直流电动机的反转和制动

　　直流电动机的反转。录音机和录像机中的电动机必须既能正转，也能反转。直流电动机的正、反转是很容易的。由前面可知，改变电枢绕组电流方向，或者改变定子磁场的方向，都可以改变电动机的转向。但对于永磁式直流电动机来说，则只能通过改变电流方向来实现改变电动机转向的目的。
　　上图是直流电动机正、反转控制原理电路。图中，RP1, RP2是可调电阻器。改变RPl的阻值可以改变励磁绕组的电流，起到调节磁场强、弱的目的；改变RP2的阻值，可以改变电动机的转速。图中的双刀双掷开关S是用来改变电动机旋转方向的控制开关。当将开关S拨向“1”时，电流从a电刷流入，从b电刷流出；当将开关S拨向+2 时，电流从b电刷流入，从a电刷流出。可见，改变开关S的状态，就能改变电枢绕组的电流方向，从而实现改变电动机转向的目的。
　　他励直流电动机的制动
　　根据电磁转矩Tem和转速n方向之间的关系，可以把电机分为两种运行状态。当Tem与n方向相同时，称为电动运行状态，简称电动状态；当Tem与n方向相反时，称为制动运行状态，简称制动状态。电动状态时，电磁转矩为驱动转矩，电机将电能转换成机械能；制动状态时，电磁转矩为制动转矩，电机将机械能转换成电能。
　　在电力拖动系统中，电动机经常需要工作在制动状态。例如，许多生产机械工作时，往往需要快速停车或者有高速运行迅速转为低速运行，这就要求电动机进行制动。因此，电动机的制动运行也是十分重要的。
　　他励直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式，下面分别加以介绍。
　　1．能耗制动
　　图1—46是能耗制动的接线图。开关S接电源侧为电动状态运行，此时电枢电流Ia、电枢电动式Ea、转速n及驱动性质的电磁转矩Tem的方向如图所示。当需要制动时，将开关S投向制动电阻RB上，电动机便进入能耗制动状态。
　　初始制动时，因为磁通保持不变、电枢存在惯性，其转速n不能马上降为零，而是保持原来的方向旋转，于是n和Ea的方向均不改变。但是，由Ea在闭合的回路内产生的电枢电流IaB却与电动状态时电枢电流Ia的方向相反，由此而产生的电磁转矩TemB也与电动状态时Tem的方向相反，变为制动转矩，于是电机处于制动运行。制动运行时，电机靠生产机械惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，并消耗在电阻上，直到电机停止转动为止，所以这种制动方式称为能耗制动。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图1—46 能耗制动接线图
　　能耗制动的机械特性，就是在U=0、φ=φ_N、R=R_a+R_B条件下的一条人为机械特性，即
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1—66）
　　或 　　　　　　　　　　　　　　　　（1—67）
　　可见，能耗制动时的机械性是一条通过坐标原点的直线，其理想空载转速为零，特性的斜率，与电动状态下电枢串电阻R_B时的人为特性的斜率相同，如图1—4中直线BC所示。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图1—47 能耗制动时的机械特性
　　能耗制动时，电机工作点的变化情况可用机械特性曲线说明。设制动前工作点在固有特性曲线A点处，其n>0，Tem>0，Tem为驱动转矩。开始制动时，因n不突变，工作点将沿水平方向跃变到能耗制动特性曲线上的B点。在B点，n>0，Tem<0，电磁转矩为制动转矩，于是电动机开始减速，工作点沿BO方向移动。
　　若电动机拖动反抗性负载，则工作点到达O点时，n=0，Tem=0，电机便停转。
　　若电机拖动位能性负载，则工作点到达O点时，虽然n=0，Tem=0，但在位能负载的作用下，电机反转并加速，工作点将沿曲线OC方向移动。此时Ea的方向随n的反向而反向，即n和Ea的方向均与电动状态时相反，而Ea产生的Ia方向却与电动状态时相同，随之Tem的方向也与电动状态时相同，即n<0, Tem>0，电磁转矩仍为制动转矩。随着反向转速的增加，制动转矩也不断增大，当制动转矩与负载转矩平衡时，电机便在某一转速下处于稳定的制动状态运行，即匀速下放重物，如图1—47中的C点。
　　改变制动电阻RB的大小，可以改变能耗制动特性曲线的斜率，从而可以改变起始制动转矩的大小以及下放位能负载时的稳定速度。RB越小，特性曲线的斜率越小，起始制动转矩越大，而下放位能负载的速度越小。减小制动电阻，可以增大制动转矩，缩短制动时间，提高工作效率。但制动电阻太小，将会造成制动电流过大，通常限制最大制动电流不超过2~2.5倍的额定电流。选择制动电阻的原则是
　　　　　　　　　　　　　　　
　　即 　　　　　　　　　　　　　（1—68）
　　式中，E_a为制动瞬间（制动前电动状态时）的电枢电动势。如果制动前电机处于额定运行，则E_d-U_N-R_B-U。
　　能耗制动操作简单，但随着转速的下降，电动势减小，制动电流和制动转矩也随之减小，制动效果变差。若为了使电机能更快地停转，可以在转速到一定程度时，切除一部分制动电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。
　　[例2] 一台他励直流电动机的铭牌数据为PN=10kW，UN=220V，IN=53A, nN=1000r/min，Ra=0.3Ω，电枢电流最大允许值为2IN。(1)电动机在额定状态下进行能耗制动，求电枢回路应串接的制动电阻值。（2）用此电动机拖动起重机，在能耗制动状态下以300 r/min的转速下放重物，电枢电流为额定值，求电枢回路应串入多大的制动电阻
　　[解] （1）制动前电枢电动势为
　　　　　　　　　　　　　
　　应串入的制动电阻值为
　　　　　　　　　　　　
　　（2）因为励磁保持不变，则
　　下放重物时，转速为n=?300r/min，由能耗制动的机械特性
　　2．反接制动
　　反接制动分为电压反接制动和倒拉反接制动两种。
　　（1）电压反接制动
　　电压反接制动时的接线图如图1—48所示。开关S投向“电动”侧时，电枢接正极性的电源电压，此时电机处于电动状态运行。进行制动时，开关S投向“制动”侧，此时电枢回路串入制动电阻RB后，接上极性相反的电源电压，即电枢电压由原来的正值变为负值。此时，在电枢回路内，U与Ea顺向串联，共同产生很大的反向电流：
　　　　　　　　　　　　　　　（1—69）
　　反向的电枢电流IaB产生很大的反向电磁转矩TemB，从而产生很强的制动作用，这就是电压反接制动。
　　电动状态时，电枢电流的大小由UN与Ea之差决定，而反接制动时，电枢电流的大小由UN与Ea之和决定，因此反接制动时电枢电流是非常大的。为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻RB。RB的大小应反接制动时电枢电流不超过电动机的最大允许值Imax=(2~2.5)IN,因此应串入的制动电阻值为
　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　（1—70）
　　比较式（1—70）和式（1-68）可知，反接制动电阻值要比能耗制动电阻值约达一位。
　　电压反接制动时的机械特性就是在U=-UN，φ=φN，R=Ra+RB条件下的一条人为特性，即
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1—71）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1—72）
　　可见，其特性曲线是一条通过?n0点，斜率为 的直线，如图1—49中线段BC所示。
　　电压反接制动时电机工作点的变化情况可用图1—48说明如下：设电动机原来工作在固有特性上的A点，反接制动时，由于转速不突变，工作点沿水平方向跃变到反接制动特性上的B点，之后在制动转矩作用下，转速开始下降，工作点沿BC方向移动，当到达C点时，制动过程结束。在C点，n=0,但制动的电磁转矩TemB=TC≠0，如果负载是反抗性负载，且时，电动机便停止不转。如果时，这时在反向转矩作用下，电动机将反向起动，并沿特性曲线加速到D点，进入反向电动状态下稳定运行。当制动的目的就是为了停车时，那么在电机转速接近于零时，必须立即断开电源。
　　反接制动过程中（图1—49中BC段），U、Ia、Tem均为负，而n、Ea为正。输入功率P1= U Ia>0，表明电机从电源输入电功率；输出功率，表明轴上输入的机械功率转变成电枢回路的电功率。由此可见，反接制动时，从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起全部消失在电枢回路的电阻（Ra+RB）上，其能量损耗是很大的。
　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　图1—48 电压反接制动接线图 　图1—49 电压反接制动时的机械特性
　　（2）倒拉反转反接制动
　　倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。现以起重机下放重物为例来说明。
　　图1—50（a）所示为正向电动状态（提升重物）时电动机的各物理量方向，此时电动机工作在固有特性[图1—50（c）]上的A点。如果在电枢回路中串入一个较大的电阻RB，便可实现倒拉反转反接制动。串入RB将得到一条斜率较大的人为特性，如图1—50（c）中的直线n0D所示，制动过程如下：串电阻瞬间，因转速不能突变，所以工作点由固有特性上的A点沿水平跳跃到人为特性上的B点，此时电磁转矩TB小于负载转矩TL，于是电机开始减速，工作点沿人为特性由B点向C点变化，到达C点时，n=0,电磁转矩为堵转转矩TK，因TK仍小于负载转矩TL，所以在重物的重力作用下电机将反向旋转，即下放重物。因为励磁不变，所以Ea随n的方向而改变方向，由图1—50（b）所示可以看出Ia的方向不变，故Tem的方向也不变。这样，电机反转后，电磁转矩为制动转矩，电机处于制动状态，如图1—50（c）中的CD段所示。随着电机反向转速的增加，Ea增大，电枢电流Ia和制动的电磁转矩Tem也相应增大，当到达D点时，电磁转矩与负载转矩平衡，电机便以稳定的转速匀速下放重物。若电机串入RB越大，最后稳定的转速越高，下放重物的速度也越快。
电枢回路串入较大的电阻后，电机能出现反转制动运行，主要是位能负载的倒拉作用，又因为此时的Ea与U也顺向串联，共同产生电枢电流，这一点与电压反接制动相似，因此把这种制动称为倒拉反转反接制动。
倒拉反转反接制动时的机械特性方程式就是电动状态时电枢串联电阻的人为特性方程式，只不过此
　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　图1—50 倒拉反转反接制动
　　时电枢串入的电阻值较大，使得n<0。因此，倒拉反转反接制动特性曲线是电动状态电枢串电阻人为特性在第四象限的延伸部分。倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。
　　3．回馈制动
　　电动状态下运行的电动机，在某种条件下（如电动机拖动的机车下坡时）会出现运行转速n高于理想空载转速n0的情况，此时Ea>U，电枢电流反向，电磁转矩的方向也随之改变：由驱动转矩变成制动转矩。从能量传递方向看，电机处于发电状态，将机车下坡时失去的位能变成电能回馈给电网，因此这种状态称为回馈制动状态。
　　回馈制动时的机械特性方程式与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。当电动机拖动机车下坡出现回馈制动时，其机械特性位于第二象限，如图1—51中的n0A段。当电动机拖动起重机下放重物出现回馈制动时，其机械特性位于第四象限，如图1—51中的?n0B段。图1—51中的A点是电机处于正向回馈制动稳定运行点，表示机车以恒定的速度下坡。图1—51中的B点是电机处于正向回馈制动稳定运行点，表示重物匀速下放。
　　除以上两种回馈制动稳定运行外，还有一种发生在动态过程中的回馈制动过程。如降低电枢电压的调速过程和弱磁状态下增磁调速过程中都将出现回馈制动过程，下面对这两种情况进行说明。
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　图1—51 回馈制动机械特性
　　在图1—52中，A点时电动状态运行工作点，对应电压为U1，转速为nA。当进行降压（U1降为U2）调速时，因转速不突变，工作点由A点平移到B点，此后工作点在降压人为特性的Bn02段上变化过程即为回馈制动过程，它起到了加快电机的减速作用，当转速到n02时，制动过程结束。从n02降到C点转速nc为电动状态减速过程。
　　在图1—53中，磁通由 增大到时，工作点的变化情况与图1—52相同，其工作点在Bn02段上变化时也为回馈制动过程。
　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　图1—52 降压调速时产生回馈制动 　　图1—53 增磁调速时产生回馈制动
　　回馈制动时，由于有功率回馈到电网，因此与能耗制动和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。