2.6 他励直流电动机的制动

使电动机产生一个与转向相反的电磁转矩完成系统的快速停车（或降速）或位能负载的稳速下放，被称为电动机的制动运行。其特点是，它从轴上吸收机械能并将其转换成电能（消耗在电动机内部或反馈电网），其电磁转矩T_em与转速n方向相反，是制动性质。

电力拖动系统中，电动机经常需要工作在制动状态，例如需要快速停车，或者稳定下放重物等情况。他励直流电动机电气制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种。

2.6.1 能耗制动

能耗制动时把正在电动运行的他励直流电动机的电枢从电网上切除，并将其接到一个外加的制动电阻上构成闭合回路。如图2-31是能耗制动的接线图，当接触器KM₁闭合，转矩T与转速n相同方向，电枢电流与反电势方向相反，各方向如图2-31a中实线所示，此时，电动机运行在电动状态。当需要制动时，将接触器KM₁断开，接触器KM₂闭合，电枢脱离电源被接到制动电阻R_B上，电动机便进入能耗制动状态。此时，由于机械惯性的作用，电动机的转速方向不变，则电枢电动势E_a方向也不变，此时由回路中的唯一电源E_a产生的电枢电流I_a，其方向显然与此前相反（如图中虚线所示），由此而产生的电磁转矩T也与电动状态时相反，变为制动转矩（如图中虚线所示），于是电动机处于制动运行。制动运行时，电动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，直到电动机停止转动为止，所以这种制动方式称为能耗制动。

能耗制动时，电动机拖动反抗性负载运行在Ⅰ象限特性的A点上，如图2-31b所示，开始制动的瞬间，转速尚未变化，原来电动状态的反电动势E_a=C_EΦn变为电源电动势，使电流反向（与电动机状态相比），产生制动性的电磁转矩T_em，运行点从A点跳到Ⅱ象限的B点。此时，电枢电流为

此时电枢电流I_a为负值，表示电流方向与电动状态时相反，相应的电磁转矩也为负，表明此时电磁转矩T_em与n反方向，为制动转矩。R_B的值愈小，I_a愈大，T_em愈大，制动效果越好。其机械特性方程式为

若电动机拖动反抗性负载，则工作点到达0点时，n=0，T_em=0，电动机便停转。若电动机拖动位能性负载，则工作点到达0点时，虽然n=0，T_em=0，但在位能负载的作用下，电动机反转并加速，工作点将沿曲线0C方向移动。此时E_a的方向随n的反向而反向，即n和E_a的方向均与电动状态时相反，而E_a产生的I_a方向却与电动状态时相同，随之T_em的方向也与电动状态时相同，即n＜0，T_em＞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，电动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2-31b的C点。

能耗制动具有以下几个特点：

1）能耗制动是将系统的动能或位能转换为电能，消耗在电枢电阻和制动电阻上，其制动电阻愈小，制动时间愈短。机械特性为一条过原点的直线。

2）制动过程中，随着转速下降，制动转矩T_em逐渐减小，制动效果逐渐减弱。若为了使电动机能更快地停转，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。

3）可用于位能负载的低速下放。

2.6.2 反接制动

反接制动分为电压反接制动和倒拉反转反接制动两种。

1.电压反接制动

如图2-32a所示，当电动机工作在电动状态时，接触器触头KM₁闭合，KM₂断开，电动机稳定运行于A点上。反接制动时，KM₁断开，KM₂闭合，则电动机两端电压极性改变，在制动开始的一瞬间，电动机由于惯性转速来不及变化，使得U与E方向一致，且电枢电流I_a=。这个电流几乎为直接起动电流的两倍，必须串联制动电阻R_B以限制制动电流。反向的电枢电流产生很大的反向电磁转矩，从而产生很强的制动作用，这就是电压反接制动。此时电动机的机械特性方程为

电压反接制动机械特性为图2-32b中的BC线段。

当转速下降到C点时n=0，但制动的电磁转矩T_em≠0，如果负载是反抗性负载，且|T_em|≤|T_L|时，电动机便停止不转。如果|T_em|＞|T_L|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，那么在电动机转速接近于零时，必须立即断开电源。电压反接制动时，电动机同时从电网和电机轴上吸收电能和机械能，这些能量全部消耗在电枢回路电阻（R_a+R_B）上，不符合经济性要求。但这种制动方法效果强，制动时间短，常常应用于需要经常起动、频繁正反转的机械上，如起重机的平移机构和龙门刨床工作台的往复运行等。

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。当电动机提升重物时，KM₁和KM₂闭合，电动机运行在机械特性的A点的电动状态运行，如图2-33b所示。下放重物时，KM₂断开，电枢回路中串入一个较大的电阻R_B，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T_em小于负载转矩T_L；于是电动机开始减速，工作点沿人为特性由B点向C点变化，到达C点即n=0，电磁转矩为堵转转矩T_K；因T_K仍小于负载转矩T_L，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E_a随n的方向而改变方向，由图可以看出I_a的方向不变，故T的方向也不变。这样，电动机反转后，电磁转矩为制动转矩，电动机处于制动状态，其机械特性如图中CD段所示。随着电机反向转速的增加，E_a增大，电枢电流I_a和制动的电磁转矩T_em也相应增大；当到达D点时，电磁转矩与负载转矩平衡，电动机便以稳定的转速匀速下放重物。若电动机串入的R_B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动机出现的反转制动运行，主要是位能负载的倒拉作用实现的，又因为此时的E_a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回路串电阻的人为特性方程式，只不过此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回路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。

倒拉反转反接制动的功率关系与电压反接制动的功率关系相同，区别在于电压反接制动时，电动机输入的机械功率由系统储存的动能提供，而倒拉反转反接制动则是由位能性负载以位能减少的形式来提供。倒拉反接制动的特点是设备简单，操作方便，电枢回路串入的电阻较大，机械特性较软，转速稳定性差，能量损耗较大。倒拉反接制动适用于位能性负载低速下放重物。

2.6.3 回馈制动

如果在外力作用下，使得n＞n₀，电动机将处于回馈制动状态。此时，E_a＞U，电动机运行在发电状态，电磁转矩T_em与转速n方向相反，为制动转矩，电动机将机械能转变为电能回馈给电网，故被称为回馈制动。

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2-34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2-34中的-n₀B段。图2-34的A点是电动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2-34中的B点是电动机处于负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。

在图2-35中，A点时以电动状态运行工作点，对应电压为U₁，转速为n_A。当进行减压（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点时转速n_C为电动状态减速过程。

在图2-36中，磁通增大导致工作点变化的情况与图2-34相同，其工作点在Bn₀₂段上变化时也为回馈制动过程。

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。

【例2-3】一台他励直流电动机P_N=3kW，U_N=110V，I_N=35.2A，n_N=750r/min，R_a=0.35Ω，电动机初始工作在额定电动状态下，已知最大允许电枢电流为I_amax=2I_N，试求：（1）采用能耗制动停车时，电枢中应串入多大电阻？（2）采用电压反接制动停车时，电枢中应串入多大电阻？（3）两种制动方法制动时使电动机转速n=0时，电磁转矩各是多大？（4）要使电动机以-500r/min的转速下放位能性负载，且T=T_N，采用能耗制动运行时，电枢应串入多大电阻？

解：1）

E_a=C_EΦ_N=0.13×750V=97.5V

2）反接制动时，

3）采用能耗制动方法将转速到n=0时，电磁转矩T=0。

采用电压反接制动方法将转速到n=0时，

4）当n=-500r/min时，