2.3.3 直流电动机的电气控制

直流电动机的电气控制，即通过改变电动机电磁转矩T，使其与电动机转速n方向相反，达到制动电动机的目的，包括迅速减速（制动过程）、限制位能性负载下降速度（制动运行）两种形式。直流电动机制动方式有能耗制动、反接制动、倒拉反转制动和回馈制动等形式。

1.能耗制动

（1）能耗制动原理

图2-23所示为他励直流电动机能耗制动原理图，电动运行时接触器KM常开触点1、2闭合，常闭触点3断开，电动机处于正向电动稳定运行状态，电动机电磁转矩T与转速方向相同；能耗制动时，接触器KM常开触点1、2断开，常闭触点3闭合，电动机电枢与能耗电阻R_H连接，电枢电源电压U=0，由于机械惯性作用，制动初始瞬间转速n不能突变，仍然保持原来的方向和大小，电枢感应电动势E_a也保持原来的大小和方向，电枢电流为

由式（2-17）可见，I_a变为负值，与电动机原来电动运行的方向相反，即电动机电磁转矩T与转速方向相反，起制动作用。

由于动态转矩（T-T_L）=-| T|-T_L ＜0，系统减速，E_a逐渐减小，直至n=0停车。从能耗制动开始到迅速减速、停车的过渡过程称为能耗制动过程。期间，电动机惯性旋转，电枢切割磁场将机械能转换为电能，再通过（ R_a +R_H ）以发热形式消耗掉。

（2）能耗制动机械特性

能耗制动的机械特性方程为

式中 β_H——能耗制动机械特性的斜率，β_H =（ R_a +R_H ）/（）。

相应的机械特性曲线如图2-24所示，可见：

1）能耗制动开始时，因机械惯性电动机转速不发生突变，电动机由机械特性1的点A移至机械特性2的点B，其中，机械特性2与机械特性3平行（斜率相等），机械特性3类似电动机电枢串电阻 R_H的机械特性（相对于机械特性1）。

2）电动机由B点沿机械特性2速度下降，直至坐标原点，针对反抗性负载，此时，n=0，T=0，系统停车，其中，B至坐标原点即为能耗制动过程。

3）若拖动的是位能性恒转矩负载，在坐标原点，n=0，T=0，（T-T_L）=-T_L ＜0，由于位能性恒转矩负载的作用，电动机继续减速，出现反转，沿机械特性2反向运转至C点稳定运行，此时，T=T_L为正，n为负，E_a为负，I_a为正，T为制动性转矩，称为能耗制动运行。

4）能耗制动电阻R_H计算，根据最大制动转矩值T_max，得

2.反接制动

（1）反接制动原理

反接制动时，电动机电源电压反接，同时接入反接制动电阻R_F ，此时，电枢电压为-U_N ，由于机械惯性作用，制动初始瞬间转速n不能突变，仍然保持原来的方向和大小，电枢感应电动势E_a也保持原来的大小和方向，电枢电流为

由式（2-20）可见，I_a变为负值，与电动机原来运行的方向相反，即电动机电磁转矩T与转速方向相反，起制动作用。

由于动态转矩（T-T_L）=-| T|-T_L＜0，系统减速，E_a逐渐减小，系统减速直至n=0停车，此时，立即断开电动机电源，反接制动停车过程结束。反接制动过程，电动机电枢电压反接，电枢电流反向，电源输入功率P_I =U_NI_a ＞0，电磁功率P_M =E_aI_a ＜0，机械功率转换为电功率，电源输入功率、机械转换的电功率通过（ R_a +R_F ）以发热形式消耗掉。

（2）反接制动机械特性

反接制动机械特性方程为

式中 β_F——机械特性斜率，β_F =（ R_a +R_F ）/（）。

相应的机械特性曲线如图2-25所示，可见：

1）反接制动开始时，因机械惯性电动机转速不发生突变，电动机由机械特性1的点A移至机械特性2的点B，其中，机械特性2与机械特性3平行（斜率相等），机械特性3类似电动机电枢串接电阻R_F的机械特性（相对于机械特性1）。

2）电动机由B点沿机械特性2速度下降，直至点C，此时，n=0，立即断开电动机电源，系统反接制动停车，其中，B至C点即为反接制动过程。

3）若拖动的是反抗性恒转矩负载，反接制动到达C点时，n=0，T≠0，不立即断开电动机电源，因T＜-T_L （即T-（-T_L）＜0），由于反抗性恒转矩负载的作用，电动机继续减速，出现反转（反向起动），沿机械特性2反向运转至D点稳定运行。

4）能耗制动电阻R_F计算式为

3.倒拉反转制动

（1）倒拉反转制动原理

他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载处于正向电动运行状态，电枢回路串接电阻R_D引起转速降低。当R_D大到一定程度时，如图2-26所示，电动机出现反转状态（n＜0，E_a ＜0），并稳定在工作点D。此时，电枢电流为

可见，I_a ＞0，T＞0，电动机靠位能性负载拉着反转，T为制动性转矩，称为倒拉反转制动运行状态。此时，U_N ＞0、I_a ＞0，电源输入功率为正，电磁功率为负，表明电动机从电源吸收电能，同时，又将机械能转换为电能，并消耗在电枢回路电阻（ R_a +R_D ）上。

（2）倒拉反转制动机械特性

倒拉反转制动机械特性方程为

式中 β_D——机械特性斜率，β_D =（ R_a +R_D ）/（）。

相应的机械特性如图2-26所示，可见：电阻R_D值越大，机械特性就越软，反向转速就越高。倒拉反转制动运行常用于重物低速下放的场合。

4.回馈制动

（1）回馈制动原理

他励直流电动机处于正向运行状态，由于某种原因，如弱磁调速时转速由高速向下调节，通过改变电枢电压调速时突然降低电枢电压，出现转速n＞0且n＞n₀ ，此时，E_a ＞U_N ，I_a ＜0，T＜0，T为制动性转矩，电磁功率、输入功率均为负，表明机械功率转换为电功率，电动机不从电源获取电功率，而是将机械能转换为电能并回馈到电源，这种制动方式称为回馈制动或再生制动。

（2）回馈制动机械特性

1）弱磁调速降低电枢电压机械特性。如图2-27所示，突然降低电枢电压，假定在额定电压U_N下，恒转矩负载为T_L ，电动机稳定运行在曲线1点A，当电枢电压下降为U₁时，机械特性由曲线1变为曲线2，因电动机机械惯性，转速不会发生突变，工作点由A变为B，点B的转速高于机械特性2的理想空载转速n₀₁ ，此时，E_a ＞U₁ ，I_a ＜0，T＜0，T为制动性转矩，回馈制动加快系统减速，沿曲线2回馈制动至点C；到达点C后，T＜T_L ，系统继续减速，直到点D，达到电动稳定运行状态。

2）电动机拖动位能性负载、电枢电压反接反向回馈制动机械特性。如图2-28所示，负载下放时，电枢电压反向，稳定运行于工作点A，A点的转速| n|高于该电枢电压——U₁机械特性的理想空载转速| n₀₁ |，此时，| E_a |＞| U₁ |，I_a ＞0，T＞0，T为制动性转矩，电动机反向回馈制动稳定运行。

3）正向回馈制动机械特性。如图2-29所示，电车下坡时电动机处于正向回馈制动运行状态。平地时，负载转矩（摩擦性阻转矩）为T_L1 ，电动机处于正向电动运行状态（工作点A）；下坡时，位能性拖动负载为T_L2，此时，电车处于正向回馈制动运行状态（工作点B），n＞0，T＜0且T=T_L2 ，电车恒速行驶。