直流电机的电动与制动运行技术

1.概述

在电力拖动系统中，电机的制动运行是指其电磁转矩与转速两者实际方向相反时的运行，这时，电磁转矩属制动性质的转矩。而电动运行则是指电磁转矩与转速两者实际方向相同时的运行，这时电磁转矩属拖动性质的转矩。

电机的制动运行可用于使系统停车过程加快，如果仅将电机从电源断开，则制动转矩很小（空载转矩），停车较慢，但如果使电机运行于制动状态，则电机的电磁转矩也是制动转矩，可加快停车，而快速停车在某些场合下是十分必要的。当然，电机的制动运行并不限于加快停车，恒速制动运行也不乏其例，例如，恒速下放重物时，可通过使电机运行于制动状态而加以实现。

和分析其他拖动问题一样，我们常借助于机械特性分析电机的制动运行，机械特性中的n，T，U都是有方向的量，在规定了相应的参考方向以后，应当把这些量理解为代数量，可正可负，实际方向与参考方向一致，则为正；反之，则为负。我们总是把电机加正向电压并作电动运行（从电源吸收电功率在轴上向负载输出机械功率）时各量的实际方向取为它们的参考方向，这样，n与T的参考方向一致，且正向电动运行时各量（包括TL）均为正，机械特性位于第一象限。不难理解，加反向电压（这时，n、U均为负）且运行于电动状态，即反向电动状态时，T、n、TL均为负，特性位于第三象限。

而制动运行时，n与T实际方向相反，那么，只有两种可能：一种是n为正，T为负，特性位于第二象限；一种是n为负，T为正，特性位于第四象限。所以，制动运行时，机械特性位于第二象限或第四象限。

直流电机的制动运行可分为能耗制动、回馈制动、转速反向的反接制动和电压反向的反接制动等数种。下面以他励直流电机为例，首先讨论其电动状态，然后再分析这几种制动状态。

2.电动状态

他励直流电机在电动状态下的机械特性如图2-25所示。

1）正向电动运行状态

正向电动运行状态读者已经很熟悉了，他励直流电机工作点在第一象限时，如图2-25所示的A点和B点，电机电磁转矩T＞0，转速n＞0，这种运行状态称为正向电动运行状态。由于T与n同方向，T为拖动性转矩。

图2-25　他励直流电机的电动运行

1—固有机械特性；2—降压人为机械特性；3—电源电压（—UN）人为机械特性

电动运行时，电机把电源送进电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。在这个过程中，电枢回路中存在着铜损耗和空载损耗，如表2-1所示。

表2-1　正向电动运行状态的功率关系

注：UIa＝十Ea Ia；Ea Ia＝IΩ；I0Ω＋T2Ω

若电机运行于升速或降速过渡过程中，轴上输出转矩T2应包括负载转矩T1，和动转矩（GD2/375）（d n/d t）两部分。

2）反向电动运行状态

拖动反抗性负载，正转时电机工作点在第一象限，反转时，电机工作点则在第三象限，如图2-25所示的C点，这时电机电源电压为负值。在第三象限运行时，电磁转矩T＜0，转速n＜0，T与n仍同方向，丁仍为拖动性转矩，其功率关系与正向电动运行完全相同，这种运行状态称为反向电动运行。

正向电动运行与反向电动运行是电机运行时最基本的运行状态。实际运行的电机除了运行于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反方向意味着电机的电磁转矩T不是拖动性转矩，而是制动性阻转矩了，这种运行状态统称为制动状态，工作点显然在第二、四象限内。下面分别介绍各种制动运行状态。

3.能耗制动

1）能耗制动过程

他励直流电机拖动着反抗性恒转矩负载运行于正向电动运行状态时，其接线如图2-26（a）所示，这时闸刀开关接在电源上，电机工作点在第一象限A点，如图2-26（b）所示。当闸刀开关从上拉至下边时，也就是突然切除了电机的电源电压并在电枢回路中串接了电阻R，这样他励直流电机的机械特性不再是图2-26（b）中的曲线1而成了曲线2。在切换后的瞬间，由于转速n不能突变，电机的运行点从A→B，磁通量Φ＝ΦN不变，电枢感应电动势Ea保持不变，即Ea＞0，而此刻电压U＝0，因此在工作点B的电枢电流和电磁转矩分别为

TB＜TL即制动转矩TB—TL＜0，系统减速。在减速过程中，Ea逐渐下降，Ia及T逐渐加大（绝对值逐渐变小），电机运行点沿着曲线2从B→0，这时Ea＝0，T＝0，n＝0，即在原点上。

上述过程是正转的拖动系统停车的制动过程。在整个过程中，电机的电磁转矩T＜0，而转速n＞0，T与n是反方向的，T始终是起制动作用的，是制动运行状态的一种，称之为能耗制动过程。能耗制动停车过程中，转速不稳定，T2＝TL＋（GD2/375）（dn/dt）。

他励直流电机能耗制动过程中的功率关系如表2-2所示。

图2-26　能耗制动过程

（a）接线图；（b）机械特性图
1—固有机械特性；2—电压为零的人为机械特性

表2-2　能耗制动过程的功率关系

注：UIa＝（Ra＋R）＋Ea Ia；Ea Ia＝TΩ；TΩ＝T0Ω十T2Ω

表2-2中所示电源输入的电功率P1＝0，也就是电机与电源脱离，没有功率交换；电磁功率PM＜0，也就是在电机内，电磁作用是把机械功率转变为电功率，相当于直流发电机的作用；机械功率P2＜0，说明了电机轴上非但没有输出机械功率到负载去，反而是负载向电机输入了机械功率。扣除了空载损耗P0，其余的通过电磁作用转变成电功率了。从电磁功率把机械功率转换为电功率这一点讲，能耗制动过程中电机好像是一台发电机，但与一般的发电机又不相同，表现在：①没有原动机输入机械功率，其机械能靠的是系统转速从高到低，制动时所释放出来的动能；②电功率没有输出，而是消耗在电枢回路的总电阻（Ra＋R）上了。

图2-27所示为他励直流电机在电动运行和能耗制动状态下的功率流程图，图2-27（a）是电动运行状态的功率关系，图2-27（b）则为能耗制动过程的功率关系。

图2-27　他励直流电机在电动运行和能耗制动状态下的功率流程图

（a）电动运行状态；（b）能耗制动

能耗制动过程开始的瞬间，电枢电流|Ia|与电枢回路总电阻（Ra＋R）成反比，所串电阻R越小，|Ia|越大。|Ia|增大，电磁转矩|I|＝CTΦN|Ia|随着增大，停车快。但是Ia过大，换向则很困难。因此能耗制动过程中电枢电流有个上限，也就是电机允许的最大电流Iamax。根据Iamax可以计算出能耗制动过程电枢回路串接制动电阻的最小值Rmin，两者的关系为

式中，Ea为能耗制动开始瞬间的电枢感应电动势。

生产机械工作完毕都需要停车，可以采用自由停车，即把电机电源切除，靠系统的摩擦阻转矩使之慢慢停下不转。若要加快停车过程缩短停车时间，除了使用抱闸（机械制动器）等制动装置之外，还可以采用电气制动方法。所谓电气制动方法，就是由电机本身产生制动转矩来加快停车，能耗制动停车，就是一种电气制动方法。

2）能耗制动运行

他励直流电机如果拖动位能性负载，本来运行在正向电动状态，突然采用能耗制动，如图2-28（a）所示，电机的运行点从A→B→0，B→0是能耗制动过程，与拖动反抗性负载时完全一样。但是到了0点以后，如果不采用其他办法如抱闸停车抱住电机轴，则由于电磁转矩T＝0，小于负载转矩，系统会继续减速，也就是开始反转了。电机的运行点沿着能耗制动机械特性曲线2从0→C，在C点处T＝TL2，系统稳定运行于工作点C。该处电机电磁转矩T＞0，转速n＜0，T与n方向相反，T为制动性转矩，这种稳态运行状况称为能耗制动运行。在这种运行状态下，TL方向与系统转速n同方向，为拖动性转矩。能耗制动运行时电机电枢回路串接的制动电阻不同时，运行转速也不同，制动电阻R越大，转速绝对值|n|越高，如图2-28（b）所示。

图2-28　能耗制动运行

1—固有机械特性；2、3—电压为零的人为机械特性

如果由他励直流电机拖动位能性负载运行时，怎样理解工作点在第四象限的稳态运行状态呢？为什么转速n＜0了，而电磁转矩仍旧是T＞0呢？实际上这很简单，以起重机提升或下放重物为例，提升重物也好，下放重物也好，都是恒速（n＝常数），重物本身受的合力为零，作用在卷筒上的电磁转矩与负载转矩大小相同，方向相反，因此T＞0。

能耗制动运行时的功率关系与能耗制动过程时是一样的，不同的只是能耗制动运行状态下，机械功率的输入是靠位能性负载减少位能储存来提供的。(www.xing528.com)

4.反接制动

1）电压反向的反接制动过程

电压反向的反接制动停车是把正向运行的他励直流电机的电源电压突然反接，同时在电枢回路串接限流的反接制动电阻R来实现的。拖动反抗性恒转矩负载，电压反向的反接制动停车时，其机械特性如图2-29（a）所示。本来电机的工作点在A，反接制动后，电机运行点从A→B→C，到C点后电机转速n＝0，制动停车过程结束，将电机的电源切除。在这一过程中，电机运行于第二象限。T＜0，n＞0，T与n反方向，T是制动性转矩。上述过程称为反接制动过程。

显然，同一台电机，在同一个，Iamax规定下，电压反向的反接制动过程比能耗制动过程电枢串接的电阻最小值几乎大了一倍，这是因为UN≈Ea所致，从图2-29（b）曲线2与曲线3两条制动机械特性也看得出来，斜率几乎相差一倍。另外，在同一个Iamax条件下制动时，在制动停车过程中的电磁转矩，反接制动时的大，能耗制动时的小，见图2-29（b），因此反接制动停车更快。如果能够使制动停车过程中电枢电流|Ia|＝Iamax不变，那么电磁转矩也就能保持|T|＝Tmax，制动停车过程中始终保持着最大的减速度，制动效果最快。保持制动过程中|Ia|＝Iamax，需要由自动控制系统完成。

图2-29　电压反向的反接制动过程

1—固有机械特性；2—U＝—UN时电枢串接电阻的人为机械特性；3—U＝0时电枢串接电阻的人为机械特性

电压反向的反接制动过程中的功率关系如表2-3所示。

表2-3　电压反向的反接制动过程功率关系

注：UIa＝（Ra＋R）＋Ea Ia；Ea Ia＝TΩ；TΩ＝T0Ω＋T2Ω

电压反向的反接制动过程中电源输入的电功率P1＞0，轴上P2＜0，即输入机械功率，而且机械功率扣除了空载损耗后，即转变成了电功率，PM＜0；从电源送入和机械能转变成的这两部分电功率，都消耗在电枢回路电阻Ra上了。其功率流程图如图2-33（a）所示。电机轴上输入的机械功率是系统释放的动能所提供的。

电压反向的反接制动过程开始的瞬间，电枢电流|Ia|与电枢回路总电阻（Ra＋R）成反比。所串接的电阻R越小，|Ia|越大。同样应该使起始制动电流|Ia|＜Iamax，所串接电阻最小值应为

如果他励直流电机拖动反抗性恒转矩负载进行电压反向的反接制动的机械特性如图2-30所示，那么制动过程到达C点时，n＝0，T≠0，这时若停车就应及时切除电机的电源（需要由自动控制系统完成），如若不然，在C点上，T＜TL系统会反向启动，直到在D点运行。频繁正、反转的电力拖动系统，常常采用这种先电压反向的反接制动停车，接着进行反向启动的运行方式，达到迅速制动并反转的目的。但是对于要求准确停车的系统，采用能耗制动更为方便。

2）转速反向的反接制动运行

他励直流电机如果拖动位能性负载运行，电枢回路串接电阻时，转速n下降，但是如果电阻值大到一定程度后，就会使转速n＜0，工作点在第四象限，电磁转矩T＞0，与n方向相反，是一种制动运行状态，称为倒拉反转运行或限速反转运行，如图2-31所示。

图2-30　电压反向的反接制动接着反向启动的机械特性

图2-31　转速反向的反接制动运行

1—固有机械特性；2—电枢串接电阻人为机械特性

转速反向的反接制动运行的功率关系与电压反向的反接制动过程的功率关系一样，功率流程如图2-33（a）所示。两者之间的区别仅仅在于反接制动过程中，向电机输入的机械功率是负载释放的动能提供的，而倒拉反转运行中，是位能性负载减少位能提供的，或者说，是位能性负载倒拉着电机运行，因此称为倒拉反转运行。

5.回馈制动

1）正向回馈制动运行

图2-32所示为他励直流电机电源电压降低，转速从高向低调节的过程。原来电机运行在固有机械特性曲线的A点上，电压降为U1后，电机运行点从A→B→C→D，最后稳定运行在D点。在这一降速过渡过程中，从B→C这一阶段，电机的转速n＞0，而电磁转矩T＜0，T与n的方向相反，T是制动性转矩，是一种正向回馈制动运行状态。

B→C这一段运行时的功率关系，如表2-4所示。

图2-32　降压调速时的回馈制动过程

表2-4　正向回馈制动过程的功率关系

注：UIa＝＋Ea Ia；Ea Ia＝TΩ；TΩ＝T0Ω＋T2Ω

把上述功率关系画成功率流程图如图2-33（b）所示。与直流发电机的功率流程一致，所不同的只是：①机械功率的输入不是原动机送进，而是系统从高速向低速降速过程中释放出来的动能所提供；②电功率送出不是给用电设备而是给直流电源。这种运行状态称为正向回馈制动过程，“回馈”指电机把功率回馈电源，“过程”指没有稳定工作点而是一个变速的过程。但该过程区别于能耗制动过程和反接制动过程，后两者都是转速从高速到n＝0的停车过程，而回馈制动过程仅仅是一个减速过程，转速从高于n01的速度减到n＝n01。转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点。

图2-33　他励直流电机在反接制动和回馈制动状态下的功率流程图

（a）倒拉反转和反接制动；（b）回馈制动

如果让他励直流电机拖动一台小车，规定小车前进时转速n为正，电磁转矩T与n同方向为正，负载转矩TL与n反方向为正。小车在平路上前进时，负载转矩为摩擦性阻转矩TL1，TL1＞0。小车在下坡路上前进时，负载转矩为一个摩擦性阻转矩与一个位能性的拖动转矩的合成转矩。一般后者数值（绝对值）比前者大，两者方向相反，因此下坡时小车受到的总负载转矩为TL2，TL2＜0，如图2-34所示。

图2-34中，负载机械特性为曲线1和曲线2，这样走平路时电机运行在正向电动运行状态，工作点为固有机械特性与曲线1的交点A；走下坡路时电机则运行在正向回馈运行状态，工作点为固有机械特性与曲线2的交点B。回馈制动运行时的电磁转矩T与n方向相反，R与TL平衡，使小车能够恒速行驶。这种稳定运行时的功率关系与上面回馈制动过程时是一样的，区别仅仅是机械功率不是由负载减少动能来提供，而是由小车减少位能储存来提供。回馈制动运行状态的功率关系与发电机一致，因此又称为发电状态。

图2-34　正向回馈制动运行

2）反向回馈制动运行

如果他励直流电机拖动位能性负载，当电源电压反接时，工作点在第四象限，如图2-35（a）所示的B点，这时电磁转矩T＞0，转速n＜0，T与n反方向，称为反向回馈制动运行。

反向回馈制动运行的功率关系与正向回馈制动运行时是一样的。

他励直流电机如果拖动位能性负载进行反接制动（同时串限流电阻），当转速下降到n＝0时，如果不及时切除电源，也不用抱闸抱住电机轴，那么由，于电磁转矩与负载转矩不相等，系统不能维持n＝0，而继续减速即反转，如图2-35（b）所示，直到达到反接制动机械特性与负载机械特性交点C才稳定运行。电机在C点的运行状态也是反向回馈制动运行状态。

图2-35　反向回馈制动运行

到此为止，他励直流电机四个象限的运行状态逐个介绍过了，现在把四个象限运行的机械特性画在一起，如图2-36所示。第一、三象限内，T与n同方向，是电动运行状态；第二、四象限内，T与n反方向，是制动运行状态。

图2-36　他励直流电机的各种运行状态

实际的电力拖动系统，生产机械的生产工艺要求电机一般都要在两种以上的状态下运行。例如经常需要正、反转的反抗性恒转矩负载，拖动它的电机就应该运行在如下各种状态：正向启动接着正向电动运行，反接制动、反向启动接着反向电动运行，反方向的反接制动，回到正向启动接着正向电动运行，最后能耗制动停车。因此，要想掌握他励直流电机实际上是怎样拖动各种负载工作的，就必须先掌握电机的各种不同的运行状态以及怎样从一种稳定运行状态变到另一种稳定运行状态。