Реверсирование двигателей постоянного тока производится переменой направления тока в якоре или обмотке возбуждения. В шунтовых двигателях, где обмотка возбуждения имеет большое число витков и обладает значительной самоиндукцией, перемену направления тока осуществляют в якоре. При быстром разрыве цепи перед изменением направления тока в обмотке возбуждения возникает ЭДС самоиндукции, которая может вызвать пробой ее изоляции.
Существуют три способа торможения электродвигателей с параллельным возбуждением (без применения механических тормозов); с рекуперацией энергии, т. е. с отдачей энергии в сеть; динамическое и противовключением.
При тормозном режиме работы подводимая к электродвигателю механическая энергия превращается в электрическую, т. е. двигатель становится генератором. Возникающий при этом вращающий момент не совпадает с направлением вращения машины, и происходит ее торможение. Существует несколько способов электрического торможения, различающихся схемами включения и характеристиками. В одних случаях электрическая энергия, образующаяся при торможении, передается в питающую электросеть, т. е. происходит рекуперация энергии или частичное ее возвращение источнику тока, в других случаях она преобразуется в теплоту в резисторах и якоре.
Торможение с рекуперацией энергии можно применять, когда механизм сообщает двигателю частоту вращения, превышающую частоту вращения холостого хода. Электродвижущая сила якоря возрастает и становится больше напряжения сети, ток меняет направление, и двигатель переходит в генераторный (тормозной) режим.
Способ торможения с рекуперацией энергии выгоден: в сеть возвращается значительная часть затраченной энергии. Однако он приемлем лишь при частоте вращения, намного превышающей номинальную частоту вращения двигателя, и поэтому не всегда пригоден.
Переход двигателя в генераторный режим, режим динамического торможения и торможения с рекуперацией энергии удобно проследить по механическим характеристикам. Для этого плоскость чертежа разобьем двумя осями — горизонтальной и вертикальной — на четыре квадранта (рис. 1), в которых и будем производить построение характеристик.
По горизонтальной оси отложены вращающие моменты двигателя — положительные для двигательного режима и отрицательные для тормозного, а по вертикальной оси — частоты вращения двигателя, причем за положительную принята частота вращения двигателя по часовой стрелке, а за отрицательную — против часовой стрелки.
В квадрантах I и III расположены характеристики двигательного режима машины при вращении ее по часовой стрелке и в обратном направлении, в квадрантах II и IV — тормозные характеристики при вращении машины также по часовой стрелке и против часовой стрелки. Моменты для квадрантов I и III положительные, а для квадрантов II и IV отрицательные.
Участок естественной характеристики двигателя расположим в квадранте I. Режим двигательный. Это видно из того, что при росте нагрузки частота вращения снижается и становится меньше частоты вращения холостого хода.
Рис. 1. Механические характеристики двигателя с параллельным возбуждением
для двигательного и тормозного режимов
При уменьшении нагрузки на валу ток двигателя уменьшается, а частота вращения и ЭДС якоря возрастают. Если к валу двигателя приложить момент нагрузки, направленный в сторону вращения и равный моменту холостого хода, то ток якоря будет равен нулю, а частота вращения — частоте вращения холостого хода. Увеличивая приложенный к валу момент нагрузки, достигнем частоты вращения, превышающей частоту вращения холостого хода; ЭДС якоря станет больше напряжения сети U, и ток переменит направление. Теперь машина, отдавая энергию в сеть, будет превращать механическую энергию в электрическую, а это, в свою очередь, приведет к торможению якоря машины и уменьшению скорости.
Отсюда следует, что характеристики генераторного режима являются продолжением механических характеристик двигательного режима и располагаются в квадранте II или IV. При этом ток якоря и момент отрицательны, т. е. ток из якоря поступает в сеть, а момент создается не двигателем, а по какой-то другой причине, например падающим грузом.
Тормозной момент снижается с уменьшением частоты вращения и при частоте вращения холостого хода равен нулю. Следовательно, генераторное торможение неприемлемо для полной остановки механизма.
Динамическим торможением двигателя называется генераторный режим его работы, при котором механическая энергия преобразуется в электрическую и расходуется в замкнутом контуре, электрически не связанном с сетью, превращаясь в теплоту. Динамическое торможение можно получить, если якорь вращающегося двигателя отключить от сети, а обмотку возбуждения оставить включенной. Тогда в якоре, вращающемся в магнитном поле, будет индуктироваться ЭДС, двигатель перейдет в генераторный режим, но ток от якоря пойдет теперь на особый тормозной резистор и создаст тормозной момент.
При динамическом торможении напряжение сети отключено от якоря, т. е. f/сети и частота вращения холостого хода равны нулю, и характеристики пройдут через начало координат, т. е. можно получить торможение до полной остановки. Однако с уменьшением частоты вращения якоря снижаются его ЭДС, ток и тормозной момент. Для создания постоянного тормозного момента необходимо уменьшить в процессе торможения тормозное сопротивление в цепи якоря.
Из рис. 1 видно, что при включении тормозного сопротивления механическая характеристика в тормозном режиме проходит круто, а по мере уменьшения сопротивления становится более пологой. Торможение поддерживаем до тех пор, пока якорь не будет замкнут накоротко, а частота вращения двигателя не упадет до нуля и механизм не остановится. Способ динамического торможения обычно применяют для механизмов подъема и передвижения.
Рассмотрим случаи динамического торможения, когда вращение происходит против часовой стрелки, например при спуске груза. Если двигатель перед спуском был неподвижен, то тормозные характеристики расположатся в квадранте IV. Скорость спуска будет наименьшей на естественной характеристике, так как при замкнутом накоротко якоре даже при небольшой ЭДС протекает значительный тормозной ток. По мере разгона двигателя вследствие увеличения ЭДС возрастут ток и тормозной момент. Скорость спуска будет тем больше, чем большее тормозное сопротивление RT включено в цепь якоря.
Торможение противовключением состоит в том, что электродвигатель включают для вращения в сторону, обратную вращению механизма, например при спуске груза под действием собственной массы. Этот режим применяют для быстрой остановки груза и получения установившейся скорости спуска груза.