В электроприводах часто возникает необходимость быстро и точно остановить механизм или изменить направление его движения. Во время торможения или перемены направления движения (реверса) электродвигатель работает в тормозном режиме на механической характеристике, соответствующей осуществляемому способу торможения. Графическое изображение механических характеристик двигателя независимого возбуждения для разных режимов работы представлено на рис. 3.3. Здесь, кроме участка характеристик, соответствующих двигательному режиму (квадрантI), показаны участки характеристик в квадрантах II и IV, характеризующие три возможных способа генераторного электрического торможения:
а) торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное)или генераторный режим работы параллельно с сетью;
б) динамическое (реостатное) торможение;
в) торможение противовключением или генераторный режим работы последовательно с сетью.
Рис. 3.3. Механические характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения при различных режимах работы.
Каждый тормозной режим является генераторным, так как энергия поступает в машину с вала, преобразуется в электрическую и либо отдается в сеть, либо затрачивается на нагрев элементов якорной цепи, обладающих активным сопротивлением, и рассеивается в окружающую среду.
Торможение с отдачей энергии в сеть осуществляется в том случае, когда скорость двигателя оказывается выше скорости идеального холостого хода и его ЭДС 
больше приложенного напряжения 
. Двигатель работает в режиме генератора параллельно с сетью, которой он отдает электрическую энергию. Ток при этом изменяет свое направление
|
|
. (3.9)
Следовательно, изменяет знак и момент двигателя, т. е. он становится тормозным 
. Если обозначить тормозной момент через 
, то уравнение (3.5) при 
примет следующий вид:
. (3.10)
Первый член в правой части уравнения показывает, что механическая характеристика двигателя независимого возбуждения в этом генераторном режиме при 
проходит через точку, соответствующую угловой скорости идеального холостого хода, как и в двигательном режиме. Наклон (жесткость) механической характеристики определяется сомножителем второго члена уравнения 
, который по абсолютному значению (при заданном сопротивлении 
) остается неизменным, и будет таким же, как и в двигательном. Поэтому графически механические характеристики двигателя в режиме торможения с отдачей энергии в сеть являются продолжением характеристик двигательного режима в область квадранта II (рис. 3.3).
Этот способ торможения возможен в приводах транспортных и подъемных механизмов при спуске груза и при некоторых способах регулирования скорости, когда двигатель, переходя к низшим скоростям, проходит значения 
. Такое торможение является весьма экономичным, поскольку оно сопровождается отдачей в сеть электрической энергии (за вычетом потерь в двигателе), которую двигатель преобразует из механической, поступающей к нему с вала. Торможение этим способом может быть осуществлено в ограниченных пределах, так как не во всех приводах возможно соблюдение условия .
Динамическое торможение происходит при отключении якоря двигателя от сети и замыкании его на резистор (рис. 3.4). Обмотка возбуждения при этом должна оставаться присоединенной к сети. Режим динамического торможения соответствует работе машины в качестве генератора. Однако, при динамическом торможении, механическая энергия, поступающая с вала, и преобразованная в электрическую не отдается в сеть, а выделяется в виде теплоты в сопротивлениях цепи якоря.
|
|
Рис. 3.4. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения при динамическом торможении.
Вследствие того что ЭДС двигателя сохраняет при торможении такой же знак, как и в двигательном режиме, а напряжение извне к якорю не прикладывается, ток якоря определяется по формуле
, (3.11)
где – сопротивление якорной цепи.
Тормозной момент при динамическом торможении, если пренебречь реакцией якоря, может быть выражен равенством
. (3.12)
При 
получим
. (3.13)
При динамическом торможении механическая характеристика двигателя представляет собой прямую, проходящую через начало координат (рис. 3.3). Жесткость характеристик уменьшается с увеличением сопротивления якорной цепи .
Динамическое торможение широко используется для останова привода при отключениях его от сети (особенно при реактивном характере момента), при спуске грузов в подъемных механизмах. Оно достаточно экономично, хотя и уступает в этом отношении торможению с отдачей энергии в сеть.
Торможение противовключением осуществляется в том случае, когда обмотки двигателя включены для одного направления вращения, а якорь двигателя под воздействием внешнего момента или сил инерции вращается в противоположную сторону. Это может происходить, например, в приводе подъемника, когда двигатель включен на подъем, а момент, развиваемый грузом, заставляет привод вращаться в сторону спуска груза. Такой же режим получается и при переключении обмотки якоря (или обмотки возбуждения) двигателя для быстрой остановки или для изменения направления вращения на противоположное. Графическое изображение механической характеристики для торможения противовключением, когда имеет место, например, так называемый тормозной спуск груза, приведено на рис. 3.5.
|
|
Рис. 3.5. Механическая характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения при торможении противовключением в случае тормозного спуска.
Как видно из этого рисунка, а также из рис. 3.3, механическая характеристика при торможении противовключением является продолжением характеристики двигательного режима в область квадранта IV. Последнее вытекает из уравнения механической характеристики двигателя, если полагать момент большим момента короткого замыкания и положительным по знаку.
При включении обмоток двигателя для подъема двигатель может быть пущен в ход лишь тогда, когда момент сопротивления груза 
будет меньше момента 
. В этом случае после включения двигателя в сеть угловая скорость его увеличивается и достигает установившегося значения (точка А). При этом ток в якоре, как обычно в двигательном режиме, определяется по формуле
. (3.14)
С увеличением момента груза угловая скорость двигателя уменьшается соответственно характеристике АВ, и если момент груза будет равен , двигатель остановится. В этом состоянии при 
ЭДС двигателя равна нулю, поэтому ток определяется равенством
. (3.15)
Когда момент сопротивления при дальнейшем увеличении груза превысит момент двигателя в неподвижном состоянии, последний начнет вращаться в противоположном направлении и груз станет опускаться. При моменте, равном 
. будет достигнута установившаяся скорость спуска, соответствующая точке С на приведенной характеристике. Поскольку якорь теперь вращается в обратную сторону, а направление магнитного потока не изменилось, ЭДС двигателя изменит направление на обратное. Ток, определяемый уравнением
. (3.16)
будет больше, чем в двигательном режиме, и соответственно момент, развиваемый двигателем при торможении противовключением, тоже возрастет.
При торможении противовключением ЭДС двигателя направлена последовательно-согласно с напряжением сети, т. е. двигатель работает в генераторном режиме последовательно с сетью, получая механическую энергию с вала и преобразуя ее в электрическую энергию. Потребляется электрическая энергия и из сети. Вырабатываемая двигателем и потребляемая из сети энергия выделяется в виде теплоты в сопротивлениях цепи якоря, поэтому торможение противовключением не экономично, требует больших затрат энергии. Для ограничения тока и момента в якорную цепь приходится включать дополнительный резистор.
Режим торможения противовключением получают также, изменяя полярность напряжения, подводимого к якорю двигателя при его вращении. В этом случае, так же как и при спуске груза, ЭДС направлена согласно с напряжением сети, а момент двигателя направлен против вращения якоря. Под влиянием тормозного момента скорость двигателя уменьшается до нулевого значения. При скорости, равной нулю, двигатель в случае торможения для останова, а не реверса, должен быть отключен от сети. Если такого отключения не произойдет, скорость двигателя начнет увеличиваться в обратном направлении. Вместе с изменением направления вращения изменяет направление ЭДС якоря, которая снова в двигательном режиме направлена встречно напряжению сети. Теперь привод вновь работает в двигательном режиме с постоянной угловой скоростью, будучи переведенным на естественную характеристику при противоположном направлении вращения.
Изменение направления вращения двигателя может быть осуществлено двояко. Чтобы получить режим противовключения, можно переключить либо обмотку якоря, либо обмотку возбуждения. Однако переключение обмотки возбуждения практикуется реже, так как вследствие значительной ее индуктивности время торможения возрастает по сравнению с временем торможения при переключении обмотки якоря.
Электрическое торможение получило в настоящее время широкое применение, особенно в часто пускаемых приводах. Для обеспечения необходимого времени торможения и требуемой точности остановки в практике чаще всего применяется динамическое торможение или торможение противовклгочением. Для нереверсивных приводов чаще применяют динамическое торможение, так как оно осуществляется по более простой схеме. Для реверсивных приводов, где торможение и пуск двигателя в обратном направлении представляют собой единый процесс, целесообразно применять торможение противовключением, которое дает выигрыш во времени.
Литература
1. Шичков Л.П.Электрический привод. - М.: КолосС, 2006. – 279 с.: ил. – (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).
2. Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода: Учебник для вузов. – 6-е изд., доп. и перераб. – М.: Энергоиздат, 1981. – 576 с., ил.
Содержание
3. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения. 1
3.1. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения в двигательном режиме. 1
3.2. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока независимого возбуждения в тормозных режимах. 4
Литература. 11