшее распространение получило управление моментом с контролем скорости. Узел такой схемы приведен на рис. 2. Контроль скорости осуществляет реле напряжения KV, обмотка которого подключена на якорь ДПТ.

Рис. 2. Схема управления динамическим торможением двигателя постоянного тока с контролем скорости.

Это реле, отключающееся при низкой скорости, подает команду на отключение контактора КМ2 и окончание процесса торможения. Напряжение отпадания реле KV соответствует скорости, составляющей примерно 10—20 % установившегося начального значения:

Практически реле KV настраивается так, чтобы контактор торможения отключался при скорости, близкой к нулю. Так как реле торможения должно отключаться при низких значениях напряжения, то в качестве него выбирается реле напряжения с низким коэффициентом возврата типа РЭВ830.

При торможении двигателей в режиме противовключения, которое чаще всего используется в реверсивных схемах, применение управления с контролем скорости оказывается наиболее простым и надежным.

Узел управления ДПТ СВ в режиме торможения противовключением с одной ступенью тормозного резистора приведен на рис. 3. Тормозной резистор состоит из условно принятой пусковой ступени R2 и ступени противовключения R1. Управляющая команда на реверс с предварительным торможением противовключением в приведенной схеме подается от командоконтроллера SM.

Управление режимом торможения и выдача команды на его окончание производят реле противовключейния KV1 и KV2, в качестве которых используются реле напряжения типа РЭВ821 или РЭВ84. Реле настраиваются на напряжение втягивания из расчета включения его при скорости двигателя, близкой к нулю (15—20 % установившейся скорости):

где Uс — напряжение питающей сети, Rx — часть сопротивления, на которую подключается обмотка реле противовключения (KV1 или KV2), R — полное сопротивление якорной цепи.

Рис. 4. Узел схемы управлении торможением противовключением двигателя постоянного тока с контролем скорости.

Точка присоединения обмоток реле к пусковому и тормозному резистору, т. е. значение Rx, находится из условия отсутствия напряжения на реле в начале торможения, когда

где ωнач — угловая скорость двигателя в начале торможения.

Отключенное состояние замыкающего контакта реле противовключения в процессе всего периода торможения обеспечивает наличие в якорной цепи ДПТ полного тормозного сопротивления, определяющего допустимый тормозной ток. В конце торможения реле KV1 или KV2, включаясь, подает команду на включение контактора противовключения КМ4 и разрешает начало реверсирования после окончания торможения.

Рекуперативное торможение электрических машин

Рекуперативное торможение электродвигателя характеризуется переводом двигателя в генераторный режим. При этом вырабатываемая электроэнергия возвращается в сеть или используется для подзарядки аккумулятора.

Этот режим широко применяется в электровозах, электричках, трамваях и троллейбусах. В момент торможения, вырабатываемая электроэнергия возвращается в электрическую сеть.

Режим рекуперативного торможения применяется для подзарядки аккумуляторов в гибридных автомобилях, электромобилях, электросамокатах, электровелосипедах.

Этот режим является наиболее экономичным и возможен при условии: если частота вращения ротора превышает частоту вращения холостого хода. Это условие выполняется, когда ЭДС электродвигателя превышает напряжение питающей сети. А ток якоря и магнитный поток меняют свое направление. Электрическая машина переходит в генераторный режим, возникает момент торможения.

На рисунке представлена схема торможения тягового двигателя а) с независимым возбуждением и стабилизирующим сопротивлением, б) с противовозбуждением возбудителя.

Торможение двигателей постоянного тока

Для быстрого торможения двигателя его переводят в режим, при котором электромагнитный момент изменяет направление. Различают три способа торможения: 1) динамическое; 2) генераторное (рекуперативное); 3) противовключением.

При динамическом торможении якорь отключают от питающего напряжения и замыкают на реостат R

т (рис.
а
). Из уравнения для якорной цепи 0 =
Е
+ (
R
я +
R
т)
I
я следует, что ток
I
я, а значит и момент
М
, изменяют направление (рис.,
б
). Поскольку частота
n
не может изменяться скачком, то в момент переключения рабочая точка из
а
1 по горизонтали переходит в
а
2 и затем, замедляясь по наклонной прямой, в точку останова 0.

Рекуперативное торможение происходит при наличии условия E

>
U
. Из уравнения
U
=
E
+
I
я
R
я следует, что при этом
I
я, а значит и
M
, становятся отрицательными, что может наблюдаться при спуске двигателем груза или ходе под уклон трамвая. Якорь может набрать частоту
n
>
n
. На рис. 3.82,
в
это соответствует движению рабочей точки из позиции
а
1, через точку
n
в
а
2, т. е. переходу машины из двигательного режима (
M
> 0) в генераторный (
M

Режим рекуперации в асинхронных электрических машинах

Режим рекуперации применяется не только в двигателях постоянного тока. Его можно применять и в асинхронных двигателях.

При этом такой режим возможен в следующих случаях:

1. Если изменить частоту питающего напряжения при помощи частотного преобразователя. Что возможно при условии питания асинхронного электродвигателя от устройства с возможностью регулирования частоты питающей сети. Эффект торможения наступает при уменьшении частоты питающего напряжения. При этом переход в генераторный режим происходит, когда скорость вращения ротора становится больше номинальной (синхронной).
2. Асинхронные машины, которые конструктивно имеют возможность переключения обмоток, для изменения скорости.
3. В грузоподъёмных механизмах, где применяется силовой спуск. В них монтируется электромотор с фазным ротором. В этом случае скорость регулируется с помощью изменения величины резистора, подсоединяемого к обмоткам ротора. Магнитный поток начинает обгонять поле статора, а скольжение становится больше 1. Электромотор переходит в режим генератора, вырабатываемая электроэнергия возвращается в сеть, возникает тормозной эффект.

Торможение асинхронного двигателя противовключением

При торможении противовключением изменяют порядок чередования фаз на статоре электродвигателя.

Тормозная характеристика асинхронного двигателя при торможении противовключением.

Допустим двигатель работал при моменте Mс в точке a естественной механической характеристики. В момент изменения порядка чередования фаз происходит бросок тока, и двигатель переходит работать в точку a’. Затем скорость двигателя начинает снижаться до нуля.

Отрезок a’b – участок тормозной характеристики асинхронного двигателя в режиме противовключения. В точке b статор двигателя нужно обязательно отключить от сети, иначе произойдет реверс.

Для крановых механизмов можно использовать еще один способ торможения противовключением. Он называется силовой спуск. Этот способ торможения осуществляется под действием производственного механизма, когда двигатель включается на подъем, а груз опускается под действием собственной силы тяжести. Этот режим можно выполнять только на искусственной реостатной характеристике с введенными сопротивлениями в цепь ротора.

Комбинированный режим

Комбинированные тормозные режимы применяются в электрических машинах, если необходимо быстро остановить и зафиксировать механизм. Для этого используют механический блок торможения в комбинации с электрическим торможением. Комбинация может быть различной. Это может быть и электрическая схема с противовключением, динамическим и рекуперативным режимами.

Вот мы и рассмотрели основные способы и схемы торможения электродвигателей. Если возникнут вопросы, задавайте их в комментариях под статьей!

Пуск и тормозные режимы двигателя постоянного тока независимого возбуждения ДПТ НВ

Ответственным моментом при эксплуатации двигателей постоянного тока является их пуск. При включении двигателя в сеть в начальный момент ток в цепи якоря ограничивается лишь электрическим сопротивлением цепи якоря, так как в неподвижном якоре ЭДС не индуцируется. Поэтому начальный пусковой ток при непосредственном включении двигателя в сеть может достигать опасных значений, способных нарушить работу щеточно- коллекторного узла и вызвать «круговой огонь» на коллекторе. Кроме того, такой ток создаст чрезмерно большой пусковой момент, оказывающий на вращающиеся части электропривода ударное воздействие, способное вызвать их механическое разрушение. Эффективным средством ограничения пускового тока в двигателях постоянного тока является применение пусковых реостатов. Существует два метода расчета пусковых реостатов: графический и аналитический.

Графический метод расчета пусковых реостатов

В основе графического метода лежит пусковая диаграмма двигателя. Пусковая диаграмма, представленная на рис. 13.14, совмещена с трехступенчатым пусковым реостатом; K1, К2 и КЗ являются контактами силовых контакторов, посредством которых осуществляется переключение ступеней реостата, а r_доб1, r_доб2 и r_доб3 — резисторы ступеней пускового реостата. Механические характеристики 1, 2, 3 соответствуют ступеням пускового реостата R_ПР1, R_ПР2 и R_ПР3. Значения начального пускового тока I₁ и тока переключений реостатов I₂ обычно принимают

при этом ток переключений I₂ должен быть не меньше тока нагрузки, соответствующего статическому моменту сопротивления нагрузки М_С, на вал двигателя. Для двигателей специального назначения, с тяжелыми условиями работы, например двигателей краново-металлургических серий, указанные значения токов могут быть увеличены.

Аналитический метод расчета пусковых реостатов

При аналитическом методе расчет сопротивлений резисторов пускового реостата ведут по формулам:

В этих выражениях λ = I₁/I₂ представляет собой отношение начального пускового тока I₁ к току переключений I₂. При работе двигателя от регулируемого преобразователя напряжения необходимость в пусковом реостате отпадает, так как пуск двигателя можно начинать с любого пониженного значения напряжения на обмотке якоря в соответствии с допустимым значением начального пускового тока.

Тормозные режимы двигателей постоянного тока независимого возбуждения дпт нв

Помимо основного (двигательного) режима работы в двигателях постоянного тока независимого (параллельного) возбуждения возможны тормозные режимы.

Генераторное рекуперативное торможение

Этот режим наступает, когда частота вращения якоря превышает частоту вращения холостого хода n₀.

В этих условиях ЭДС машины Е_а = с_еФn₀ превышает напряжение питающей сети (Еа > Uном), при этом ток якоря, а следовательно, и электромагнитный момент меняют свое направление на противоположное. В итоге машина постоянного тока переходит в генераторный режим и вырабатываемую при этом электроэнергию отдает в сеть. Электромагнитный момент двигателя становится тормозящим и противодействует внешнему вращающему моменту, создаваемому силами инерции вращающего с прежней скоростью якоря (рис. 13.15, а). Этот процесс торможения будет продолжаться до тех пор, пока частота вращения якоря, уменьшаясь, не достигнет значения n_0.

Таким образом, для перехода двигателя в режим генераторного рекуперативного торможения не требуется изменений в схеме включения двигателя.

Генераторное рекуперативное торможение — наиболее экономичный вид торможения, так как он сопровождается возвратом энергии в сеть. Применение этого способа торможения является эффективным энергосберегающим средством в электроприводе Он целесообразен в электротранспортных средствах, работа которых связана с частыми остановками и движением под уклон. В этом случае кинетическая энергия движения транспортного средства (трамвай, троллейбус, электропоезд) преобразуется в электрическую энергию и возвращается в сеть.

Возможен способ перевода двигателя в режим генераторного рекуперативного торможения и при установившейся частоте вращения якоря. Для этого необходимо увеличить в двигателе магнитный поток возбуждения, т.е. ток в обмотке возбуждения.

Из выражения ЭДС якоря Е_а = с_еФn следует, что с ростом магнитного потока возбуждения Ф при неизменной частоте вращения n ЭДС якоря Е_а увеличивается, что ведет к уменьшению тока в цепи якоря:

При ЭДС Е_а = U ток якоря I_a = 0, а частота вращения якоря достигает значения n = n₀. При дальнейшем увеличении потока возбуждения Ф, а следовательно, возрастании ЭДС якоря Е_а пограничная частота вращения снижается (см. 13.12, б), а частота вращения якоря, оставаясь практически неизменной за счет сил инерции вращающихся частей электропривода, начинает превышать пограничную частоту n₀. При этом ЭДС якоря превышает напряжение сети и двигатель переходит в режим генераторного рекуперативного торможения.

Динамическое торможение.

Необходимость в таком торможении возникает в том случае, когда после отключения двигателя от сети его якорь под действием кинетической энергии движущихся масс электропривода продолжает вращаться. Если при этом обмотку якоря, отключив от сети, замкнуть на резистор r_т, то двигатель перейдет в генераторный режим (обмотка возбуждения должна оставаться включенной в сеть). Вырабатываемая при этом электроэнергия не возвращается в сеть, как это происходит при рекуперативном торможении, а преобразуется в теплоту, которая выделяется в сопротивлении

В режиме динамического торможения ЭДС якоря не меняет своего направления, но поскольку якорь отключен от сети (U = 0), то ток якоря изменит направление, так как будет создаваться ЭДС Е_а

т.е. станет отрицательным. В результате электромагнитный момент также
изменит направление и станет тормозящим (рис. 13.15, б). Процесс торможения продолжается до полной остановки якоря (n = 0).

Торможение противовключением.

Допустим, что двигатель работает в основном (двигательном) режиме с номинальной нагрузкой. При отключении двигатели от сети вращающий
момент М = 0, но якорь двигателя за счет кинетической энергии вращающихся масс электропривода некоторое время будет продолжать вращение, т.е. произойдет выбег двигателя.

Чтобы уменьшить время выбега двигателя, применяют торможение противовключением. С этой целью изменяют полярность напряжения на клеммах обмотки якоря (полярность клемм обмотки возбуждения должна остаться прежней) и напряжение питания обмотки якоря становится отрицательным (- U). Но якорь двигателя под действием кинетической энергии вращающихся масс электропривода сохраняет прежнее (положительное) направление вращения, и так как направление магнитного потока не изменилось, то ЭДС якоря Е_а также не меняет своего направления и действует согласно напряжению (-U), при этом ток якоря создается суммой напряжения сети U и ЭДС якоря Еа
(рис. 13.15, в):

где r_т, — сопротивление резистора в цепи якоря двигателя.

В этих условиях электромагнитный момент станет отрицательным.

Под действием тормозящего момента — Mт, частота вращения якоря уменьшается, достигнув нулевого значения.Если в этот момент цепь якоря не отключить от сети, то произойдет реверсирование двигателя и его якорь под действием момента, который прежде был тормозным, начнет вращение в противоположную сторону. При этом двигатель перейдет в двигательный (основной) режим с отрицательными значениями частоты вращения и вращающего момента. Во избежание нежелательного реверсирования операцию торможения противовключением автоматизируют, чтобы при нулевом значении частоты вращения цепь якоря отключалась от сети.

Рекуперативное торможение

Электроподвижной состав постоянного тока с машинными преобразователями.

Для осуществления рекуперативного торможения используют схемы со стабилизирующими резисторами и с возбудителями встречного смешанного возбуждения.

Схема со стабилизирующими резисторами В схеме рис. 251, а стабилизирующий резистор /?_ст сопротивлением г_ст является общим для цепей якоря и обмотки возбуждения тягового двигателя.

Уравнение напряжения для цепи тока возбуждения в установившемся режиме

где Е_в, С_в, п_в, Ф_в и г_вв — соответственно э. д с., постоянная, частота вращения, поток и сопротивление обмотки якоря возбудителя В, /, г_ав — соответственно ток и сопротивление двигателя М1.

Из этого выражения следует, что !__Е* __С_яп_л Ф„ /г_гт

В цепи тока якоря двигателя М1

откуда можно получить уравнение для скорости:

Из уравнения для /_в вытекает, что при увеличении тока якоря 1 ток возбуждения

Рис. 251 Схемы силовых цепей при рекуперации на электровозах постоянного тока со стабилизирующими резисторами (а) и с возбудителями встречного смешанного возбуждения (б, в, г, д)

уменьшается и наоборот. Чем больше сопротивление г„, тем резче проявляется эта зависимость и тем круче падает характеристика ц(/), обеспечивая малую чувствительность системы к колебаниям напряжения в контактной сети При увеличении скорости движения V ток якоря 1 возрастает из-за увеличения э д. с.

а следовательно, уменьшаются ток возбуждения /„ и магнитный поток Ф_д. Поэтому тормозная сила В « 0,367С_ДФ_Д1 будет возрастать лишь до определенного максимума, наступающего при некоторой скорости п_к. В зоне скоростей выше о_к тормозная характеристика оказывается механически неустойчивой

С увеличением сопротивления г„ уменьшаются величины В_тп и V„ Область возможного использования рекуперации ограничена минимальной скоростью:

и тіп = (I/, 21?’д)/(С_дФдтах) ** ^с1 (СдФділах).

т. е. ограничена по току /_вга„

Вид характеристики и(/) и В(р) для схемы рис. 251, а (так как Ф_дтах = /_втах) определяется внутренними нагрузочными характеристиками С_ДФ_Д(/_В), реакцией якоря и насыщением возбудителя [характеристикой С_вФ_в(г’_в)], изменением частоты вращения двигателя Д возбудителя в зависимости от его нагрузки.

При рекуперации суммарная э. д. с двигателей 2?_д должна быть больше напряжения сети ?/_с; с уменьшением скорости 2?_д уменьшается. Следовательно, для расширения зоны рекуперации и снижения v_m^_n необходимо с понижением скорости движения поддерживать 2?_д > > ?/_с. Это осуществляют в первую очередь, увеличивая число последовательно соединенных якорей двигателей, т. е. применяя переход с параллельного на последовательно-параллельное, а с последовательно-параллельного на последовательное соединения якорей двигателей. Жесткость характеристик v

При использовании стабилизирующих резисторов в рекуперативном режиме необходимо иметь специальный возбудитель, мощность которого значительно превосходит мощность, необходимую непосредственно для питания обмоток возбуждения; кроме того, ограничивается область применения рекуперативного торможения и уменьшается максимальная тормозная сила. При рекуперативном торможении, например по схеме рис. 251, а, на электровозе ВЛ22 М мощность, потребляемая обмотками возбуждения при токе возбуждения /„ = 200 Л, составляет 23,2 кВт. В действительности из-за наличия стабилизирующих резисторов применяют возбудитель мощностью 57 кВт, а для его привода — двигатель мощностью 67 кВт. В стабилизирующих резисторах теряется также и некоторая часть энергии, вырабатываемой двигателями в генераторном режиме, что уменьшает отдачу энергии в сеть. Поэтому на современных электровозах постоянного тока с тяговыми двигателями последовательного возбуждения применяют схемы рекуперации с возбудителями встречного смешанного возбуждения.

Схема с возбудителями встречного смешанного возбуждения. В схеме рис. 251, б применен возбудитель В с двумя обмотками возбуждения: независимой НО и встречной ВО. Через обмотку ВО протекает ток якоря тягового двигателя /. Во время рекуперации м. д с. обмотки ВО направлена навстречу м д. с. обмотки НО. По мере увеличения тока рекуперации 1 э. д. с. ?„ возбудителя, а следовательно, и ток возбуждения /„ уменьшаются. При уменьшении тока 1 э. д. с. ?_в и ток /_в увеличиваются. Следовательно, обмотка ВО возбудителя сглаживает толчки тока и тормозной силы при изменениях напряжения в контактной сети.

Форма рекуперативных характеристик при возбудителе встречного смешанного возбуждения будет иной, чем в схеме с возбудителем независимого возбуждения и стабилизирующими резисторами. Тре-бумая крутизна характеристик рекуперативного торможения по схеме рис. 251, б достигается изменением соотношения м. д. с. обмоток возбуждения возбудителя при заданном токе г_нв. Чем больше отношение /О’воАкв^’ко. тем больше ВЛИЯет ток в якоре на э. д. с. возбудителя ?_в и тем круче характеристики о(/). Однако одновременно уменьшается максимальное значение тормозного усилия ?_тах.

В схемах со стабилизирующими резисторами в каждой параллельной цепи токи возбуждения определяются только токами якорной цепи. Поэтому, возможно, и отклонения токов в цепи якорей будут частично компенсированы отклонениями токов возбуждения. При одном возбудителе встречного смешанного возбуждения на локомотивах с двумя и большим числом параллельных цепей тяговых двигателей не может быть обеспечено удовлетворительное распределение токов по этим цепям. Неравномерность токов в параллельных цепях можно ограничить, если для каждой цепи установить свой возбудитель, э: д. с. которого уменьшалась бы только при увеличении тока в цепи своих якорей. Однако иметь на электровозе большое число возбудителей (например, на электровозах ВЛ8, ВЛ10 У и ВЛ10 по четыре) нежелательно. Поэтому на э. п. с. постоянного тока с числом параллельных цепей двигателей две и больше применяют один или два возбудителя встречного смешанного возбуждения, а для выравнивания токов в параллельных цепях — схемы с циклической стабилизацией, включая в каждую параллельную цепь якорей уравнительные резисторы Я_у (рис. 251, и (0 (б)

является время предоставляемое схемой для восстановления запирающих свойств тиристоров. Значение 2 трансформатора приложенные к тиристорам прямое и обратное напряжения выше расчетного напряжения питания, что учитывают прн выборе тиристоров.

Инвертор, выполненный по схеме рис. 252, а, устойчиво работает на партии электровозов ВЛ10 и на опытных электровозах ВЛ12. Однако поочередное протекание тока через полуобмотки коммутирующего реактора и высокая скорость изменения этого тока, вызывающая рост потерь, привели к тому, что масса коммутирующего реактора оказалась практически равна массе инверторного трансформатора, а конструкция последнего существенно осложнилась из-за наличия промежуточного вывода.

Инвертору с колебательным контуром С_К1,_к по схеме рис. 253, а, свойственны большее время меньший ток холостого хода, близкий по форме к синусоидальным токам и напряжениям во всех элементах инвертора, кроме трансформатора.

Если амплитудное значение тока г_Ск в коммутирующем контуре (реактор и конденсатор С_к) вдвое превышает амплитуду тока нагрузки г„, приведенного к первичной обмотке трансформатора, то время Р , ВЛ85), которые при тяговом режиме работают выпрямителями (подробно см. § 103 и рис. 265).

Электровозы и электропоезда

• От автора
• Введение
• Классификация электровозов и электропоездов
• Основные узлы и аппараты электровозов и электропоездов
• Назначение и классификация рам; усилия, действующие на них
• Конструкция рам тележек
• Колесные пары
• Буксовые узлы
• Общие сведения о рессорном подвешивании и его влиянии на снижение сил взаимодействия колеса и рельса
• Схемы и элементы рессорного подвешивания
• Конструкция рессорного подвешивания и упругие опоры кузовов
• Гидравлические гасители колебаний
• Передача вращающего момента и классификация тяговых передач
• Конструкция опорно-осевого подвешивания и зубчатой передачи
• Конструкция рамного подвешивания и передача вращающего момента
• Автосцепные устройства
• Назначение и классификация кузовов электровозов и электропоездов
• Конструкция кузовов электровозов
• Конструкция кузовов электропоездов
• Планировка вагонов электропоездов
• Жесткие опоры и шкворневые узлы кузовов
• Системы вентиляции на электровозах
• Системы вентиляции и отопления на электропоездах
• Расположение электрического оборудования на электровозах
• Расположение электрического оборудования на электропоездах
• Использование сцепного веса электровоза
• Движение электровоза на прямых и кривых участках пути
• Пневматические цепи
• Пневматические устройства и аппараты
• Условия и номинальные режимы работы тяговых двигателей
• Общие сведения об устройстве тяговых двигателей постоянного и пульсирующего тока
• Остовы
• Главные полюса
• Добавочные полюса
• Якоря тяговых двигателей
• Подшипниковые узлы и моторно-осевые подшипники тяговых двигателей
• Щетки, щеткодержатели, кронштейны и траверсы тяговых двигателей
• Улучшение коммутации тяговых двигателей
• Вентиляция тяговых двигателей
• Основные технические данные и примеры конструктивного выполнения тяговых двигателей
• Особенности конструкции бесколлекторных тяговых двигателей переменного тока
• Основные параметры и узлы тяговых трансформаторов
• Конструкция основных узлов тяговых трансформаторов
• Основные технические данные и примеры конструктивного выполнения тяговых трансформаторов
• Реакторы
• Индуктивные делители и индуктивные шунты
• Реакторы помехоподавления, цепей защиты и собственных нужд, фильтры, конденсаторы
• Магнитные усилители, датчики тока, измерительные и импульсные трансформаторы
• Назначение и структурные схемы преобразователей
• Схемы преобразователей
• Диодные и диодно-тиристорные выпрямители в силовых цепях
• Тиристорные и диодно-тиристорные выпрямители, используемые в цепях вспомогательных машин, упрввпения и освещения
• Тиристорные и диодно-тиристорные выпрямительно-инверторные преобразователи цепей тяговых двигателей пульсирующего тока
• Схемы преобразователей частоты и числа фаз
• Схемы преобразователей с импульсным управлением тяговыми двигателями э.п.с. постоянного тока
• Конструкция преобразователей
• Системы вспомогательных машин
• Мотор-компрессоры, мотор-вентиляторы и мотор-насосы
• Делители напряжения и расщепители фаз
• Мотор-генераторы и двухмашинные агрегаты
• Генераторы управления
• Аккумуляторные батареи
• Аппараты напряжением выше 1000 В и требования, предъявляемые к ним
• Токоприемники
• Разъединители и отключатели
• Индивидуальные контакторы
• Групповые контакторы
• Реверсоры, тормозные переключатели, переключатели напряжения и мотор-вентиляторов
• Резисторы
• Электрические печи, калориферы, нагреватели
• Автоматические выключатели
• Быстродействующие контакторы
• Реле, бесконтактные датчики, регуляторы напряжения и блоки защиты
• Плавкие предохранители
• Разрядники и ограничители напряжений
• Контроллеры машиниста
• Выключатели управления, разъединители, кнопочные выключатели и посты, распределительные щиты и панели аппаратов
• Заземляющие штанги, сельсины, сигнализаторы, устройства контроля рода тока и переключения воздуха
• Амперметры, вольтметры, счетчики электрической энергии, тахогенераторы и частотомеры
• Арматура различных соединений, осветительная. Шины, кабели, провода, изоляторы
• Контактные системы управления
• Бесконтактные системы управления
• Классификация цепей и требования, предъявляемые к электрическим схемам
• Способы регулирования частоты вращения якорей тяговых двигателей постоянного тока и реостатный пуск
• Регулирование частоты вращения якорей тяговых двигателей постоянного тока
• Способы перехода с одного соединения тяговых двигателей на другое
• Импульсное регулирование частоты вращения якорей тяговых двигателей постоянного тока
• Способы перехода с одной ступени на другую при переключении секций обмотки тягового трансформатора
• Ступечатое регулирование на стороне низшего напряжения
• Ступенчатое регулирование на стороне высшего напряжения
• Плавное регулирование напряжения
• Регулирование частоты вращения роторов трехфазных асинхронных тяговых двигателей
• Регулирование частоты вращения роторов вентильных тяговых двигателей
• Сущность электрического торможения и условия его осуществления
• Реостатное торможение
• Рекуперативное торможение
• Защита электрических машин и аппаратов в тяговом режиме
• Защита полупроводниковых преобразователей
• Защита оборудования при нарушении режимов во время электрического торможения
• Способы защиты от боксования и юза колесных пар
• Построение схем силовых цепей э.п.с. постоянного тока
• Силовые цепи электровоза ВЛ15
• Силовые цепи электропоездов ЭР2Р и ЭР2Т
• Построение схем силовых цепей электровозов и электропоездов переменного тока
• Силовые цепи электровоза ВЛ85
• Схема силовых цепей электровоза ВЛ86 Ф
• Силовые цепи моторного вагона электропоезда ЭР9Е
• Особенности схемы силовых цепей электропоезда ЭР29
• Построение отдельных узлов схем управления силовыми цепями
• Цепи управления электровоза ВЛ15
• Цепи управления электропоездов ЭР2Р и ЭР2Т
• Цепи управления электровоза ВЛ85
• Цепи управлении электровоза ВЛ86 Ф
• Цепи управления электропоезда ЭР9Е
• Построение и примеры схем цепей вспомогательных машин и приборов отопления электровозов
• Примеры схем высоковольтных цепей машин и приборов отопления электропоездов
• Управление токоприемниками, защитными аппаратами, вспомогательными машинами, отоплением, песочницами, звуковыми сигналами и освещением
• Список литературы

Электродинамический тормоз электровозов ЧС2 Т и ЧС200

Рассмотрены устройство и работа основного электронного оборудования, применяемого в электродинамическом (реостатном) тормозе системы «Шкода». Применительно к электродинамическому тормозу электровозов ЧС2 Т и его модификации на скоростном электровозе ЧС200

Рекуперативное торможение локомотивов

6.3. Рекуперативное торможение локомотивов

Одним из существенных преимуществ электрической тяги является возможность применения рекуперативного торможения, когда электрическая энергия возвращается в контактную сеть и может потребляться другими электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающим в режиме тяги. Если таких электровозов нет или необходимая энергия меньше рекуперируемой, то избыточная энергия гасится на тяговых подстанциях.

На электровозах переменного тока возможно применение как рекуперативного, так и реостатного электрического торможения. Использование рекуперативного торможения стало возможным после создания управляемых статических преобразователей.

В тиристорах можно задерживать на любое время начало прохождения прямого тока через вентиль, т. е. открытие тиристора при подаче прямого напряжения. Для этого имеется дополнительный управляющий электрод, на который, чтобы открыть вентиль, подают положительный потенциал. Но после того как тиристор открылся, он становится неуправляемым, т. е. управляющий электрод перестает влиять на прохождение тока и не может прекратить ток вентиля.

При рекуперации на электровозах переменного тока, так же как и на электровозах постоянного тока, тяговые двигатели работают в генераторном режиме, преобразуя кинетическую и потенциальную энергию поезда в электрическую постоянного тока. Чтобы передать эту энергию в контактную сеть, ее необходимо преобразовать в электрическую энергию переменного тока. Этот процесс называется инвертированием. Если выпрямительную установку электровоза переменного тока собрать из тиристоров, она может быть использована и как инвертор. Инвертирование, так же как и выпрямление, осуществляют по различным схемам.

Объясним принцип инвертирования на примере мостовой схемы. Для осуществления рекуперации тяговые двигатели переводят в генераторный режим при независимом возбуждении. Одновременно изменяют полярность щеток двигателей на противоположную, для того чтобы направление генерируемого тока соответствовало направлению прямой проводимости тиристоров. Сделать это нетрудно, установив соответствующее направление тока в обмотках возбуждения двигателей.

Напряжение от тяговых двигателей, работающих в генераторном режиме, подводится к инверторной установке, плечи которой соединены по схеме моста. В диагональ моста включена вторичная обмотка силового трансформатора.

Для того чтобы электрическую энергию передать в контактную сеть, необходимо прежде всего обеспечить прохождение тока двигателя, работающего в режиме генератора через вторичную обмотку. Ток в ней должен быть направлен встречно по отношению к напряжеию, индуктированному в этой обмотке. Предположим, что в первый полупериод напряжение в обмотке направлено слева направо, тогда генерируемый ток должен проходить справа налево. Для этого нужно открыть вентили VS2, VS4. В следующий полупериод нужно открыть вентили VS1, VS3 и т. д. Так как частота тока В контактной сети равна 50 Гц, то в течение 1 с нужно 100 раз менять направление тока в о вторичной обмотке трансформатора Т1. Кроме того, необходимо, чтобы напряжение, индуктируемое в первичной обмотке трансформатора, было бы несколько выше напряжения в контактной сети. Только при этом условии ток из первичной обмотки пойдет в контактную сеть.

Скорость локомотива при рекуперативном торможении регулируется изменением напряжения силовых преобразователей, работающих в инверторном режиме, и тока обмоток возбуждения тяговых электродвигателей. Для питания обмоток возбуждения применяют отдельные выпрямители низкого напряжения, которые, в свою очередь, питаются от одной из секций тягового трансформатора, либо от одной из секций основной вторичной обмотки. При рекуперации применяют те же средства регулирования напряжения, что и в тяговом режиме.

В режиме рекуперации для инвертирования тока якорей тяговых электродвигателей используются только управляемые мосты, тогда как один из полууправляемых мостов переключается на вывод пониженного напряжения секции силового трансформатора и используется в качестве возбудителя, питающего последовательно соединенные обмотки возбуждения тяговых электродвигателей. Таким образом, в режиме рекуперации предусмотрено однозонное регулирования напряжения. В области высоких скоростей движения используется регулирование тока обмоток возбуждения, а затем регулируется выпрямленное напряжение, причем торможение производится до полной остановки в режиме противовключения.

При автоматических системах регулирования преобразователями машинист с помощью рукояток контроллера задает режим работы (тяга или рекуперация), а также значения тока и скорости движения. Автоматическая система обеспечивает переход в заданный режим и реализацию заданных значений тока и скорости движения, которые машинист выбирает с учетом массы поезда, условий движения, характеристик электровоза и времени движения.

На электровозах ВЛ80С, ВЛ80Р и ВЛ85 используется выпрямительно-инверторный преобразователь ВИП-4000, предназначенный для выпрямления однофазного переменного напряжения частотой 50 Гц, плавного регулирования напряжения питания тяговых электродвигателей в режиме тяги и преобразования постоянного напряжения в однофазный переменный частотой 50 Гц в режиме рекуперации. На электровозе устанавливается шесть преобразователей по числу тяговых электродвигателей.

Силовая часть выпрямительно-инверторного преобразователя состоит из четырех параллельных ветвей тиристоров. Система автоматически обеспечивает предварительное подтормаживание, поддержание заданной тормозной силы в режиме остановочного торможения, а также заданной скорости движения. Она предусматривает четыре зоны регулирования выпрямленного напряжения.

Очередность открытия плеч выпрямительно-инверторного преобразователя в выпрямительном и инверторном режимах работы определяется алгоритмом работы системы автоматического регулирования преобразователем. Блок управления випрямительно-инверторным преобразователем формирует и в соответствии с заданным алгоритмом распределяет по плечам всех шести преобразователей изменяемые по фазе управляющие импульсы.
В режиме рекуперативного торможения в зоне высоких скоростей движения тормозное усилие регулируется плавным изменением тока возбуждения, а в зоне средних и малых скоростей движения – плавным изменением ЭДС инвертора.

В зоне IV импульсы управления подаются на тиристоры плеч VS2, VS7 и VS1, VS8. Тормозное усилие и скорость движения в зоне IV регулируются плавным изменением тока обмоток возбуждения тяговых электродвигателей., который по мере снижения скорости движения для поддержания заданного тормозного усилия должен увеличиваться.

При достижении наибольшего тока обмоток возбуждения дальнейшее поддержание тормозного усилия осуществляется подачей управляющих импульсов на тиристоры плеч VS3, VS4. Для дальнейшего снижения скорости движения осуществляется переход в зону III (работают тиристоры плеч VS4, VS7 и VS3, VS8. После снятия управляющих импульсов с тиристоров VS1, VS2 и при открытии тиристоров плеч VS3, VS4 происходит перевод тока рекуперации на мост, подключенный к секциям II и III тягового трансформатора.

Дальнейшее регулирование ЭДС осуществляется подачей управляющих импульсов на тиристоры плеч VS5, VS6. При достижении на тиристорах плеч VS5, VS6 фазы управляющих импульсов для перехода в зону II на плечи VS1, VS2 и VS5, VS6 подаются управляющие импульсы.

При дальнейшем снижении скорости движения производится переход в I зону, когда управляющие импульсы подаются только на тиристоры VS5, VS6. При уменьшении фазы управляющих импульсов до рекуперативное торможение прекращается и начинается режим торможения противовключением.

Процесс инвертирования значительно сложнее выпрямления и возможность возникновения аварийных ситуаций больше; запаздывание отпирания тиристоров может привести к короткому замыканию в цепи. Поэтому важное значение имеет защита силовых цепей от коротких замыканий, которые при инвертировании возникают при всяком нарушении питания электровоза переменным напряжением.