1、2.5 2.5 他勵直流電動機的電氣制動他勵直流電動機的電氣制動 電動機的制動分機械制動和電氣制動兩種，這里只討論電氣制動。所謂電氣制動，就是指使電動機產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)速方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩 ， 起到阻礙運動的作用。 電動機的制動有兩方面的意義：一是使拖動系統(tǒng)迅速減速停車，這時的制動是指電動機從某一轉(zhuǎn)速迅速減速到零的過程（包括只降低一段轉(zhuǎn)速的過程），在制動過程中電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 起著制動的作用，從而縮短停車時間，以提高生產(chǎn)率；二是限制位能性負(fù)載的下降速度。這時的制動是指電動機處于某一穩(wěn)定的制動運行狀態(tài)，此時電動機的電磁轉(zhuǎn)矩 起到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的作用。 emTemTemTemT 例如起重機下放重物時

2、，若不采取措施，由于重力作用，重物下降速度將越來越快，直到超過允許的安全下放速度。為防止這種情況發(fā)生，就可以采用電氣機制動的方法，使電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與重物產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而使下放速度穩(wěn)定在某一安全下放速度上。 上述兩種情況中，前者屬于過渡過程，故稱為“制動過程”，后者屬于穩(wěn)定運行，則稱為“制動運行”。 他勵直流電動機的電氣制動方法有：能耗制動、反接制動和回饋制動等，下面分別討論。 2.5.1 2.5.1 能耗制動能耗制動 如圖2.20所示，為能耗制動原理圖。制動前接觸器KM的常開觸頭閉合，常閉觸頭斷開，電動機有勵磁將處于正向電動穩(wěn)定運行狀態(tài)，即電動機電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 的方向相同（均為順

3、時針方向）,為拖動性轉(zhuǎn)矩。在電動機運行中保持勵磁，斷開常開觸頭KM使電樞電源斷開，閉合常閉觸頭KM用電阻 將電樞回路閉合，則進(jìn)入能耗制動。 emTnHR 圖2.20 能耗制動原理圖 能耗制動時電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向變化情況MEa+ +- -Ra IaIfUfTnn,T反方向：制動RU0：能耗制動Ia反向、T反向+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T同方向：電動 2 2制動原理制動原理 能耗制動時，電動機勵磁不變，電樞電源電壓U=0 ,由于機械慣性，制動初始瞬間轉(zhuǎn)速n不能突變，仍保持原來的方向和大小，電樞感應(yīng)電動勢 也保持原來的大小和方向，而電樞電流 為; （2-

4、14） 從式（2-14）可見，電流 變?yōu)樨?fù)，說明其方向與原來電動運行時相反，因此電磁轉(zhuǎn)矩 也變負(fù)，表明此時的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反， 起制動作用，稱為制動性轉(zhuǎn)矩。aEaIHaaNaRREUIHaaRREaIemTemT 由于 ，拖動系統(tǒng)減速。在減速過程中，Ea逐漸減小， 隨之變小，動態(tài)轉(zhuǎn)矩 仍小于0；拖動系統(tǒng)繼續(xù)減速，直至 n=0，此時 都為0。如果電動機拖動的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，系統(tǒng)就在 n=0時停車。從能耗制動開始到拖動系統(tǒng)迅速減速及停車的過渡過程就叫做“能耗制動過程”。 在能耗制動過程中，電動機靠慣性旋轉(zhuǎn)，電樞通過切割磁場將機械能轉(zhuǎn)變成電能，再消耗在電樞回路電阻 上，因而稱能耗制動。 0L

5、emTTemaTI ，LemTT emaNTIU,，)(HaRR 3 3能耗制動的機械特性能耗制動的機械特性 能耗制動的機械特性方程為 （2-15） 式中 為能耗制動機械特性的斜率，與電樞回路串接電阻時的人為機械特性的斜率相同。從式（2-15）可知，當(dāng) 時，n=0 ，說明能耗制動的機械特性是一條通過坐標(biāo)原點并與電樞回路串接電阻 的人為機械特性平行的直線，如圖2.21所示。 emHemNHaTTRRn2TeCC2TeCCNHaHRR0emTHR圖2.21 能耗制動機械特性 從圖2.21可以看出，能耗制動開始，電動機的運行點從A 瞬間過渡到B 點，然后沿機械特性2轉(zhuǎn)速逐漸下降。如果電動機拖動的是反

6、抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)n = 0時， =0，拖動系統(tǒng)停車，從B點到坐標(biāo)原點；如果電動機拖動的是位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)n=0時，動態(tài)轉(zhuǎn)矩 ，系統(tǒng)在負(fù)載帶動下將開始反向旋轉(zhuǎn)，電動機繼續(xù)沿機械特性2運行直到C點（ ）穩(wěn)定運行，在C點上滿足穩(wěn)定運行的充分必要條件，因此C點是穩(wěn)定工作點。在C點上n為負(fù)、 為負(fù)、 為正、 為正，所以 是制動性轉(zhuǎn)矩，電動機在C點上的穩(wěn)定運行就叫做“能耗制動運行”。 emT0LemTT0LemTTaEaIemTemT 在能耗制動穩(wěn)定運行狀態(tài)下，電動機靠位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載帶動旋轉(zhuǎn)，電樞通過切割磁場將機械能轉(zhuǎn)變成電能并消耗在電樞回路電阻（ ）上，其功率轉(zhuǎn)換關(guān)系和能耗制動停車過程相同，不同

7、的是能量轉(zhuǎn)換功率 大小在能耗制動穩(wěn)定運行時是固定的，而在能耗制動停車過程中是變化的。 HaRR aaIE2.5.2 2.5.2 反接制動反接制動 反接制動分為電樞電壓反向反接制動和倒拉反接制動兩種。 1電樞電壓反向反接制動 （1）實現(xiàn)方法 如圖2.22所示，制動前，接觸器的常開觸頭KM1閉合，另一個接觸器的常開觸頭KM2斷開，假設(shè)此時電動機處于正向電動運行狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速n的 方 向 相 同 , 即 電 動 機 的 均為正值。 在電動運行中，斷開KM1，閉合KM2使電樞電壓反向并串入電阻 ，則進(jìn)入制動。 emTnTEIUemaaN,圖2.22 電樞反向反接制動原理圖 FR反接制動時電動機

8、的電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的方向變化情況+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T同方向：電動+ +MEa+ +- -Ra IaIf- -U UUfTnn,T反方向：制動U反接：反接制動Ia反向T反向2. 制動原理 反接制動時，加到電樞兩端的電源電壓為反向電 壓 ， 同時接入反接制動電阻RF。反接制動初始瞬間，由于機械慣性，轉(zhuǎn)速不能突變，仍保持原來的方向和大小，電樞感應(yīng)電動勢也保持原來的大小和方向。NU反接制動后電樞電流變?yōu)椋?從式（2-16）可知，電樞電流 變負(fù)，電磁轉(zhuǎn)矩 也隨之變負(fù)，說明反接制動時 與n的方向相反， 為制動性轉(zhuǎn)矩。由于動態(tài)轉(zhuǎn)矩 ，拖動系統(tǒng)減，在減速過程中，而 逐

9、漸減小， 和 也隨之變小，動態(tài)轉(zhuǎn)矩仍小于0，系統(tǒng)繼續(xù)減速，直至n=0 ，應(yīng)立即將接觸器觸頭KM1, KM2都斷開，使電動機脫開電源，系統(tǒng)制動停車過程結(jié)束。 在反接制動過程中，電動機電樞電壓反接，電樞電流反向，電源輸入功率 ；電磁功率 , 表明機械功率被轉(zhuǎn)換成電功率，從電源輸入的功率和機械轉(zhuǎn)換的電功率都消耗在電樞回路電阻（ ）上。（2-16） aIemTemTemT0LemTTaEaIemT01aNIUP0aaemIEPFaRR FaaNFaaNaRREURREUI3. 電樞電壓反向反接制動的機械特性 電樞電壓反向反接制動的機械特性方程式為 （ 2-17） 式中機械特性斜率 由式（2-17）可知

10、，電樞電壓反向,反接制動機械特性是一條過（-n0）點并與電樞回路串入電阻RF的人為機械特性相平行的直線，如圖2.23所示。 emNFaNNTRRUn2TeeCCCemFTn02TeCCNFaFRR圖2.23 電樞電壓反向反接制動機械特性 從圖2.23可以看出，反接制動開始，電動機的運行點從A瞬間過渡到B點，然后沿機械特性曲線2轉(zhuǎn)速下降，當(dāng)?shù)紺點即n=0時，電動機立即斷開電源，拖動系統(tǒng)制動停車過程結(jié)束。從B點到C點，就是反接制動過程。 如果電動機拖動的是反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，當(dāng)反接制動過程到達(dá)C點時，n= 0， 0，此時，若電動機不立即斷開電源，當(dāng)-Tem的絕對值小于-TL 的絕對值時，拖動系統(tǒng)將處

11、于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)；當(dāng)-Tem的絕對值大于-TL 的絕對值時，拖動系統(tǒng)將就會反向起動，直到在D點穩(wěn)定運行,這時-Tem=TL,如果電動機拖動的是位能性負(fù)載,將在后面會提到的回饋制動狀態(tài) 。 反接制動適合于要求頻繁正、反轉(zhuǎn)的電力拖動系統(tǒng)，先用反接制動達(dá)到迅速停車，然后接著反向啟動并進(jìn)入反向穩(wěn)態(tài)運行，反之亦然。若只要求準(zhǔn)確停車的系統(tǒng)，反接制動不如能耗制動方便。emT功率平衡關(guān)系和制動電阻的計算功率平衡關(guān)系和制動電阻的計算 功率平衡：軸上機械功率通過電機轉(zhuǎn)換為電磁功率后，連同電網(wǎng)輸入功率全部消耗于電阻 。 同樣反接制動的機械特性曲線的斜率也取決于制動電阻的大小為了保證制動電流不超過(22.5) 。制動電阻R

12、F的求值； （2-18） 式中 電樞反接制動瞬間的電樞電流（ ），其大小與瞬間制動轉(zhuǎn)矩有關(guān)。 在額定運行下制動，可以認(rèn)為 ，代入（2-18）式進(jìn)行計算。 aFaaaaaIRRIEIU)(cuemPPP1FaRR NIabkaNFRIEURbkI0IbkNUaEabkNFRIUR22 2倒拉反轉(zhuǎn)反接制動倒拉反轉(zhuǎn)反接制動 （1）實現(xiàn)方法 如圖2.24（a）所示，電動機提升重物時，將接觸器KM常開觸頭斷開，串入較大電阻 ，使提升的電磁轉(zhuǎn)矩小于下降的位能轉(zhuǎn)矩，拖動系統(tǒng)將進(jìn)入倒拉反轉(zhuǎn)反接制動。 FR圖2.24 倒拉反接制 （2）制動原理 進(jìn)入倒拉反轉(zhuǎn)反接制動后，轉(zhuǎn)速 反向為負(fù)值，使反電勢 也反向為負(fù)值，

13、電樞電流naEFaaNaRREUI)(FaaNRREU 電樞電流是正值，所以電磁轉(zhuǎn)矩也應(yīng)為正值（保持原方向），與轉(zhuǎn)速n方向相反，電動機運行在制動狀態(tài)。此運行狀態(tài)是由于位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩拖動電動機反轉(zhuǎn)而形成的，所以稱為倒拉反接制動。 在倒拉反轉(zhuǎn)反接制動運行狀態(tài)下， 、 為正，電源輸入功率 ，而電磁功率 ，表明從電源輸入的電功率和機械轉(zhuǎn)換的電功率都消耗在電樞回路電阻（ + ）上，其功率關(guān)系與電樞電壓反向反接制動時相似。 NUaI01aNIUP0aaemIEPaRFR（3）倒拉反轉(zhuǎn)反接制動的機械特性 倒拉反轉(zhuǎn)反接制動的機械特性就是電樞回路串電阻的人為機械特性，如圖2.24（b）所示，即emNFaNNTRR

14、Un2TeeCCCemFTn0（2-19） 式中機械特性斜率 2TeCCNFaFRR 在由提升重物轉(zhuǎn)為下放重物時，將KM觸頭斷開，電樞電路內(nèi)串接較大電阻 ，這時電動機轉(zhuǎn)速不能突變，工作點從a點瞬間跳至對應(yīng)的人為機械特性b點上，由于 ，電動機減速沿曲線下降至c點。在c點，n= 0 ，此時仍有 n0， , 均為負(fù)值，所以機械特性是電動狀態(tài)機械特性延伸到第二象限的一條直線。下面分析一種典型的回饋制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)。aIemT 圖2.25是帶位能負(fù)載下降時的回饋制動機械特性，電動機電動運行帶動位能性負(fù)載下降，在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的共同驅(qū)動下，轉(zhuǎn)速沿特性曲線1逐漸升高，進(jìn)入回饋制動后將穩(wěn)定運行在a點上。需要指出的是，此時電樞回路不允許串入電阻，否則將會穩(wěn)定運行在很高轉(zhuǎn)速的b點上。 圖2.25 回饋制動機械特性 前面提到的他勵直流電動機的反接制動，如果電動機拖動的是位能性負(fù)載，當(dāng)n=0時，如果不切除電源，電動機在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，迅速反向啟動，轉(zhuǎn)速n=-n0后將繼續(xù)反向加速，轉(zhuǎn)速n超過n0，電動機進(jìn)入回饋制動狀態(tài) 。TnTLTb0反接制動-TL位能負(fù)載反抗負(fù)載制動到0不斷電回饋制動反向電動穩(wěn)定運行點 電動機反向啟動后，轉(zhuǎn)速n0，Ea反向，當(dāng)轉(zhuǎn)速n