交流電力拖動系統(tǒng)電氣制動應(yīng)用
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摘要：三相交流異步電動機(jī)的制動有機(jī)械制動和電氣制動兩種方式。電氣制動具有制動力矩可調(diào)、制動精度高、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通設(shè)備、礦山運(yùn)輸及提升設(shè)備上使用廣泛。掌握電氣制動的工作原理，正確選擇制動方式，對電力拖動系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著十分重要的意義。
關(guān)鍵詞：電機(jī)制動方式；電氣制動原理；制動分析與應(yīng)用
三相交流異步電動機(jī)是電力企業(yè)重要的拖動設(shè)備，它的運(yùn)行直接影響著企業(yè)的生產(chǎn)效率和技術(shù)指標(biāo)。制動，是對三相交流異步電動機(jī)的一種控制手段。這也是生產(chǎn)過程中必須的工藝要求。三相交流異步電動機(jī)的制動方法有機(jī)械制動和電氣制動兩種[1]。機(jī)械制動是指在切斷電動機(jī)的工作電源后，利用電磁抱閘、電磁離合器等裝置迅速停轉(zhuǎn)電動機(jī)的方法，這種制動方式的缺點(diǎn)是占據(jù)空間大，機(jī)械安裝復(fù)雜，定期維修工作量大，制動過程中產(chǎn)生較大的機(jī)械撞擊力，對設(shè)備、機(jī)械結(jié)構(gòu)等損傷較大，優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械制動的制動力矩大，制動速度快、制動效果好[2]。電氣制動，一般采用電氣元件或電氣設(shè)備，以一定的電路連接方式，使得電機(jī)轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生一個與電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁力矩（制動力矩），迫使電機(jī)迅速停轉(zhuǎn)或減速運(yùn)行的方法。該制動的優(yōu)點(diǎn)是科學(xué)技術(shù)高，制動裝置小，方便安裝和檢修，制動過程產(chǎn)生的沖擊力較小，對設(shè)備或機(jī)械裝置損傷較小[3]。但是這種制動方式容易產(chǎn)生慣性滑動，而且制動力矩較小，能量損耗大，甚至引起某些控制設(shè)備產(chǎn)生高電壓或大電流，比如變頻器，采用電氣制動，就會在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生泵升電壓，影響制動效果，因此大功率的籠型異步電動機(jī)不適合使用電氣制動這種方法。三相交流異步電動機(jī)的電氣制動方法通常有反接制動、能耗制動和回饋制動。三相交流異步電動機(jī)的制動方式取決于生產(chǎn)機(jī)械的工況要求。一些生產(chǎn)設(shè)備對停止位置要求不高或要求能迅速停止的機(jī)械，技術(shù)上選用電氣制動的方法時(shí)，往往選用反接制動和能耗制動。
1反接制動
當(dāng)電動機(jī)斷開電源后，為了使電動機(jī)能夠迅速停轉(zhuǎn)，在切斷三相電源的同時(shí)再給電動機(jī)加上與正常運(yùn)行電源反相的電源。此時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與電動機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)方向相反，電動機(jī)軸上產(chǎn)生的電磁力矩與轉(zhuǎn)軸的慣性力矩方向相反，成為制動力矩，從而加快了電動機(jī)的減速。為了保證反接制動安全可靠，采用這種方式時(shí)通常在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個速度繼電器，將速度繼電器的轉(zhuǎn)子與電動機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸連接，電動機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)，速度繼電器的動合觸點(diǎn)閉合，電動機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，動合觸點(diǎn)斷開，借助電動機(jī)轉(zhuǎn)軸牽引速度繼電器的觸點(diǎn)變化來控制電動機(jī)的主電路，從而實(shí)現(xiàn)整個停車過程。這樣能防止當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，如果不及時(shí)切斷所加的反相電源，電機(jī)就會持續(xù)反轉(zhuǎn)的情況發(fā)生。車床、砂輪機(jī)、空氣壓縮機(jī)、液壓泵、自動化生產(chǎn)單元等不允許電動機(jī)反轉(zhuǎn)的機(jī)械設(shè)備或生產(chǎn)機(jī)械，就不能采用這種反接制動的方式來停止電動機(jī)的運(yùn)行。很顯然，反接制動方式只能使用在允許電機(jī)反轉(zhuǎn)的設(shè)備上，如普通車床、攪拌機(jī)等生產(chǎn)設(shè)備。而且，一般適用于繞線型異步電動機(jī)或小于10kW的籠型異步電動機(jī)，尤其非常適用于這些電動機(jī)快速制動的工況條件。從工作原理上講，反接制動的本質(zhì)就是在電動機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)子運(yùn)動方向相反的電磁力矩，使其作為制動力矩阻礙轉(zhuǎn)子的慣性力矩，從而使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速降低直至為零，達(dá)到制動的目的。
2能耗制動
能耗制動的電氣工作原理如圖1-1所示，從圖示的工作電路分析可見，三相交流異步電動機(jī)脫離三相交流電源的同時(shí)，給電動機(jī)的定子繞組通上直流電流，電動機(jī)在慣性運(yùn)動下切割定子繞組的恒定磁場，使得轉(zhuǎn)軸繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流與靜止磁場相互作用，進(jìn)而達(dá)到三相交流電動機(jī)制動的目的。能耗制動的制動力矩產(chǎn)生過程如圖1-2所示，整個工作過程：定子繞組通過直流電流產(chǎn)生恒定的磁場，轉(zhuǎn)子在慣性力矩下轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子繞組獲得感應(yīng)電流，在電磁感應(yīng)作用下，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生與轉(zhuǎn)速相反的電磁制動力矩Tem，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變?yōu)榱恪ＭǔＨ喈惒诫姍C(jī)拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，采用能耗制動可以準(zhǔn)確制動停車[4]。從能量角度講，能耗制動是將電機(jī)的動能轉(zhuǎn)化為電能消耗在制動電阻上。從圖1-1分析看出，改變直流勵磁電流If的大小或改變轉(zhuǎn)子回路串接電阻的RC值，就可調(diào)整能耗制動狀態(tài)下的電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到準(zhǔn)確制動的目的。能耗制動的特點(diǎn)是制動平穩(wěn)、沖擊小，制動時(shí)間較長。其它場合也可以類比應(yīng)用。
3回饋制動
實(shí)際生活和生產(chǎn)中，人們經(jīng)常遇到電梯下降、塔吊下放重物、電動汽車、電力機(jī)車下坡運(yùn)行等現(xiàn)象。這種情況下，生產(chǎn)設(shè)備上使用的三相交流異步電動機(jī)的運(yùn)行速度超過了電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，引起轉(zhuǎn)軸上的電磁轉(zhuǎn)矩反向而成為制動轉(zhuǎn)矩，保證了運(yùn)行設(shè)備能夠勻速運(yùn)行，安全施工的目的。從電動機(jī)的機(jī)械工作特性角度來分析，這種工況下的電動機(jī)運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)從原來的電動狀態(tài)進(jìn)入到回饋制動狀態(tài)，這個過程達(dá)到了減速的目的。把這個過程叫做回饋制動，也叫反饋制動、發(fā)電制動等?；仞佒苿痈鶕?jù)電動機(jī)的特性曲線分為正向回饋制動和反向回饋制動兩種。
3.1正向回饋制動
正向回饋制動一般發(fā)生在電力機(jī)車下坡、電動機(jī)正向運(yùn)行時(shí)降低了定子電流的頻率或增加了定子繞組的磁極對數(shù)等場所。如圖1-3所示為異步電機(jī)頻率降低時(shí)的正向回饋制動機(jī)械特性曲線。在圖1-3中曲線1為正常電源頻率時(shí)的機(jī)械特性，曲線2為電源頻率降低后的機(jī)械特性。圖中的n1是電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，n1/是在降低電源頻率后電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速。從圖1-3可見：機(jī)械曲線由1變?yōu)榍€2，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n運(yùn)動點(diǎn)從曲線1的A點(diǎn)變?yōu)榍€2的B點(diǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩變負(fù)。在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的共同作用下，電動機(jī)很快減速，運(yùn)行點(diǎn)沿B-n1-C，最終穩(wěn)定運(yùn)行在C點(diǎn)。在B-n1段，異步電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，轉(zhuǎn)速為正，電機(jī)轉(zhuǎn)速大于電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，這就是正回饋制動特點(diǎn)。根據(jù)電磁功率的變換原理來分析，在回饋制動的過程中，電動機(jī)減速運(yùn)行，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速從高速變到低速，變換過程中釋放的機(jī)械動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽@些電能一部分消耗在電樞回路的電阻上，一部分返回電源，這時(shí)的電動機(jī)實(shí)際上是臺發(fā)電機(jī)，將電力拖動系統(tǒng)減小的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)。通常在交流拖動系統(tǒng)中，異步電動機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行在正向回饋制動的第二象限內(nèi)，只有在拖動設(shè)備下坡運(yùn)行或下放重物時(shí)才能穩(wěn)定運(yùn)行在第二象限。比如，電力機(jī)車牽引車輛在下坡道運(yùn)行。起重機(jī)械，如吊車、電梯等設(shè)備，在下放重物時(shí)，通常采用反向回饋制動的運(yùn)行方式，確保重物勻速下降。如圖1-4所示，其特點(diǎn)為電動機(jī)轉(zhuǎn)速的絕對值n＞n1。電動機(jī)轉(zhuǎn)子在電動狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，0＜n＜n1，或0＜s＜1（式中n為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，n1為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，S為轉(zhuǎn)差率）。當(dāng)電動機(jī)的外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速就高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，即n＞n1，使得轉(zhuǎn)子逆轉(zhuǎn)于旋轉(zhuǎn)磁場方向的旋轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率為負(fù)值，即-∞＜s＜0。轉(zhuǎn)子繞組中的感應(yīng)電動勢以及感應(yīng)電流的方向與電動狀態(tài)時(shí)的方向相反。依據(jù)左手定則，轉(zhuǎn)子的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)磁場方向和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向相反，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩。在電動機(jī)的定子繞組上，因?yàn)檗D(zhuǎn)子的感應(yīng)電流改變了方向，所以定子繞組感應(yīng)轉(zhuǎn)子的電流分量也就改變方向，此時(shí)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子方向與原來的轉(zhuǎn)動方向相同，而且電動機(jī)的轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速（同步轉(zhuǎn)速），即n＞n1或s＜s1。此時(shí)的外部負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)樵瓌訖C(jī)，不斷向電動機(jī)的轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，定子繞組通過電磁感應(yīng)向電網(wǎng)輸出電功率，這時(shí)的電動機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。電動機(jī)利用外部機(jī)械的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，回饋電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)自身減速的目的。
3.2反向回饋制動
采用反向回饋制動方式的電動機(jī)，大多數(shù)是繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電動機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的電動機(jī)一般可以通過轉(zhuǎn)子回路串接電阻來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速絕對值。反向回饋制動運(yùn)行的過程與正向回饋制動的過程一樣，此時(shí)，電動機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，將負(fù)載位能減少而輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β?，再反饋給電網(wǎng)。反向回饋制動運(yùn)行的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速n＜-n0（式中n為電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速，n0為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速），制動段位于第Ⅳ象限，不能停車，只能高速下放重物?；仞佒苿邮请妱訖C(jī)電動狀態(tài)下運(yùn)行的一種狀態(tài)，在某種條件下會出現(xiàn)由負(fù)載拖動電機(jī)運(yùn)行的情況，此時(shí)出現(xiàn)n＞n1（式中n為電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速，n1為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速）、Ea＞U、Ia反向（Ea為電樞電動勢，U為電源電壓，Ia為電樞電流），電機(jī)由驅(qū)動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)—回饋制動狀態(tài)?；仞佒苿硬荒苁闺姍C(jī)制動到停止?fàn)顟B(tài)，只是保障電機(jī)進(jìn)行低速運(yùn)行，從而完成生產(chǎn)機(jī)械的一個工藝要求，整個回饋制動過程中，電能消耗較低，經(jīng)濟(jì)性好，回饋制動的主要缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜。
4結(jié)語
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，異步電動機(jī)的回饋制動已經(jīng)成為軌道交通行業(yè)的電力機(jī)車控制、礦山提升設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備的變頻調(diào)速等技術(shù)熱點(diǎn)。尤其是SPWM技術(shù)的成熟應(yīng)用，已經(jīng)解決了回饋制動過程中出現(xiàn)的能量損耗、快速制動時(shí)引起的變頻器泵升電壓等問題，使得回饋制動的制動力矩增大、調(diào)速范圍變寬、動態(tài)性能更好。
參考文獻(xiàn)：
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[3]任小文.電工[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2019.
[4]蔡黎.電機(jī)拖動教程[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2017.
作者：任小文 楊妮 單位：西安交通工程學(xué)院