運(yùn)動控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試（第2版）課件 2.2.3 直流電機(jī)的制動 b2

運(yùn)動控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試主講：南工機(jī)電教學(xué)團(tuán)隊(duì)高等教育出版社2.2.3直流電機(jī)的制動直流電機(jī)制動的情況1

制動是指電動機(jī)從某一穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速開始減速到停止或限制位能負(fù)載的下降速度時的一種運(yùn)轉(zhuǎn)過程。

在制動工作狀態(tài)下，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T方向與轉(zhuǎn)速n的方向相反，為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)把系統(tǒng)的機(jī)械能變成為電能輸出。由此可見，制動工作狀態(tài)的實(shí)質(zhì)是，電動機(jī)成為發(fā)電動機(jī)，消耗機(jī)械能。主要有以下3種情況：（1）生產(chǎn)機(jī)械為加快起動和制動過程，提高生產(chǎn)效率；（2）當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械在高速工作過程中時，根據(jù)需要迅速降為低速或者迅速由正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)；

（3）有些位能負(fù)載為獲得穩(wěn)定的下降速度。2.2.3直流電機(jī)的制動能耗制動2直流他勵電動機(jī)原來處于正向電動狀態(tài)下運(yùn)行將電樞電源U斷掉，轉(zhuǎn)而加到制動電阻RK上，會怎么樣呢（1）能耗制動原理2.2.3直流電機(jī)的制動

由于機(jī)械慣性而轉(zhuǎn)速n不變，從而電動勢Ea亦不變。在電樞回路中電樞電流Ia，為原感應(yīng)電流Ie，其方向與電動狀態(tài)相反。

那么電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T亦與電動時的轉(zhuǎn)矩方向相反，也與轉(zhuǎn)速n方向相反

T起制動作用，使系統(tǒng)減速

系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟呐c電樞回路的電阻上，即處于能耗制動狀態(tài)。2.2.3直流電機(jī)的制動

線圈在磁場中運(yùn)動，會產(chǎn)生感應(yīng)電流。

由右手定則，拇指為運(yùn)動方向，磁場穿過掌心，四指方向?yàn)楫a(chǎn)生感應(yīng)電流方向。

左手定則，四指為通電電流方向，磁場穿過掌心，拇指為受力方向。

所以，通電線圈在磁場的作用下，使線圈逆時針旋轉(zhuǎn)。電樞平衡2.2.3直流電機(jī)的制動根據(jù)基爾霍夫電壓定律：電路中任意一個閉合回路的所有電壓之和等于零。環(huán)路逆時針方向?yàn)檎?，系統(tǒng)處于能耗制動時，電路的電壓平衡方程為：所以電樞電流為：Ce——電動勢常數(shù)電樞電流Ia方向與原來方向相反，它決定于制動電阻RK的大小，RK越小Ia越大。由電樞電流Ia所產(chǎn)生的電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T，其方向也與原來的電動狀態(tài)相反（設(shè)T原來方向?yàn)椤?”，則此時方向?yàn)椤?”），大小與Ia成正比。2.2.3直流電機(jī)的制動電樞電流Ia所產(chǎn)生的電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T，其方向也與原來的電動狀態(tài)相反(成為制動轉(zhuǎn)矩)，大小與Ia成正比。

因?yàn)殡妱訖C(jī)從電源上斷掉，U=0，所以理想空載轉(zhuǎn)速n0=0

能耗制動的T-n機(jī)械特性曲線為通過坐標(biāo)原點(diǎn)的直線

斜率β決定于電阻Ra（ra+RK），制動電阻越大，斜率越大；改變RK就可以改變制動強(qiáng)度nT制動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小n02.2.3直流電機(jī)的制動（2）能耗制動特點(diǎn)缺點(diǎn)是其制動轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速降低而減小，因而拖長了制動時間（3）克服缺點(diǎn)辦法

開始制動時，將RK1和RK2全部串入電路中，系統(tǒng)進(jìn)行制動降速，隨著轉(zhuǎn)速降低，制動轉(zhuǎn)矩減小。

這時制動效果已經(jīng)很小，為此令接觸器觸點(diǎn)KM1閉合，把RK1制動電阻切除掉，這時制動電流加大，其對應(yīng)制動轉(zhuǎn)矩加大，系統(tǒng)再以較大的制動轉(zhuǎn)矩進(jìn)行制動，直到停車。優(yōu)點(diǎn)：經(jīng)濟(jì)，簡單；在零速時沒有轉(zhuǎn)矩，可以準(zhǔn)確停車。制動過程中與電源隔離，當(dāng)電源斷電時也可以通過保護(hù)線路換接到制動狀態(tài)進(jìn)行安全停車，所以在不反轉(zhuǎn)以及要求準(zhǔn)確停車的拖動系統(tǒng)中多采用能耗制動。2.2.3直流電機(jī)的制動（4）總結(jié)

能耗制動過程中電動機(jī)與電網(wǎng)隔開，所以不需要從電網(wǎng)輸入電功率

運(yùn)動控制系統(tǒng)產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩的電功率完全由運(yùn)動控制系統(tǒng)動能轉(zhuǎn)換而來，即完全消耗系統(tǒng)本身的動能，能耗制動的名稱就是由此而來2.2.3直流電機(jī)的制動反接制動3反接制動有兩種情況：一是轉(zhuǎn)速反相的反接制動，一是電壓反接的反接制動。

電動機(jī)按某一方向接線（如正向）工作時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩、電動機(jī)轉(zhuǎn)矩T及轉(zhuǎn)速n的方向?yàn)檎螂妱訝顟B(tài)，如圖（1）轉(zhuǎn)速反向的反接制動2.2.3直流電機(jī)的制動（1）逐漸增加制動電阻RK，電動機(jī)轉(zhuǎn)速不斷下降。

由特性1上的nc降到特性2上的nd，以致降到特性3上的ne，電動機(jī)停轉(zhuǎn)。如再增大RK使電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩Tst<TL，這時電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩不足以帶動負(fù)載，以致電動機(jī)被負(fù)載（重物）帶動反轉(zhuǎn)，產(chǎn)生了所謂的“倒拉”現(xiàn)象，使轉(zhuǎn)速n反向，與轉(zhuǎn)矩T方向相反，如圖2.2.3直流電機(jī)的制動電動機(jī)處于制動狀態(tài)。此時機(jī)械特性方程式為n0為空載理想轉(zhuǎn)速。由于RK很大，斜率β很大電動機(jī)的機(jī)械特性在第四象限（由正向電動到轉(zhuǎn)速反向的反接制動）。最后，電動機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載特性交于F點(diǎn)，系統(tǒng)以穩(wěn)定的速度nF下放。2.2.3直流電機(jī)的制動電樞回路的電壓平衡方程為兩端同時乘以電流Ia可以得到功率平衡方程式的左端第一項(xiàng)為機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成的電磁功率(W)；式的左端第二項(xiàng)為電網(wǎng)向電樞輸入的電功率(W)；式的右端為電樞回路消耗的電功率(W)。

轉(zhuǎn)速反向的反接制動的能量關(guān)系：

從電網(wǎng)輸入的電功率以及由機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成的電磁功率兩者都消耗在電樞回路的電阻上由此可見，反接制動的能耗很大。2.2.3直流電機(jī)的制動反接制動有兩種情況：一是轉(zhuǎn)速反相的反接制動，一是電壓反接的反接制動。（2）電樞電壓反接的反接制動系統(tǒng)原來處于正向電動狀態(tài)，T、n、TL各物理量的方向如圖電動機(jī)工作在圖2-33上的機(jī)械特性的A點(diǎn)。2.2.3直流電機(jī)的制動突然把電樞電壓反接，同時在電樞回路中串入一個較大的制動電阻RK這時，電樞電流馬上反向電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦反向，變?yōu)榕cn方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。這時作用在滑輪上的轉(zhuǎn)矩為T+TL。在此合力轉(zhuǎn)矩的作用下，此時系統(tǒng)即減速。2.2.3直流電機(jī)的制動速度的下降，反電動勢Ea也隨即減小，因而電路的電流也減小，電動機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩也減小。如此繼續(xù)直到系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速為零，這時電動機(jī)反電動勢也為零但電路的電流不為零。因?yàn)檫@時還有電源電壓U作用在電路上，系統(tǒng)會自行反轉(zhuǎn)而進(jìn)入反向電動狀態(tài)。這時如欲停車，切斷電源加上抱閘，負(fù)載停止運(yùn)動電壓反接制動狀態(tài)到轉(zhuǎn)速為零時就算結(jié)束。2.2.3直流電機(jī)的制動（1）從機(jī)械特性上來看，進(jìn)入電壓反接之前，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行在正向電動狀態(tài)此時T=TL，n=nA。

在電樞反接瞬間，由于系統(tǒng)的機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速n的大小及方向都不能立刻改變，電樞電勢Ea亦不能改變，電動機(jī)由A點(diǎn)水平過渡到反接后的機(jī)械特性上的B點(diǎn)。由于這時電樞反接，根據(jù)圖，設(shè)環(huán)路逆時針方向?yàn)檎鶕?jù)基爾霍夫電壓定律2.2.3直流電機(jī)的制動反接制動特性上的B點(diǎn)向C點(diǎn)變化。

到C點(diǎn)如不切除電樞電源，系統(tǒng)會自行反轉(zhuǎn)而進(jìn)入反向電動狀態(tài)，直到最終穩(wěn)定在第四象限的E點(diǎn)。此時電流Ia與正向運(yùn)行時的電流方向相反。在此反向電流的作用下，系統(tǒng)減速，2.2.3直流電機(jī)的制動機(jī)械特性方程式如式

式中由于U為負(fù)，所以n0為負(fù)，T亦為負(fù)。由于電樞串入電阻RK，所以特性斜率β很大，如圖2-33所示，圖中BC即為電樞反接的反接制動機(jī)械特性。電樞電路的電壓平衡方程式2.10,2.112.2.3直流電機(jī)的制動

這與轉(zhuǎn)速反向的反接制動的結(jié)論一致，即從電網(wǎng)輸入的電功率以及由機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成的電磁功率，兩者都消耗在電樞回路的電阻上。

反接制動方法在制動過程中要消耗較大的能量，因而從經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來看不夠經(jīng)濟(jì)。但從技術(shù)的觀點(diǎn)來看，制動效果較好，在整個制動過程中制動轉(zhuǎn)矩都很大，制動時間安較短，并且在轉(zhuǎn)速為零時仍有很大的制動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)不需要停車時，還可以自動反轉(zhuǎn)，再反向起動。

因而這種制動方法經(jīng)常用于反轉(zhuǎn)拖動系統(tǒng)，以及作為位能負(fù)載下放重物，以獲得穩(wěn)定的下放速度。2.2.3直流電機(jī)的制動回饋制動4電動狀態(tài)下運(yùn)行的電動機(jī)，在某種特定的條件下（如電動車下坡時）會出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行轉(zhuǎn)速n高于機(jī)械特性中的理想空載轉(zhuǎn)速n0的情況

此時電動機(jī)電樞產(chǎn)生的反電動勢呈

Ea>U，電樞回路的電流方向變?yōu)榉捶较?/p>

電機(jī)電樞產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩的方向也隨之改變，由驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變成制動轉(zhuǎn)矩，阻礙負(fù)載的運(yùn)動。2.2.3直流電機(jī)的制動再從能量傳遞方