交流异步电动机制动的几种方式附原理案例.doc

交流异步电动机制动的几种方式附原理案列
工业变频 2009-06-16 16:00:42 阅读4628 评论1   字号：大中小 订阅
一、再生回馈制动

再生回馈制动是在外加转矩的作用下，转子转速超过同步转速，电磁转矩改变方向成为制动转矩的运行状态。再生回馈制动与反接制动和能耗制动不同，再生回馈制动不能制动到停止状态。

二、反接制动

反接制动是在电机定子三根电源线中的任意两根对调而使电机输出转矩反向产生制动，或者在转子电路上串接较大附加电阻使转速反向，而产生制动。

三、能耗制动

电机在正常运行中，为了迅速停车，在电机定子线圈中接入直流电源，在定子线圈中通入直流电流，形成磁场，转子由于惯性继续旋转切割磁场，而在转子中形成感应电势和电流，产生的转矩方向与电机的转速方向相反，产生制动作用，最终使电机停止。于惯性继续旋转切割磁场，而在转子中形成感应电势和电流，产生的转矩方向与电机的转速方向相反，产生制动作用，最终使电机停止。

1.能耗制动的原理
如果三相异步电动机定子绕组断开三相电源后，则电机内无磁通势。从而电磁转矩 ＝0，电动机在负载转矩作用下，自然停车，这是自然制动过程。
能耗制动的电路原理图如图5.22所示，三相异步电动机定子绕组切断三相交流电源后（1K断开），同时，在定子绕组任意两相上接入直流电流 ( 也称直流励磁电流)，即接通开关2K，从而在电机内形成一个不旋转的空间位置固定的磁通势 ，最大幅值为 。在三相交流电源切断后的瞬间，电动机转子由于机械惯性其转速 不能突变，而继续维持原逆时针方向旋转。此时，直流电流 产生的空间固定不转的磁通势 相对于旋转的转子是一个旋转磁通势；旋转方向为顺时针，转速大小为 。这种相对运动导致了转子绕组有感应电动势 ，并产生电流 和电磁转矩 ，根据左手定则可知， 的方向与磁通势 相对于转子的旋转方向是一样的，但与转速 的方向相反，电动机处于制动运行状态，电机转速迅速下降，直到转速 时，磁通势 与转子相对静止， ＝0, ＝0,  , 减速过程结束，电动机将停转，实现了快速制动停车。如果负载是反抗性负载，则电机转速 将停车。如果负载是位能性负载，则电机转速 时必须立即用机械抱闸，将电机轴刹住停车。

图5.22    能耗制动接线图
由于制动过程，转轴的机械能转换成电能消耗在转子回路的电阻上，因此，称为能耗制动。
2.能耗制动的机械特性
三相异步电动机能耗制动的机械特性的推导类似于三相异步电动机固有机械特性的推导。当异步电动机切断三相交流电源，接入直流电流 时的等值电路如图5.23所示。它是转子绕组相数、匝数、绕组系数及转子电路的频率都折合到定子边界的结果。

 图5.23   能耗制动的等值电路            图5.24   能耗制动的电流关系
图中 为能耗制动转差率。当直流磁通势 于转子之间相对转速（既转差）不变时，即 ，且 的相对转子的转速即同步转速为 ，则

转子绕组感应电动势 的大小和频率为：

图中 为等值电流，它是通过三相异步电动机定子绕组接入直流电流 换算得到的。利用三相交流电流产生的旋转磁通势 等效替代直流磁通势 的办法，可推导出 与 的关系如下：
当电动机定子绕组为ㄚ 形接法时，有

当电动机定子绕组为△形接法时，有

根据等值电路画出能耗制动时各电流之间的关系图如图5.24 所示，则
      (5.25)
忽略励磁电阻 的铁损耗作用，则
                   (5.26)
对于转子功率因数角 ，有
                                       (5.27)
将式（5.26）、（5.27）代入式（5.25），整理各得

则
             (5.28)
上式为能耗制动的机械特性表达式。
和电动机运行状态时的机械特性参数表达式推导方法一样，可导出能耗制动时的最大转矩 及相应的转差率 为
                           (5.29)
根据式（5.28）画出三相异步电动机能耗制动时的机械特性如图 5.25 所示，图中曲线

 图5.25  能耗制动的机械特性                     图5.26  能耗制动过程
1为直流电流为 ，转子串入电阻 时的特性；曲线2为直流电流为 ，转子串入电阻 时的特性；曲线3为直流电流为 ( ＞ )，转子串入电阻 时的特性；曲线4为电机运行的固有特性。
3.制动过程分析  
三相异步电动机工作于电动运行状态时，采用能耗制动停车，电动机的运行点如图5.26所示。即 。改变直流电流 的大小而改变制动转矩的大小，从而改变制动时间的大小。4.直流电流 的选择
对于三相鼠笼式异步电动机取                    

对于三相绕线式异步电动机取

式中 为异步电动机的空载电流，一般取 。
能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。也可用于起重机一类带位能性负载的机械限制重物下放的速度，使重物保持匀速下降，只需改变直流电流 的大小（调节电位器 RP）或改变转子回路串电阻R值，则可达到目的。
5.3.2 反接制动
三相异步电动机的反接制动分为定子电源反接的反接制动和倒拉反接制动两种
1.定子电源反接的反接制动
（1）反接制动原理
三相绕线式异步电动机处于正常电动运行，当改变三相电源的相序时，如图5.27电路接线图中1K断开，2K闭合则改变了电源相序，电动机便进入了反接制动过程。由于电源相序改变，圆形旋转磁场反向，而转子不可能立即改变转向，因而转子感应电动势反向，电流反向，则电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态，电动转速迅速下降，直到转速 ，电机将停转，从而实现了快速制动停车。
（2）机械特性
电动机的固有特性如图5.28所示的曲线1。当定子两相反接时，旋转磁场改变方向，则同步转速为 ，转差率 ，反接制动机械特性变为曲线2。根据异步电动机等值电路中表示机械负载的附加电阻 ，则机械功率为

即负载向电动机内输入机械功率。而定子传递到转子的电磁功率为

表明定子仍向电源吸收电功率，再由定子向转子传递电磁功率。由于

表明转子回路的铜损耗来自定子吸收电源的电功率和负载送入的机械功率，这个数值很大。若不在转子回路串入较大的电阻器，转子铜损耗将无法消耗，将导致电机转子绕组过热而损坏，因此，电机转子回路必须串入大电阻R，此时，反接制动的机械特性为曲线3。
（3）制动过程分析
三相绕线式异步电动机工作于电动状态时，开关1K 闭合2K 断开。当电机定子电源反接时，开关1K 断开2K 闭合，同时转子回路串入大电阻，即3K 断开，电动机的运行点以 ，使得电动机快速停车。如果电动机拖动较小的反抗性恒转矩负载或位能性恒转矩负载运行，并采用定子电源反接的反接制动停车，那么必须当电机转速 时切断电源并停车，否则电动机将反向起动到 点。
（4）反接制动电阻的计算
根据新要求的最大制动转矩进行。
例5.6  JZR51－8型绕线式异步电动机， ＝22kW, , V, A,  。如果拖动额定负载运行时，采用反接制动停车，要求制动开始时最大制动转矩为 ，求转子每相串入的制动电阻值。
解:电动机额定转差率

转子每相电阻

制动后瞬间电动机转差率

过制动开始点（ ＝1.964, ）的反接制动机械特性的临界转差率为

固有机械特性的 为

转子串入反接制动电阻为

定子电源反接的反接制动广泛用于要求迅速停车和需要反转的生产机械上，多用于三

图5.27   定子电源反接的反接制动         图5.28   反接制动的机械特性
相绕线式异步电动机中。对于三相鼠笼式异步电动机由于转子回路无法串电阻，则反接制动只能用于不频繁制动的场合。
2.倒拉反接制动
这里仅对倒拉反接制动过程进行分析。
倒拉反接制动状态指三相绕线式异步电动机拖动位能性恒转矩负载时，在转子回路上串入较大电阻，使机械特性变为图5.29（b）所示的曲线2，电动机反转运行于第Ⅳ象限的B点。曲线1为电动机的固有特性。
倒拉反接制动适用于位能性恒转矩负载。例如，起重机将重物保持均匀速度下降时，使得位能性负载—重物倒过来拉着电动机反转。如图5.29（a）所示电动机定子电源断开时（既1K断开2K闭和）。工作运行于 点，即转数 ，处于停车状态。电动机按提升方向接通电源（既1K闭和，并在转子回路串入电阻 ，即2K断开）。由于起动转矩 负载转矩 ,电机被重物拖着反转，电机运行点由 点加速到 点，电磁转矩 ,电动机处于稳定的反接制动运行状态，且电机以 的转速重物匀速下放。

（a）接线原理图                          （b）机械特性
图5.29   倒拉反接制动4.直流电流 的选择
对于三相鼠笼式异步电动机取                    

对于三相绕线式异步电动机取

式中 为异步电动机的空载电流，一般取 。
能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。也可用于起重机一类带位能性负载的机械限制重物下放的速度，使重物保持匀速下降，只需改变直流电流 的大小（调节电位器 RP）或改变转子回路串电阻R值，则可达到目的。
5.3.3 回馈制动
前面所述反接制动机械特性，如图5.28所示曲线2或曲线3。当三相异步电机拖动位能性恒转矩负载，定子电源接成负相序 时，电动机运行于第Ⅳ象限的 点（称为回馈制动运行点），对应的电磁转矩 ，转速 ，且 , 则称为反向回馈制动运行。例如，起重机下放重物（如图5.30所示），电机利用回馈制动下放重物时，定子两相反接，这时同步转速由 起动转矩为 （图5.28的C点）。由于转矩 , 则 ,电机将反向加速运行到 点。以 的转速使重物匀速下放。下放过程中，重物贮存的位能不断被电机定子绕组吸收，并转换成电能“回馈”到电网中。为防止下降转速过快，转子串电阻 值不宜太大。                          图5.30    起重机下放重物的回馈制动
同理，正向回馈制动运行是指电动机工作于第Ⅱ象限，且电机转速 ,转差率 。电动机输入的机械功率 ， 电磁功率 ，电动机的输入功率 。即正向回馈制动过程中，转子送出的电磁功率 , 除了定子绕组上的铜损耗        外，其余的回馈给定子电源了。例如下章叙述的变极或变频调速过程，则为正向回馈制动过程。
5.3.4 三相异步电动机的各种运行状态
和直流电动机一样，三相异步电动机按其转矩 与转速 的方向的异同，可分为电动运行状态和制动运行状态。各种运行状态如图5.31 所示。
1.电动运行状态
当 与 同方向，机械特性及其稳定运行点在第Ⅰ、Ⅲ象限。若电机运行于第Ⅰ象限， , , 称为正向电动状态，其稳定运行点 、 称为正向电动运行点；若电机运行于第Ⅲ象限， , , 称为反向电动状态，其稳定运行点 、 称为反向运行点。在电动状态，电机通过定子向电网吸收电能，经过转子转换成机械能输出。                                                                
2.制动运行状态                           图5.31    三相异步电动机的各种运行状态
当 与 反方向，机械特性及其稳定运行点在第Ⅱ、Ⅳ象限。能耗制动、反接制动、倒拉反接制动和回馈制动点等各种制动运行过程和状态根据上述分析结果绘于图5.31中。
例5.7  某起重机吊钩由一台绕线式三相异步电动机拖动，电动机额定数据为： kW, , ,  ,  。电动机的负载转矩 的情况是：提升重物  ，下放重物 。
(1)提升重物，要求有低速、高速二档，且高速时转速 为工作在固有特性上的转速，低速时转速 ，工作于转子回路串电阻的特性上。求两档转速各为多少及转子回路应串入的电阻值。
(2)下放重物要求有低速、高速二档，且高速时转速 为工作在负序电源的固有机械特性上的转速，低速时转速 ，仍然工作于转子回路串电阻的特性上。求两档转速及转子应串入的电阻值。说明电动机运行在哪种状态。
解:（1）根据题意画出该电动机运行时相应的机械特性，见下图所示。点A、B是提升重物时的两个工作点。

(2)计算固有机械特性的有关数据：
额定转差率

固有机械特性的临界转差率

额定转矩

1)提升重物转速及转子回路串入电阻的计算
提升重物时负载转矩

高速为

低速时转子每相串入电阻 的计算：
低速为

低速时B点的转差率为

过B点的机械特性的临界转差率为

低速时每相串入电阻 ，则

2)下放重物两档速度及串入电阻的计算
下放重物时负载转矩

负载转矩为 在固有机械特性上运行时的转差率为

（另一解不合理，舍去）
相应转速降落为

负相序电源高速下放重物时电动机运行于反向回馈制动运行状态，其转速为

低速下放重物电动机运行于倒拉反转状态。低速下放转速为

相应转差率为

过D点的机械特性的临界转差率为

低速下放重物时转子每相串入电阻值为 ，则