Способ торможения двигателя постоянного тока Российский патент 2025 года по МПК H02P3/12 

Изобретение относится к электроприводу и может быть использовано для торможения двигателей постоянного тока.

Известен способ торможения двигателя постоянного тока независимого возбуждения противовключением, заключающийся во введении в цепь якоря сопротивления и изменении полярности подводимого к ней напряжения [см., например, Чиликин М.Г., Сандлер А.С. Общий курс электропривода. - М.: Энергоиздат, 1981. - 516 с., стр. 64].

Недостаток известного способа заключается в большом времени одноступенчатого торможения вследствие наличия в цепи якоря значительного ограничительного сопротивления, которое увеличивает электромеханическую постоянную времени двигателя.

Известен способ быстрого торможения двигателя постоянного тока [Патент Китая 101154904А, Н02Р 3/12. Fast-braking method for DC motor, опубл. 02.04.2008].

В известном способе не указаны значения скоростей или токов двигателя, при которых следует переключаться на последующую ступень торможения с целью минимизации времени торможения.

Известен способ торможения двигателя постоянного тока, включающий включение двигателя в режим динамического торможения и при снижении его скорости до значения (0,762-0,084⋅η_н) от номинальной скорости перевод двигателя в режим противовключения, где η_н - номинальный КПД двигателя [Патент 2716149 РФ, МПК Н02Р 3/08, Н02Р 3/12, Н02Р 3/14. Способ торможения двигателя постоянного тока, опубл. 06.03.2020. Бюл. №7]

Недостаток известного способа заключается в большом времени торможения, так как на первом этапе используют динамическое торможение, которое не так эффективно, как торможение противовключением.

Известен способ торможения двигателя постоянного тока, заключающийся во включении двигателя на первую ступень торможения противовключением, измерении скорости вращения двигателя и при снижении скорости до приближенного значения 0,2 от номинальной скорости переключении двигателя на вторую ступень торможения [Вешеневский С.Н. Характеристики двигателей в электроприводе. Изд. 6-е, испр. - М: Энергия, 1977. - 432 с., рис. 2-23].

В данном способе точное значение скорости, при которой должен осуществляться переход на вторую ступень торможения не определено, что не позволяет затормозить двигатель за минимальное время.

За прототип выбран способ торможения двигателя постоянного тока, заключающийся во включении двигателя на первую ступень торможения противовключением, измерении скорости вращения двигателя и при снижении скорости вращения двигателя переключении двигателя на вторую ступень торможения, причем двигатель переключают в на вторую ступень торможения путем уменьшения сопротивления реостата в цепи якоря при снижении скорости до (0,338+0,206⋅η_н) от номинальной скорости, где η_н - номинальный КПД двигателя [Патент 2817196 РФ, Н02Р 3/12. Способ торможения двигателя постоянного тока, опубл. 11.04.2024. Бюл. №11].

Известный способ позволяет осуществить двухступенчатое торможение противовключением. Время торможения сокращается при использовании трехступенчатого торможения, для которого скорость переключения на вторую ступень будет отличаться от скорости, установленной в прототипе, а скорость переключения на третью ступень не определена.

Изобретение решает задачу сокращения времени торможения за счет введения дополнительной (третьей) ступени торможения противовключением.

Техническим результатом от использования изобретения является сокращение времени торможения за счет строго определенных моментов переключения сопротивлений реостата в цепи якоря двигателя при переключении на вторую и третью ступени торможения.

Это достигается тем, что в способе торможения двигателя постоянного тока, заключающемся во включении двигателя на первую ступень торможения противовключением, измерении скорости вращения двигателя и при снижении скорости вращения двигателя до (0,338+0,206⋅η_н)⋅n_н переключении двигателя на вторую ступень торможения путем уменьшения сопротивления реостата в цепи якоря, согласно изобретению, двигатель переключают в на вторую ступень торможения при снижении скорости до 0,633⋅n_н, и при дальнейшем снижении скорости до 0,300⋅n_н двигатель переключают на третью ступень торможения, где η_н - номинальный КПД двигателя, η_н - номинальная скорость двигателя.

Заявляемый способ торможения двигателя постоянного тока отличается заданием конкретных скоростей переключения двигателя с первой ступени противовключения на вторую и со второй на третью путем уменьшения сопротивления реостата в цепи якоря.

Значение скоростей, при которой двигатель следует переключать с первой на вторую и со второй на третью ступень торможения противовключением для получения минимального времени торможения, получено автором впервые.

На фиг. 1 представлены механические характеристики для трех ступеней торможения противовключением: 1 - первая ступень; 2 - вторая ступень, 3 - третья ступень. Здесь n*=n/n_н - относительная скорость двигателя n - текущая скорость; n_н - номинальная скорость; х=n₁ - скорость переключения с первой ступени торможения на вторую; у=n₂ - скорость переключения со второй ступени торможения на третью; m₁ - начальный тормозной момент, который определяется перегрузочной способностью двигателя; m₂ - момент при переходе с первой ступени торможения на вторую; m₂ - момент при переходе со второй ступени торможения на третью; m₄ - момент при достижении скорости двигателя нулевого значения.

Минимальное время торможения двигателя получают при максимальной мощности, расходуемой на торможение. Данную мощность определяет площадь, ограниченная механическими характеристиками и осями координат (затемненная площадь трех трапеций S₁, S₂ и S₃, фиг. 1).

С изменением мощности двигателей от 7,5 кВт до 220 кВт их КПД меняется соответственно от η_min=0,845 до η_max=0,91 [Справочник по электрическим машинам: В 2 т./ Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т.1. - М.: Энергоатомиздат, 1988. страницы 382, 398]. Для данного широкого диапазона мощностей процент изменения скорости n₁ переключения на вторую ступень торможения, определенной по формуле прототипа, находим по выражению

Таким образом, определяемая по формуле прототипа скорость переключения двигателя на вторую ступень торможения n₁ в зависимости от КПД двигателя и, следовательно, от его мощности меняется на 2,5%. Это значение будет еще меньше, если двигатель начинает торможение при нагрузке меньше номинальной, поэтому при рассмотрении трехступенчатого торможения составляющей скорости n₁, в которую входит КПД двигателя, пренебрегаем, т.е. считаем n₀*=n_н*=1. Здесь n₀*=n₀/n_н - относительная скорость холостого хода. Примем относительную скорость переключения на вторую ступень n₁*=х, на третью ступень - n₂*=у.

Площадь трапеций определим как произведение полусуммы их оснований на высоту (рисунок 2)

Выразим моменты m₂, m₃ и m₄, через момент m₁, используя подобие треугольников, образованных между соответствующими тормозными характеристиками, осью скорости и горизонталями на уровнях 1, х и у.

После преобразований получим суммарную площадь трех трапеций

Производные суммарной площади по переменным х и у

Для определения значения х и у, при которых суммарная площадь трех трапеций максимальна, приравняем производные и нулю. Получаем два уравнения с двумя неизвестными

Совместное решение (11) и (12) дает х=0,633, у=0,300, т.е. при трехступенчатом торможении противовключением переключение на вторую ступень торможения следует осуществлять при снижении скорости двигателя до n₁=0,633⋅n_н, а на вторую ступень - при снижении скорости до n₂=0,300⋅n_н.

Осуществление способа рассмотрим на примере двигателя 2ПФ-200L, имеющего следующие паспортные данные [Справочник по электрическим машинам: / Под общ. ред. И.П. Копылова и Б.К. Клокова. Т. 1. - М.: Энергоатомиздат, 1988. страница 384]: номинальная мощность P_н=20 кВт, номинальное напряжение U_н=440 В, номинальная скорость n_н=1000 об/мин.

Скорость переключения на вторую ступень торможения n₁=0,633⋅1000=633 об/мин.

Скорость переключения на третью ступень торможения n₁=0,300⋅1000=300 об/мин.

Данные значения скоростей используют, если управление режимом торможения осуществляют по принципу скорости.

Номинальный ток якоря

Максимальный ток (начальный ток на всех трех ступенях торможения) при условии, что перегрузочная способность двигателя составляет 2,5

I₁=2,5⋅I_н=2,5⋅45,5=114 A.

При неизменном возбуждении двигателя его ток якоря пропорционален моменту, поэтому ток I₂, при котором осуществляется переключение с первой ступени торможения на вторую и ток I₃, при котором осуществляется переключение со второй ступени на третью путем уменьшения сопротивления реостата в цепи якоря, определяем соответственно, используя выражения (5), (6)

Если управление режимом торможения осуществляют по принципу тока, то переключение на вторую ступень торможения следует осуществлять при снижении тока от максимального значения 114 А до значения 93,1 А, а переключение на третью ступень - при снижении тока от максимального значения 114 А до значения 90,7 А. При этом условии время торможения будет минимально.

Изобретение позволяет сократить время торможения двигателя, что особенно актуально для приводов с большими инерционными массами с частыми пусками и торможениями.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам торможения двигателей постоянного тока. Технический результат - сокращение времени торможения за счет строго определенных моментов переключения сопротивлений тормозного реостата в цепи якоря двигателя, при которых осуществляется перевод двигателя с первой ступени на вторую и со второй на третью ступень торможения противовключением. Для достижения технического результата способ торможения двигателя постоянного тока предусматривает включение двигателя на первую ступень торможения противовключением, измерение скорости вращения двигателя, переключение двигателя на вторую ступень торможения при снижении скорости до 0,633⋅n_н и переключение двигателя на третью ступень торможения при снижении скорости до 0,300⋅n_н, где n_н – номинальная скорость двигателя. 1 ил.

Способ торможения двигателя постоянного тока, заключающийся во включении двигателя на первую ступень торможения противовключением, измерении скорости вращения двигателя и переключении двигателя на вторую ступень торможения путем уменьшения сопротивления реостата в цепи якоря, отличающийся тем, что двигатель переключают на вторую ступень торможения при снижении скорости до 0,633⋅n_н, и при дальнейшем снижении скорости до 0,300⋅n_н двигатель переключают на третью ступень торможения, где n_н - номинальная скорость двигателя.