直流电动机的制动原理及应用

根据电磁转矩Tem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Tem与n同方向时，称为电动运行状态，简称电动状态；当Tem与n反方向时，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；制动状态时，电磁转矩为制动转矩。

在电力拖动系统中，电动机经常需要工作在制动状态。例如，许多生产机械工作中，往往需要快速停车或者由高速运行迅速转为低速运行，这就要求电动机进入制动运行状态；对于像起重机等位能性负载的工作机构，为了获得稳定的下放速度，电动机也必须运行在制动状态。因此，电动机的制动运行也是十分重要的。

他励直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。

1.能耗制动

图1－4是能耗制动的接线图。开关S接电源侧为电动状态运行，此时电枢电流Ia、电枢电动势Ea、转速n及驱动性质的电磁转矩Tem的方向如图1－4所示。当需要制动时，将开关S投向制动电阻RB上，电动机便进入能耗制动状态。

图1－4　能耗制动接线图

初始制动时，因为磁通保持不变、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的方向均不改变。但是，由Ea在闭合的回路内产生的电枢电流IaB却与电动状态Ia的方向相反，由此而产生的电磁转矩TemB也与电动状态时Tem的方向相反，变为制动转矩，于是电动机处于制动运行。

制动运行时动能转换成电能，并消耗在电阻（Ra＋RB）上，直到电动机停止转动为止，所以这种制动方式称为能耗制动。

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

可见，能耗制动时的机械特性是一条通过坐标原点的直线，其理想空载转速为零，其斜率与电动状态下电枢串电阻RB时人为特性的斜率相同，如图1－5中直线BC所示。

能耗制动时，电动机工作点的变化情况可用机械特性曲线说明。设制动前工作点在固有特性曲线A点处，其n>0，Tem>0，Tem为驱动转矩。开始制动时，因n不突变，工作点将沿水平方向跃变到能耗制动特性曲线上的B点。在B点，n>0，Tem<0电磁转矩为制动转矩，于是电动机开始减速，工作点沿BO方向移动。

图1－5　能耗制动机械特性

1）反抗性负载

若负载性质为反抗性负载，到达O点转速为零，制动过程结束。

2）位能性负载

若负载性质为位能性负载，过O点后电动机进入反转，并且反向转速逐渐升高，到C点达到稳定运行。

改变制动电阻RB的大小，即可改变能耗制动特性曲线的斜率，从而可以改变起始制动转矩（B点所对应的电磁力矩）的大小以及下放位能负载时的稳定速度（C点所对应的转速）。RB越小，特性曲线的斜率越小，起始制动转矩越大，而下放位能负载的速度越小。

减小制动电阻，可以增大制动转矩，缩短制动时间，提高工作效率。但制动电阻太小，将会造成制动电流过大，通常限制最大制动电流不超过2～2.5倍的额定电流。选择制动电阻的原则是

即

式中，Ea为制动瞬间（制动前电动状态时）的电枢电动势。如果制动前电动机处于额定运行，则Ea＝UN－RaIN≈UN。

能耗制动操作简单，但随着转速的下降，电动势减小，制动电流和制动转矩也随之减小，制动效果变差。若为了使电动机能更快地停转，可以在转速降到一定程度时，切除一部分制动电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。

2.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方式。

1）电压反接制动

电压反接制动时的接线图如图1－6所示。开关S投向“电动”侧时，电枢接正极性的电源电压，此时电动机处于电动状态运行。进行制动时，开关S投向“制动”侧，此时电枢回路串入制动电阻RB后，接上极性相反的电源电压，即电枢电压由原来的正值变为负值。此时，在电枢回路内U与Ea顺向串联，共同产生很大的反向电枢电流IaB。

反向电枢电流IaB产生很大的反向电磁转矩TemB，从而产生很强的制动作用。

电动状态时，电枢电流的大小由U与Ea之差决定，而反接制动时，电枢电流的大小由U与Ea之和决定，因此反接制动时电枢的电流是非常大的。为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻RB，RB的大小应使反接制动时电枢电流不超过电动机的最大允许电流Imax，Imax＝（2～2.5）IN，因此应串入的制动电阻值为

电压反接制动时的机械特性曲线是在U＝－UN，Φ＝ΦN，R＝Ra＋RB条件下的一条人为特性曲线，即

或

可见，其特性曲线是一条通过－n0点，斜率为的直线，如图1－7中线段BC所示。(www.xing528.com)

图1－6　电压反接制动接线图

图1－7　电压反接制动时的机械特性曲线

电压反接制动时电动机工作点的变化情况可用图1－7说明如下：

设电动机原来工作在固有特性上的A点，反接制动时，由于转速不能突变，工作点沿水平方向跃变到反接制动特性上的B点，之后在制动转矩作用下，转速开始下降，工作点沿BC方向移动，当到达C点时，制动过程结束。在C点，n＝0，但制动的电磁转矩Tem≠0。根据负载性质的不同，此后工作点的变化可分为两种情况。

（1）电动机拖动反抗性负载。若电动机拖动反抗性负载，C点处的电磁转矩便成为电动机的反向启动转矩。当此启动转矩大于负载转矩时，电动机便反向启动，并一直加速到D点，进入反向电动状态下稳定运行。若制动的目的是为了停车，那么在电动机转速接近于零时，应立即断开电源，同时启动机械制动装置。

（2）电动机拖动位能性负载。若电动机拖动位能性负载，则过C点以后电动机将反向加速，一直到达E点，即电动机最终进入回馈制动状态下稳定运行。若制动的目的是为了停车，那么在电动机转速接近零时，应立即切断电源，同时启动机械制动装置。

反接制动时，从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率全部转变成电枢回路上的电功率，一起消耗在电枢回路串接的电阻（Ra＋RB）上，其能量损耗是很大的。

2）倒拉反转反接制动

倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。

以起重机下放重物为例，图1－8（a）标出了正向电动状态（提升重物）时电动机的各物理量方向，此时电动机工作在图1－8（c）固有特性上的A点。如果在电枢回路中串入一个较大的电阻RB，将得到一条斜率较大的人为特性，便可实现倒拉反转反接制动，如图1－8（c）中的直线n0D所示。制动过程如下：

串电阻瞬间，因转速不能突变，所以工作点由固有特性上的A点沿水平方向跳跃到人为特性上的B点，此时电磁转矩Tem（Tem＝TB）小于负载转矩TL，于是电动机开始减速，工作点沿人为特性由B点向C点变化，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。因为励磁不变，所以Ea随n的反向而改变方向。由图1－8（b）可以看出，Ia的方向不变，故Tem的方向也不变。这样，电动机反转后，电磁转矩为制动转矩，电动机处于制动状态，如图1－8（c）中的CD段。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Tem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。

图1－8　倒拉反转反接制动

（a）正向电动；（b）倒拉反转；（c）机械特性

电动机串入的电阻RB越大，最后稳定的转速越高，下放重物的速度也越快。电枢回路串入较大的电阻后，电动机能出现反转制动运行，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，这一点与电压反接制动相似，因此把这种制动称为倒拉反转反接制动。

3.回馈制动

电动状态下运行的电动机，在某种条件下（如电动机拖动机车下坡时）会出现运行转速n高于理想空载转速n0的情况，此时Ea>U，电枢电流反向，电磁转矩的方向也随之改变，由驱动转矩变成制动转矩。从能量传递方向看，此时电动机处于发电状态，将机械能变换成电能回馈给电网，因此称这种状态为回馈制动状态。

回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。正向回馈制动时的机械特性曲线位于第二象限，反向回馈制动时位于第四象限，如图1－9中的n0A段和－n0B段。

电力拖动系统出现回馈制动状态有以下几种情况：

1）电压反接制动时的回馈制动

如图1－7所示，当电压反接制动时，若电动机拖动位能性负载，则电动机经过制动减速、反向电动加速，最后在重物的重力作用下，工作点将通过－n0点进入第四象限，出现运行转速超过理想空载转速的反向回馈制动状态（－n0E段）。当到达E点时，制动的电磁转矩与重物作用力相平衡，电力拖动系统便在回馈制动状态下稳定运行，即重物匀速下降。

2）电车下坡时的回馈制动

当电车下坡时，运行转速也可能超过理想空载转速而进入第二象限运行，如图1－9中的A点，这时电动机处于正向回馈制动状态下稳定运行。

3）降低电枢电压调速时的回馈制动

在图1－10中，A点是电动状态运行工作点，对应电压为U1转速为nA。当进行降压（U1降为U2）调速时，因转速不能突变，工作点由A点平移到B点，此后工作点在降压人为特性曲线的Bn02段上的变化过程即为回馈制动过程，它起到了加快电动机减速的作用。当转速降到n02时，回馈制动过程结束。从n02降到C点转速nc为电动状态减速过程。

图1－9　回馈制动机械特性

图1－10　降压调速时产生回馈制动

4）调磁调速过程中出现的回馈制动

图1－11　调磁调速时产生回馈制动

在直流电动机进行调磁调速的过程中，主磁通Φ在小于额定磁通ΦN范围内变化。当磁通由一个较小的磁通Φ1增大到Φ2时，其工作点在Bn02段上变化时为回馈制动过程，如图1－11所示。

回馈制动时，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。

4.直流电动机的反转

直流电动机的转向是由电枢电流方向和主磁场方向确定的，要改变其转向，一是改变电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向（即改变主磁场的方向）。如果同时改变电枢电流和励磁电流的方向，则电动机的转向不会改变。

改变直流电动机的转向，通常采用改变电枢电流方向的方法，具体就是改变电枢两端的电压极性，或者说把电枢绕组两端换接，而很少采用改变励磁电流方向的方法。