交流电力拖动系统电气制动应用

摘要：三相交流异步电动机的制动有机械制动和电气制动两种方式。电气制动具有制动力矩可调、制动精度高、维修方便等优点，在轨道交通设备、矿山运输及提升设备上使用广泛。掌握电气制动的工作原理，正确选择制动方式，对电力拖动系统的安全运行有着十分重要的意义。

关键词：电机制动方式；电气制动原理；制动分析与应用

三相交流异步电动机是电力企业重要的拖动设备，它的运行直接影响着企业的生产效率和技术指标。制动，是对三相交流异步电动机的一种控制手段。这也是生产过程中必须的工艺要求。三相交流异步电动机的制动方法有机械制动和电气制动两种[1]。机械制动是指在切断电动机的工作电源后，利用电磁抱闸、电磁离合器等装置迅速停转电动机的方法，这种制动方式的缺点是占据空间大，机械安装复杂，定期维修工作量大，制动过程中产生较大的机械撞击力，对设备、机械结构等损伤较大，优点是机械制动的制动力矩大，制动速度快、制动效果好[2]。电气制动，一般采用电气元件或电气设备，以一定的电路连接方式，使得电机转轴上产生一个与电机转子实际旋转方向相反的电磁力矩（制动力矩），迫使电机迅速停转或减速运行的方法。该制动的优点是科学技术高，制动装置小，方便安装和检修，制动过程产生的冲击力较小，对设备或机械装置损伤较小[3]。但是这种制动方式容易产生惯性滑动，而且制动力矩较小，能量损耗大，甚至引起某些控制设备产生高电压或大电流，比如变频器，采用电气制动，就会在设备内部产生泵升电压，影响制动效果，因此大功率的笼型异步电动机不适合使用电气制动这种方法。三相交流异步电动机的电气制动方法通常有反接制动、能耗制动和回馈制动。三相交流异步电动机的制动方式取决于生产机械的工况要求。一些生产设备对停止位置要求不高或要求能迅速停止的机械，技术上选用电气制动的方法时，往往选用反接制动和能耗制动。

1反接制动

当电动机断开电源后，为了使电动机能够迅速停转，在切断三相电源的同时再给电动机加上与正常运行电源反相的电源。此时，电动机转子的旋转方向与电动机旋转磁场的旋转方向相反，电动机轴上产生的电磁力矩与转轴的惯性力矩方向相反，成为制动力矩，从而加快了电动机的减速。为了保证反接制动安全可靠，采用这种方式时通常在电动机的转轴上安装一个速度继电器，将速度继电器的转子与电动机的转子同轴连接，电动机转动时，速度继电器的动合触点闭合，电动机停转时，动合触点断开，借助电动机转轴牵引速度继电器的触点变化来控制电动机的主电路，从而实现整个停车过程。这样能防止当电机转速为零时，如果不及时切断所加的反相电源，电机就会持续反转的情况发生。车床、砂轮机、空气压缩机、液压泵、自动化生产单元等不允许电动机反转的机械设备或生产机械，就不能采用这种反接制动的方式来停止电动机的运行。很显然，反接制动方式只能使用在允许电机反转的设备上，如普通车床、搅拌机等生产设备。而且，一般适用于绕线型异步电动机或小于10kW的笼型异步电动机，尤其非常适用于这些电动机快速制动的工况条件。从工作原理上讲，反接制动的本质就是在电动机内部产生一个与转子运动方向相反的电磁力矩，使其作为制动力矩阻碍转子的惯性力矩，从而使电动机的转速迅速降低直至为零，达到制动的目的。

2能耗制动

能耗制动的电气工作原理如图1-1所示，从图示的工作电路分析可见，三相交流异步电动机脱离三相交流电源的同时，给电动机的定子绕组通上直流电流，电动机在惯性运动下切割定子绕组的恒定磁场，使得转轴绕组产生感应电流与静止磁场相互作用，进而达到三相交流电动机制动的目的。能耗制动的制动力矩产生过程如图1-2所示，整个工作过程：定子绕组通过直流电流产生恒定的磁场，转子在惯性力矩下转动，使转子绕组获得感应电流，在电磁感应作用下，转子产生与转速相反的电磁制动力矩Tem，使转子转速变为零。通常三相异步电机拖动反抗性恒转矩负载时，采用能耗制动可以准确制动停车[4]。从能量角度讲，能耗制动是将电机的动能转化为电能消耗在制动电阻上。从图1-1分析看出，改变直流励磁电流If的大小或改变转子回路串接电阻的RC值，就可调整能耗制动状态下的电动机的转速，达到准确制动的目的。能耗制动的特点是制动平稳、冲击小，制动时间较长。其它场合也可以类比应用。

3回馈制动

实际生活和生产中，人们经常遇到电梯下降、塔吊下放重物、电动汽车、电力机车下坡运行等现象。这种情况下，生产设备上使用的三相交流异步电动机的运行速度超过了电动机的同步转速，引起转轴上的电磁转矩反向而成为制动转矩，保证了运行设备能够匀速运行，安全施工的目的。从电动机的机械工作特性角度来分析，这种工况下的电动机运行状态已经从原来的电动状态进入到回馈制动状态，这个过程达到了减速的目的。把这个过程叫做回馈制动，也叫反馈制动、发电制动等。回馈制动根据电动机的特性曲线分为正向回馈制动和反向回馈制动两种。

3.1正向回馈制动

正向回馈制动一般发生在电力机车下坡、电动机正向运行时降低了定子电流的频率或增加了定子绕组的磁极对数等场所。如图1-3所示为异步电机频率降低时的正向回馈制动机械特性曲线。在图1-3中曲线1为正常电源频率时的机械特性，曲线2为电源频率降低后的机械特性。图中的n1是电动机的同步转速，n1/是在降低电源频率后电动机同步转速。从图1-3可见：机械曲线由1变为曲线2，此时电机的转速n运动点从曲线1的A点变为曲线2的B点，电磁转矩变负。在电磁转矩和负载转矩的共同作用下，电动机很快减速，运行点沿B-n1-C，最终稳定运行在C点。在B-n1段，异步电动机的电磁转矩为负，转速为正，电机转速大于电动机的同步转速，这就是正回馈制动特点。根据电磁功率的变换原理来分析，在回馈制动的过程中，电动机减速运行，电动机转轴的转速从高速变到低速，变换过程中释放的机械动能转变为电能，这些电能一部分消耗在电枢回路的电阻上，一部分返回电源，这时的电动机实际上是台发电机，将电力拖动系统减小的动能转变为电能送入电网。通常在交流拖动系统中，异步电动机不能稳定运行在正向回馈制动的第二象限内，只有在拖动设备下坡运行或下放重物时才能稳定运行在第二象限。比如，电力机车牵引车辆在下坡道运行。起重机械，如吊车、电梯等设备，在下放重物时，通常采用反向回馈制动的运行方式，确保重物匀速下降。如图1-4所示，其特点为电动机转速的绝对值n＞n1。电动机转子在电动状态下运行时，0＜n＜n1，或0＜s＜1（式中n为电机转轴的转速，n1为电机的同步转速，S为转差率）。当电动机的外部负载转矩大于电磁转矩时，转子的转速就高于旋转磁场的转速，即n＞n1，使得转子逆转于旋转磁场方向的旋转，此时电机的转差率为负值，即-∞＜s＜0。转子绕组中的感应电动势以及感应电流的方向与电动状态时的方向相反。依据左手定则，转子的电磁转矩方向与旋转磁场方向和转子的转动方向相反，此时电磁转矩变为制动转矩。在电动机的定子绕组上，因为转子的感应电流改变了方向，所以定子绕组感应转子的电流分量也就改变方向，此时电动机的转子方向与原来的转动方向相同，而且电动机的转速高于旋转磁场的转速（同步转速），即n＞n1或s＜s1。此时的外部负载转矩变为原动机，不断向电动机的转子输入机械功率，定子绕组通过电磁感应向电网输出电功率，这时的电动机处于发电机状态。电动机利用外部机械的动能转变为电能，回馈电网，从而实现自身减速的目的。

3.2反向回馈制动

采用反向回馈制动方式的电动机，大多数是绕线型转子结构的电动机。这种结构的电动机一般可以通过转子回路串接电阻来调节转速绝对值。反向回馈制动运行的过程与正向回馈制动的过程一样，此时，电动机变为发电机，将负载位能减少而输入的机械功率转变为电功率，再反馈给电网。反向回馈制动运行的特点是转速n＜-n0（式中n为电动机的转轴转速，n0为电机的同步转速），制动段位于第Ⅳ象限，不能停车，只能高速下放重物。回馈制动是电动机电动状态下运行的一种状态，在某种条件下会出现由负载拖动电机运行的情况，此时出现n＞n1（式中n为电机转轴的转速，n1为电机的同步转速）、Ea＞U、Ia反向（Ea为电枢电动势，U为电源电压，Ia为电枢电流），电机由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态—回馈制动状态。回馈制动不能使电机制动到停止状态，只是保障电机进行低速运行，从而完成生产机械的一个工艺要求，整个回馈制动过程中，电能消耗较低，经济性好，回馈制动的主要缺点是控制系统复杂。

4结语

随着电力电子技术的发展，异步电动机的回馈制动已经成为轨道交通行业的电力机车控制、矿山提升设备、运输设备的变频调速等技术热点。尤其是SPWM技术的成熟应用，已经解决了回馈制动过程中出现的能量损耗、快速制动时引起的变频器泵升电压等问题，使得回馈制动的制动力矩增大、调速范围变宽、动态性能更好。

参考文献：

[1]许翏.电机与电气控制技术[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2]顾绳谷.电机与拖动基础[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3]任小文.电工[M].成都：西南交通大学出版社，2019.

[4]蔡黎.电机拖动教程[M].西安：西北工业大学出版社，2017.

作者：任小文 杨妮 单位：西安交通工程学院