2.3.3 直流電動機的電氣控制

直流電動機的電氣控制，即通過改變電動機電磁轉矩T，使其與電動機轉速n方向相反，達到制動電動機的目的，包括迅速減速（制動過程）、限制位能性負載下降速度（制動運行）兩種形式。直流電動機制動方式有能耗制動、反接制動、倒拉反轉制動和回饋制動等形式。

1.能耗制動

（1）能耗制動原理

圖2-23所示為他勵直流電動機能耗制動原理圖，電動運行時接觸器KM常開觸點1、2閉合，常閉觸點3斷開，電動機處于正向電動穩定運行狀態，電動機電磁轉矩T與轉速方向相同；能耗制動時，接觸器KM常開觸點1、2斷開，常閉觸點3閉合，電動機電樞與能耗電阻R_H連接，電樞電源電壓U=0，由于機械慣性作用，制動初始瞬間轉速n不能突變，仍然保持原來的方向和大小，電樞感應電動勢E_a也保持原來的大小和方向，電樞電流為

由式（2-17）可見，I_a變為負值，與電動機原來電動運行的方向相反，即電動機電磁轉矩T與轉速方向相反，起制動作用。

由于動態轉矩（T-T_L）=-| T|-T_L ＜0，系統減速，E_a逐漸減小，直至n=0停車。從能耗制動開始到迅速減速、停車的過渡過程稱為能耗制動過程。期間，電動機慣性旋轉，電樞切割磁場將機械能轉換為電能，再通過（ R_a +R_H ）以發熱形式消耗掉。

（2）能耗制動機械特性

能耗制動的機械特性方程為

式中 β_H——能耗制動機械特性的斜率，β_H =（ R_a +R_H ）/（）。

相應的機械特性曲線如圖2-24所示，可見：

1）能耗制動開始時，因機械慣性電動機轉速不發生突變，電動機由機械特性1的點A移至機械特性2的點B，其中，機械特性2與機械特性3平行（斜率相等），機械特性3類似電動機電樞串電阻 R_H的機械特性（相對于機械特性1）。

2）電動機由B點沿機械特性2速度下降，直至坐標原點，針對反抗性負載，此時，n=0，T=0，系統停車，其中，B至坐標原點即為能耗制動過程。

3）若拖動的是位能性恒轉矩負載，在坐標原點，n=0，T=0，（T-T_L）=-T_L ＜0，由于位能性恒轉矩負載的作用，電動機繼續減速，出現反轉，沿機械特性2反向運轉至C點穩定運行，此時，T=T_L為正，n為負，E_a為負，I_a為正，T為制動性轉矩，稱為能耗制動運行。

4）能耗制動電阻R_H計算，根據最大制動轉矩值T_max，得

2.反接制動

（1）反接制動原理

反接制動時，電動機電源電壓反接，同時接入反接制動電阻R_F ，此時，電樞電壓為-U_N ，由于機械慣性作用，制動初始瞬間轉速n不能突變，仍然保持原來的方向和大小，電樞感應電動勢E_a也保持原來的大小和方向，電樞電流為

由式（2-20）可見，I_a變為負值，與電動機原來運行的方向相反，即電動機電磁轉矩T與轉速方向相反，起制動作用。

由于動態轉矩（T-T_L）=-| T|-T_L＜0，系統減速，E_a逐漸減小，系統減速直至n=0停車，此時，立即斷開電動機電源，反接制動停車過程結束。反接制動過程，電動機電樞電壓反接，電樞電流反向，電源輸入功率P_I =U_NI_a ＞0，電磁功率P_M =E_aI_a ＜0，機械功率轉換為電功率，電源輸入功率、機械轉換的電功率通過（ R_a +R_F ）以發熱形式消耗掉。

（2）反接制動機械特性

反接制動機械特性方程為

式中 β_F——機械特性斜率，β_F =（ R_a +R_F ）/（）。

相應的機械特性曲線如圖2-25所示，可見：

1）反接制動開始時，因機械慣性電動機轉速不發生突變，電動機由機械特性1的點A移至機械特性2的點B，其中，機械特性2與機械特性3平行（斜率相等），機械特性3類似電動機電樞串接電阻R_F的機械特性（相對于機械特性1）。

2）電動機由B點沿機械特性2速度下降，直至點C，此時，n=0，立即斷開電動機電源，系統反接制動停車，其中，B至C點即為反接制動過程。

3）若拖動的是反抗性恒轉矩負載，反接制動到達C點時，n=0，T≠0，不立即斷開電動機電源，因T＜-T_L （即T-（-T_L）＜0），由于反抗性恒轉矩負載的作用，電動機繼續減速，出現反轉（反向起動），沿機械特性2反向運轉至D點穩定運行。

4）能耗制動電阻R_F計算式為

3.倒拉反轉制動

（1）倒拉反轉制動原理

他勵直流電動機拖動位能性恒轉矩負載處于正向電動運行狀態，電樞回路串接電阻R_D引起轉速降低。當R_D大到一定程度時，如圖2-26所示，電動機出現反轉狀態（n＜0，E_a ＜0），并穩定在工作點D。此時，電樞電流為

可見，I_a ＞0，T＞0，電動機靠位能性負載拉著反轉，T為制動性轉矩，稱為倒拉反轉制動運行狀態。此時，U_N ＞0、I_a ＞0，電源輸入功率為正，電磁功率為負，表明電動機從電源吸收電能，同時，又將機械能轉換為電能，并消耗在電樞回路電阻（ R_a +R_D ）上。

（2）倒拉反轉制動機械特性

倒拉反轉制動機械特性方程為

式中 β_D——機械特性斜率，β_D =（ R_a +R_D ）/（）。

相應的機械特性如圖2-26所示，可見：電阻R_D值越大，機械特性就越軟，反向轉速就越高。倒拉反轉制動運行常用于重物低速下放的場合。

4.回饋制動

（1）回饋制動原理

他勵直流電動機處于正向運行狀態，由于某種原因，如弱磁調速時轉速由高速向下調節，通過改變電樞電壓調速時突然降低電樞電壓，出現轉速n＞0且n＞n₀ ，此時，E_a ＞U_N ，I_a ＜0，T＜0，T為制動性轉矩，電磁功率、輸入功率均為負，表明機械功率轉換為電功率，電動機不從電源獲取電功率，而是將機械能轉換為電能并回饋到電源，這種制動方式稱為回饋制動或再生制動。

（2）回饋制動機械特性

1）弱磁調速降低電樞電壓機械特性。如圖2-27所示，突然降低電樞電壓，假定在額定電壓U_N下，恒轉矩負載為T_L ，電動機穩定運行在曲線1點A，當電樞電壓下降為U₁時，機械特性由曲線1變為曲線2，因電動機機械慣性，轉速不會發生突變，工作點由A變為B，點B的轉速高于機械特性2的理想空載轉速n₀₁ ，此時，E_a ＞U₁ ，I_a ＜0，T＜0，T為制動性轉矩，回饋制動加快系統減速，沿曲線2回饋制動至點C；到達點C后，T＜T_L ，系統繼續減速，直到點D，達到電動穩定運行狀態。

2）電動機拖動位能性負載、電樞電壓反接反向回饋制動機械特性。如圖2-28所示，負載下放時，電樞電壓反向，穩定運行于工作點A，A點的轉速| n|高于該電樞電壓——U₁機械特性的理想空載轉速| n₀₁ |，此時，| E_a |＞| U₁ |，I_a ＞0，T＞0，T為制動性轉矩，電動機反向回饋制動穩定運行。

3）正向回饋制動機械特性。如圖2-29所示，電車下坡時電動機處于正向回饋制動運行狀態。平地時，負載轉矩（摩擦性阻轉矩）為T_L1 ，電動機處于正向電動運行狀態（工作點A）；下坡時，位能性拖動負載為T_L2，此時，電車處于正向回饋制動運行狀態（工作點B），n＞0，T＜0且T=T_L2 ，電車恒速行駛。