电气制动方法及其实现原理

电气制动:在电动机停车时产生一个与转子原来转动方向相反的电磁转矩,迫使电动机迅速停车。

常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动等方法。

1.能耗制动

(1)能耗制动的原理:三相异步电动机在断开电动机三相电源后,转子由于惯性仍继续沿原方向以转速n旋转,同时接通直流电源,此时直流电流流入定子的两相绕组,产生静止的恒定磁场,转子导体切割定子磁场产生感应电动势和电流,从而受到电磁力的作用,其方向与电动机转动方向相反,我们称之为制动转矩,它迫使转子转速下降。制动转矩随转子转速下降而减小,当转速降至零时,转子不再切割磁场,无转矩产生,电动机停转,制动结束。此法是利用转子转动的能量切割磁力线而产生制动转矩的,实质是将转子的动能消耗在转子回路的电阻上,故称为能耗制动。

制动转矩的大小与通入转子绕组中的直流电流的大小有关,通入的直流电流越大,静止磁场越强,制动力就越大。直流电流的大小,一般控制为电动机空载电流的3~5倍较为适宜。因为绕组的电阻值较小,制动时的电流就会较大,容易损坏电动机,故必须在直流电源回路中串入制动电阻R_P,制动时间的长短就由制动电阻R_P的大小来决定。

选择R_P时要注意以下两点:①电阻值越小,制动转矩越大,流过制动单元的电流越大;②不可以使制动单元的工作电流大于其允许最大电流,否则会损坏器件。

(2)电路原理图(见图2-66)。

制动工作过程分析:

(3)能耗制动制动力强、制动平稳、无大的冲击,电路简单,价格较低;但能耗制动在制动过程中,随着电动机转速的下降,拖动系统动能也在减少,于是电动机的再生能力和制动转矩也在减少,所以在惯性较大的拖动系统中,常会出现在低速时停不住,而产生“爬行"现象,从而影响停车时间的延长或停位的准确性;仅适用于一般负载的停车,多用于矿井提升和起重机运输等生产机械。

图2-66 能耗制动电路

2.反接制动(可分为电源反接制动、倒拉反接制动)

(1)电源反接制动

1)电源反接制动原理:在正常运转的电动机断开电源的同时,改变加到电动机定子绕组上任意两相电源的相序,使之产生反向转矩而制动。

电源反接制动的实质其实就是使电动机欲反转而在未反转之前停车,因此当电动机的转速接近零时,应立即切断反接制动电源,否则电动机会反转。实际控制中一般采用速度继电器来自动切除制动电源。

电源反接制动控制电路如图2-67所示。其主电路和正反转电路完全相同。由于反接制动时转子与旋转磁场的相对转速较高,约为起动时的2倍,因此会致使定子、转子绕组中的电流很大,大约是额定值的10倍。为了防止大电流产生的危害,因此在反接制动电路中增加了限流电阻R。KM1为运行接触器,KM2为制动接触器,SR为速度继电器,其与电动机联轴,当电动机的转速下降到约为90r/min的动作值时,SR闭合的常开触点断开,切断KM2的电源,完成制动。

2)反接制动分析:停车时按下停止按钮SB2￫复合按钮SB2的常闭触点先断开￫KM1线圈断电￫KM1主、辅触点恢复无电状态,结束正常运行并为反接制动做好准备￫接通KM2线圈(SR常开触点在正常运转时已经闭合)￫KM2主触点闭合￫电动机改变相序进入反接制动状态￫辅助触点闭合自锁持续制动￫当电动机的转速下降到设定的释放值时,SR触点释放￫切断KM2线圈￫反接制动结束。

图2-67 电源反接制动电路

一般将速度继电器的释放值调整到90r/min左右,如释放值调整得太大,反接制动不充分;调整得太小,又不能及时断开电源从而造成短时反转现象。

反接制动的优点是制动力强、停转迅速、控制电路简单、无需直流电源,设备投资少;缺点是制动过程冲击大、易损坏传动部件、制动准确性差、电能消耗多,有时会出现反转,所以得与机械抱闸配合。(https://www.xing528.com)

因此适用于10kW以下小容量的电动机制动,要求迅速、系统惯性大,不经常起动与制动的设备,如铣床、镗床、中型车床等主轴的制动控制。

(2)倒拉反接制动

主要出现在起重拖动中,在负载位能转矩的作用下,将电动机倒接旋转,使转子转向与旋转磁场旋转方向相反。

图2-68 倒拉反接制动

电动机原先提升位能性负载,如图2-68所示,运行在固有特性曲线1的A点,这时将转子回路串入较大的电阻R_b,由于惯性的作用,转速n来不及变化,但机械特性改变,平移到曲线2的B点,此时由于电磁转矩T_c小于负载转矩T_L2,转速下降。当转速降到零时(C点),在负载拖动作用下,将电动机倒拉反转,直到D点,电磁转矩与负载转矩达到新的平衡,以稳定速度下放重物。倒拉反接制动时电动机的转差率为

该制动方法能量消耗大,但能获得任意低的转速来下放重物,安全性好。

3.回馈制动

回馈制动主要发生在以下两种情况。

(1)拖动位能性负载高速下放重物

电动机正转拖动起重机提升重物,下放重物时,定子电源相序反接,电动机反转,重物下放。由于重力的作用,使转子转速n超过旋转磁场转速n₁,转子所受的力矩与转子的转向相反,迫使转子转速下降,起到制动作用,使重物匀速下降。电动机进入发电机状态,向电网反馈能量,故称为回馈制动,又可称为再生发电制动,如图2-69所示。

图2-69 回馈制动

若电动机在提升过程中,运行于机械特性的A点,当下放时,电源反接,机械特性运行于图2-69a中第三象限,为反向电动状态。当T=0时,由于重力的作用使转速继续增加并超过n₁进入第四象限(图2-69b),此时n＞n₁,电磁转矩成为制动转矩,当到达D点时达到平衡,重物匀速下放,处于发电回馈制动状态。

若在转子回路中串入电阻,电磁转矩变小,制动力减小,制动力的大小和串入的电阻大小有关系。即转子回路串入电阻越大,特性曲线越软,而下放重物转速越高,故一般回馈制动时不串接转子电阻,以避免转速过高。

(2)变极或变频调速过程

当变速多极电动机从高速档调到低速档或变频使转速从高变低时,旋转磁场转速突然减小,而转子具有惯性,转速尚未下降时,会出现回馈制动。如图2-70所示,电动机运行于曲线1的A点,当变频可变极调为曲线2时,运行过程为A￫B￫C￫D,其中A￫B为惯性平移过程,B￫C为正向回馈过程,C￫D为电动减速过程。

图2-70 变频调速特性

回馈制动的特点:经济性好,可将负载的机械能转换为电能反送回电网,但应用范围不广,只有在n＞n₁时才能实现回馈制动。