交流電力拖動系統電氣制動應用
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摘要：三相交流異步電動機的制動有機械制動和電氣制動兩種方式。電氣制動具有制動力矩可調、制動精度高、維修方便等優點，在軌道交通設備、礦山運輸及提升設備上使用廣泛。掌握電氣制動的工作原理，正確選擇制動方式，對電力拖動系統的安全運行有著十分重要的意義。
三相交流異步電動機是電力企業重要的拖動設備，它的運行直接影響著企業的生產效率和技術指標。制動，是對三相交流異步電動機的一種控制手段。這也是生產過程中必須的工藝要求。三相交流異步電動機的制動方法有機械制動和電氣制動兩種[1]。機械制動是指在切斷電動機的工作電源后，利用電磁抱閘、電磁離合器等裝置迅速停轉電動機的方法，這種制動方式的缺點是占據空間大，機械安裝復雜，定期維修工作量大，制動過程中產生較大的機械撞擊力，對設備、機械結構等損傷較大，優點是機械制動的制動力矩大，制動速度快、制動效果好[2]。電氣制動，一般采用電氣元件或電氣設備，以一定的電路連接方式，使得電機轉軸上產生一個與電機轉子實際旋轉方向相反的電磁力矩（制動力矩），迫使電機迅速停轉或減速運行的方法。該制動的優點是科學技術高，制動裝置小，方便安裝和檢修，制動過程產生的沖擊力較小，對設備或機械裝置損傷較小[3]。但是這種制動方式容易產生慣性滑動，而且制動力矩較小，能量損耗大，甚至引起某些控制設備產生高電壓或大電流，比如變頻器，采用電氣制動，就會在設備內部產生泵升電壓，影響制動效果，因此大功率的籠型異步電動機不適合使用電氣制動這種方法。三相交流異步電動機的電氣制動方法通常有反接制動、能耗制動和回饋制動。三相交流異步電動機的制動方式取決于生產機械的工況要求。一些生產設備對停止位置要求不高或要求能迅速停止的機械，技術上選用電氣制動的方法時，往往選用反接制動和能耗制動。
1反接制動
當電動機斷開電源后，為了使電動機能夠迅速停轉，在切斷三相電源的同時再給電動機加上與正常運行電源反相的電源。此時，電動機轉子的旋轉方向與電動機旋轉磁場的旋轉方向相反，電動機軸上產生的電磁力矩與轉軸的慣性力矩方向相反，成為制動力矩，從而加快了電動機的減速。為了保證反接制動安全可靠，采用這種方式時通常在電動機的轉軸上安裝一個速度繼電器，將速度繼電器的轉子與電動機的轉子同軸連接，電動機轉動時，速度繼電器的動合觸點閉合，電動機停轉時，動合觸點斷開，借助電動機轉軸牽引速度繼電器的觸點變化來控制電動機的主電路，從而實現整個停車過程。這樣能防止當電機轉速為零時，如果不及時切斷所加的反相電源，電機就會持續反轉的情況發生。車床、砂輪機、空氣壓縮機、液壓泵、自動化生產單元等不允許電動機反轉的機械設備或生產機械，就不能采用這種反接制動的方式來停止電動機的運行。很顯然，反接制動方式只能使用在允許電機反轉的設備上，如普通車床、攪拌機等生產設備。而且，一般適用于繞線型異步電動機或小于10kW的籠型異步電動機，尤其非常適用于這些電動機快速制動的工況條件。從工作原理上講，反接制動的本質就是在電動機內部產生一個與轉子運動方向相反的電磁力矩，使其作為制動力矩阻礙轉子的慣性力矩，從而使電動機的轉速迅速降低直至為零，達到制動的目的。
2能耗制動
能耗制動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，三相交流異步電動機脫離三相交流電源的同時，給電動機的定子繞組通上直流電流，電動機在慣性運動下切割定子繞組的恒定磁場，使得轉軸繞組產生感應電流與靜止磁場相互作用，進而達到三相交流電動機制動的目的。能耗制動的制動力矩產生過程如圖1-2所示，整個工作過程：定子繞組通過直流電流產生恒定的磁場，轉子在慣性力矩下轉動，使轉子繞組獲得感應電流，在電磁感應作用下，轉子產生與轉速相反的電磁制動力矩Tem，使轉子轉速變為零。通常三相異步電機拖動反抗性恒轉矩負載時，采用能耗制動可以準確制動停車[4]。從能量角度講，能耗制動是將電機的動能轉化為電能消耗在制動電阻上。從圖1-1分析看出，改變直流勵磁電流If的大小或改變轉子回路串接電阻的RC值，就可調整能耗制動狀態下的電動機的轉速，達到準確制動的目的。能耗制動的特點是制動平穩、沖擊小，制動時間較長。其它場合也可以類比應用。
3回饋制動
實際生活和生產中，人們經常遇到電梯下降、塔吊下放重物、電動汽車、電力機車下坡運行等現象。這種情況下，生產設備上使用的三相交流異步電動機的運行速度超過了電動機的同步轉速，引起轉軸上的電磁轉矩反向而成為制動轉矩，保證了運行設備能夠勻速運行，安全施工的目的。從電動機的機械工作特性角度來分析，這種工況下的電動機運行狀態已經從原來的電動狀態進入到回饋制動狀態，這個過程達到了減速的目的。把這個過程叫做回饋制動，也叫反饋制動、發電制動等。回饋制動根據電動機的特性曲線分為正向回饋制動和反向回饋制動兩種。
3.1正向回饋制動
正向回饋制動一般發生在電力機車下坡、電動機正向運行時降低了定子電流的頻率或增加了定子繞組的磁極對數等場所。如圖1-3所示為異步電機頻率降低時的正向回饋制動機械特性曲線。在圖1-3中曲線1為正常電源頻率時的機械特性，曲線2為電源頻率降低后的機械特性。圖中的n1是電動機的同步轉速，n1/是在降低電源頻率后電動機同步轉速。從圖1-3可見：機械曲線由1變為曲線2，此時電機的轉速n運動點從曲線1的A點變為曲線2的B點，電磁轉矩變負。在電磁轉矩和負載轉矩的共同作用下，電動機很快減速，運行點沿B-n1-C，最終穩定運行在C點。在B-n1段，異步電動機的電磁轉矩為負，轉速為正，電機轉速大于電動機的同步轉速，這就是正回饋制動特點。根據電磁功率的變換原理來分析，在回饋制動的過程中，電動機減速運行，電動機轉軸的轉速從高速變到低速，變換過程中釋放的機械動能轉變為電能，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，這時的電動機實際上是臺發電機，將電力拖動系統減小的動能轉變為電能送入電網。通常在交流拖動系統中，異步電動機不能穩定運行在正向回饋制動的第二象限內，只有在拖動設備下坡運行或下放重物時才能穩定運行在第二象限。比如，電力機車牽引車輛在下坡道運行。起重機械，如吊車、電梯等設備，在下放重物時，通常采用反向回饋制動的運行方式，確保重物勻速下降。如圖1-4所示，其特點為電動機轉速的絕對值n＞n1。電動機轉子在電動狀態下運行時，0＜n＜n1，或0＜s＜1（式中n為電機轉軸的轉速，n1為電機的同步轉速，S為轉差率）。當電動機的外部負載轉矩大于電磁轉矩時，轉子的轉速就高于旋轉磁場的轉速，即n＞n1，使得轉子逆轉于旋轉磁場方向的旋轉，此時電機的轉差率為負值，即-∞＜s＜0。轉子繞組中的感應電動勢以及感應電流的方向與電動狀態時的方向相反。依據左手定則，轉子的電磁轉矩方向與旋轉磁場方向和轉子的轉動方向相反，此時電磁轉矩變為制動轉矩。在電動機的定子繞組上，因為轉子的感應電流改變了方向，所以定子繞組感應轉子的電流分量也就改變方向，此時電動機的轉子方向與原來的轉動方向相同，而且電動機的轉速高于旋轉磁場的轉速（同步轉速），即n＞n1或s＜s1。此時的外部負載轉矩變為原動機，不斷向電動機的轉子輸入機械功率，定子繞組通過電磁感應向電網輸出電功率，這時的電動機處于發電機狀態。電動機利用外部機械的動能轉變為電能，回饋電網，從而實現自身減速的目的。
3.2反向回饋制動
采用反向回饋制動方式的電動機，大多數是繞線型轉子結構的電動機。這種結構的電動機一般可以通過轉子回路串接電阻來調節轉速絕對值。反向回饋制動運行的過程與正向回饋制動的過程一樣，此時，電動機變為發電機，將負載位能減少而輸入的機械功率轉變為電功率，再反饋給電網。反向回饋制動運行的特點是轉速n＜-n0（式中n為電動機的轉軸轉速，n0為電機的同步轉速），制動段位于第Ⅳ象限，不能停車，只能高速下放重物。回饋制動是電動機電動狀態下運行的一種狀態，在某種條件下會出現由負載拖動電機運行的情況，此時出現n＞n1（式中n為電機轉軸的轉速，n1為電機的同步轉速）、Ea＞U、Ia反向（Ea為電樞電動勢，U為電源電壓，Ia為電樞電流），電機由驅動變為制動。從能量方向看，電機處于發電狀態—回饋制動狀態。回饋制動不能使電機制動到停止狀態，只是保障電機進行低速運行，從而完成生產機械的一個工藝要求，整個回饋制動過程中，電能消耗較低，經濟性好，回饋制動的主要缺點是控制系統復雜。
4結語
隨著電力電子技術的發展，異步電動機的回饋制動已經成為軌道交通行業的電力機車控制、礦山提升設備、運輸設備的變頻調速等技術熱點。尤其是SPWM技術的成熟應用，已經解決了回饋制動過程中出現的能量損耗、快速制動時引起的變頻器泵升電壓等問題，使得回饋制動的制動力矩增大、調速范圍變寬、動態性能更好。
參考文獻：
[1]許翏.電機與電氣控制技術[M].北京：機械工業出版社，2005.
[2]顧繩谷.電機與拖動基礎[M].北京：機械工業出版社，2009.
[3]任小文.電工[M].成都：西南交通大學出版社，2019.
[4]蔡黎.電機拖動教程[M].西安：西北工業大學出版社，2017.
作者：任小文 楊妮 單位：西安交通工程學院