1、1第 5章 电机制动技术电动机的制动特性是衡量电动机运行性能的一项重要指标。特别是有些生产机械，例如可逆式轧钢机、高炉进料的卷扬机，龙门刨床等，工作时经常需要减速或停车，拖动这些生产机械的电动机也就需要频繁的制动。因此了解电动机的制动特性是十分必要的。要评价电动机的制动性能，首先要对电动机制动的物理过程进行分析，以便了解制动过程中电流和转矩的变化规律，然后才能正确的选择制动方法。5.1 电动机的电动与制动运行状态从前面各章节分析中，我们知道：(1)电动机稳态工作点是指满足稳定运行条件的那些电动机机械特性与负载转矩特性的交点，电动机在工作点恒速运行。(2)电动机运行在工作点之外的机械特性上时，电
2、磁转矩与负载转矩不相等系统处于加速或减速的过渡过程。(3)他励直流电动机的固有机械特性与各种人为机械特性，分布在机械特性的四个象限内。(4)生产机械的负载转矩特性，有反抗性恒转矩、位能性恒转矩、泵类等典型负载转矩特性，也有由几种典型负载同时存在的各种负载转矩特性，他们分布在四个象限之内。综合考虑以上四点，不难想象，它励直流电动机拖动各种类型负载运行时，若改变电源电压、磁通及电枢回路所串电阻，电动机的机械特性和工作点就会分布在四个象限之内，也就是说电动机会在四个象限之内运行（包括稳态与过渡过程） ，即处于各种不同的运行状态。交流电动机由于结构简单、可通过改变电源电压 、电流频率 、定子极对数 、
3、1U1fp定子及转子电路的电阻和电抗 来改变机械特性，方法简单，使用方便，2121、 XR生产机械中能使用交流电动机拖动时，就不必用直流电动机。5.1.1 电动机的电动运行状态1正向电动运行状态他励直流电动机工作点在第象限时，如图 5-1 所示的 A 点（他励直流电动机）和 B点（交流电动机） ，电动机电磁转矩 T0，转速 n0，这种运行状态称为正向电动运行，由于 T 与 n 同方向，T 为拖动性转矩。2图 5-1 电动机的电动运行电动机电动运行时，电动机把电源送进电动机的电功率通过电磁作用转换为机械功率，再从轴上输出给负载。他励直流电动机电动运行状态的功率流程图如图 5-2 所示。图 5-2
4、 他励直流电动机电动状态功率流程图 交流电动机电动运行状态的功率流程图如图 5-3 所示。图 5-3 交流电动机电动状态功率流程图若电机运行于升速或降速过渡过程中，轴上输出转矩应包括负载转矩 和动转矩LT两部分。dtnGD375232反向电动运行状态若拖动反抗性负载，正转时电动机工作点在第象限，反转时，电动机工作点则在第象限，如图 5-1 所示的 C 点（他励直流电动机）及 D 点（交流电动机） ，这时电动机电源电压为负值。在第象限运行时，电磁转矩 T0，转速 n0,T 与 n 仍同方向，T 仍为拖动性转矩，其功率关系与正向电动运行时完全相同，这种运行状态称为反向电动运行。正向电动运行与反向电
5、动运行是电动机运行时最基本的运行状态。实际运行的电动机除了运行于 T 与 n 同方向的电动运行状态之外，经常还运行在 T 与 n 反方向的运行状态。T 与 n 反方向意味着电动机的电磁转矩不是拖动性转矩，而是制动性阻转矩了，这种运行状态称为制动状态，工作点显然是在第、象限里。5.1.2 电动机的制动运行状态所谓制动，就是在电动机转轴上施加一个和电动机旋转方向相反的转矩，使拖动系统从某一稳定转速很快减速停车（如可逆式轧钢机） ，或是为了限制电动机转速的升高（如起重机下方重物、电机车下坡等） ，使其在某一转速下稳定运行，以确保设备和人身安全。1制动运行的基本特征(1) 产生与电动机旋转方向相反的电
6、磁转矩；（2）电机的作用为：用电动机吸收系统贮存的机械能并转化为电能，实现能量的迅速转移。结论：制动运行状态本质上为发电机运行状态。2制动运行与发电机运行的差异(1) 输入能量有限；(2) 机电能量转换不是目的，而是一种能量转移的手段。3制动方法与原理制动的方法有以下几种：自由停车；机械制动；电气制动。电动机运行时，如果切断电源，靠系统运行部件的摩擦转矩和静负载转矩的作用使电动机减速或停车，这种制动方法一般称为自由停车，但采用这种方法减速或停车过程往往进行的较慢，满足不了生产效率的要求，因此需要用制动转矩来加快减速或停车的过程。机械制动是采用机械抱闸获得摩擦制动转矩，这种制动虽然可以加快制动过
7、程，但闸皮磨损严重，增加了维修工作量。对频繁快速制动的生产机械，一般不采用这两种制动方法，而采用电气制动的方法，就是让电动机转子带电导体与磁场相互作用，产生一个与旋转方向相反的电磁转矩来实现4制动，由于电气制动无机械磨损、容易控制以及在某些情况下可将输入的机械能转变为电能回送给电网等优点，因而得到广泛的应用。电气制动方法分能耗制动；反接制动（转速反向和电源反接） ；回馈制动三种。电动状态各量方向如图 5-4 所示，他励直流电动机， ， 0， 0， 和 方向相同，UaEITn如图 5-4a 所示。交流异步电动机， 与 的方向相同， ，转子导体感应的电动势n1n1和产生的电流，电流与磁场相互作用产
8、生的电磁转矩 如图 5-4b 所示， 与 方向相同。a) b)图 5-4 电动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机他励直流电动机磁场的大小和方向不变，在电动基础上，要使电磁转矩的方向与电枢的旋转方向相反，产生制动，需改变电枢电流的方向或改变电枢的旋转方向，要改变电枢的电流方向，方法有：电枢短路（能耗制动） ，电枢电源反接（电源反接制动） ，使电枢的旋转速度高于理想空载转速（回馈制动） ；要改变电枢的旋转方向，方法有：使电枢反方向旋转（转速反向的反接制动） 。异步电动机在电动状态，磁场旋转的方向和转子的旋转方向相同，转子的转速低于磁场的转速，在电动基础上，要使电磁转矩的方向与转子的
9、旋转方向相反，产生制动，需改变转子电流的方向（即改变转子导体与磁场的相对切割方向）或改变转子的旋转方向，要改变转子电流的方向，方法有：把交流旋转磁场改变为直流磁场（能耗制动） ，使旋转磁场的旋转方向反向（电源反接制动） ，使转子的旋转速度高于旋转磁场的旋转速度（回馈制动）；要改变转子的旋转方向，方法有：使转子反方向旋转（转速反向的反接制动） 。（1）能耗制动他励直流电动机在电动状态下运行时，去掉直流电源，同时在电枢回路串入电阻 ，R5由于系统机械惯性的作用，电机的旋转方向来不及变化，电枢电动势方向不变，但电枢电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制
10、动运行状态，各量方向如图 5-5a 所示。a) b)图 5-5 能耗制动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机绕线式交流异步电动机在电动状态下运行时，去掉直流电源，在任意两相绕组中加入直流电源，同时在转子回路串入三相对称电阻 ，由于系统机械惯性的作用，电机的旋R转方向来不及变化，磁场为方向不变的直流磁场，导体和磁场的相对切割方向和电动状态时相反，转子导体中的感应电动势方向和电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图 5-5b 所示。（2）反接制动电动机的反接制动分为电源反接的反接制动以及转速反向的反接制动（倒拉反接
11、制动）两种。他励直流电动机在电动状态下运行时，改变加在电枢两端电压的极性，同时在电枢回路串入电阻 ，由于系统机械惯性的作用，电枢的旋转方向来不及变化，电枢电动势方R向不变，和电源电压的极性在回路里顺序串联，但电枢电流方向改变了，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图 5-6a 所示。6a) b)图 5-6 电源反接制动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机绕线式交流异步电动机在电动状态下运行时（K1 闭合，K2 打开） ，将定子三相电源任意两相对调（K1 打开，K2 闭合） ，同时在转子回路串入三相对称电阻 ，如图 5-6b
12、 所示。R由于系统机械惯性的作用，电机的旋转方向来不及变化，但磁场的旋转方向改变，和电动状态时相反，导体和磁场的相对切割方向和电动状态时相反，转子导体中的感应电动势方向和电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图 5-6b 所示。他励直流电动机按电动状态（提升）接线，在电枢回路串入较大电阻 ，拖动位能R性负载。接通电源时，由于启动转矩较小，当启动转矩 小于负载转矩 时，负载拖动stTLT电动机反向旋转，电枢电动势方向改变，和电源电压的极性在回路里顺序串联。但电枢电流方向不变，和电动状态时相同。电磁转矩方向不变，和电动状态时相同
13、，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图 5-7a 所示。a) b)7图 5-7 转速反向反接制动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机绕线式交流异步电动机按电动状态（提升）接线，在转子回路串入较大三相对称电阻，拖动位能性负载。接通电源时，由于启动转矩较小，当启动转矩 小于负载转矩R stT时，负载拖动电动机反向旋转，但导体和磁场的相对切割方向不变，和电动状态时相同，LT转子导体中的感应电动势方向和电流方向不变，和电动状态时相同。电磁转矩方向不变，和电动状态时相同，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图 5-7b所示。（3）回馈制动他励直流电动机
14、在电动状态下运行时，当负载转矩的方向与电机旋转方向相同时，拖动电枢加速。当 时， 与 的方向不变，与电动状态时一样。但电枢电动势高于n0UaE外加电压，电枢电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩方向改变，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图 5-8a 所示。a) b)图 5-8 回馈制动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机交流异步电动机在电动状态下运行时，当负载转矩的方向与电机旋转方向相同时，在电磁转矩和负载转矩共同作用下，转子加速。当 时，转子导体和磁场的相对切割方n1向和电动状态时相反，转子导体中的感应电动势方向和电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩
15、随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图5-8b 所示。4. 电机系统的运行能量8在电力拖动系统中，电动机有两种运行状态：电动运行状态和制动运行状态。两种状态的差别在于电磁转矩的方向与电机旋转的方向不同。前者两者方向相同，电磁转矩是驱动转矩；后者两者方向相反，电磁转矩是制动转矩，或阻转矩。电机处于电动状态时，电机从电源吸收电能，然后把电能转换成转轴上输出的机械能，为生产机械运行提供原动力，其机械特性位于第和象限；电机处于制动状态时，从转轴上输入机械能，然后把机械能转换成电能，电能或转变成热能消耗掉，或回送给电网，其机械特性位于第和象限。下面分别讨论各种电气制动状态
16、的物理过程、机械特性及制动计算等问题。5.2 能耗制动（dynamic braking）原理与方法5.2.1 他励直流电动机的能耗制动原理与方法1能耗制动原理与方法他励直流电动机能耗制动的原理电路图如图 5-9 所示。a) b)图 5-9 他励直流电动机能耗制动的原理电路图a) 电动状态 b) 能耗制动状态设电动机制动前在电动状态下稳定运行（触点 K1 闭合，K2 打开） ，电枢电流90（ ） 、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩方向如图 5-9a 所aaREUIa示。制动时保持磁通不变，将触点 K1 打开（ ） ，K2 闭合，电枢回路串入电阻 R，0U如图 5-9b 所示。由于惯性，电枢保
17、持原来方向继续旋转，电动势 方向不变。aE制动时： )(0RIEaa0 （5-Ea1）由 产生的电枢电流 的方向与电动状态时的方向相反，对应的电磁转矩 与电动aEaI T状态时的方向相反，与电动机的旋转方向相反，为制动性质，使系统较快地减速。2能耗制动状态的机械特性将电枢电动势计算公式 和电磁转矩计算公式 代入式（5-1） ，nCEeaaTIC可得能耗制动状态的机械特性方程式（5-2）TRea2式中， 能耗制动电阻。R由式（5-2）可知，能耗制动时的机械特性是通过坐标原点、位于第和象限的直线，如图 5-10 所示。105-10 能耗制动机械特性此时，制动电阻 越大，机械特性斜率越大，平均制动转
18、矩越小。如忽略电磁惯性，R在能耗制动瞬间由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由 A 点移到 B 点。由于电动机在 B 点的转矩方向与转速方向相反，电动机进入制动状态，电动机转矩与静负载转矩共同阻碍系统运动，使转速迅速降低。由 、 和nCEeaREIa可知，电枢电势与转速成正比，电枢电流与电枢电势成正比，制动转矩与电枢aTIC电流成正比，所以能耗制动转矩随转速降低按直线规律减小。当转速等于零时，电枢电势也等于零，因而制动转矩也等于零。通常，他励直流电动机能耗制动时，其最终的运行状态于所拖动的负载性质有关。如果电动机拖动的是反抗性负载，制动开始时，工作点由 A 点移到 B 点，在阻转矩
19、 和BT的共同作用下，沿制动特性 BO 减速。在减速过程中，制动的电磁转矩（绝对值）逐渐LT减小，当电动机制动减速到坐标原点时， ， ，电动机便会自动停车。如果电0Tn动机拖动的是位能性负载，突然采用能耗制动，电动机的运行点从 A 点移到 B 点，再到O 点，是能耗制动过程，与拖动反抗性负载时完全一样。到了 O 点，虽然制动的电磁转矩，如不采用其他办法停车如抱闸抱住电动机的轴，在位能性负载转矩的作用下，电0T动机将被拖动向反方向旋转，机械特性将延伸到第象限，此时电动机的电磁转矩0，转速 0， 与 方向相反， 仍为制动转矩，和第象限正向能耗制动相对应，nTT我们把第象限的能耗制动称为反向能耗制动。随着转速的增加，转矩也不断增大，直到
