他励直流电动机的制动原理及应用

他励电动机的制动就是指在一定的负载下，根据生产工艺的要求，人为地改变电动机的参数，使得电动机工作于制动状态，并将机械能转换为电能，使电机转速为零，或稳定地工作于某一状态。

制动可以用机械方法取得，但机械变速机构复杂。现代电力拖动中多采用电气制动方法，即对拖动生产机械的电动机进行制动调节，其优点是可以简化机械结构，提高生产机械的传动效率，操作简便，调速性能好，能实现自动控制等。电动机的制动是人为的有意的。

1.直流电动机的两种运转状态

（1）电动运转状态：电动机转矩T的方向与旋转方向相同，电网向电动机输入电能。

（2）制动运转状态：转矩T与转速n的方向相反，电动机吸收机械能并转化为电能。

2.电气制动方法

电气制动方法有能耗制动、反接制动和回馈制动（或称再生制动）等。应用电气制动方法可以使电动机生产一个负的转矩（即制动转矩），以增加减速度，使系统较快地停下，也可以使位能负载的工作机构获得稳定的下放速度。

（1）能耗制动。

制动开始时，由于电动机的惯性作用，n不变，故Ea的大小和方向不变，则

电枢电流为负值，与电动状态的正方向相反，转矩T与电动状态相反，则T与n也相反，电动机为制动运行状态，T为制动转矩。直流电动机电动状态和制动状态的电路如图2-44所示。

图2-44　直流电动机电动状态和制动状态的电路

制动过程中，电动机把系统的动能转换为电能，消耗在电阻R和电枢回路的电阻Ra上，所以称为能耗制动。能耗制动状态下的机械特性方程为

上式位于机械特性的二象限，过坐标原点。制动前，工作于A点，n＝n1。制动开始时，n1不能突变，工作于B点，T1为负值，在－T、－TL作用下，电动机减速。

如图2-45所示，制动电阻R越小，固有机械特性曲线越平，T1的绝对值越大，电动机的制动减速越快。R过小，电枢电流Ia和转矩T1过大，可能超过允许值，R应受限制。其工作原理如图2-46所示。一般按最大制动电流不超过2IN来选择R，即

图2-45　能耗制动机械特性

图2-46　能耗制动原理图

（2）反接制动

使Ua与E的作用方向变为一致，共同产生电枢电流Ia，由动能转换而来的电功率EIa和由电源输入的电功率UaIa一起消耗在电枢电路中。

反接制动有倒拉反接制动和电枢反接的反接制动两种方式。

①倒拉反接制动。如图2-47所示，电动机在提升重物G时，工作于A点，转速n，平衡时，T＝TL。

图2-47　倒拉反接制动(www.xing528.com)

串入电阻R的瞬间，转速不能突变，工作于B点，T＜TL，电机减速，下降到C点，n＝0，这时，T仍然小于TL，电动机在转矩|TL－T|的作用下倒拉电机反转，即电机由原来的提升重物变为下放重物。电动机的T未改变方向，而转速n改变了方向，T与n方向相反，因此，电机运行于制动状态，T为制动转矩。由于n反方向，电枢电势Ea也反向，Ia为

过C点后，由于T＜TL，电机反向加速，使Ea增大，Ia和T相应加大，直到D点，T＝TL，倒拉反接制动达到某一制动运行状态，此时，电机转速n＝n2。电势平衡方程为

两边同乘Ia得

UIa与电动状态相同，是电网输入功率；EaIa为位能负载产生的机械功率在电枢内转换成的电功率。这两项电功率之和均转换成热能消耗在电枢回路总电阻（Ra＋R）上，R越大，稳定下放重物速度越大。机械特性方程为

②电枢反接的反接制动。如图2-48所示，正转时，KM1接通，工作于A点（n1，TL），T＝TL。

图2-48　电枢反接制动

停机时，断开KM1，接通KM2，n不能突变，工作于B点，此时Ia为

Ia变为负值，T也变为负值。T与n反向，T为制动转矩。在电磁制动转矩和负载转矩的共同作用下，电动机迅速停车。

电枢反接的反接制动的机械特性方程为

式（2-42）中，由于电枢反接制动时，U反向，n0为负值，T也为负值，而n为正值。特性曲线位于第二象限，工作点由B沿特性曲线下降到C点，电动机停转。如果要使电动机反向运行，当T＝TL时，电动机将稳定运行于E点。为保证反接制动时电枢最大电流不超过2IN，应使电枢回路总电阻满足以下条件，即

（3）回馈制动

电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现n＞n0情况，此时Ea＞U，Ia反向，T反向，由驱动变为制动。从能量角度看，电机由发电状态变为回馈制动状态。

回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。回馈制动特点是使电动机转速高于理想空载转速，Ea＞U，电机处于发电状态，系统的动能变换成电能回馈电网。

①正向回馈制动。当Ea＞U时，电流由电枢向电源正端流出，具有向电源回馈的性质。此时，n，E，Ua方向都未改变，Ia反向，T也反向，即T变得与n方向相反，处于制动状态，既回馈电能，又有制动作用，故称为回馈制动状态。其机械特性的方程式与反接制动相同，如图2-49所示。

图2-49　正向回馈制动

回馈制动运行实质即电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率EaIa后，大部分回馈给电网UIa，小部分变为电枢回路的铜损I2a（Ra＋RW）。电动机变为一台与电网并联运行的发电机。

回馈制动可用于转速高于理想空载转速情况下的位能负载下放。

②反向回馈制动。

制动时，电枢电压方向，并在电枢回路中串联一个制动电阻，即与电压反向反接制动相同。

机械特性的方程式同电压反向反接制动相同。反向回馈制动虽与电压反向反接制动电路相同，但制动时n，E，Ia，T的方向不同。反向回馈时，由于n反向，E反向，且E＞Ua，Ia反向，T反向，电机处于发电状态，回馈电能。