2.6 他勵直流電動機的制動

使電動機產生一個與轉向相反的電磁轉矩完成系統的快速停車（或降速）或位能負載的穩速下放，被稱為電動機的制動運行。其特點是，它從軸上吸收機械能并將其轉換成電能（消耗在電動機內部或反饋電網），其電磁轉矩T_em與轉速n方向相反，是制動性質。

電力拖動系統中，電動機經常需要工作在制動狀態，例如需要快速停車，或者穩定下放重物等情況。他勵直流電動機電氣制動有能耗制動、反接制動和回饋制動三種。

2.6.1 能耗制動

能耗制動時把正在電動運行的他勵直流電動機的電樞從電網上切除，并將其接到一個外加的制動電阻上構成閉合回路。如圖2-31是能耗制動的接線圖，當接觸器KM₁閉合，轉矩T與轉速n相同方向，電樞電流與反電勢方向相反，各方向如圖2-31a中實線所示，此時，電動機運行在電動狀態。當需要制動時，將接觸器KM₁斷開，接觸器KM₂閉合，電樞脫離電源被接到制動電阻R_B上，電動機便進入能耗制動狀態。此時，由于機械慣性的作用，電動機的轉速方向不變，則電樞電動勢E_a方向也不變，此時由回路中的唯一電源E_a產生的電樞電流I_a，其方向顯然與此前相反（如圖中虛線所示），由此而產生的電磁轉矩T也與電動狀態時相反，變為制動轉矩（如圖中虛線所示），于是電動機處于制動運行。制動運行時，電動機靠生產機械慣性力的拖動而發電，將生產機械儲存的動能轉換成電能，并消耗在電阻上，直到電動機停止轉動為止，所以這種制動方式稱為能耗制動。

能耗制動時，電動機拖動反抗性負載運行在Ⅰ象限特性的A點上，如圖2-31b所示，開始制動的瞬間，轉速尚未變化，原來電動狀態的反電動勢E_a=C_EΦn變為電源電動勢，使電流反向（與電動機狀態相比），產生制動性的電磁轉矩T_em，運行點從A點跳到Ⅱ象限的B點。此時，電樞電流為

此時電樞電流I_a為負值，表示電流方向與電動狀態時相反，相應的電磁轉矩也為負，表明此時電磁轉矩T_em與n反方向，為制動轉矩。R_B的值愈小，I_a愈大，T_em愈大，制動效果越好。其機械特性方程式為

若電動機拖動反抗性負載，則工作點到達0點時，n=0，T_em=0，電動機便停轉。若電動機拖動位能性負載，則工作點到達0點時，雖然n=0，T_em=0，但在位能負載的作用下，電動機反轉并加速，工作點將沿曲線0C方向移動。此時E_a的方向隨n的反向而反向，即n和E_a的方向均與電動狀態時相反，而E_a產生的I_a方向卻與電動狀態時相同，隨之T_em的方向也與電動狀態時相同，即n＜0，T_em＞0，電磁轉矩仍為制動轉矩。隨著反向轉速的增加，制動轉矩也不斷增大，當制動轉矩與負載轉矩平衡時，電動機便在某一轉速下處于穩定的制動狀態運行，即勻速下放重物，如圖2-31b的C點。

能耗制動具有以下幾個特點：

1）能耗制動是將系統的動能或位能轉換為電能，消耗在電樞電阻和制動電阻上，其制動電阻愈小，制動時間愈短。機械特性為一條過原點的直線。

2）制動過程中，隨著轉速下降，制動轉矩T_em逐漸減小，制動效果逐漸減弱。若為了使電動機能更快地停轉，可以在轉速到一定程度時，切除一部分制動電阻，使制動轉矩增大，從而加強制動作用。

3）可用于位能負載的低速下放。

2.6.2 反接制動

反接制動分為電壓反接制動和倒拉反轉反接制動兩種。

1.電壓反接制動

如圖2-32a所示，當電動機工作在電動狀態時，接觸器觸頭KM₁閉合，KM₂斷開，電動機穩定運行于A點上。反接制動時，KM₁斷開，KM₂閉合，則電動機兩端電壓極性改變，在制動開始的一瞬間，電動機由于慣性轉速來不及變化，使得U與E方向一致，且電樞電流I_a=。這個電流幾乎為直接起動電流的兩倍，必須串聯制動電阻R_B以限制制動電流。反向的電樞電流產生很大的反向電磁轉矩，從而產生很強的制動作用，這就是電壓反接制動。此時電動機的機械特性方程為

電壓反接制動機械特性為圖2-32b中的BC線段。

當轉速下降到C點時n=0，但制動的電磁轉矩T_em≠0，如果負載是反抗性負載，且|T_em|≤|T_L|時，電動機便停止不轉。如果|T_em|＞|T_L|時，這時在反向轉矩作用下，電動機將反向起動，并沿特性曲線加速到D點，進入反向電動狀態下穩定運行。當制動的目的就是為了停車時，那么在電動機轉速接近于零時，必須立即斷開電源。電壓反接制動時，電動機同時從電網和電機軸上吸收電能和機械能，這些能量全部消耗在電樞回路電阻（R_a+R_B）上，不符合經濟性要求。但這種制動方法效果強，制動時間短，常常應用于需要經常起動、頻繁正反轉的機械上，如起重機的平移機構和龍門刨床工作臺的往復運行等。

2.倒拉反轉反接制動

倒拉反轉反接制動只適用于位能性恒轉矩負載。現以起重機下放重物為例來說明。當電動機提升重物時，KM₁和KM₂閉合，電動機運行在機械特性的A點的電動狀態運行，如圖2-33b所示。下放重物時，KM₂斷開，電樞回路中串入一個較大的電阻R_B，因轉速不能突變，所以工作點由固有特性上的A點沿水平跳躍到人為特性上的B點，此時電磁轉矩T_em小于負載轉矩T_L；于是電動機開始減速，工作點沿人為特性由B點向C點變化，到達C點即n=0，電磁轉矩為堵轉轉矩T_K；因T_K仍小于負載轉矩T_L，所以在重物的重力作用下電機將反向旋轉，即下放重物。因為勵磁不變，所以E_a隨n的方向而改變方向，由圖可以看出I_a的方向不變，故T的方向也不變。這樣，電動機反轉后，電磁轉矩為制動轉矩，電動機處于制動狀態，其機械特性如圖中CD段所示。隨著電機反向轉速的增加，E_a增大，電樞電流I_a和制動的電磁轉矩T_em也相應增大；當到達D點時，電磁轉矩與負載轉矩平衡，電動機便以穩定的轉速勻速下放重物。若電動機串入的R_B越大，最后穩定的轉速越高，下放重物的速度也越快。

電樞回路串入較大的電阻后電動機出現的反轉制動運行，主要是位能負載的倒拉作用實現的，又因為此時的E_a與U也順向串聯，共同產生電樞電流，這一點與電壓反接制動相似，因此把這種制動稱為倒拉反轉反接制動。

倒拉反轉反接制動時的機械特性方程式就是電動狀態時電樞回路串電阻的人為特性方程式，只不過此時電樞串入的電阻值較大，使得n＜0。因此，倒拉反轉反接制動特性曲線是電動狀態電樞回路串電阻人為特性在第四象限的延伸部分。倒拉反轉反接制動時的能量關系和電壓反接制動時相同。

倒拉反轉反接制動的功率關系與電壓反接制動的功率關系相同，區別在于電壓反接制動時，電動機輸入的機械功率由系統儲存的動能提供，而倒拉反轉反接制動則是由位能性負載以位能減少的形式來提供。倒拉反接制動的特點是設備簡單，操作方便，電樞回路串入的電阻較大，機械特性較軟，轉速穩定性差，能量損耗較大。倒拉反接制動適用于位能性負載低速下放重物。

2.6.3 回饋制動

如果在外力作用下，使得n＞n₀，電動機將處于回饋制動狀態。此時，E_a＞U，電動機運行在發電狀態，電磁轉矩T_em與轉速n方向相反，為制動轉矩，電動機將機械能轉變為電能回饋給電網，故被稱為回饋制動。

回饋制動時的機械特性方程式與電動狀態時相同，只是運行在特性曲線上不同的區段而已。當電動機拖動機車下坡出現回饋制動時，其機械特性位于第二象限，如圖2-34中的n₀A段。當電動機拖動起重機下放重物出現回饋制動時，其機械特性位于第四象限，如圖2-34中的-n₀B段。圖2-34的A點是電動機處于正向回饋制動穩定運行點，表示機車以恒定的速度下坡。圖2-34中的B點是電動機處于負向回饋制動穩定運行點，表示重物勻速下放。

除以上兩種回饋制動穩定運行外，還有一種發生在動態過程中的回饋制動過程。如降低電樞電壓的調速過程和弱磁狀態下增磁調速過程中都將出現回饋制動過程，下面對這兩種情況進行說明。

在圖2-35中，A點時以電動狀態運行工作點，對應電壓為U₁，轉速為n_A。當進行減壓（U₁降為U₂）調速時，因轉速不突變，工作點由A點平移到B點，此后工作點在Bn₀₂段上變化過程即為回饋制動過程，它起到了加快電機的減速作用，當轉速到n₀₂時，制動過程結束。從n₀₂降到C點時轉速n_C為電動狀態減速過程。

在圖2-36中，磁通增大導致工作點變化的情況與圖2-34相同，其工作點在Bn₀₂段上變化時也為回饋制動過程。

回饋制動時，由于有功率回饋到電網，因此與能耗制動和反接制動相比，回饋制動是比較經濟的。

【例2-3】一臺他勵直流電動機P_N=3kW，U_N=110V，I_N=35.2A，n_N=750r/min，R_a=0.35Ω，電動機初始工作在額定電動狀態下，已知最大允許電樞電流為I_amax=2I_N，試求：（1）采用能耗制動停車時，電樞中應串入多大電阻？（2）采用電壓反接制動停車時，電樞中應串入多大電阻？（3）兩種制動方法制動時使電動機轉速n=0時，電磁轉矩各是多大？（4）要使電動機以-500r/min的轉速下放位能性負載，且T=T_N，采用能耗制動運行時，電樞應串入多大電阻？

解：1）

E_a=C_EΦ_N=0.13×750V=97.5V

2）反接制動時，

3）采用能耗制動方法將轉速到n=0時，電磁轉矩T=0。

采用電壓反接制動方法將轉速到n=0時，

4）當n=-500r/min時，