直流电机的制动

许多生产机械为了提高生产效率和产品质量， 要求电机能够迅速、 准确地停车或反向旋转， 为达此目的， 要对电机进行制动。 那么， 怎样进行电气制动呢？ 下面就介绍直流电机的电气制动。

一、 制动的概念

生产机械的制动， 可以通过机械和电气两种基本方式来实现， 通常这两种方法是配合使用的， 以下重点分析直流电机电气制动的方法、 特性和使用特点。

电气制动是指电机运行时， 其电磁转矩与转速的方向相反时的工作状态。 因此此时的电磁转矩对运行的电机而言， 起到了阻碍的作用， 故称为电气制动， 或称为制动工作状态。 由于在电气制动的工作状态下， 电机将机械能转换成了电能， 所以也被称为发电状态。

根据运行电路和能量传递的不同， 电气制动可以分为能耗制动、 反接制动和回馈制动三种方式。

二、 能耗制动

能耗制动的方法是将正在运转的电机转子两端从电源断开 （励磁绕组仍接电源）， 并立刻在转子两端接入一制动电阻Rz，这样电机就从电动状态变为发电状态，将其动能转变为电能消耗在电阻上，故称为能耗制动。 他励直流电机能耗制动的原理和机械特性如图1－40所示。

图1－40 他励直流电机的能耗制动

（a） 电动状态原理； （b） 能耗制动状态原理； （c） 能耗制动的机械特性

图1－40a所示为电动状态运行，开关合在1的位置。电动势、电流、转矩和转向方向如图中所示。如将开关倒合到2的位置，电动机被切断电源而接入一个制动电阻Rz。这时在系统惯性作用下， 电机继续旋转， 励磁仍然保持不变。 在电动势作用下， 变为发电状态， 把旋转系统所贮存的动能变为电能， 消耗在制动电阻和转子内阻中。 由于此时作用于电动机的电网电压U＝0，则电机的电流为：

式（1－64） 中的负号表示电流方向与电机运行状态的方向相反， 因为电机的励磁电路仍然接在电源上， 磁通不变， 所以制动时电流所产生的电磁转矩和原来的方向相反， 变为制动转矩，它使电机很快减速直至停转。能耗制动状态原理如图1－40 （b） 所示。

在能耗制动时，因U＝0，则n0＝0，电机的机械特性方程式为：

从式（1－65） 可知，能耗制动时， 机械特性曲线为通过原点的直线， 它的斜率－β＝－， 与转子回路总电阻成正比。 因为能耗制动时转速方向未变， 电流和转矩方向变为负（以电动状态为正）。所以，它的机械特性曲线在第二象限，如图1－40 （c） 所示。图1－40 （c） 中还绘出了不同制动电阻时的机械特性。 可以看出， 在一定的转速下， 转子总电阻越大， 制动电流和制动转矩越小。 因此， 在转子电路中串接不同的电阻， 可满足不同的制动要求。

能耗制动的优点是： 制动减速较平稳可靠， 控制电路较简单， 当转速减至零时， 制动转矩也减小到零， 便于实现准确停车。 其缺点是： 制动转矩随转速下降成正比地减小， 影响到制动效果。 能耗制动适用于不可逆运行， 制动减速要求较平稳的情况。

三、 反接制动

电源反接制动原理如图1－41所示，当接触器KM1触点闭合时， 电机以电动状态运行，旋转方向和电动势方向如图中实线箭头所示，电流Ia和电磁转矩Te的方向用虚线箭头表示。若将开关投向2的位置， 这时加在转子绕组两端的电源电压极性便和电机运行时相反， 因为这时磁场和转向不变， 电动势方向不变。 于是外加电压与电动势方向相同， 这样， 转子电流为：

转子电流Ia变为负值，电磁转矩Te的方向也发生变化，起到制动作用，使转速迅速下降。

图1－41 他励直流电机的反接制动

（a） 反接制动原理； （b） 反接制动的机械特性

因为制动时接于电机的电源电压符号改变， 所以电源反接的机械特性方程式为：

式中，Te应以负值代入。

电源反接过程的机械特性曲线如图1－41 （b） 所示。在制动前，电机运行在固有特性曲线的a点上，当串入电阻Rz并将电源反接的瞬间，电机工作点变到电源反接的人为特性曲线2的b点上，电机的电磁转矩Te变为制动转矩，这使电机工作点沿特性曲线2开始减速。当转速降至零时，如果是反抗性负载，当Te≤TL时，电动机便停止旋转；当Te＞TL时，在反向的电磁转矩的作用下， 电机将反向起动， 进入反向电运行状态。 要避免电机反转， 必须在n＝0的瞬间切断电源，并使机械抱闸动作，以保证电动机准确停车。

反接制动的优点是： 制动转矩较恒定， 制动作用比较强烈， 制动快。 其缺点是： 所产生的冲击电流大， 需串入相当大的电阻， 故能量损耗大， 转速为零时， 若不及时切断电源， 会自行反向加速。 这种方法适用于要求正反转运转的系统中， 它可使系统迅速制动， 并随之立即反向起动。

四、 回馈制动

当直流电机轴上受到和转速方向一致的外加转矩的作用时， 电机加速将超过理想空载转速，即n＞n0。此时转子电动势大于电源电压，即Ea＝CeΦn＞U＝CeΦn0，而转子电流Ia＝＜0，于是转子电流改变了方向，电磁转矩Te成为制动转矩。电机由电动状态变为发电状态， 把外力输入的机械能变成电能回馈给电网， 因此电机的这种运行状态称作为回馈制动。

回馈制动适用于位能负载的稳定高速下降， 在调速过程开始可能出现过渡性回馈制动状态。例如，当起重机下放重物或电车下坡时，电机转速都可能超过n0，这时电机将处于回馈制动状态。

回馈制动的优点是： 不需要改接线路即可从电动状态自行转换到制动状态， 将轴上的机械功率变为电功率反馈回电网，简便、可靠而经济。其缺点是只有当n＞n0时才能产生回馈制动， 故不能用来使电机停车， 所以其应用范围较窄。