電機(jī)制動(dòng)技術(shù)

1、第 5 章 電機(jī)制動(dòng)技術(shù)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性是衡量電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 特別是有些生產(chǎn)機(jī)械， 例如可逆式軋鋼機(jī)、 高爐進(jìn)料的卷揚(yáng)機(jī)， 龍門刨床等， 工作時(shí)經(jīng)常需要減速或停車，拖動(dòng)這些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)也就需要頻繁的制動(dòng)。因此了解電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性是十分必要的。要評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)性能， 首先要對(duì)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的物理過程進(jìn)行分析， 以便了解制動(dòng)過程中電流和轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律，然后才能正確的選擇制動(dòng)方法。5.1 電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)與制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)從前面各章節(jié)分析中，我們知道：(1) 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)是指滿足穩(wěn)定運(yùn)行條件的那些電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)在工作點(diǎn)恒速運(yùn)行。(2) 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在工作點(diǎn)之外

2、的機(jī)械特性上時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩不相等系統(tǒng)處于加速或減速的過渡過程。(3) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性與各種人為機(jī)械特性，分布在機(jī)械特性的四個(gè)象限內(nèi)。(4) 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，有反抗性恒轉(zhuǎn)矩、位能性恒轉(zhuǎn)矩、泵類等典型負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，也有由幾種典型負(fù)載同時(shí)存在的各種負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，他們分布在四個(gè)象限之內(nèi)。綜合考慮以上四點(diǎn)， 不難想象， 它勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)各種類型負(fù)載運(yùn)行時(shí)， 若改變電源電壓、 磁通及電樞回路所串電阻， 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性和工作點(diǎn)就會(huì)分布在四個(gè)象限之內(nèi)， 也就是說電動(dòng)機(jī)會(huì)在四個(gè)象限之內(nèi)運(yùn)行 (包括穩(wěn)態(tài)與過渡過程) ， 即處于各種不同的運(yùn)行狀態(tài)。交流電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡單、可通過改變

3、電源電壓 U 1 、電流頻率 f 1 、定子極對(duì)數(shù)p 、定子及轉(zhuǎn)子電路的電阻和電抗R1、R2、X1、X2來改變機(jī)械特性，方法簡單，使用方便，生產(chǎn)機(jī)械中能使用交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)時(shí)，就不必用直流電動(dòng)機(jī)。5.1.1 電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)1正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在第I象限時(shí)，如圖 5-1所示的A點(diǎn)(他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī))和 B 點(diǎn)(交流電動(dòng)機(jī))，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T> 0,轉(zhuǎn)速n > 0,這種運(yùn)行狀態(tài)稱為正向電動(dòng)運(yùn)行，由于T與n同方向，T為拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。圖5-1電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)運(yùn)行電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)把電源送進(jìn)電動(dòng)機(jī)的電功率通過電磁作用轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率,再從軸上輸出給負(fù)載。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)

4、行狀態(tài)的功率流程圖如圖5-2所示。P& = 十叫。tPm = +P城-J Ofi 圖5-2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)狀態(tài)功率流程圖交流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的功率流程圖如圖5-3所示。Po - P/wf： Pad圖5-3交流電動(dòng)機(jī)電動(dòng)狀態(tài)功率流程圖若電機(jī)運(yùn)行于升速或降速過渡過程中，軸上輸出轉(zhuǎn)矩應(yīng)包括負(fù)載轉(zhuǎn)矩和動(dòng)轉(zhuǎn)矩2.GD dn由一小 兩郃分O375 出2反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)若拖動(dòng)反抗性負(fù)載，正轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)在第I象限， 反轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)則在第出象限，如圖5-1所示的C點(diǎn)（他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)）及 D點(diǎn)（交流電動(dòng)機(jī)），這時(shí)電動(dòng)機(jī)電源電 壓為負(fù)值。在第出象限運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩T<0,轉(zhuǎn)速n<0

5、,T與n仍同方向，T仍為拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，其功率關(guān)系與正向電動(dòng)運(yùn)行時(shí)完全相同，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為反向電動(dòng)運(yùn)行。正向電動(dòng)運(yùn)行與反向電動(dòng)運(yùn)行是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)最基本的運(yùn)行狀態(tài)。 實(shí)際運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)除了運(yùn)行于T與n同方向的電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)之外，經(jīng)常還運(yùn)行在T與n反方向的運(yùn)行狀態(tài)。T與n 反方向意味著電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不是拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，而是制動(dòng)性阻轉(zhuǎn)矩了，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為制動(dòng)狀態(tài)，工作點(diǎn)顯然是在第H、IV象限里。5.1.2 電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)所謂制動(dòng)， 就是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上施加一個(gè)和電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩， 使拖動(dòng)系統(tǒng)從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速很快減速停車（如可逆式軋鋼機(jī)） ，或是為了限制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高（如起重機(jī)下方重物、電機(jī)車下

6、坡等） ，使其在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，以確保設(shè)備和人身安全。1 制動(dòng)運(yùn)行的基本特征（1） 產(chǎn)生與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩；（ 2 ） 電機(jī)的作用為： 用電動(dòng)機(jī)吸收系統(tǒng)貯存的機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能， 實(shí)現(xiàn)能量的迅速轉(zhuǎn) 移。結(jié)論：制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)本質(zhì)上為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。2制動(dòng)運(yùn)行與發(fā)電機(jī)運(yùn)行的差異（1） 輸入能量有限；（2） 機(jī)電能量轉(zhuǎn)換不是目的，而是一種能量轉(zhuǎn)移的手段。3制動(dòng)方法與原理制動(dòng)的方法有以下幾種：自由停車；機(jī)械制動(dòng)；電氣制動(dòng)。電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)， 如果切斷電源， 靠系統(tǒng)運(yùn)行部件的摩擦轉(zhuǎn)矩和靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用使電動(dòng)機(jī)減速或停車， 這種制動(dòng)方法一般稱為自由停車， 但采用這種方法減速或停車過程往往進(jìn)行 的

7、較慢，滿足不了生產(chǎn)效率的要求，因此需要用制動(dòng)轉(zhuǎn)矩來加快減速或停車的過程。機(jī)械制動(dòng)是采用機(jī)械抱閘獲得摩擦制動(dòng)轉(zhuǎn)矩， 這種制動(dòng)雖然可以加快制動(dòng)過程， 但閘皮 磨損嚴(yán)重，增加了維修工作量。對(duì)頻繁快速制動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械， 一般不采用這兩種制動(dòng)方法， 而采用電氣制動(dòng)的方法， 就 是讓電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子帶電導(dǎo)體與磁場相互作用，產(chǎn)生一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，由于電氣制動(dòng)無機(jī)械磨損、容易控制以及在某些情況下可將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑厮徒o電網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。電氣制動(dòng)方法分能耗制動(dòng)；反接制動(dòng)（轉(zhuǎn)速反向和電源反接）；回饋制動(dòng)三種。電動(dòng)狀態(tài)各量方向如圖5-4所示，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，U>Ea, 1a

8、>0, T >0, n和T方向相同,如圖5-4a所示。交流異步電動(dòng)機(jī)，n與n1的方向相同，n < n1 ,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體感應(yīng)的電動(dòng)勢和產(chǎn)生的電流，電流與磁場相互作用產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T如圖5-4b所示，n與T方向相同。a)b)圖5-4電動(dòng)狀態(tài)各量方向a）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)b） 交流異步電動(dòng)機(jī)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)磁場的大小和方向不變，在電動(dòng)基礎(chǔ)上，要使電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電樞的旋轉(zhuǎn)方向相反，產(chǎn)生制動(dòng)，需改變電樞電流的方向或改變電樞的旋轉(zhuǎn)方向，要改變電樞的電流方向，方法有：電樞短路（能耗制動(dòng)），電樞電源反接（電源反接制動(dòng)），使電樞的旋轉(zhuǎn)速度高于理想空載轉(zhuǎn)速（回饋制動(dòng)）；要改變電樞的旋轉(zhuǎn)方向，方法有：使電

9、樞反方向旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn) 速反向的反接制動(dòng)）。異步電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)， 磁場旋轉(zhuǎn)的方向和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相同，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速低于磁場的轉(zhuǎn)速，在電動(dòng)基礎(chǔ)上，要使電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，產(chǎn)生制動(dòng)，需改變轉(zhuǎn)子電流的方向（即改變轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與磁場的相對(duì)切割方向）或改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向， 要改變轉(zhuǎn)子電流的方向，方法有：把交流旋轉(zhuǎn)磁場改變?yōu)橹绷鞔艌觯芎闹苿?dòng)），使旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向反向（電源反接制動(dòng)），使轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)速度高于旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度（回饋制動(dòng)）；要改變轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向，方法有：使轉(zhuǎn)子反方向旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)）。（1）能耗制動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，去掉直流電源，同時(shí)在電樞回路串入電阻R ,由于

10、系統(tǒng)機(jī)械慣性的作用，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來不及變化，電樞電動(dòng)勢方向不變， 但電樞電流方向改變，和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反， 電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變方向，和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各量方向如圖5-5a所示。a)b)圖5-5能耗制動(dòng)狀態(tài)各量方向a)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) b)交流異步電動(dòng)機(jī)繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，去掉直流電源，在任意兩相繞組中加入直流電源，同時(shí)在轉(zhuǎn)子回路串入三相對(duì)稱電阻R ,由于系統(tǒng)機(jī)械慣性的作用，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來不及變化，磁場為方向不變的直流磁場，導(dǎo)體和磁場的相對(duì)切割方向和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反， 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢方向和電流方向改變，和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變方向,和電

11、機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各量方向如圖5-5b所示。(2)反接制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)分為電源反接的反接制動(dòng)以及轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)(倒拉反接制動(dòng))兩種。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，改變加在電樞兩端電壓的極性，同時(shí)在電樞回路串入電阻R ,由于系統(tǒng)機(jī)械慣性的作用，電樞的旋轉(zhuǎn)方向來不及變化，電樞電動(dòng)勢方向不變，和電源電壓的極性在回路里順序串聯(lián)，但電樞電流方向改變了，和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變方向，和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反， 電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各量方向如圖5-6a所示。精品資料pU$_Ra n武、T上上 H0- JO(C+ %-冶a)b)圖5-6電源反接制動(dòng)狀態(tài)各量方向a）他勵(lì)

12、直流電動(dòng)機(jī)b）交流異步電動(dòng)機(jī)繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)（K1閉合，K2打開）將定子三相電源任意兩相對(duì)調(diào)（K1打開，K2閉合），同時(shí)在轉(zhuǎn)子回路串入三相對(duì)稱電阻R ,如圖5-6b所示。由于系統(tǒng)機(jī)械慣性的作用，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向來不及變化，但磁場的旋轉(zhuǎn)方向改變，和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，導(dǎo)體和磁場的相對(duì)切割方向和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反,轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢方向和電流方向改變，和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反， 電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變方向，和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各量方向如圖5-6b所示。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)按電動(dòng)狀態(tài)（提升）接線，在電樞回路串入較大電阻R ,拖動(dòng)位能性負(fù)載。接通電源時(shí)，由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩

13、Tst小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL時(shí)，負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，電樞電動(dòng)勢方向改變， 和電源電壓的極性在回路里順序串聯(lián)。但電樞電流方向不變，和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相同。電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相同，和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反,電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各量方向如圖5-7a所示。a)nb)圖5-7 轉(zhuǎn)速反向反接制動(dòng)狀態(tài)各量方向a)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)b) 交流異步電動(dòng)機(jī)繞線式交流異步電動(dòng)機(jī)按電動(dòng)狀態(tài)(提升)接線，在轉(zhuǎn)子回路串入較大三相對(duì)稱電阻R，拖動(dòng)位能性負(fù)載。接通電源時(shí)，由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩較小，當(dāng)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩丁曳小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl時(shí), 負(fù)載拖動(dòng)電動(dòng)機(jī)反向旋轉(zhuǎn)， 但導(dǎo)體和磁場的相對(duì)切割方向不變， 和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相同， 轉(zhuǎn)子導(dǎo) 體中的感應(yīng)電動(dòng)勢

14、方向和電流方向不變， 和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相同。 電磁轉(zhuǎn)矩方向不變， 和電動(dòng)狀 態(tài)時(shí)相同，和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各量方向如圖5-7b所示。(3)回饋制動(dòng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，拖動(dòng)電樞加速。當(dāng)n > n0時(shí)，U與Ea的方向不變，與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)一樣。 但電樞電動(dòng)勢高于外加 電壓，電樞電流方向改變，和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，電磁轉(zhuǎn)矩方向改變，和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反,電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，各量方向如圖5-8a所示。Ua)b)71圖5-8 回饋制動(dòng)狀態(tài)各量方向a)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) b) 交流異步電動(dòng)機(jī)交流異步電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方

15、向與電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同時(shí)，在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用下，轉(zhuǎn)子加速。當(dāng) n >n1時(shí)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和磁場的相對(duì)切割方向 和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反， 轉(zhuǎn)子導(dǎo)體中的感應(yīng)電動(dòng)勢方向和電流方向改變，和電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反， 電磁轉(zhuǎn)矩隨之改變方向，和電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)， 各量方向如圖5-8b所示。4.電機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行能量在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)有兩種運(yùn)行狀態(tài)：電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)和制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。兩種狀態(tài)的差別在于電磁轉(zhuǎn)矩的方向與電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向不同。前者兩者方向相同， 電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；后者兩者方向相反，電磁轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，或阻轉(zhuǎn)矩。電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電機(jī)從電源吸收電能，然后把電能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械

16、能，為生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行提供原動(dòng)力，其機(jī)械特性位于第I和m象限；電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)， 從轉(zhuǎn)軸上輸入機(jī)械能， 然后把機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，電能或轉(zhuǎn)變成熱能消耗掉，或回送給電網(wǎng)，其機(jī)械特性位于第n和W象限。下面分別討論各種電氣制動(dòng)狀態(tài)的物理過程、機(jī)械特性及制動(dòng)計(jì)算等問題。5.2能耗制動(dòng)(dynamic braking )原理與方法5.2.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)原理與方法1.能耗制動(dòng)原理與方法5-9所示。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的原理電路圖如圖a)b)圖5-9他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的原理電路圖a)電動(dòng)狀態(tài)b)能耗制動(dòng)狀態(tài)設(shè)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)前在電動(dòng)狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行(觸點(diǎn)K1閉合，K2打開)，電樞電流IaU EaRa

17、>0 (U > Ea)、電樞電動(dòng)勢、轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩方向如圖5-9a所示。制動(dòng)時(shí)保持磁通不變，將觸點(diǎn)K1打開（U 0）, K2閉合，電樞回路串入電阻 R ,如圖5-9b所示。由于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電動(dòng)勢Ea方向不變。制動(dòng)時(shí)：0 Ea Ia（Ra R ）Ea,、Ia a一0（5-1）Ra R由Ea產(chǎn)生的電樞電流I a的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的方向相反，對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩T與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的方向相反，與電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反，為制動(dòng)性質(zhì)，使系統(tǒng)較快地減速。2 .能耗制動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性n和電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式T Ct I a代入式（5-1 ）,可Ra R TCeCT2將電樞電動(dòng)勢計(jì)算公

18、式 Ea C a 得能耗制動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性方程式(5-2)n式中，R 能耗制動(dòng)電阻。由式（5-2）可知，能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性是通過坐標(biāo)原點(diǎn)、位于第n和W象限的直線，如圖5-10所示。H5-10能耗制動(dòng)機(jī)械特性此時(shí)，制動(dòng)電阻 R越大，機(jī)械特性斜率越大，平均制動(dòng)轉(zhuǎn)矩越小。如忽略電磁慣性，在能耗制動(dòng)瞬間由于機(jī)械慣性的作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由A點(diǎn)移到B點(diǎn)。由于電動(dòng)機(jī)在B點(diǎn)的轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)速方向相反，電動(dòng)機(jī)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)， 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩與靜負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同阻礙系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)， 使轉(zhuǎn)速迅速降低。由Ea Ce n、IaEa一和T CT I a可Ra R知，電樞電勢與轉(zhuǎn)速成正比，電樞電流與電樞電勢成正比，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩

19、與電樞電流成正比，所 以能耗制動(dòng)轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低按直線規(guī)律減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速等于零時(shí)，電樞電勢也等于零，因而制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也等于零。通常，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)，其最終的運(yùn)行狀態(tài)于所拖動(dòng)的負(fù)載性質(zhì)有關(guān)。如果電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的是反抗性負(fù)載，制動(dòng)開始時(shí)，工作點(diǎn)由 A點(diǎn)移到B點(diǎn)，在阻轉(zhuǎn)矩TB和TL的共 同作用下，沿制動(dòng)特性 BO減速。在減速過程中，制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩(絕對(duì)值)逐漸減小，當(dāng) 電動(dòng)機(jī)制動(dòng)減速到坐標(biāo)原點(diǎn)時(shí)，T 0, n 0,電動(dòng)機(jī)便會(huì)自動(dòng)停車。如果電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的是位能性負(fù)載，突然采用能耗制動(dòng)， 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)從 A點(diǎn)移到B點(diǎn)，再到。點(diǎn)，是能耗制 動(dòng)過程，與拖動(dòng)反抗性負(fù)載時(shí)完全一樣。到了。點(diǎn)，雖然制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩 T

20、 0,如不采用其他辦法停車如抱閘抱住電動(dòng)機(jī)的軸，在位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)將被拖動(dòng)向反方向旋轉(zhuǎn)，機(jī)械特性將延伸到第W象限，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 T>0,轉(zhuǎn)速n<0, T與n方向相反，T仍為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，和第n象限正向能耗制動(dòng)相對(duì)應(yīng)，我們把第W象限的能耗制動(dòng) 稱為反向能耗制動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)矩也不斷增大，直到制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與位能轉(zhuǎn)矩相平衡， 位能負(fù)載勻速下放，穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)如圖5-10中的C點(diǎn)。能耗制動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞回路串入的制動(dòng)電阻不同時(shí)，穩(wěn)定的下放速度也不同，制動(dòng)電阻越大，穩(wěn)定的下放速度越高，如圖 5-10中的E點(diǎn)所示。3 .制動(dòng)電阻的選擇他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)開始的瞬間，電樞電流

21、和電磁轉(zhuǎn)矩的大小與制動(dòng)時(shí)電樞回路的總電阻有關(guān)。在圖 5-10中，如果增大能耗制動(dòng)電阻，制動(dòng)開始的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩就減 小到由D點(diǎn)決定的數(shù)值。由此可見，制動(dòng)電阻越小，機(jī)械特性越平，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的平均值就越 大，制動(dòng)越迅速。但制動(dòng)電阻也不能太小， 否則制動(dòng)時(shí)的電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩將超過允許值， 對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行帶來不利影響，甚至損壞電動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。對(duì)于制動(dòng)加速度受限的生產(chǎn)機(jī)械，在確定制動(dòng)電阻時(shí)應(yīng)考慮允許的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。能耗制動(dòng)電阻可由下式計(jì)算C e n a,、RA Ra(5-3)Tb式中，R 能耗制動(dòng)電阻;nA能耗制動(dòng)開始時(shí)的轉(zhuǎn)速;Tb 能耗制動(dòng)開始時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩(允許的最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩)在選擇制動(dòng)電阻時(shí)

22、，如果只考慮按最大制動(dòng)電流不超過2I n來選擇R ,則有IaEaEaNRaR RaRaaUnRa R2In(5-4)最終穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)值得注意的是，當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)以能耗制動(dòng)勻速下放位能性負(fù)載時(shí), 電樞回路應(yīng)串的制動(dòng)電阻大小決定于負(fù)載要求的下放速度。4 .能耗制動(dòng)的能量關(guān)系Ea,電樞電流的方向與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)，在電樞回路中只有一個(gè)電源，即電樞電動(dòng)勢的方向相同，電動(dòng)機(jī)是發(fā)出電能的，根據(jù)電壓平衡方程式U Ea 1a(Ra R ),可得功率平衡方程式0 Ea Ia(Ra R ) EaIa (Ra R W (5-5)和電動(dòng)狀態(tài)相比，在能耗制動(dòng)狀態(tài)下，電樞電流I a反向?yàn)樨?fù)，因此，EaIa為正值，

23、式(5-5)說明電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電功率完全以熱量的形式消耗在電樞電阻Ra和制動(dòng)電阻R中。EaIaCe 磯CtIa T/(Ra R)(5-6)這說明，如果忽略電動(dòng)機(jī)的空載損耗，電動(dòng)機(jī)將轉(zhuǎn)軸上輸入的機(jī)械功率T變成電功率，全部消耗在電樞電阻和制動(dòng)電阻上，變成熱能消耗掉，因此稱能耗制動(dòng)。當(dāng)能耗制動(dòng)用于勻速下放位能性負(fù)載時(shí)，機(jī)械功率就是靜負(fù)載位能輸送給電動(dòng)機(jī)的功率；而當(dāng)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性負(fù)載能耗制動(dòng)時(shí)，用于制動(dòng)的能量來自拖動(dòng)系統(tǒng)減小的動(dòng)能所放出的機(jī)械能。例 5-1 一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，Pn 29kW , U n 440V , nN 1050r/min ,In 76.2A, Ra 0.393 ，在能耗制動(dòng)狀態(tài)下

24、以 500r/ min的轉(zhuǎn)速下放重物，電樞電流為額定值，試求電樞回路內(nèi)應(yīng)串接的電阻值，并計(jì)算此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩。解：能耗制動(dòng)下放重物，穩(wěn)定的工作點(diǎn)在第W象限，轉(zhuǎn)速為 n 500r / min ,電樞電440 76.2 0.393 0.391050流為 1a IN 76.2A。Un iNRae N nNR R因?yàn)?，能耗制?dòng)時(shí)nRa IaCe NCe Nn0.39 ( 500) c “c c 'r所以，得R e NRa 0.393 2.17Ia76.2T Ct NIa此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩9.55(Ce N)1a 9.55 0.39 76.2 283.81N.m5.2.2異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)方法與原理

25、1 .能耗制動(dòng)方法與原理(1)制動(dòng)方法將正在運(yùn)行的三相異步電動(dòng)機(jī)定子繞組從三相交流電源上斷開，同時(shí)在定子兩相繞組內(nèi)通入直流電流，三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)原理接線圖如圖5-11所示。電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，K1閉合，K2斷開。能耗制動(dòng)時(shí) K1斷開，K2閉合。圖5 -11三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)原理接線圖(2)制動(dòng)原理由于異步電動(dòng)機(jī)只有在定子繞組接上三相交流電源后，電機(jī)內(nèi)部才產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場， 切掉電源后，電機(jī)內(nèi)磁勢也消失，雖然轉(zhuǎn)子在機(jī)械慣性作用下仍然在旋轉(zhuǎn)，卻不能產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。為此，必須向定子繞組內(nèi)通入直流電流，以便在氣隙中形成恒定的磁場，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與恒定的磁場相互作用，根據(jù)右手定則，產(chǎn)生如圖5-12所示的

26、感應(yīng)電動(dòng)勢和電流，該電流又與恒定磁場作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。由左手定則判斷，該電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，電機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。與他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)過程相似，這種制動(dòng)的實(shí)質(zhì)是將轉(zhuǎn)子中儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，并消耗在轉(zhuǎn)子回路電阻中。圖5-12三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩的方向2 .能耗制動(dòng)時(shí)的磁動(dòng)勢平衡關(guān)系三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)過程中電磁轉(zhuǎn)矩T的產(chǎn)生，是轉(zhuǎn)子導(dǎo)體與定子磁動(dòng)勢之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的大小與方向不同，則轉(zhuǎn)矩 T的大小與方向也隨之不同。至于定 子磁動(dòng)勢相對(duì)于定子本身是旋轉(zhuǎn)的還是靜止的，以及相對(duì)轉(zhuǎn)速是多少，都是無關(guān)緊要的。因此，分析能耗制動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行的三相

27、異步電動(dòng)機(jī)，可以用三相交流電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢F1等效替代直流磁動(dòng)勢 F ,在等效替代后，就可以使用電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的分析方法與所得結(jié) 論。等效替代的條件是：(1)用F1等效F ,需保持磁動(dòng)勢幅值不變，即 F1=F =F ;(2)用F1等效F ,需保持磁動(dòng)勢與轉(zhuǎn)子之間相對(duì)轉(zhuǎn)速不變，為 0 n n。異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)，在定子繞組中通入直流電流時(shí)將產(chǎn)生位置固定、大小不變的恒定磁場，形成恒定磁場的磁動(dòng)勢， 其幅值與定子繞組的接法及直流電流的大小有關(guān)。例如圖5-13a所示的接線方式，直流電流 I從端子U1流入，V1流出，U相繞組和V相繞組分 別產(chǎn)生直流磁動(dòng)勢 FU和FV ,它們的幅值相等，在空間相差

28、600空間電角度，如圖5-13b、c所示。a)b)c)圖5-13能耗制動(dòng)時(shí)定子繞組接線圖、磁動(dòng)勢圖及合成磁動(dòng)勢矢量圖a接線圖 b 磁動(dòng)勢圖 c合成磁動(dòng)勢矢量圖41NiKwi .Fu Fv 一二I2 PFU和FV合成磁動(dòng)勢的大小為匚 o 4 1NiKwi0& 2 NiKwi“7、F 2 I cos30V3 - I (5-7)2 pp從定子上看F ,它在空間固定不動(dòng)，轉(zhuǎn)子以轉(zhuǎn)速n逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。如果我們把轉(zhuǎn)子看成靜止不動(dòng)，那么，原來靜止的恒定磁場便成為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速為 n ,成為旋轉(zhuǎn)磁 動(dòng)勢。為了分析異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)特性，先將直流電流產(chǎn)生的不對(duì)稱勵(lì)磁系統(tǒng)用磁動(dòng)勢幅值與它等效的對(duì)稱三

29、相交流電流系統(tǒng)來代替。由每相電流有效值為11的正弦電流產(chǎn)生的三相合成等效旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢的幅值為Fi3 42NiKwi _Ii3 4 222NiKwi .I1 p按照F =Fi的等效的替代條件，等效的結(jié)果為a 2NiKwi 3 1 IpI2I11一 I3(5-8)能耗制動(dòng)時(shí)，定子繞組的聯(lián)接方法有很多種，但不論定子繞組如何聯(lián)接，都可以按上述磁動(dòng)勢相等的原則求出等效交流電流I1與直流電流I之間的數(shù)值關(guān)系，如表 5-1所示。經(jīng)過上述等效，定子電流已成為頻率為f1的三相交流電流，定子磁動(dòng)勢也成為空間轉(zhuǎn)數(shù)為n 60互的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢。按照等效替代的第二個(gè)條件，即為了使定子磁動(dòng)勢與轉(zhuǎn)子之p間的相對(duì)轉(zhuǎn)速不變，能耗制動(dòng)

30、的轉(zhuǎn)差率應(yīng)表示為nn1(5-9)異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子繞組電動(dòng)勢的大小和頻率的高低均與轉(zhuǎn)子導(dǎo)體和定子磁動(dòng)勢的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度成正比，相位與定子磁動(dòng)勢相對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向有關(guān)。為了把能耗制動(dòng)的轉(zhuǎn)子電路折算到定子邊，定子磁動(dòng)勢與轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速為n時(shí)的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢用 E2表示，設(shè)定子磁動(dòng)勢與轉(zhuǎn)子的相對(duì)轉(zhuǎn)速為n1的轉(zhuǎn)子電動(dòng)勢用 E2表示，則二者的關(guān)系為E2 E2(5-10)其中，E2的頻率為f2, £2的頻率為f1 , £2與f1有如下關(guān)系:f2fl(5-11)根據(jù)上式，將能耗制動(dòng)工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子電抗X2表示為X2X2(5-12)式中，X2 能耗制動(dòng)狀態(tài)下，頻率為f1的轉(zhuǎn)子電抗。能耗制動(dòng)工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子

31、電流為E2R2 jX2(5-13)將轉(zhuǎn)子邊的參量向定子邊進(jìn)行頻率折算和繞組折算后，三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的等效電路如圖5-14所示，由于能耗制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的鐵損耗很小，可以忽略，所以圖中不含勵(lì)磁電阻4.能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性根據(jù)能耗制動(dòng)的等效電路，畫出定子電流I，勵(lì)磁電流Im以及轉(zhuǎn)子電流I2之間的向量關(guān)系如圖5 -15所示。假定轉(zhuǎn)子繞組已折算到定子繞組的匝數(shù)和電網(wǎng)頻率，由向量圖可見,各電流之間的關(guān)系為%一易-15異步電動(dòng)機(jī)在能耗制動(dòng)時(shí)的電流相量圖其中I1222Iml2Sin 2 Im(5-14)ImE2XmXm2R2X22(5-15)Xsin 222（5-16）R2X22,2將式（5-15）、

32、（5-16）代入式（5-14）并簡化，得II -2.（R2/ ）2 （Xm X2）2（5-17 ）式中I1為定子直流電流的等效交流電流，是一個(gè)不變的量，故 I2為 的函數(shù)。當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)為零時(shí)，I2=0；轉(zhuǎn)數(shù)增加時(shí)，I 2也隨之增大。根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩為電磁功率除以同步角速度1的關(guān)系，得能耗制動(dòng)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩為TPm2mI2R2(5-18)將式（5-17）代入式（5-18）,得機(jī)械特性方程式22 _(5-19)Tm- Xm R2 /11 （Xm X2）2式（5-19）為異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的機(jī)械特性表達(dá)式，它與電動(dòng)工作狀態(tài)下的機(jī)械特 性具有相似的形式。在式（5-19 ）中，使dT 0,即可求得能耗制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生最大

33、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm時(shí)的臨界轉(zhuǎn)d差率mR2Xm X2(5-20 )將式(5-20 )代入式（5-19）,可得Tm為Tm.22mIi Xm"72(Xm X2)(5-21 )顯然，能耗制動(dòng)的最大轉(zhuǎn)矩與等效電流的平方成正比,而與轉(zhuǎn)子電阻無關(guān)；臨界轉(zhuǎn)差率 m轉(zhuǎn)子電阻成正比。由式（5-19）畫出能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性，如圖5-16所示。由式（5-20）及式（5-21）可見，當(dāng)直流電流不變，即Il不變時(shí)，如果僅增大轉(zhuǎn)子電阻 R2,臨界轉(zhuǎn)差率 m增加，最大轉(zhuǎn)矩Tm不變，機(jī)械特性由曲線1變?yōu)榍€3；當(dāng)保持轉(zhuǎn)子電阻R2不變而僅增大直流電流時(shí)，2臨界轉(zhuǎn)差率 m不變，最大制動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tm與Ii成正比地增加，機(jī)械特性由曲

34、線1變?yōu)榍€2 ,所以改變轉(zhuǎn)子電阻或改變定子直流電流的大小均可調(diào)節(jié)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)值。圖5 -16三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性將式（5-20）、（5-21 ）代入式（5-19）,可得能耗制動(dòng)機(jī)械特性的實(shí)用表達(dá)式2TeTm一（ 5-22） mm以上討論并未考慮磁路飽和對(duì)勵(lì)磁電抗的影響。實(shí)際上，隨著 的變化，轉(zhuǎn)子電流在變，由于I1不變，故勵(lì)磁電流1m也在變化，相應(yīng)的主磁通m也在變化，這必然導(dǎo)致勵(lì)磁電抗Xm的變化。為了考慮磁路飽和對(duì)Xm的影響，必須知道電機(jī)的磁化曲線，可以采用異步電機(jī)的萬用磁化曲線，用點(diǎn)繪法求出機(jī)械特性，此處不做討論。5.直流電流與附加電阻的計(jì)算根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)圖5-13a所示的接線方

35、式，常采用下列表達(dá)式計(jì)算定子直流電流I和轉(zhuǎn)子附加電阻R。對(duì)于鼠籠型異步電動(dòng)機(jī)I （45）Io（5-23 ）對(duì)于繞線型異步電動(dòng)機(jī)(5-24 )I (23)Io(0.2 0.4)E2N、3I2N(5-25)式（5-23）、（5-24）中,I o為異步電動(dòng)機(jī)的空載電流，一般可取(5-26)Io (0.2 0.5)Iin三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)的過程用機(jī)械特性描述時(shí)如圖5-17所示。若電動(dòng)機(jī)原來穩(wěn)定運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)的 A點(diǎn)，拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行時(shí)，采用能耗制動(dòng)停車，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)由A轉(zhuǎn)為B,然后在第H象限上進(jìn)彳T能耗制動(dòng)，直至。點(diǎn)停車。對(duì)于拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的三相異步電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行能耗制動(dòng)，則電動(dòng)機(jī)拖著

36、負(fù)載先減速到n 0后，位能性負(fù)載將倒Co拉著電機(jī)反轉(zhuǎn)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)從Z B-8 C,最后穩(wěn)定運(yùn)行于第IV象限的工作點(diǎn)圖5-17異步電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)應(yīng)該指出，由于 Xm較大，故能耗制動(dòng)的臨界轉(zhuǎn)差率m比電動(dòng)機(jī)狀態(tài)的Sm小，所以能耗制動(dòng)用于下放重物可獲得較低的下放速度，運(yùn)行也比較穩(wěn)定。改變直流勵(lì)磁電流的大小或改變轉(zhuǎn)子回路所串電阻，均可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)速。復(fù)習(xí)題1、如何判斷他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)是處于電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)還是制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)？2、電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)機(jī)械特性位于哪個(gè)象限？3、三相異步電動(dòng)機(jī)能耗制動(dòng)時(shí)，保持通入定子繞組中的直流電流恒定，在制動(dòng)過程中氣隙磁通是否變化？如何變化?5.3回饋制動(dòng)

37、(regenerative braking)原理與方法5.3.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)原理他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電源電壓U與電樞電動(dòng)勢Ea方向相反，n v n0 ,U > Ea ,電樞電流I a從電源流向電樞，產(chǎn)生拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)從電源輸入的電功率UI a>0,如圖5 -18a所示。而在回饋制動(dòng)狀態(tài)下，電源電壓U與電樞電動(dòng)勢Ea的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)一樣，電樞旋轉(zhuǎn)方向不變，但n>n0,使Ea >U , Ea將迫使1a改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩也改變方向成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，此時(shí)由于U與Ia方向相反，I a從電樞流向電源，UIa<0,電動(dòng)機(jī)向電源饋送電功率 UI a,所以

38、把這種制動(dòng)稱為回饋制動(dòng)，如圖5-18b所示。圖5-18正向回饋制動(dòng)時(shí)各量方向a）正向電動(dòng)b）回饋制動(dòng)在回饋制動(dòng)狀態(tài)下，電動(dòng)機(jī)軸上功率P2 TL <0,即從軸上輸入機(jī)械功率，扣除空2載損耗功率Po后即轉(zhuǎn)換為電功率EaIa,其中一部分功率（Ia Ra）消耗在電樞回路電阻Ra上，剩余的大部分功率 UIa EaIa Ia2Ra則回饋電網(wǎng)。其功率流程圖如圖5 -19所示?？梢?，此時(shí)電動(dòng)機(jī)已成為與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)，向電網(wǎng)回饋電功率。 這是回饋制動(dòng)與其他 制動(dòng)方法的主要區(qū)別。圖5 -19回饋制動(dòng)時(shí)的功率流程圖5.3.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法1 .降壓調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的回饋制動(dòng)在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于正向

39、電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如果采用降低端電壓調(diào)速， 在電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行的過程中有可能存在一段時(shí)間，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行于回饋制動(dòng)狀態(tài)，如圖5-20中的BC段所示。現(xiàn)將電動(dòng)機(jī)此時(shí)的回饋制動(dòng)運(yùn)行作如下說明：設(shè)電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行于A點(diǎn)，如瞬間降低電源電壓，機(jī)械特性變?yōu)锽D, 由于轉(zhuǎn)速不能突變， 電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)將由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到 B點(diǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩反向，于是電動(dòng)機(jī)進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)。這時(shí)，由于瞬間電壓下降較多，而由轉(zhuǎn)速?zèng)Q定的電動(dòng)勢又不能突變，n>n02,因此，電樞電動(dòng)勢高于電源電壓，從而使電動(dòng)機(jī)工作于回饋制動(dòng)狀態(tài)，拖動(dòng)系統(tǒng)釋放動(dòng)能，電動(dòng)機(jī)則向電網(wǎng)饋送電能。隨著系統(tǒng)動(dòng)能的釋放，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速也逐漸下降，電動(dòng)勢也跟著下降， 一旦電動(dòng)勢下

40、降到小于電源電壓，則電動(dòng)機(jī)又重新進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)，如圖5-20中的cd段，而最終穩(wěn)定運(yùn)行于D點(diǎn)。0 Tl T圖5 -20正向回饋制動(dòng)機(jī)械特性2 .增磁調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的回饋制動(dòng)增磁調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖5-21所示，制動(dòng)過程分析和降壓調(diào)速時(shí)相同。U rL5-21增磁調(diào)速時(shí)產(chǎn)生的回饋制動(dòng)3 .位能負(fù)載下放重物時(shí)得回饋制動(dòng)圖5 -22是起重機(jī)提升機(jī)構(gòu)的示意圖，通常以起重機(jī)提升方向?yàn)檎较?，機(jī)械特性在第I象限，各量方向如圖5-22a所示。當(dāng)下放重物時(shí)，電流和轉(zhuǎn)矩的方向如圖5-22b所示。在電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和重物產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩共同作用下，拖動(dòng)系統(tǒng)由靜止開始不斷加速，下降的轉(zhuǎn)速越來越快，它的機(jī)械特性位于第出象限，為反向電

41、動(dòng)狀態(tài)。為了限制反向啟動(dòng)電流， 通常在電樞回路接入啟動(dòng)電阻R ,它的機(jī)械特性曲線如圖5-22所示的AB段。由于轉(zhuǎn)速不斷開高，電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢不斷增大，電樞電流不斷減小，電磁轉(zhuǎn)矩也不斷減小。當(dāng)n n0時(shí),Ea U, 1a 0,T0 ,這時(shí)電動(dòng)機(jī)處于理想空載狀態(tài)。圖5-22電動(dòng)機(jī)反向回饋制動(dòng)機(jī)械特性a）正向電動(dòng)狀態(tài)b ）反向電動(dòng)狀態(tài)c ）反向回饋制動(dòng)狀態(tài)但是在重物產(chǎn)生的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速還要繼續(xù)增加，當(dāng)下放速度超過理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，即 n > n1 , Ea > U ,電動(dòng)機(jī)的電流U EaRa曰URa>0即電流方向改變，變?yōu)檎?，則轉(zhuǎn)矩也變?yōu)檎担c轉(zhuǎn)速 n的方向相反，變

42、為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，如圖5 -22c所示，它的機(jī)械特性如圖5-22中的BC段所示，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在反向回饋制 動(dòng)狀態(tài)，機(jī)械特性曲線位于第IV象限。電動(dòng)機(jī)把系統(tǒng)的位能轉(zhuǎn)變成電能回饋電網(wǎng)，直到T Tl時(shí)，系統(tǒng)以 nc的速度穩(wěn)定下放重物，如圖 5-22所示的C點(diǎn)。4 .電車下坡時(shí)回饋制動(dòng)當(dāng)電動(dòng)機(jī)牽引的車輛在平路上行駛時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在正向電動(dòng)狀態(tài)， 各量方向如圖5-23c所示，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩 T克服反抗性負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL ,并以nA轉(zhuǎn)速在圖5-23b所示的特性曲線A點(diǎn)上運(yùn)行。當(dāng)電車開始下坡時(shí)，因重力而產(chǎn)生的下滑力超過摩擦力，負(fù)載轉(zhuǎn)矩就從反抗性負(fù)載變?yōu)槲荒苄载?fù)載，其作用方向與摩擦轉(zhuǎn)矩相反，與運(yùn)動(dòng)方向相同，應(yīng)為負(fù)

43、值。圖5-23正向回饋制動(dòng)a)電車下坡b)機(jī)械特性c) 電車平路行駛負(fù)值轉(zhuǎn)矩特性應(yīng)位于第n象限，在電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用下，沿著固有特 性繼續(xù)加速，當(dāng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n> n0時(shí)，Ea>U ,電動(dòng)機(jī)進(jìn)入正向回饋制動(dòng)狀態(tài)，將電車的位能變?yōu)殡娔芊答伝仉娋W(wǎng)，此時(shí)電動(dòng)機(jī)的電樞電流U EaIa a <0Ra電流的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反,電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向也隨之改變,變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，對(duì)下滑運(yùn)動(dòng)起抑制作用，最后在 B點(diǎn)平衡，這時(shí)T Tf Tl ,電車以nB的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下坡，如圖5-23a所示，正向回饋制動(dòng)的機(jī)械特性曲線位于第n象限。例5-2已知他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)：PN 29kW, UN 4

44、40V,nN 1050r/min ,IN 76.2ARa0.393 。帶位能負(fù)載在固有特性上作回饋制動(dòng)下放,Ia 60A,求下放轉(zhuǎn)速。解：CeU440 726 0.393 0.39V/r/minnN1050按電動(dòng)機(jī)慣例列方程， 位能負(fù)載在固有特性上作回饋下放，電源應(yīng)反接。電動(dòng)機(jī)最終工作在第IV象限，電流用正值、電壓用負(fù)值帶入方程，求得的n應(yīng)為負(fù)，絕對(duì)值應(yīng)大于額定轉(zhuǎn)速值。1190r / minURaIa ( 440) 0.393 ( 60)Ce0.395.3.3 異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)原理當(dāng)異步電動(dòng)機(jī)由于某種原因，例如位能負(fù)載的作用，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，即nn1 n> n1，轉(zhuǎn)差率s &

45、lt;0,使轉(zhuǎn)子感應(yīng)電動(dòng)勢 sE2反向，轉(zhuǎn)子電流的有功分量為ni(SX2)212a I2 sin 2SE2222(SX2 )(5-27)轉(zhuǎn)子電流的無功分量12r 12 sin 2sE2；2/22(sX2)sx2,r22(sX2)22 .s E2X2772 2(sX2)>0(5-28)這就是說，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n高于同步轉(zhuǎn)速ni時(shí)，轉(zhuǎn)差率s變負(fù)后，轉(zhuǎn)子電流的有功分量改變了方向，無功分量方向沒有改變。 因此，電磁轉(zhuǎn)矩T CT m12cos 2改變方向，使T與n方向相反，電動(dòng)機(jī)處于制動(dòng)狀態(tài)。一般情況下，s的絕對(duì)值很小，轉(zhuǎn)子的功率因數(shù)變化不大，利用式可繪出異步電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)狀態(tài)下的向量圖，如圖5

46、-24所示。(5-27)和式(5-28),sE2r2T22赳)圖5-24異步電動(dòng)機(jī)在回饋制動(dòng)時(shí)的向量圖由圖5-24可見，U1和I1之間的相位差 1>90°。此時(shí)定子功率 P1 m1U111cos 1為負(fù)，即定子繞組將電能回饋電網(wǎng)。另外由于回饋制動(dòng)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩變負(fù)，軸上總機(jī)械功率F2 T 亦變負(fù)，說明異步電動(dòng)機(jī)從軸上輸入機(jī)械功率。轉(zhuǎn)子電流的無功分量的方向不變，異步電動(dòng)機(jī)的定子必須接到電網(wǎng)，并從電網(wǎng)吸取無功功率以建立電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場?；仞佒苿?dòng)機(jī)械特性是正轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)或反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)機(jī)械特性向第n象限或第iv象限的延伸部分，如圖5-25所示。在轉(zhuǎn)子回路中串入不同的電阻，可得到不同的回饋制

47、動(dòng)機(jī)械特性曲線，曲線2轉(zhuǎn)子回路中串入的電阻值比曲線1轉(zhuǎn)子回路中所串入的電阻值大。a)b)圖5-25異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)的機(jī)械特性a)制動(dòng)原理圖b)機(jī)械特性5.3.4異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)實(shí)現(xiàn)方法回饋制動(dòng)發(fā)生有兩種情況:1 .下放重物時(shí)要使籠型轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的位能性負(fù)載高速下放重物，可將電動(dòng)機(jī)定子繞組反 相序接入電網(wǎng)，如圖5-26所示的第出象限，這時(shí)電動(dòng)機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩 T和位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL的作用下反向啟動(dòng)，n <0,重物下放，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)沿著第出象限機(jī)械特性曲線變化，至B點(diǎn)時(shí)，n q、T 0,但位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Tl仍為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速將繼續(xù)升高，機(jī)械特性進(jìn)入第W象限，n > ni ,

48、電磁轉(zhuǎn)矩改變方向成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因而限制了轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)，最終電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行在C點(diǎn)。圖5-26中的曲線2是繞線轉(zhuǎn)子三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻時(shí)的回饋制動(dòng)機(jī)械特性，可見回饋制動(dòng)時(shí)對(duì)于同一位能性負(fù)載，轉(zhuǎn)子回路電阻越大，穩(wěn)定運(yùn)行速度越高，因此為了避免下放重物時(shí)速度過高，一般不在轉(zhuǎn)子回路中串入電阻。圖5-26異步電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)的機(jī)械特性2 .在變極調(diào)速中極對(duì)數(shù)增多或變頻調(diào)速中頻率突然降低時(shí)由于同步轉(zhuǎn)速突然變化，而電動(dòng)轉(zhuǎn)速因機(jī)械慣性而來不及改變，出現(xiàn)了 n>n1的情況,使電動(dòng)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)。變頻調(diào)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)原運(yùn)行于如圖5-27a所示的A點(diǎn)，若突然降低變頻器的輸出頻率， 同步轉(zhuǎn)

49、速由5降為n1，致使必小于拖動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的實(shí)際轉(zhuǎn)速 n ,由于轉(zhuǎn)速不能突變，電動(dòng) 機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)將由圖 5-27a中的A點(diǎn)跳至B點(diǎn)運(yùn)行，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由正（拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩）變?yōu)樨?fù)（制 動(dòng)轉(zhuǎn)矩），這時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩仍為阻轉(zhuǎn)矩（在第I象限）兩種轉(zhuǎn)矩都使拖動(dòng)系統(tǒng)減速，系統(tǒng)將從B點(diǎn)開始沿曲線2減速，經(jīng)過C后，電磁轉(zhuǎn)矩由負(fù)變正，直到 D點(diǎn)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行，電機(jī)在 BC 段的運(yùn)行為回饋制動(dòng)，在 CD段的運(yùn)行為電動(dòng)。同樣性質(zhì)的回饋制動(dòng)情況還發(fā)生在由少極變 為多極的變極調(diào)速切換時(shí)， 變極調(diào)速發(fā)生回饋制動(dòng)的機(jī)械特性曲線如圖5-27b所示，電機(jī)少極數(shù)運(yùn)行的穩(wěn)定工作點(diǎn)為 A點(diǎn)，轉(zhuǎn)為多極運(yùn)行時(shí)，工作點(diǎn)跳至B點(diǎn)，電機(jī)在BC段運(yùn)行為回饋制動(dòng)，在C

50、D段的運(yùn)行為電動(dòng)。a)b)5-27 異步電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)a）變頻調(diào)速時(shí)的回饋制動(dòng)b）變極調(diào)速時(shí)的回饋制動(dòng)例5-3 一臺(tái)三相繞線型異步電動(dòng)機(jī)，已知：PN20kW , nN1420r/min ,U2N 187V, I2N 68.5A,過載倍數(shù)Kt 2.3 ,拖動(dòng)Tl100N.m位能性負(fù)載?，F(xiàn)欲采用回饋制動(dòng)下放該重物，在轉(zhuǎn)子電路中串聯(lián)電阻R = 0.0159。試求：(1)切換后的瞬間(B點(diǎn))的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；(2)在D點(diǎn)下放重物的時(shí)的轉(zhuǎn)速。解：欲采用回饋制動(dòng)下放該重物，定子兩相應(yīng)反接。% nNSn 1500 142015000.0533R2SN U 2N , 3I 2N0.0533 187，.3 68.5

51、0.0841Tn9.55民 nN20 1039.55134.57N.m1420TmKtTn2.3 134.57 309.5N.msm sN(KT,KT2 1) 0.0533 (2.32.32 1) 0.233SSm TmT在固有特性上工作，T TL 100N.m時(shí)的轉(zhuǎn)速：0.2333091(309.5)2 10.03871001100n (1 s)n1(1 0.0387) 1442r/min滿足題意要求的機(jī)械特性如圖5-28所示。圖5-28 例5-3圖 nA nB = 1442 r/minSbn nB1500 14421.9613n11500smBR2Rsm0.0841 0.01590.084

52、10.233 0.277Tb2Tm(2)SdnDSbsmBsmBSb轉(zhuǎn)子串聯(lián)電阻2 309.51.961 0.2770.2771.961時(shí)，Tm不變，SmRTm smBTL0.277(1 sD)n1(1 0.046) ( 1500)85.77N.m(R2R )。309.51001569r/min0.046復(fù)習(xí)題1、在什么情況下異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)？這種狀態(tài)發(fā)生在哪些情況下？通過降 低電壓能否進(jìn)入回饋制動(dòng)狀態(tài)？2、回饋制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的能量關(guān)系平衡關(guān)系？5.4 反接制動(dòng) (plug braking) 原理與方法5.4.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)原理與特點(diǎn)1特點(diǎn)電樞電壓或電動(dòng)勢極性突然改變，電

53、樞電壓和電動(dòng)勢順極性串聯(lián)。和電源反接反接制動(dòng)可用兩種方法實(shí)現(xiàn)， 即轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng) (一般用于位能負(fù)載)制動(dòng)(一般用于反抗性負(fù)載)。2.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)原理他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)狀態(tài)時(shí),U EaEa >U, Ia a >0, T>0和電樞旋轉(zhuǎn)方向Ra相同，如圖5-29a所示。(1)轉(zhuǎn)速反向反接制動(dòng)是指，電源電壓為正，電樞回路串入一個(gè)較大電阻，在負(fù)載作用下使電樞反向旋轉(zhuǎn) n <0,如圖5-29b所示，此時(shí)Ea改變方向，Ea <0,與電源電壓方向相同，與電樞電動(dòng)勢順向串聯(lián)，Ia 工 >0,由于電樞電流方向未變，電動(dòng)機(jī)的Ra R電磁轉(zhuǎn)矩方向亦未變，T >0,但因旋轉(zhuǎn)方向已改變，所以電磁