三相异步电动机制动简析

2018-05-31张利团

机电信息 2018年15期

张利团

（太原科技大学运城工学院，山西运城044000）

0 引言

在实际生产过程中，当生产机械切断电源后，由于机械惯性，三相异步电动机的转子需经过一段时间才能停止运转。而起重机的吊钩要求准确定位，万能铣床的主轴要求迅速停车，升降机在突然停电后需要安全保护和准确定位控制，这些都需要对拖动的电动机进行有效的制动。本文将讨论常用的电气制动方法及工作原理。

电气制动特点：

（1）电磁转矩T与转速方向n反向；

（2）制动不一定都减速。

电气制动的优点：安全、环保、简便、高效。三相异步电动机电气制动的方法有反接制动、能耗制动和回馈制动三种。

1 反接制动

三相异步电动机的反接制动可分为电源反接制动和倒拉反接制动，本文重点介绍后者。

1.1 电源反接制动

电源反接后，产生的电磁转矩T反向，对转子转速n来说是制动力矩，则转速迅速下降。注意：

（1）当转速n→0时，应迅速切断电源，防止反向启动。（离心式开关）当转速n＜100 r/min时，将自动切断电源。

（2）笼型电机只能在定子绕组上串电阻，故不可频繁使用。

1.2 倒拉反接制动

重物“倒拉着”电机匀速运行，称为“倒拉反接制动”（图1）。

图1 三相异步电动机倒拉反接制动

（1）电机原运行于a点，提升重物。

（2）在转子回路中串入较大电阻Rb，转子由于惯性，转速来不及变化，由a→b，Tb＜TL，由b点开始减速。

（3）当n=0时，Tc仍小于TL，则在重力作用下拖动电动机反向旋转，n＜0，T为制动转矩，电动机进入反接制动状态。

（4）在重力负载作用下，电动机反向加速，到达d点时，转矩达到新的平衡Td=TL，重物“倒拉”着电机稳定运行。倒拉反接制动可以获得任意低的转速来下放重物，安全性好。

下面对倒拉反接制动原理用图解的方式来分析。如图2所示，将倒拉反接制动分解为四个过程，分别对应四个小图：

a）Ta=TL，T正，n正，匀速上升。

b）Tb＜TL，T正，n减，减速上升，直至n=0。

c）Tc＜TL，T反，n反，反向加速，下放重物。

d）Td=TL，T反，n反，匀速下降，稳定下放重物。

图2 倒拉反接制动原理分解图

2 能耗制动

能量消耗在转子绕组的电阻上，称为能耗制动。

（1）能耗制动方法：断交通直。

（2）工作原理：断开交流电源，接入直流电源，建立恒定磁场，转子惯性旋转发电，将动能转换为电能。

（3）制动过程：断开交流电源，接入直流电源的瞬间，由于机械惯性电动机转速来不及变化，由原运动状态a点平移至曲线1上的b点，如图3所示。

图3 三相异步电动机能耗制动

此时的电磁转矩Tb方向与nb方向相反，起制动作用。电动机转速迅速下降，直至n=0，能耗制动结束。由于串入较大的电阻，曲线3的机械特性变软，制动转矩更大，能达到迅速制动的效果。

能耗制动特点及应用：低速稳定下放重物，制动平稳，可实现精准停车，较经济。适用于要求减速平稳场合，如反抗性负载准确停车及下放重物；电动机容量较大和启制动频繁的场合也多用能耗制动。

3 回馈制动

由于某种原因使得处于电动运行状态的异步电机转速n大于同步转速n1，电动机过渡为发电运行状态。T与n反向，为制动转矩，电能回馈给电网。回馈制动分为两种情况：反向回馈制动，如起重机高速下放重物；正向回馈制动，变极、变频时，高速→低速档。

3.1 反向回馈制动

反向回馈制动可使起重机实现高速下放重物的要求。如图4所示，将正转提升重物状态的三相电源反接，转子转速由于惯性来不及变化，从a′点平移至曲线1上的b′点，在第二象限进行反接制动，当转速为零时，在电磁转矩Tc与重力转矩TL的共同作用下，电动机快速反向启动，沿曲线1反向加速，当速度等于同步速度-n1时，由于重力作用，电机继续加速，进入第四象限的反向回馈制动过程。到达a点时，Ta=TL，电机匀速高速下放重物，处于稳定的反向回馈制动状态。反向回馈制动下放重物时，转子所串电阻越大，下放速度越快。

图4 三相异步电动机反向回馈制动

下面来看一下反向回馈制动的图解过程，如图5所示。同样地，将反向回馈制动过程分解成四步，分别对应四个小图：

a）正转提升，T正，n正。

b）电源反接，T反，n减，直至n=0。

c）越过0点，反向启动，T反，n反，T+TL共同作用，n反向加速运行，直至n=-n1。

d）电磁转矩T的正向效应趋于零，开始变为反向制动转矩。电动机过渡为发电运行，能量回馈给电网。此处，倘若没有电动机提供的相对制动转矩T，重物则将成为自由落体运动。

图5 反向回馈制动原理分解图

3.2 正向回馈制动

电机处于正转，电动运行状态时，改变磁极对数，P→2P，则转速减少为原来的一半，n=1/2n，转子惯性旋转，工作点由a点平移至b点开始减速，机械特性由第1条曲线转为第2条曲线运行，如图6所示。nb＞n1′，进入正向回馈制动，在Tb与TL的共同作用下，电动机迅速减速，从b点到n1′的降速过程都是回馈制动过程。速度继续下降，n＜n′时，电机处于异步电动机运行状态，直至T=TL，电机稳定运行。