三相异步电动机制动优化方案

【学习任务】（1）正确说出三相异步电动机的制动方法。

（2）正确说出三相异步电动机不同制动方法的实现方式及适用范围。

微课7.4：三相异步电动机的制动

三相异步电动机既可工作于电动状态，也可工作于制动状态。电动状态是指电动机的电磁转矩T与转速n方向相同，机械特性位于第一、三象限，电动机从电网中吸取电能，并把电能转换成机械能输出。制动状态是指电动机的电磁转矩TM与转速n方向相反，机械特性位于第二、四象限。

1.能耗制动

实现能耗制动的方法是：将定子绕组从三相交流电源断开，然后立即加上直流励磁电源，同时在转子电路串入制动电阻。其接线图如图7－29所示，此时直流电流在气隙中产生一个恒定的磁场，因惯性作用，转子还未停止转动，运动的转子导体切割此恒定磁场，在其中便产生感应电动势。由于转子是闭合绕组，因此能产生感应电流，继而产生电磁转矩，此转矩与转子因惯性作用而旋转方向相反，起制动作用，迫使转子迅速停下来。这时储存在转子中的动能转变为电能消耗在转子电阻上，以达到迅速停车的目的，故称这种制动方法称为能耗制动。

图7－29　三相异步电动机能耗制动接线图

图7－30　三相异步电动机能耗制动机械特性

在图7－30中，曲线4为转子不串电阻时的固有机械特性曲线；曲线1为能耗制动时增大励磁电流If而转子不串电阻时的机械特性曲线，此时最大制动转矩增大，但产生最大转矩时的转速不变；曲线3为能耗制动时励磁电流If不变而转子串电阻时的机械特性曲线，此时最大制动转矩不变，但产生最大转矩时的转速增大。

当绕线型异步电动机采用能耗制动时，最大制动转矩取（1.25～2.2）TN，可以求出直流励磁电流和转子应串接电阻的大小，即

式中　Ifav——直流励磁电流；

I0——异步电动机的空载电流，一般取I0＝（0.2～0.5）I1N；

E2N——转子堵转时的额定线电动势；

I2N——转子额定电流；

RB——转子应串接电阻的大小。

三相异步电动机的能耗制动具有以下特点：

（1）能够使反抗性恒转矩负载准确停车；

（2）制动平稳，但制动至转速较低时制动转矩也较小，制动效果不理想；

（3）由于制动时电动机不从电网中吸取交流电能，只吸取少量的直流电能，因此制动比较经济。

2.反接制动

当三相异步电动机转子的旋转方向与定子旋转磁场方向相反时，电动机便处于反接制动状态。反接制动分为两种情况：一种是电源反接制动，其实现方式为在电动状态下将电源两相反接，使定子旋转磁场的方向由原来的顺转子转向改变为逆转子转向；另一种是倒拉反接制动，其实现方式为保持定子磁场的转向不变，即电磁转矩方向不变，由外部因素使电动机转子的转向倒转，故电磁转矩方向与转子实际转向相反，使转子减速，这种制动类似于直流电动机的倒拉反接制动。

1）电源反接制动

图7－31（a）所示为绕线式三相异步电动机，反接制动时，将三相异步电动机任意两相定子绕组的电源进线对调，同时在转子电路串入制动电阻。这种制动类似于他励直流电动机的电压反接制动。反接制动前，电动机处于正向电动状态（K1闭合），以转速n逆时针旋转；反接制动时，把定子绕组的两相电源进线对调（K1断开，K2闭合），同时在转子电路中串入制动电阻R，使电动机气隙旋转磁场方向反转，这时的电磁转矩方向与电动机惯性转矩方向相反，成为制动转矩，使电动机转速迅速下降。

由图7－31（b）可知，反接制动前，电动机拖动恒转矩负载稳定运行于固有机械特性曲线1的A点。电源反接后，旋转磁场的转向改变，电动机转速来不及变化，工作点由A点平移到B点，这时系统在制动的电磁转矩和负载转矩的共同作用下迅速减速，工作点沿曲线2移动，当到达C点时，转速为零，制动结束。对于反抗性恒转矩负载，若要停车，制动到了C点时应快速切断电源，否则电动机可能会反向启动。如制动仅是为了迅速停车，则当转速降到零以后一般应采用速度继电器或时间继电器控制，以便电动机速度为零或接近零时立即切断电源，防止电动机反转。

图7－31　电源两相反接的反接制动

（a）反接制动电路图；（b）反接制动机械特性曲线

定子两相反接制动时，n1为负，n为正，所以电动机的转差率为

通过公式

可推导求出制动电阻的大小为

式中　s′——固有机械特性线性段上对应任意给定转矩TM的转差率，；

s——转子串电阻R的人为机械特性线性段上与s′对应相同转矩TM的转差率。

由以上分析可知，三相异步电动机的电源反接制动具有以下特点：

（1）制动转矩即使在转速降至很低时仍较大，因此制动强烈而迅速；

（2）能够使反抗性恒转矩负载快速实现正反转，若要停车，则需在制动到转速为零时立即切断电源；

（3）电源反接制动时s＞1，从电源输入的电功率，从电动机轴上输出的机械功率P2≈PM＝TΩ＜0。这说明制动时，电动机既要从电网吸取电能，又要从轴上吸取机械能并转换为电能，这些电能全部消耗在转子电路的电阻上，因此制动时能耗大、效率差。

2）倒拉反接制动

倒拉反接制动主要用于以绕线型异步电动机为动力的起重机械拖动系统。实现倒拉反接制动的方法是在转子电路串入一个足够大的电阻，其机械特性如图7－32所示。

在图7－32中，设电动机原来工作在固有特性曲线上的A点提升重物，当在转子回路串入电阻R时，其机械特性变为曲线2。串入R的瞬间，转速来不及变化，工作点由A点平移到B点，此时电动机的提升转矩TM小于位能性负载转矩TL，因此提升速度减小，工作点沿曲线2由B点C.向C点移动。在减速过程中，电动机仍运行在电动状态。当转速降为零时，仍然有TM＜TL，因此位能性负载（重物）便迫使电动机转子反转，电动机开始进入倒拉反接制动状态。在重物的作用下，电动机反向加速，电磁转矩逐渐增大，直到D点TM＝TL时为止，电动机处于稳定的倒拉反接制动运行状态，电动机以较低的速度匀速下放重物。

图7－32　三相异步电动机倒拉反接制动机械特性曲线

倒拉反接制动时的转差率为

这一点与电源反接制动一样，所以s＞1是反接制动的共同特点。

当电动机工作在机械特性的线性段时，制动电阻R的近似计算仍然采用式（7－31）。由以上分析可知，倒拉反接制动具有以下特点：

（1）能够低速下放重物，安全性好；

（2）由于制动时s＞1，因此与电源反接制动一样，P1＞0，P2＞0。这说明在制动时，电动机既要从电网吸取电能，又要从轴上吸取机械能并转换为电能，这些电能全部消耗在转子电路的电阻上，因此制动时能耗大、经济性差。

3.回馈制动

若异步电动机在电动状态运行，由于某种原因，使电动机的转速超过了同步转速（转向不变），电动机转子绕组切割旋转磁场的方向将与电动运行状态时相反，因此转子电动势E2S、转子电流I2和电磁转矩TM的方向也与电动状态时相反，即TM与n反向，TM成为制动转矩，电动机便处于制动状态，这时电磁转矩由原来的驱动作用转为制动作用，电动机转速便减慢下来。同时，由于电流方向反向，电磁功率回送至电网，故称为回馈制动。其机械特性如图7－33所示。

回馈制动常用来限制转速，例如当电车下坡时，重力的作用使电车转速增大，当n＞n1时，电动机自动进入回馈制动。回馈制动可以向电网回输电能，所以经济性能好，但只有在特定状态下才能实现制动，而且只能限制电动机的转速而不能停转。

此时电动机的转差率为

1）下放重物时的回馈制动

在图7－33中，设A点是电动状态提升重物工作点，D点是回馈制动状态下放重物工作点，电动机从提升重物工作点A过渡到下放重物工作点D的过程如下：(www.xing528.com)

图7－33　三相异步电动机回馈制动机械特性曲线

首先，将电动机定子两相反接，这时定子旋转磁场的同步转速为－n1，机械特性如图7－33中曲线2所示。反接瞬间，转速不能突变，工作点由A平移到B，然后电动机经过反接制动过程（工作点沿曲线2由B变C.到C）、反向电动加速过程（工作点由C向同步点－n1变化），最后在位能性负载作用下反向加速并超过同步转速，直到D点保持稳定运行，即匀速下放重物。如果在转子电路中串入制动电阻，对应的机械特性如图7－33中曲线3所示，这时的回馈制动工作点为D′，其转速增加，重物下放的速度增大。为了限制电动机的转速，回馈制动时在转子电路中串入的电阻值不应太大。

2）变极或变频调速过程中的回馈制动

图7－34所示为笼型异步电动机的YY－△变极调速时的回馈制动过程。设电动机原来在机械特性曲线1上的A点稳定运行，当电动机采用变极（如增加极数）或变频（如降低频率）进行调速时，其机械特性曲线变为曲线2，同步转速为n1。在调速瞬间，转速不能突变，工作点由A变到B。在B点，转速nB＞0，电磁转矩TMB＜0，为制动转矩，且因为nB＞n1，故电动机处于回馈制动状态。工作点沿曲线2的B点C.到n1点，这一段变化过程称为回馈制动过程，在此过程中，电动机吸收系统释放的动能，并转换成电能回馈到电网。电动机沿曲线2的n1点到D点的变化过程称为电动状态的减速过程，D点为调速后的稳态工作点。

由以上分析可知，回馈制动具有以下特点：

（1）电动机转子的转速高于同步转速，即；

（2）只能高速下放重物，安全性差；

（3）制动时电动机不从电网吸取有功功率，反而向电网回馈有功功率，制动很经济。

综上所述，三相异步电动机的各种运转状态所对应的机械特性画在一起，如图7－35所示。

图7－34　三相异步电动机变极调速时回馈制动过程

图7－35　三相异步电动机各种运行状态的机械特性

4.三相异步电动机的反转

由三相异步电动机的工作原理可知：三相异步电动机转动的方向始终与定子绕组所产生的旋转磁场方向相同，而旋转磁场方向与通入定子绕组的三相电流的相序有关，所以要想改变转向，只需改变通入定子绕组三相电流的相序来实现。

自测题

一、填空题

1.当切断电动机电源后，由于电动机转动部分具有惯性，所以停电后仍继续旋转，要经过较长时间才能停转的这一过程叫________。

2.三相异步电动机的电气制动方法有________、________、__________。

3.欲使运转中的三相异步电动机迅速停转，可将电动机三根电源线中的________，旋转磁场立即反向旋转，转子中的感应电动势和电流也都随之反向，短时间后迅速断开电源的制动方法称为________。

4.异步电动机的旋转方向取决于________的旋转方向，而磁场的旋转方向取决于通入定子绕组的三相电流的________。因此，只要将电动机三根电源线中的任意两根对调，电动机就能反转。

二、选择题

1.三相绕线转子异步电动机拖动起重机的主钩、提升重物时，电动机运行于正向电动状态，若在转子回路串接三相对称电阻下放重物时，电动机运行状态是（　　）。

A.能耗制动运行　B.回馈制动运行

C.倒拉反转运行　D.反接制动运行

2.改变三相异步电动机转子旋转方向的方法是（　　）。

A.改变三相异步电动机的接法方式　B.改变定子绕组电流相序

C.改变电源电压　D.改变电源频率

3.向电网反馈电能的三相异步电动机的制动方式称为（　　）。

A.能耗制动　B.电控制动　C.再生制动　D.反接制动

4.能耗制动的方法就是在切断三相电源的同时（　　）。

A.给转子绕组中通入交流电　B.给转子绕组中通入直流电

C.给定子绕组中通入交流电　D.给定子绕组中通入直流电

5.异步电动机要实现回馈制动，则应满足以下条件（　　）。

答案7.5

A.转子转速应小于旋转磁场转速，且同向

B.转子转速应等于旋转磁场转速，且同向

C.转子转速应小于旋转磁场转速，且反向

D.转子转速应大于旋转磁场转速，且同向

三、判断题

1.异步电动机回馈制动时，转子的速度大于同步速度。（　　）

2.电枢反接制动主要用于位能性负载的下降运行。（　　）

3.交流电动机的回馈制动属于发电制动。（　　）

4.三相交流异步电动机发生回馈制动时，转子的速度大于同步速度。（　　）

5.转速反接制动主要用于位能性负载的下降运行。（　　）

6.倒拉反接制动主要用于位能性负载的下降运行。（　　）

7.交流电动机的回馈制动时当前运行的速度小于同步速度。（　　）

8.罩极式异步电动机的转向可以改变。（　　）

四、简答题

1.将三相异步电动机接三相电源的三根引线中的两根对调，此电动机是否会反转？为什么？

2.三相异步电动机正在运行时，转子突然被卡住，这时电动机的电流会如何变化？对电动机有何影响？