直流电动机制动的励磁控制技术

【学习任务】（1）正确分析直流电动机的制动原理。

（2）正确分析直流电动机的制动过程。

（3）正确选择直流电动机的制动方式。

微课11.2：直流电机的制动

根据电磁转矩TM和转速n方向之间的关系，可以把电动机分为两种运行状态。当TM与n方向相同时，称为电动机运行状态，简称电动状态；当TM与n方向相反时，称为制动运行状态，简称制动状态。电动状态时，电磁转矩为驱动转矩，电动机将电能转换成机械能；制动状态时，电磁转矩为制动转矩，电动机将机械能转换成电能。在制动过程中，要求电动机制动迅速、平滑、可靠和能量损耗少。

直流电动机的制动方式主要有能耗制动、反接制动和回馈制动三种，下面对其分别进行介绍。

1.能耗制动1）制动原理

图11－2所示为他励直流电动机能耗制动示意图，在制动时，将闸刀S合向下方，刚开始因为气隙磁通保持不变、电枢存在惯性，其转速n不能马上降为零，而是保持原来的方向旋转，于是n和Ea的方向均不变。但是，由于在闭合的回路内产生的电枢电流IaB与电动状态时电枢电流Ia的方向相反，由此产生与转速n方向相反的制动电磁转矩TMB，即电动机处于制动状态。很明显，此时，电动机的电能不再供向电网，而是在电阻上转变为热能的形式消耗了，这样一来使电动机的转速迅速下降。这时电动机实际上处于发电机运行状态，将转动部分的动能转换成电能消耗在电枢回路的电阻上，所以称其为能耗制动。

2）机械特性

能耗制动的机械特性就是在U＝0、Φ＝ΦN、RZ＝Ra＋RB条件下的一条人为机械特性，即

因此，能耗制动的机械特性为一条过坐标原点的直线，其理想空载转速为零。机械特性的斜率与电动状态下电枢串联电阻RB时的人为机械特性的斜率相同，如图11－3中的直线BCC.。

图11－2　他励直流电动机能耗制动示意图

图11－3　能耗制动机械特性

若原电动机拖动反抗性恒转矩负载在A点运行，则当进行能耗制动时，在制动开始瞬间，由于转速n不能突变，故电动机的工作点由A点跳变至B点，此时电磁转矩反向，与负载转矩同向，在它们的共同作用下，电动机沿BOC.曲线减速，直至工作点达到O点速度减到零。

若电动机拖动位能性负载，虽然到达0点时n＝0，TM＝0，但在位能负载的作用下，电动机将反转并加速，工作点将沿特性曲线OC方向移动。此时的Ea的方向随n的反向而反向，则n和Ea的方向均与电动状态时相反，而Ea产生的Ia的方向与电动状态相同，随之TM的方向也与电动状态方向相同，电磁转矩仍为制动转矩。随着反向转速n的增加，制动转矩也不断增大，当制动转矩达到与A点转矩相同时，获得稳定运行，此状态称为稳定能耗制动运行。

能耗制动操作简单，但随着转速n的下降，电动势Ea减小，制动电流和制动转矩也随之减小，制动效果变差。

2.电压反接制动

反接制动分为电压反接制动和倒拉反转反接制动两种，下面首先介绍电压反接制动。

1）制动原理

电压反接制动是将电枢反接在电源上，即电枢电压由原来的正值变为负值，同时电枢回路要串接制动电阻RB，此时，在电枢回路内，U与Ea方向相同，共同产生很大的反向电流，即

反向的电枢电流I产生很大的反向电磁转矩TMB，从而产生很强的制动作用，即电压反接制动。其控制电路如图11－4所示。

2）机械特性

电压反接制动时，在U＝－UN，R＝Ra＋RB条件下得到人为机械特性方程为

可见，其特性曲线是一条通过－n0点、斜率为的直线，如图11－5所示。

电压反接制动时，由于惯性，电动机的工作点从电动状态A点瞬间跳变到B点，此时电磁转矩与转速反向，对电动机起制动作用，使电动机转速迅速降低，从B点C.沿制动特性下降到C点，此时n＝0，若要求电动机准确停机，必须马上切断电源，否则将进入反向启动。

若要求电动机反向运行，且负载为反抗性恒转矩负载，当n＝0时，若电磁转矩，则电动机堵转；若电磁转矩，则电动机反向启动，沿特性曲线至D点－TM＝－TL，电动机稳定运行在反向电动状态。如果负载为位能性恒转矩负载，则电动机反向转速继续升高将沿特性曲线到E点，在反向发电回馈制动状态下稳定运行于F点，制动特性曲线过－n0点。

3.倒拉反接制动

倒拉反接制动一般发生在提升重物转为下放重物的情况下，即位能性恒转矩负载。

图11－4　电压反接制动示意图

图11－5　电压反接制动机械特性

1）制动原理

图11－6（a）所示为电动状态下拖动重物的原理图，图11－6（b）所示为电动机在倒拉反转反接制动状态下拖动重物的原理图，可见，两图的差别就在于在制动过程中主电路中串联了一大电阻RB，可得到一条斜率较大的人为机械特性曲线，如图11－7。

图11－6　倒拉反转反接制动

（a）正向电动；（b）倒拉反转反接制动

制动过程如下：串联电阻瞬间，因转速不能突变，所以工作点由固有机械特性曲线上的A点沿水平方向跳跃到人为机械特性曲线的B点，此时电磁转矩TM小于负载转矩TL，于是电动机开始减速，工作点沿人为机械特性曲线由B点向C点转化，到达C点时，n＝0，电磁转矩为堵转转矩TK，因TK仍小于负载转矩TL，所以在重物的重力作用下电动机将反向旋转，即下放重物。因为励磁电流不变，所以Ea随n的反向而改变方向，由图11－6（b）可看出Ia的方向不变，故TM的方向也不变。这样，电动机反向后，电磁转矩为制动转矩，电动机处于制动状态。如图11－7中的CD段所示，随着电动机反向转速的增加，Ea增大，电枢电流Ia和制动的电磁转矩TM也相应增大，当到达D点时，电磁转矩与负载转矩平衡，电动机便以稳定的转速匀速下放重物。电动机串入的电阻RB越大，最后稳定的转速超高，下放重物的速度也越快。

电枢回路串联较大的电阻后，电动机能出现反转反接制动运行，主要是位能负载的倒拉作用，又因为此时的Ea与U也是顺向串联，共同产生电枢电流，因此，把该制动称为倒拉反转反接制动。

2）机械特性

倒拉反转反接制动的机械特性方程就是电动状态时电枢串联电阻的人为机械特性方程，即

不过此时电枢串联的电阻值较大，使，所以n为负值，特性曲线位于第四象限的CD段，如图11－7所示。

因此，倒拉反接反转制动下放重物的速度随串联电阻RB的大小而异，制动电阻越大，特性越软，下放速度越高。

综上所述，电动机进入倒拉反转反接制动状态必须有位能负载反拖电动机，同时电枢回路必须串联较大电阻。此时位能负载转矩为拖动转矩，而电动机的电磁转矩是制动转矩，以安全下放重物。

4.回馈制动控制(www.xing528.com)

电动状态运行的电动机，在拖动机车下坡等场合时会出现电动机转速高于理想空载转速（即n＞n0）的情况。此时，电枢电动势Ea大于电枢电压U，电枢电流，电枢电流的方向与电动状态相反，从能量传递方向看，电动机处于发电状态，将机车下坡时失去的位能转变成电能回馈给电网，因此，该制动为回馈制动。回馈制动一般用于位能负载高速拖动电动机场合和降低电枢电压调速场合。

回馈制动时的特性方程与电动状态下相同，只是运行在特性曲线上的不同区段而已。当电动机拖动机车下坡出现回馈制动（正向回馈制动）时，其机械特性曲线位于第二象限，如图11－8所示中的n0A段。当电动机下放重物出现回馈制动（反向回馈制动）时，其机械特性曲线位于第四象限，如图11－8所示中的－n0B段。图11－8所示中的A点是电动机处于正向回馈制动稳定运行点，表示机车以恒定的速度下坡；B点C.是电动机处于反向回馈制动稳定运行点，表示重物匀速下放。

除以上两种回馈制动稳定运行外，还有一种发生在电动状态过程的回馈制动过程。如降低电枢电压的调速过程和弱磁状态下增磁调速过程中都会出现回馈制动过程，下面对这两种情况进行说明。

在图11－9中，A点是电动状态运行的工作点，对应电压为U1，转速为nA。当进行降压（U1降为U2）调速时，因转速不突变，工作点由A点平稳到B点，此后工作点在降压人为机械特性曲线的BnC.02段上的变化过程即为回馈制动过程，它起到加快电动机减速的作用，当转速降到n02时，制动过程结束。从n02降到C点转速nC的过程为电动状态减速过程。

图11－7　倒拉反转反接制动机械特性

图11－8　回馈制动机械特性

在图11－10中，磁通由Φ1增至Φ2时，工作点的变化情况与图11－8回馈制动时相同，由于有功率回馈到电网，因此与能耗制动和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。

图11－9　降压调速时的回馈制动

图11－10　增磁调速时的回馈制动

自测题

答案11.2

一、填空题

1.当直流电动机转速超过__________时，出现回馈制动。

2.直流电动机常用的电气制动方式有________、________、________。

3.如果不串联制动电阻，反接制动瞬间的电枢电流约是电动运行时电枢电流的________倍。

4.直流电动机的制动分为机械制动和________。

5.串励直流电动机的制动只有能耗制动和反接制动，不能实现________。

二、选择题

1.串励直流电动机不能实现的电气制动方式是（　　）。

A.能耗制动　　　　　B.反接制动　　　　　C.再生制动　　　　　D.机械制动

2.若直流他励电动机在电动运行状态中，由于某种因素，使电动机的转速高于理想空载转速，这时电动机便处于（　　）。

A.回馈制动状态　B.能耗制动状态

C.电枢反接制动状态　D.倒拉反接制动状态

3.直流电动机回馈制动时，电动机处于（　　）状态

A.电动　B.发电　C.空载　D.制动

4.他励直流电动机电磁制动的本质是（　　）。

A.立即停车　B.调速需要　C.TM与n反向　D.TM与n同向

5.直流电动机的电气制动有三种方法，即再生制动、能耗制动和（　　）。

A.反接制动　B.回馈制动　C.机械制动　D.发电制动

三、判断题

1.串励直流电动机可以实现反接制动。（　　）

2.对于串励直流电动机来说，反接制动就是将外加电源的极性接反。（　　）

3.一台并励直流电动机，若改变电源极性，则电动机转向也改变。（　　）

4.实现单相异步电动机的正反转，只要电源的首、末两端对调即可。（　　）

5.串励直流电动机可以实现再生制动。（　　）

四、分析计算题

1.什么是电气制动？电气制动有什么特点？有哪几种方法？

2.能耗制动过程和能耗制动运行有何异同点？

3.他励直流电动机额定数据：PN＝12 kW，UN＝220 V，IN＝64 A，nN＝700 r/min，Ra＝0.25 Ω。试问：

（1）额定工况下采用电压反接制动，制动时电枢中串入RZ＝6 Ω的制动电阻，问最大制动电流及电磁转矩为多少？

（2）停机时电流及电磁转矩为多少？如果负载为反抗性且停机时不切断电源，系统是否会反向启动？为什么？