制动电机的原理与计算方法

1.5.1.1 需要解决的问题

1.制动方式

电动机的能耗制动方式，是在停机时向定子绕组里通入直流电流，也叫直流制动，如图1-26a所示。其制动原理是：

当定子绕组里通入直流电流后，所产生的磁场是在空间不动的固定磁场，转子由于惯性继续旋转时，其绕组将切割固定磁场而产生感应电动势和感应电流，感应电流又受到磁场的作用力而形成制动转矩，如图1-26b所示。

图1-26 能耗制动的方法和原理

a）能耗制动方法 b）能耗制动原理

2.必须储存足够的电能

停电时，电源没有了，由谁来提供直流电呢？只能依靠储存的电能来提供。考虑到电解电容器已能做到法拉级，使储存足够的电能成为了可能。就是说，在停电时可以由电解电容器来提供直流电流。

3.储能电路耗电的最小化

能耗制动时，向电动机绕组里通入的直流电流是较大的，如果在制动时向电源也索取同样大的电流，则不但设备费用昂贵，消耗电能也多，并不可取。

考虑到制动的时间十分短促，而生产机械停机的频率一般不可能十分频繁。就是说，每两次停机之间的时间间隔通常是较长的。所以，电容器可以用很小的电流充电，实现小电流充电，大电流放电。

1.5.1.2 主电路

1.储能元件的充放电

如上所述，主电路的核心是储能元件—电解电容器。如图1-27所示，SS是低压直流电源，其输出电压U_D1的大小决定了电容器C₁对电动机的放电电流，所以，和电动机所要求的制动转矩有关。根据实践经验，取U_D1=30V，其制动转矩即已足够。

U_D1通过电阻R₁向电容器C₁充电，如图中之虚线①所示。由于R₁的电阻值很大，故充电电流i₁很小，充电时间可达1min以上。二极管VD₁用于保护C₁，因为电动机的绕组会有续流电流，而电解电容器是不允许承受反方向电压的，所以，VD₁既是电动机绕组的续流二极管，同时也对C₁起到了保护作用。

图1-27 能耗制动主电路

虚线②是电容器C₁通过晶闸管VS和二极管VD₂向电动机绕组放电的路径，由于电动机的等效阻抗很小，故放电电流I₂很大。二极管VD₂的作用有二：

1）防止在制动瞬间，电动机的反电动势把A点的电位提高，影响VS的触发效果；

2）当C₁放电完毕后，提高一点A点的电位，使VS两端的电压更低，确保VS的截止。

2.主要元器件的选择

1）电阻R₁：以尽量减小充电电流，从而减小直流电源的容量为原则。

选R₁≥10kΩ/0.5W

2）电容器C₁：以能够向电动机提供足够的制动电流为原则。

选C₁=50000μF/100V

这样，充电时间常数为

τ=R₁C₁=10⁴×50000×10^-6s=500s=8.3min

如果每次的停机时间不足8min的话，可通过适当减小R₁进行调整。

1.5.1.3 停电的采样电路

1.基本要求

必须避免在电源电压尚未消失的状态（包括缺相）下向电动机通入直流电流。

2.采样电路

如图1-28所示：

正常工作时，接触器KM得电，电动机侧的三相电压经VD₀₁～VD₀₆全波整流后将电流I_D通入光耦合器PC的二极管中，光耦合器处于导通状态。

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图1-28 停电的采样电路

停机时，接触器KM断开，电动机侧的三相电压为0V，光耦合器PC的二极管电流I_D=0A，处于截止状态。

3.主要元器件的选择

（1）光耦合器

选PC817光耦合器，其主要参数是：

二极管正向压降：≤1.2V；

二极管正向电流：I_D≤50mA；

电流传输比：实测结果，CTR=200%；

晶体管饱和压降：U_CES=0.1V；

晶体管电流：I_T≤50mA。

（2）滤波电容器C₀₁

C₀₁太小，影响滤波效果；太大，又会影响停电时的反应灵敏度。今选

C₀₁=100μF/25V

（3）抗干扰电容器C₀₂

由于滤波用的电解电容器具有一定量的分布电感，不能吸收外来的高频干扰信号。C₀₂就是用来吸收高频干扰信号的。可选

C₀₂=0.047μF

（4）限流电阻R₀₁～R₀₃

限流电阻用于降低整流电路的电压，并把流入光耦合器的电流限制在允许范围内。

根据实验，选R₀₁～R₀₃=50kΩ

电阻的功率选P₀₁～P₀₃=2W

（5）整流二极管VD₀₁～VD₀₆

选1N4007，最大反向峰值电压为100V。

图1-29 晶闸管的控制电路

1.5.1.4 晶闸管的控制电路

普通电动机的停机控制：

停机的控制电路如图1-29所示，控制电路的电源电压取U_D2=15V。图中的PC₂是晶闸管的触发集成电路，PC₂各引脚的功能如下：

1脚和2脚：低压直流电源的输入端；

3脚和4脚：停电信号的输入端；

5脚和6脚：脉冲信号的输出端。

TP是脉冲变压器。

正常运行时，PC₁的二极管中有电流，晶体管导通，PC₂的3脚为低电位，5脚和6脚并无脉冲输出。

停机时，PC₁二极管中的电流突降为0A，晶体管截止，PC₂的3脚翻转为高电位，5脚和6脚将输出脉冲信号，并通过脉冲变压器TP将脉冲信号传递给晶闸管VS的触发极，VS导通，电容器C₁通过VS和VD₂向电动机放电，使电动机因得到直流电流而迅速停住。

C₁的放电过程很快就结束，UD₁又开始通过R₁向C₁充电，为下一次的停机做准备。