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摘要:三相交流異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)有機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩種方式。電氣制動(dòng)具有制動(dòng)力矩可調(diào)、制動(dòng)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(dòng)的工作原理,正確選擇制動(dòng)方式,對(duì)電力拖動(dòng)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(dòng)方式;電氣制動(dòng)原理;制動(dòng)分析與應(yīng)用
三相交流異步電動(dòng)機(jī)是電力企業(yè)重要的拖動(dòng)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(dòng),是對(duì)三相交流異步電動(dòng)機(jī)的一種控制手段。這也是生產(chǎn)過(guò)程中必須的工藝要求。三相交流異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)方法有機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)兩種[1]。機(jī)械制動(dòng)是指在切斷電動(dòng)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(dòng)機(jī)的方法,這種制動(dòng)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(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生較大的機(jī)械撞擊力,對(duì)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(dòng)的制動(dòng)力矩大,制動(dòng)速度快、制動(dòng)效果好[2]。電氣制動(dòng),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(gè)與電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁力矩(制動(dòng)力矩),迫使電機(jī)迅速停轉(zhuǎn)或減速運(yùn)行的方法。該制動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是科學(xué)技術(shù)高,制動(dòng)裝置小,方便安裝和檢修,制動(dòng)過(guò)程產(chǎn)生的沖擊力較小,對(duì)設(shè)備或機(jī)械裝置損傷較小[3]。但是這種制動(dòng)方式容易產(chǎn)生慣性滑動(dòng),而且制動(dòng)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(dòng),就會(huì)在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生泵升電壓,影響制動(dòng)效果,因此大功率的籠型異步電動(dòng)機(jī)不適合使用電氣制動(dòng)這種方法。三相交流異步電動(dòng)機(jī)的電氣制動(dòng)方法通常有反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)和回饋制動(dòng)。三相交流異步電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)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(duì)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(dòng)的方法時(shí),往往選用反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)。
1反接制動(dòng)
當(dāng)電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)電源后,為了使電動(dòng)機(jī)能夠迅速停轉(zhuǎn),在切斷三相電源的同時(shí)再給電動(dòng)機(jī)加上與正常運(yùn)行電源反相的電源。此時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的旋轉(zhuǎn)方向相反,電動(dòng)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(dòng)力矩,從而加快了電動(dòng)機(jī)的減速。為了保證反接制動(dòng)安全可靠,采用這種方式時(shí)通常在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)速度繼電器,將速度繼電器的轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子同軸連接,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),速度繼電器的動(dòng)合觸點(diǎn)閉合,電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí),動(dòng)合觸點(diǎn)斷開(kāi),借助電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸牽引速度繼電器的觸點(diǎn)變化來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的主電路,從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)停車過(guò)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(huì)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(dòng)化生產(chǎn)單元等不允許電動(dòng)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(dòng)的方式來(lái)停止電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。很顯然,反接制動(dòng)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(dòng)機(jī)或小于10kW的籠型異步電動(dòng)機(jī),尤其非常適用于這些電動(dòng)機(jī)快速制動(dòng)的工況條件。從工作原理上講,反接制動(dòng)的本質(zhì)就是在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方向相反的電磁力矩,使其作為制動(dòng)力矩阻礙轉(zhuǎn)子的慣性力矩,從而使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速迅速降低直至為零,達(dá)到制動(dòng)的目的。
2能耗制動(dòng)
能耗制動(dòng)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(jiàn),三相交流異步電動(dòng)機(jī)脫離三相交流電源的同時(shí),給電動(dòng)機(jī)的定子繞組通上直流電流,電動(dòng)機(jī)在慣性運(yùn)動(dòng)下切割定子繞組的恒定磁場(chǎng),使得轉(zhuǎn)軸繞組產(chǎn)生感應(yīng)電流與靜止磁場(chǎng)相互作用,進(jìn)而達(dá)到三相交流電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的目的。能耗制動(dòng)的制動(dòng)力矩產(chǎn)生過(guò)程如圖1-2所示,整個(gè)工作過(guò)程:定子繞組通過(guò)直流電流產(chǎn)生恒定的磁場(chǎng),轉(zhuǎn)子在慣性力矩下轉(zhuǎn)動(dòng),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(dòng)力矩Tem,使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速變?yōu)榱?。通常三相異步電機(jī)拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí),采用能耗制動(dòng)可以準(zhǔn)確制動(dòng)停車[4]。從能量角度講,能耗制動(dòng)是將電機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能消耗在制動(dòng)電阻上。從圖1-1分析看出,改變直流勵(lì)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(dòng)狀態(tài)下的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速,達(dá)到準(zhǔn)確制動(dòng)的目的。能耗制動(dòng)的特點(diǎn)是制動(dòng)平穩(wěn)、沖擊小,制動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)。其它場(chǎng)合也可以類比應(yīng)用。
3回饋制動(dòng)
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(dòng)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度超過(guò)了電動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的機(jī)械工作特性角度來(lái)分析,這種工況下的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)已經(jīng)從原來(lái)的電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入到回饋制動(dòng)狀態(tài),這個(gè)過(guò)程達(dá)到了減速的目的。把這個(gè)過(guò)程叫做回饋制動(dòng),也叫反饋制動(dòng)、發(fā)電制動(dòng)等?;仞佒苿?dòng)根據(jù)電動(dòng)機(jī)的特性曲線分為正向回饋制動(dòng)和反向回饋制動(dòng)兩種。
3.1正向回饋制動(dòng)
正向回饋制動(dòng)一般發(fā)生在電力機(jī)車下坡、電動(dòng)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(duì)數(shù)等場(chǎng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,n1/是在降低電源頻率后電動(dòng)機(jī)同步轉(zhuǎn)速。從圖1-3可見(jiàn):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(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速,這就是正回饋制動(dòng)特點(diǎn)。根據(jù)電磁功率的變換原理來(lái)分析,在回饋制動(dòng)的過(guò)程中,電動(dòng)機(jī)減速運(yùn)行,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速?gòu)母咚僮兊降退伲儞Q過(guò)程中釋放的機(jī)械動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?,這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(dòng)機(jī)實(shí)際上是臺(tái)發(fā)電機(jī),將電力拖動(dòng)系統(tǒng)減小的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芩腿腚娋W(wǎng)。通常在交流拖動(dòng)系統(tǒng)中,異步電動(dòng)機(jī)不能穩(wěn)定運(yùn)行在正向回饋制動(dòng)的第二象限內(nèi),只有在拖動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的絕對(duì)值n>n1。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子在電動(dòng)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(dòng)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(chǎng)的轉(zhuǎn)速,即n>n1,使得轉(zhuǎn)子逆轉(zhuǎn)于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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(dòng)勢(shì)以及感應(yīng)電流的方向與電動(dòng)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(chǎng)方向和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反,此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩。在電動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子方向與原來(lái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同,而且電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)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?dòng)機(jī),不斷向電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率,定子繞組通過(guò)電磁感應(yīng)向電網(wǎng)輸出電功率,這時(shí)的電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電機(jī)狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)利用外部機(jī)械的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽仞侂娋W(wǎng),從而實(shí)現(xiàn)自身減速的目的。
3.2反向回饋制動(dòng)
采用反向回饋制動(dòng)方式的電動(dòng)機(jī),大多數(shù)是繞線型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的電動(dòng)機(jī)一般可以通過(guò)轉(zhuǎn)子回路串接電阻來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速絕對(duì)值。反向回饋制動(dòng)運(yùn)行的過(guò)程與正向回饋制動(dòng)的過(guò)程一樣,此時(shí),電動(dòng)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(dòng)運(yùn)行的特點(diǎn)是轉(zhuǎn)速n<-n0(式中n為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速,n0為電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速),制動(dòng)段位于第Ⅳ象限,不能停車,只能高速下放重物?;仞佒苿?dòng)是電動(dòng)機(jī)電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行的一種狀態(tài),在某種條件下會(huì)出現(xiàn)由負(fù)載拖動(dòng)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(dòng)勢(shì),U為電源電壓,Ia為電樞電流),電機(jī)由驅(qū)動(dòng)變?yōu)橹苿?dòng)。從能量方向看,電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)—回饋制動(dòng)狀態(tài)。回饋制動(dòng)不能使電機(jī)制動(dòng)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(gè)工藝要求,整個(gè)回饋制動(dòng)過(guò)程中,電能消耗較低,經(jīng)濟(jì)性好,回饋制動(dòng)的主要缺點(diǎn)是控制系統(tǒng)復(fù)雜。
4結(jié)語(yǔ)
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,異步電動(dòng)機(jī)的回饋制動(dòng)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(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)的能量損耗、快速制動(dòng)時(shí)引起的變頻器泵升電壓等問(wèn)題,使得回饋制動(dòng)的制動(dòng)力矩增大、調(diào)速范圍變寬、動(dòng)態(tài)性能更好。
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作者:任小文 楊妮 單位:西安交通工程學(xué)院