《电机制动技术》word版.doc

第5章 电机制动技术 电动机的制动特性是衡量电动机运行性能的一项重要指标。特别是有些生产机械，例如可逆式轧钢机、高炉进料的卷扬机，龙门刨床等，工作时经常需要减速或停车，拖动这些生产机械的电动机也就需要频繁的制动。因此了解电动机的制动特性是十分必要的。 要评价电动机的制动性能，首先要对电动机制动的物理过程进行分析，以便了解制动过程中电流和转矩的变化规律，然后才能正确的选择制动方法。5.1 电动机的电动与制动运行状态从前面各章节分析中，我们知道：(1)电动机稳态工作点是指满足稳定运行条件的那些电动机机械特性与负载转矩特性的交点，电动机在工作点恒速运行。(2)电动机运行在工作点之外的机械特性上时，电磁转矩与负载转矩不相等系统处于加速或减速的过渡过程。(3)他励直流电动机的固有机械特性与各种人为机械特性，分布在机械特性的四个象限内。(4)生产机械的负载转矩特性，有反抗性恒转矩、位能性恒转矩、泵类等典型负载转矩特性，也有由几种典型负载同时存在的各种负载转矩特性，他们分布在四个象限之内。综合考虑以上四点，不难想象，它励直流电动机拖动各种类型负载运行时，若改变电源电压、磁通及电枢回路所串电阻，电动机的机械特性和工作点就会分布在四个象限之内，也就是说电动机会在四个象限之内运行（包括稳态与过渡过程），即处于各种不同的运行状态。交流电动机由于结构简单、可通过改变电源电压、电流频率、定子极对数、定子及转子电路的电阻和电抗来改变机械特性，方法简单，使用方便，生产机械中能使用交流电动机拖动时，就不必用直流电动机。5.1.1 电动机的电动运行状态1正向电动运行状态他励直流电动机工作点在第象限时，如图5-1所示的A点（他励直流电动机）和B点（交流电动机），电动机电磁转矩T0，转速n0，这种运行状态称为正向电动运行，由于T与n同方向，T为拖动性转矩。图5-1 电动机的电动运行电动机电动运行时，电动机把电源送进电动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。他励直流电动机电动运行状态的功率流程图如图5-2所示。图5-2 他励直流电动机电动状态功率流程图 交流电动机电动运行状态的功率流程图如图5-3所示。图5-3 交流电动机电动状态功率流程图若电机运行于升速或降速过渡过程中，轴上输出转矩应包括负载转矩和动转矩两部分。2反向电动运行状态若拖动反抗性负载，正转时电动机工作点在第象限，反转时，电动机工作点则在第象限，如图5-1所示的C点（他励直流电动机）及D点（交流电动机），这时电动机电源电压为负值。在第象限运行时，电磁转矩T0，转速n0,T与n仍同方向，T仍为拖动性转矩，其功率关系与正向电动运行时完全相同，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动机运行时最基本的运行状态。实际运行的电动机除了运行于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反方向意味着电动机的电磁转矩不是拖动性转矩，而是制动性阻转矩了，这种运行状态称为制动状态，工作点显然是在第、象限里。5.1.2 电动机的制动运行状态所谓制动，就是在电动机转轴上施加一个和电动机旋转方向相反的转矩，使拖动系统从某一稳定转速很快减速停车（如可逆式轧钢机），或是为了限制电动机转速的升高（如起重机下方重物、电机车下坡等），使其在某一转速下稳定运行，以确保设备和人身安全。1制动运行的基本特征(1) 产生与电动机旋转方向相反的电磁转矩；（2）电机的作用为：用电动机吸收系统贮存的机械能并转化为电能，实现能量的迅速转移。结论：制动运行状态本质上为发电机运行状态。2制动运行与发电机运行的差异 (1) 输入能量有限； (2) 机电能量转换不是目的，而是一种能量转移的手段。3制动方法与原理制动的方法有以下几种：自由停车；机械制动；电气制动。电动机运行时，如果切断电源，靠系统运行部件的摩擦转矩和静负载转矩的作用使电动机减速或停车，这种制动方法一般称为自由停车，但采用这种方法减速或停车过程往往进行的较慢，满足不了生产效率的要求，因此需要用制动转矩来加快减速或停车的过程。机械制动是采用机械抱闸获得摩擦制动转矩，这种制动虽然可以加快制动过程，但闸皮磨损严重，增加了维修工作量。对频繁快速制动的生产机械，一般不采用这两种制动方法，而采用电气制动的方法，就是让电动机转子带电导体与磁场相互作用，产生一个与旋转方向相反的电磁转矩来实现制动，由于电气制动无机械磨损、容易控制以及在某些情况下可将输入的机械能转变为电能回送给电网等优点，因而得到广泛的应用。电气制动方法分能耗制动；反接制动（转速反向和电源反接）；回馈制动三种。电动状态各量方向如图5-4所示，他励直流电动机，0，0，和方向相同，如图5-4a所示。交流异步电动机，与的方向相同，转子导体感应的电动势和产生的电流，电流与磁场相互作用产生的电磁转矩如图5-4b所示，与方向相同。 a) b)图5-4电动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机他励直流电动机磁场的大小和方向不变，在电动基础上，要使电磁转矩的方向与电枢的旋转方向相反，产生制动，需改变电枢电流的方向或改变电枢的旋转方向，要改变电枢的电流方向，方法有：电枢短路（能耗制动），电枢电源反接（电源反接制动），使电枢的旋转速度高于理想空载转速（回馈制动）；要改变电枢的旋转方向，方法有：使电枢反方向旋转（转速反向的反接制动）。异步电动机在电动状态，磁场旋转的方向和转子的旋转方向相同，转子的转速低于磁场的转速，在电动基础上，要使电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，产生制动，需改变转子电流的方向（即改变转子导体与磁场的相对切割方向）或改变转子的旋转方向，要改变转子电流的方向，方法有：把交流旋转磁场改变为直流磁场（能耗制动），使旋转磁场的旋转方向反向（电源反接制动），使转子的旋转速度高于旋转磁场的旋转速度（回馈制动）；要改变转子的旋转方向，方法有：使转子反方向旋转（转速反向的反接制动）。（1）能耗制动他励直流电动机在电动状态下运行时，去掉直流电源，同时在电枢回路串入电阻，由于系统机械惯性的作用，电机的旋转方向来不及变化，电枢电动势方向不变，但电枢电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图5-5a所示。a) b)图5-5 能耗制动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机绕线式交流异步电动机在电动状态下运行时，去掉直流电源，在任意两相绕组中加入直流电源，同时在转子回路串入三相对称电阻，由于系统机械惯性的作用，电机的旋转方向来不及变化，磁场为方向不变的直流磁场，导体和磁场的相对切割方向和电动状态时相反，转子导体中的感应电动势方向和电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图5-5b所示。（2）反接制动电动机的反接制动分为电源反接的反接制动以及转速反向的反接制动（倒拉反接制动）两种。他励直流电动机在电动状态下运行时，改变加在电枢两端电压的极性，同时在电枢回路串入电阻，由于系统机械惯性的作用，电枢的旋转方向来不及变化，电枢电动势方向不变，和电源电压的极性在回路里顺序串联，但电枢电流方向改变了，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图5-6a所示。a) b)图5-6 电源反接制动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机绕线式交流异步电动机在电动状态下运行时（K1闭合，K2打开），将定子三相电源任意两相对调（K1打开，K2闭合），同时在转子回路串入三相对称电阻，如图5-6b所示。由于系统机械惯性的作用，电机的旋转方向来不及变化，但磁场的旋转方向改变，和电动状态时相反，导体和磁场的相对切割方向和电动状态时相反，转子导体中的感应电动势方向和电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图5-6b所示。他励直流电动机按电动状态（提升）接线，在电枢回路串入较大电阻，拖动位能性负载。接通电源时，由于启动转矩较小，当启动转矩小于负载转矩时，负载拖动电动机反向旋转，电枢电动势方向改变，和电源电压的极性在回路里顺序串联。但电枢电流方向不变，和电动状态时相同。电磁转矩方向不变，和电动状态时相同，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图5-7a所示。a) b)图5-7 转速反向反接制动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机绕线式交流异步电动机按电动状态（提升）接线，在转子回路串入较大三相对称电阻，拖动位能性负载。接通电源时，由于启动转矩较小，当启动转矩小于负载转矩时，负载拖动电动机反向旋转，但导体和磁场的相对切割方向不变，和电动状态时相同，转子导体中的感应电动势方向和电流方向不变，和电动状态时相同。电磁转矩方向不变，和电动状态时相同，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图5-7b所示。（3）回馈制动他励直流电动机在电动状态下运行时，当负载转矩的方向与电机旋转方向相同时，拖动电枢加速。当时，与的方向不变，与电动状态时一样。但电枢电动势高于外加电压，电枢电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩方向改变，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图5-8a所示。a) b)图5-8 回馈制动状态各量方向a)他励直流电动机 b)交流异步电动机交流异步电动机在电动状态下运行时，当负载转矩的方向与电机旋转方向相同时，在电磁转矩和负载转矩共同作用下，转子加速。当时，转子导体和磁场的相对切割方向和电动状态时相反，转子导体中的感应电动势方向和电流方向改变，和电动状态时相反，电磁转矩随之改变方向，和电机旋转方向相反，电动机处于制动运行状态，各量方向如图5-8b所示。4. 电机系统的运行能量在电力拖动系统中，电动机有两种运行状态：电动运行状态和制动运行状态。两种状态的差别在于电磁转矩的方向与电机旋转的方向不同。前者两者方向相同，电磁转矩是驱动转矩；后者两者方向相反，电磁转矩是制动转矩，或阻转矩。电机处于电动状态时，电机从电源吸收电能，然后把电能转换成转轴上输出的机械能，为生产机械运行提供原动力，其机械特性位于第和象限；电机处于制动状态时，从转轴上输入机械能，然后把机械能转换成电能，电能或转变成热能消耗掉，或回送给电网，其机械特性位于第和象限。下面分别讨论各种电气制动状态的物理过程、机械特性及制动计算等问题。5.2 能耗制动（dynamic braking）原理与方法5.2.1 他励直流电动机的能耗制动原理与方法1能耗制动原理与方法他励直流电动机能耗制动的原理电路图如图5-9所示。a) b)图5-9 他励直流电动机能耗制动的原理电路图a) 电动状态 b) 能耗制动状态设电动机制动前在电动状态下稳定运行（触点K1闭合，K2打开），电枢电流0（）、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩方向如图5-9a所示。制动时保持磁通不变，将触点K1打开（），K2闭合，电枢回路串入电阻，如图5-9b所示。由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势方向不变。制动时：0 （5-1）由产生的电枢电流的方向与电动状态时的方向相反，对应的电磁转矩与电动状态时的方向相反，与电动机的旋转方向相反，为制动性质，使系统较快地减速。2能耗制动状态的机械特性将电枢电动势计算公式和电磁转矩计算公式代入式（5-1），可得能耗制动状态的机械特性方程式 （5-2）式中，能耗制动电阻。由式（5-2）可知，能耗制动时的机械特性是通过坐标原点、位于第和象限的直线，如图5-10所示。5-10 能耗制动机械特性此时，制动电阻越大，机械特性斜率越大，平均制动转矩越小。如忽略电磁惯性，在能耗制动瞬间由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由A点移到B点。由于电动机在B点的转矩方向与转速方向相反，电动机进入制动状态，电动机转矩与静负载转矩共同阻碍系统运动，使转速迅速降低。由、和可知，电枢电势与转速成正比，电枢电流与电枢电势成正比，制动转矩与电枢电流成正比，所以能耗制动转矩随转速降低按直线规律减小。当转速等于零时，电枢电势也等于零，因而制动转矩也等于零。通常，他励直流电动机能耗制动时，其最终的运行状态于所拖动的负载性质有关。如果电动机拖动的是反抗性负载，制动开始时，工作点由A点移到B点，在阻转矩和的共同作用下，沿制动特性BO减速。在减速过程中，制动的电磁转矩（绝对值）逐渐减小，当电动机制动减速到坐标原点时，电动机便会自动停车。如果电动机拖动的是位能性负载，突然采用能耗制动，电动机的运行点从A点移到B点，再到O点，是能耗制动过程，与拖动反抗性负载时完全一样。到了O点，虽然制动的电磁转矩，如不采用其他办法停车如抱闸抱住电动机的轴，在位能性负载转矩的作用下，电动机将被拖动向反方向旋转，机械特性将延伸到第象限，此时电动机的电磁转矩0，转速0，与方向相反，仍为制动转矩，和第象限正向能耗制动相对应，我们把第象限的能耗制动称为反向能耗制动。随着转速的增加，转矩也不断增大，直到制动转矩与位能转矩相平衡，位能负载匀速下放，稳定运行点如图5-10中的C点。能耗制动运行时电动机电枢回路串入的制动电阻不同时，稳定的下放速度也不同，制动电阻越大，稳定的下放速度越高，如图5-10中的E点所示。3制动电阻的选择 他励直流电动机能耗制动开始的瞬间，电枢电流和电磁转矩的大小与制动时电枢回路的总电阻有关。在图5-10中，如果增大能耗制动电阻，制动开始的电枢电流和电磁转矩就减小到由D点决定的数值。由此可见，制动电阻越小，机械特性越平，制动转矩的平均值就越大，制动越迅速。但制动电阻也不能太小，否则制动时的电枢电流和电磁转矩将超过允许值，对拖动系统的运行带来不利影响，甚至损坏电动机或传动机构。对于制动加速度受限的生产机械，在确定制动电阻时应考虑允许的最大制动转矩。能耗制动电阻可由下式计算 （5-3）式中，能耗制动电阻； 能耗制动开始时的转速； 能耗制动开始时的电磁转矩（允许的最大制动转矩）。在选择制动电阻时，如果只考虑按最大制动电流不超过来选择，则有 （5-4） 值得注意的是，当他励直流电动机以能耗制动匀速下放位能性负载时，最终稳定运行时电枢回路应串的制动电阻大小决定于负载要求的下放速度。能耗制动的能量关系他励直流电动机能耗制动时，在电枢回路中只有一个电源，即，电枢电流的方向与电枢电动势的方向相同，电动机是发出电能的，根据电压平衡方程式，可得功率平衡方程式 （5-5）和电动状态相比，在能耗制动状态下，电枢电流反向为负，因此，为正值，式(5-5)说明电动机发出的电功率完全以热量的形式消耗在电枢电阻和制动电阻中。 （5-6）这说明，如果忽略电动机的空载损耗，电动机将转轴上输入的机械功率变成电功率，全部消耗在电枢电阻和制动电阻上，变成热能消耗掉，因此称能耗制动。当能耗制动用于匀速下放位能性负载时，机械功率就是静负载位能输送给电动机的功率；而当电动机拖动反抗性负载能耗制动时，用于制动的能量来自拖动系统减小的动能所放出的机械能。例5-1 一台他励直流电动机，在能耗制动状态下以的转速下放重物，电枢电流为额定值，试求电枢回路内应串接的电阻值，并计算此时的电磁转矩。解：能耗制动下放重物，稳定的工作点在第象限，转速为，电枢电流为。 因为，能耗制动时 所以，得 此时的电磁转矩 5.2.2 异步电动机的能耗制动方法与原理1能耗制动方法与原理（1）制动方法将正在运行的三相异步电动机定子绕组从三相交流电源上断开，同时在定子两相绕组内通入直流电流，三相异步电动机能耗制动原理接线图如图-11所示。电动运行状态时，K1闭合，K2断开。能耗制动时K1断开，K2闭合。图-11 三相异步电动机能耗制动原理接线图（2）制动原理由于异步电动机只有在定子绕组接上三相交流电源后，电机内部才产生旋转磁场，切掉电源后，电机内磁势也消失，虽然转子在机械惯性作用下仍然在旋转，却不能产生制动转矩。为此，必须向定子绕组内通入直流电流，以便在气隙中形成恒定的磁场，旋转的转子导体与恒定的磁场相互作用，根据右手定则，产生如图-12所示的感应电动势和电流，该电流又与恒定磁场作用，产生电磁转矩。由左手定则判断，该电磁转矩与转子旋转方向相反，是制动转矩，电机转速下降，电机处于制动状态。与他励直流电动机的能耗制动过程相似，这种制动的实质是将转子中储存的动能转换成电能，并消耗在转子回路电阻中。 图5-12三相异步电动机能耗制动时电磁转矩的方向能耗制动时的磁动势平衡关系三相异步电动机能耗制动过程中电磁转矩的产生，是转子导体与定子磁动势之间有相对运动，相对运动速度的大小与方向不同，则转矩的大小与方向也随之不同。至于定子磁动势相对于定子本身是旋转的还是静止的，以及相对转速是多少，都是无关紧要的。因此，分析能耗制动状态下运行的三相异步电动机，可以用三相交流电流产生的旋转磁动势等效替代直流磁动势，在等效替代后，就可以使用电动运行状态时的分析方法与所得结论。等效替代的条件是：（1）用等效，需保持磁动势幅值不变，即=；（2）用等效，需保持磁动势与转子之间相对转速不变，为。异步电动机能耗制动时，在定子绕组中通入直流电流时将产生位置固定、大小不变的恒定磁场，形成恒定磁场的磁动势，其幅值与定子绕组的接法及直流电流的大小有关。例如图5-13a所示的接线方式，直流电流从端子流入，流出，相绕组和相绕组分别产生直流磁动势和，它们的幅值相等，在空间相差空间电角度，如图5-13b、c所示。a) b) c)图5-13 能耗制动时定子绕组接线图、磁动势图及合成磁动势矢量图a接线图 b磁动势图 c合成磁动势矢量图和合成磁动势的大小为 （5-7）从定子上看，它在空间固定不动，转子以转速逆时针方向转动。如果我们把转子看成静止不动，那么，原来静止的恒定磁场便成为顺时针方向旋转，转速为，成为旋转磁动势。为了分析异步电动机能耗制动特性，先将直流电流产生的不对称励磁系统用磁动势幅值与它等效的对称三相交流电流系统来代替。由每相电流有效值为的正弦电流产生的三相合成等效旋转磁动势的幅值为按照=的等效的替代条件，等效的结果为 (5-8)能耗制动时，定子绕组的联接方法有很多种，但不论定子绕组如何联接，都可以按上述磁动势相等的原则求出等效交流电流与直流电流之间的数值关系，如表5-1所示。表5-1 能耗制动时直流电流与等效交流电流的关系接线方式3能耗制动的等效电路经过上述等效，定子电流已成为频率为的三相交流电流，定子磁动势也成为空间转数为的旋转磁动势。按照等效替代的第二个条件，即为了使定子磁动势与转子之间的相对转速不变，能耗制动的转差率应表示为 (5-9)异步电动机转子绕组电动势的大小和频率的高低均与转子导体和定子磁动势的相对运动速度成正比，相位与定子磁动势相对转子转向有关。为了把能耗制动的转子电路折算到定子边，定子磁动势与转子的相对转速为时的转子电动势用表示，设定子磁动势与转子的相对转速为的转子电动势用表示，则二者的关系为 (5-10)其中，的频率为，的频率为，与有如下关系： (5-11)根据上式，将能耗制动工作状态下的转子电抗表示为 (5-12)式中，能耗制动状态下，频率为的转子电抗。能耗制动工作状态下，转子电流为 (5-13) 将转子边的参量向定子边进行频率折算和绕组折算后，三相异步电动机能耗制动的等效电路如图5-14所示，由于能耗制动时，电动机内的铁损耗很小，可以忽略，所以图中不含励磁电阻。图5-14 异步电动机能耗制动时的等效电路4能耗制动时的机械特性根据能耗制动的等效电路，画出定子电流，励磁电流以及转子电流之间的向量关系如图-15所示。假定转子绕组已折算到定子绕组的匝数和电网频率，由向量图可见，各电流之间的关系为-15 异步电动机在能耗制动时的电流相量图 （5-14）其中 （5-15） (5-16)将式（5-15）、（5-16）代入式（5-14）并简化，得 （5-17）式中为定子直流电流的等效交流电流，是一个不变的量，故为的函数。当转数为零时，=0；转数增加时，也随之增大。根据电磁转矩为电磁功率除以同步角速度的关系，得能耗制动时的电磁转矩为 （5-18）将式（5-17）代入式（5-18），得机械特性方程式 （5-19）式（5-19）为异步电动机能耗制动的机械特性表达式，它与电动工作状态下的机械特性具有相似的形式。在式（5-19）中，使，即可求得能耗制动时产生最大制动转矩时的临界转差率 （5-20）将式（5-20）代入式（5-19），可得为 （5-21）显然，能耗制动的最大转矩与等效电流的平方成正比，而与转子电阻无关；临界转差率与转子电阻成正比。由式（5-19）画出能耗制动时的机械特性，如图5-16所示。由式(5-20)及式(5-21)可见，当直流电流不变，即不变时，如果仅增大转子电阻，临界转差率增加，最大转矩不变，机械特性由曲线变为曲线；当保持转子电阻不变而仅增大直流电流时，临界转差率不变，最大制动转矩与成正比地增加，机械特性由曲线变为曲线，所以改变转子电阻或改变定子直流电流的大小均可调节制动转矩的数值。图-16 三相异步电动机能耗制动时的机械特性将式（5-20）、（5-21）代入式（5-19），可得能耗制动机械特性的实用表达式 （5-22）以上讨论并未考虑磁路饱和对励磁电抗的影响。实际上，随着的变化，转子电流在变，由于不变，故励磁电流也在变化，相应的主磁通也在变化，这必然导致励磁电抗的变化。为了考虑磁路饱和对的影响，必须知道电机的磁化曲线，可以采用异步电机的万用磁化曲线，用点绘法求出机械特性，此处不做讨论。5直流电流与附加电阻的计算根据经验，对图5-13a所示的接线方式，常采用下列表达式计算定子直流电流和转子附加电阻。对于鼠笼型异步电动机 （5-23）对于绕线型异步电动机 （5-24） （5-25）式（5-23）、（5-24）中，为异步电动机的空载电流，一般可取 （5-26）三相异步电动机能耗制动的过程用机械特性描述时如图5-17所示。若电动机原来稳定运行在电动状态的A点，拖动反抗性恒转矩负载运行时，采用能耗制动停车，电动机运行点由A转为B，然后在第象限上进行能耗制动，直至O点停车。对于拖动位能性恒转矩负载的三相异步电动机，进行能耗制动，则电动机拖着负载先减速到后，位能性负载将倒拉着电机反转，电动机运行点从ABOC，最后稳定运行于第象限的工作点C。图5-17 异步电动机的能耗制动应该指出，由于较大，故能耗制动的临界转差率比电动机状态的小，所以能耗制动用于下放重物可获得较低的下放速度，运行也比较稳定。改变直流励磁电流的大小或改变转子回路所串电阻，均可以调节电动机的运行转速。复习题1、如何判断他励直流电动机是处于电动运行状态还是制动运行状态？2、电动机在电动状态和制动状态下运行时机械特性位于哪个象限?3、三相异步电动机能耗制动时，保持通入定子绕组中的直流电流恒定，在制动过程中气隙磁通是否变化？如何变化？5.3 回馈制动(regenerative braking) 原理与方法5.3.1 他励直流电动机回馈制动原理他励直流电动机在电动状态下运行时，电源电压与电枢电动势方向相反，电枢电流从电源流向电枢，产生拖动转矩，电动机从电源输入的电功率0，如图-18a所示。而在回馈制动状态下，电源电压与电枢电动势的方向与电动状态时一样，电枢旋转方向不变，但，使，将迫使改变方向，电磁转矩也改变方向成为制动转矩，此时由于与方向相反，从电枢流向电源，电动机向电源馈送电功率，所以把这种制动称为回馈制动，如图-18b所示。a） b）图5-18正向回馈制动时各量方向 a)正向电动 b)回馈制动在回馈制动状态下，电动机轴上功率，即从轴上输入机械功率，扣除空载损耗功率后即转换为电功率，其中一部分功率（）消耗在电枢回路电阻上，剩余的大部分功率则回馈电网。其功率流程图如图-19所示。可见，此时电动机已成为与电网并联运行的发电机，向电网回馈电功率。这是回馈制动与其他制动方法的主要区别。图-19 回馈制动时的功率流程图5.3.2 他励直流电动机回馈制动实现方法降压调速时产生的回馈制动在电动机运行于正向电动状态时，如果采用降低端电压调速，在电动机减速运行的过程中有可能存在一段时间，电动机运行于回馈制动状态，如图-20中的段所示。现将电动机此时的回馈制动运行作如下说明：设电动机带恒转矩负载运行于点，如瞬间降低电源电压，机械特性变为，由于转速不能突变，电动机的运行点将由点转移到点，电磁转矩反向，于是电动机进入制动状态。这时，由于瞬间电压下降较多，而由转速决定的电动势又不能突变，因此，电枢电动势高于电源电压，从而使电动机工作于回馈制动状态，拖动系统释放动能，电动机则向电网馈送电能。随着系统动能的释放，电动机的转速也逐渐下降，电动势也跟着下降，一旦电动势下降到小于电源电压，则电动机又重新进入电动状态，如图-20中的段，而最终稳定运行于点。图-20 正向回馈制动机械特性增磁调速时产生的回馈制动增磁调速时的机械特性如图5-21所示，制动过程分析和降压调速时相同。5-21 增磁调速时产生的回馈制动3位能负载下放重物时得回馈制动图-22是起重机提升机构的示意图，通常以起重机提升方向为正方向，机械特性在第象限，各量方向如图-22a所示。当下放重物时，电流和转矩的方向如图-22b所示。在电动机电磁转矩和重物产生的转矩共同作用下，拖动系统由静止开始不断加速，下降的转速越来越快，它的机械特性位于第象限，为反向电动状态。为了限制反向启动电流，通常在电枢回路接入启动电阻，它的机械特性曲线如图5-22所示的AB段。由于转速不断升高，电动机的电动势不断增大，电枢电流不断减小，电磁转矩也不断减小。当时，这时电动机处于理想空载状态。图5-22 电动机反向回馈制动机械特性a）正向电动状态 b）反向电动状态 c）反向回馈制动状态但是在重物产生的负载转矩的作用下，电动机的转速还要继续增加，当下放速度超过理想空载转速时，即，电动机的电流0即电流方向改变，变为正值，则转矩也变为正值，与转速的方向相反，变为制动转矩，如图-22c所示，它的机械特性如图-22中的BC段所示，此时，电动机工作在反向回馈制动状态，机械特性曲线位于第象限。电动机把系统的位能转变成电能回馈电网，直到时，系统以的速度稳定下放重物，如图5-22所示的C点。4电车下坡时回馈制动当电动机牵引的车辆在平路上行驶时，电动机工作在正向电动状态，各量方向如图5-23 c所示，电动机电磁转矩克服反抗性负载转矩，并以转速在图5-23b所示的特性曲线点上运行。当电车开始下坡时，因重力而产生的下滑力超过摩擦力，负载转矩就从反抗性负载变为位能性负载，其作用方向与摩擦转矩相反，与运动方向相同，应为负值。图5-23 正向回馈制动a)电车下坡 b)机械特性 c) 电车平路行驶 负值转矩特性应位于第象限，在电动机电磁转矩和负载转矩共同作用下，沿着固有特性继续加速，当电动机的转速时， ，电动机进入正向回馈制动状态，将电车的位能变为电能反馈回电网，此时电动机的电枢电流0电流的方向与电动状态时相反，电动机的电磁转矩方向也随之改变，变为制动转矩，对下滑运动起抑制作用，最后在点平衡，这时，电车以的稳定转速下坡，如图5-23a所示，正向回馈制动的机械特性曲线位于第象限。例5-2 已知他励直流电动机：， ，。带位能负载在固有特性上作回馈制动下放，求下放转速。解：按电动机惯例列方程，位能负载在固有特性上作回馈下放，电源应反接。电动机最终工作在第象限，电流用正值、电压用负值带入方程，求得的n应为负，绝对值应大于额定转速值。5.3.3 异步电动机回馈制动原理当异步电动机由于某种原因，例如位能负载的作用，使电动机转速高于同步转速，即 ，转差率0，使转子感应电动势反向，转子电流的有功分量为 0 （5-27）转子电流的无功分量 0 （5-28）这就是说，当电动机转速高于同步转速时，转差率变负后，转子电流的有功分量改变了方向，无功分量方向没有改变。因此，电磁转矩改变方向，使与方向相反，电动机处于制动状态。 一般情况下，的绝对值很小，转子的功率因数变化不大，利用式(5-27)和式(5-28)，可绘出异步电动机的回馈制动状态下的向量图，如图5-24所示。图5-24异步电动机在回馈制动时的向量图由图5-24可见，和之间的相位差。此时定子功率为负，即定子绕组将电能回馈电网。另外由于回馈制动时，电磁转矩变负，轴上总机械功率亦变负，说明异步电动机从轴上输入机械功率。转子电流的无功分量的方向不变，异步电动机的定子必须接到电网，并从电网吸取无功功率以建立电动机的旋转磁场。回馈制动机械特性是正转电动状态或反转电动状态机械特性向第象限或第象限的延伸部分，如图5-25所示。在转子回路中串入不同的电阻，可得到不同的回馈制动机械特性曲线，曲线2转子回路中串入的电阻值比曲线1转子回路中所串入的电阻值大。a) b)图5-25异步电动机回馈制动的机械特性a)制动原理图 b)机械特性5.3.4 异步电动机回馈制动实现方法回馈制动发生有两种情况：1下放重物时要使笼型转子三相异步电动机拖动的位能性负载高速下放重物，可将电动机定子绕组反相序接入电网，如图5-26所示的第象限，这时电动机在电磁转矩和位能负载转矩的作用下反向启动，0，重物下放，电动机的运行点沿着第象限机械特性曲线变化，至B点时，、，但位能负载转矩仍为拖动转矩，转速将继续升高，机械特性进入第象限，电磁转矩改变方向成为制动转矩，因而限制了转速继续升高，电动机处于回馈制动状态，最终电动机稳定运行在C点。图5-26中的曲线2是绕线转子三相异步电动机转子串电阻时的回馈制动机械特性，可见回馈制动时对于同一位能性负载，转子回路电阻越大，稳定运行速度越高，因此为了避免下放重物时速度过高，一般不在转子回路中串入电阻。图5-26异步电动机回馈制动的机械特性在变极调速中极对数增多或变频调速中频率突然降低时由于同步转速突然变化，而电动转速因机械惯性而来不及改变，出现了的情况，使电动处于回馈制动状态。变频调速时，电动机原运行于如图5-27a所示的A点，若突然降低变频器的输出频率，同步转速由降为，致使小于拖动系统当时的实际转速，由于转速不能突变，电动机的运行点将由图5-27a中的A点跳至B点运行，电动机转矩由正（拖动转矩）变为负（制动转矩），这时负载转矩仍为阻转矩（在第象限）两种转矩都使拖动系统减速，系统将从B点开始沿曲线2减速，经过C后，电磁转矩由负变正，直到D点进入稳定运行，电机在BC段的运行为回馈制动，在CD段的运行为电动。同样性质的回馈制动情况还发生在由少极变为多极的变极调速切换时，变极调速发生回馈制动的机械特性曲线如图5-27b所示，电机少极数运行的稳定工作点为A点，转为多极运行时，工作点跳至B点，电机在BC段运行为回馈制动，在CD段的运行为电动。a) b)5-27 异步电动机的回馈制动a)变频调速时的回馈制动 b)变极调速时的回馈制动例5-3 一台三相绕线型异步电动机，已知：， ，过载倍数，拖动位能性负载。现欲采用回馈制动下放该重物，在转子电路中串联电阻 = 0.0159 W。试求：(1) 切换后的瞬间（B点）的制动转矩； (2) 在D点下放重物的时的转速。解：欲采用回馈制动下放该重物，定子两相应反接。在固有特性上工作，时的转速：满足题意要求的机械特性如图5-28所示。图5-28 例5-3图 (1) 1442 r/min1.9613(2) 转子串联电阻时，不变，。 复习题1、在什么情况下异步电动机进入回馈制动状态？这种状态发生在哪些情况下？通过降低电压能否进入回馈制动状态？2、回馈制动状态运行时的能量关系平衡关系？5.4 反接制动(plug braking) 原理与方法5.4.1 他励直流电动机反接制动原理与特点1特点电枢电压或电动势极性突然改变，电枢电压和电动势顺极性串联。反接制动可用两种方法实现，即转速反向的反接制动（一般用于位能负载）和电源反接制动（一般用于反抗性负载）。 2他励直流电动机反接制动原理他励直流电动机在电动状态时， ，0，0和电枢旋转方向相同，如图5-29a所示。（）转速反向反接制动是指，电源电压为正，电枢回路串入一个较大电阻，在负载作用下使电枢反向旋转0，如图5-29b所示，此时改变方向，0，与电源电压方向相同，与电枢电动势顺向串联，0，由于电枢电流方向未变，电动机的电磁转矩方向亦未变，0，但因旋转方向已改变，所以电磁转矩成为阻碍运动的制动转矩。 a) b)图5-29 转速反向制动的各量方向a)正向电动 b)转速反向制动（）电源反接制动，制动开始时，在电枢回路瞬间串入制动电阻，并接上极性相反的电压，如图5-30b所示，由于机械惯性的作用，电机的旋转方向来不及变化，电枢电动势方向不变，0，使电源电压与电枢电动势顺向串联，0，0和电枢旋转方向相反，为制动转矩，制动时反向电流很大，可产生强烈的制动效果，所以，电源反接制动常用于快速停车。a) b)图5-30电源反接制动时各量方向a)正向电动 b) 电源反接制动反接制动时，电动机的电压平衡为 （5-29）将上式两边乘以，得 （5-30）式（5-30）中，系统输入的电功率0，电动机轴上输入的功率0，电磁功率0。可见，在反接制动过程中，电动机从轴上输入的机械功率（0)，扣除空载损耗功率后即变为电功率，这部分功率和从电源输入的电功率（0），两者都消耗在电枢回路电阻上，由此可知，转速方向的反接制动在电能利用方面是很不经济的，其功率流程图如图5-31所示。图5-31 电源反接制动过程中的功率流程图3他励直流电动机反接制动各种实现方法（）转速反向的反接制动（倒拉反接制动）这种制动方法适用于位能性负载下放，电动接线方式下，在电枢回路中串入一个较大的电阻以便控制下放速度。起重机下放重物，如图5-32所示，假定重物产生的负载转矩为，电动机按电动状态接线，其电磁转矩的方向拟使重物向上提升。由于电枢电路串入一个较大电阻，使电动机得启动转矩，这样在位能负载的作用下，使电动机反转启动。这时位能负载倒拉电动机，使转速逆电磁转矩的方向旋转，电动机转矩的方向与电动状态时相同，即为正，但转速为负方向，与的方向亦相反，电动机为制动状态。图5-32转速反向的反接制动机械特性随着转速（在反向）的增加，电枢电动势和电枢电流增大，转矩也加大，直到与相等时，转速稳定，获得了稳定的下放速度。在转速反向的反接制动状态下，由于为负，感应电动势的方向与电动状态时相反。电枢电压平衡方程式变为 （5-31）由式（5-31）可知，在额定转速时，可达到近于的数值，此时必须较大，以限制电枢电流。由式（5-31）也可以看出，随着及的增大，及也不断增加，即随的增加而增加，这就清楚地说明了第四象限中特性的形状，转速反向的反接制动特性方程式为 （5-32）显然式（5-32）与电动状态下的人为机械特性的方程式在形式上是相同的。（）电源反接的反接制动图5-33表示电源反接的反接制动电路图。为了使工作机械迅速停车或反向，可突然断开接触器触点K，并接通触点F，把电枢电源反接，同时电枢电路串入电阻。5-33 电源反接的反接制动电路图这样，由于电枢反接，U为负值，反接瞬间，电枢旋转方向不变，为正，则电枢电流为0为负值，亦为负值，而为正值，与反向，系统迅速制动。正方向按电动机惯例，各变量为有符号量，则机械特性方程不变，仍为： 1）反抗性负载如果制动的目的是为了停车，必须在转速降到零以前将电源断开，机械特性如图5-34所示，否则拖动系统有自行反转的可能性。在电动机转速为零时，若电动机拖动的是反抗性恒转矩负载，如果反向启动转矩大于负载转矩，则电动机将在反向电压作用下反向起动，最终进入稳定的反向电动状态。即稳定运行在D点。对于要求频繁正、反转的生产机械来说，采用电源反接制动可以使正向停车和反向启动连续进行，缩短了从正转到反转的过渡过程。图5-34 反抗性负载电枢反接制动机械特性2） 位能性负载若电动机拖动的是位能性恒转矩负载，则电动机将在转速过零后反向加速，并最终进入稳定的回馈制动状态，即稳定运行于C点，如图5-35所示。5-35 位能性负载电源反接制动机械特性3）反接制动电枢电流的限制在电源反接制动开始瞬间，电枢电流的大小取决于电源电压、制动开始时的电枢电动势及电枢回路电阻。如果制动前电动机在固有特性上运行，则，制动开始时，由于电枢电阻较小，制动开始时电枢电流很大，为了限制制动时的电枢电流，制动开始时电枢回路必须外串一个较大电阻。如果反接制动时最大电流不超过，则有 , (5-33) 与式(5-4)相比，此时的制动电阻比能耗制动时的制动电阻差不多大一倍，特性比能耗制动陡得多。例5-4 某他励直流电动机，电枢回路的总电阻为，由该电机拖动起重机。当重物上升时，。若希望将同一重物以的转速下放，保持电枢电压和励磁电流不变，问此时电枢回路应串入多大的电阻？解：根据题意，转数