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1、1电机电子制动研究与应用电机电子制动研究与应用中科院计算中心 成仁民 （13734282615）2011.9.2概述概述当今，电动机被广泛使用，电动机给人类社会增添了无穷活力，人类喜欢旋转做功的电动机，但不论快速还是慢速运行的电动机，总是需要停下来的，所有电动机当切断电源后总是惯性地转动一段时间后才能停止。而运行中的起重机或卷扬机是经常需要准确定位，万能铣床或精密纺织机的主轴要求能迅速停下来。这些都需要对运行中的电动机进行制动，传统解决办法有两大类：机械制动和电力制动。我们研制了一套新型智能电机制动器，命名为：硅控电机制动器。一、机械制动一、机械制动采用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的制动
2、方法。如电磁抱闸、电磁离合器等电磁铁制动器。A、电磁抱闸断电制动控制电路电磁抱闸断电制动控制电路如图 1 所示。合上电源开关 QS 和开关 K，电动机接通电源，同时电磁抱闸线圈 YB 得电，衔铁吸合，克服弹簧的拉力使制动器的闸瓦与闸轮分开，电动机正常运转。断开开关电动机失电，同时电磁抱闸线圈 YB 也失电，衔铁在弹簧拉力作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机被2制动而停转。图 1：电磁抱闸断电制动控制图图中开关 K 可采用倒顺开关、主令控制器、交流接触器等控制电动机的正反转，满足控制要求。倒顺开关接线示意图如图 2 所示。这种制动方法在起重机械上广泛应用，如衡车、卷扬机、电动葫
3、芦(大多采用电磁离合器制动)等。其优点是能准确定位，可防止电动机突然断电时重物自行坠落而造成事故。3图 2：倒顺开关接线示意图B、电磁抱闸通电制动控制电路电磁抱闸断电制动其闸瓦紧紧抱住闸轮，若想手动调整工作是很困难的。因此，对电动机制动后仍想调整工件的相对位置的机床设备就不能采用断电制动，而应采用通电制动控制，其电路如图 3所示。当电动机得电运转时，电磁抱闸线圈无法得电，闸瓦与闸轮分开无制动作用；当电动机需停转按下停止按钮 SB2 时，复合按钮SB2 的常闭触头先断开切断 KM1 线圈，KM1 主、辅触头恢复无电状态，结束正常运行并为 KM2 线圈得电作好准备，经过一定的行程SB2 的常开触头
4、接通 KM2 线圈，其主触头闭合电磁抱闸的线圈得电，使闸瓦紧紧抱住闸轮制动；当电动机处于停转常态时，电磁抱4闸线圈也无电，闸瓦与闸轮分开，这样操作人员可扳动主轴调整工件或对刀等。 图 3：电磁抱闸通电制动控制电路机械制动主要采用电磁抱闸、电磁离合器制动，两者都是利用电磁线圈通电后产生磁场，使静铁芯产生足够大的吸力吸合衔铁或动铁芯(电磁离合器的动铁芯被吸合，动、静摩擦片分开)，克服弹簧的拉力而满足工作现场的要求。电磁抱闸是靠闸瓦的摩擦片制动闸轮，电磁离合器是利用动、静摩擦片之间足够大的摩擦力使电动机断电后立即制动。二、电力制动电力制动5电动机在切断电源的同时给电动机一个和实际转向相反的电磁力矩(
5、制动力矩)使电动迅速停止的方法。最常用的方法有：反接制动和能耗制动。A A、反接制动在电动机切断正常运转电源的同时改变电动机定子绕组的电源相序，使之有反转趋势而产生较大的制动力矩的方法。反接制动的实质：使电动机欲反转而制动，因此当电动机的转速接近零时，应立即切断反接转制动电源，否则电动机会反转。实际控制中采用速度继电器来自动切除制动电源。反接制动控制电路如图 4 所示。其主电路和正反转电路相同。由于反接制动时转子与旋转磁场的相对转速较高，约为启动时的 2倍，致使定子、转子中的电流会很大，大约是额定值的 10 倍。因此反接制动电路增加了限流电阻 R。KM1 为运转接触器，KM2 为反接制动接触器
6、，KV 为速度继电器，其与电动机联轴，当电动机的转速上升到约为 100 转分的动作值时KV 常开触头闭合为制动作好准备。6图 4：反接制动控制电路反接制动分析：停车时按下停止按钮 SB2，复合按钮 SB2 的常闭先断开切断 KM1 线圈，KM1 主、辅触头恢复无电状态，结束正常运行并为反接制动作好准备，后接通 KM2 线圈(KV 常开触头在正常运转时已经闭合)，其主触头闭合，电动机改变相序进入反接制动状态，辅助触头闭合自锁持续制动，当电动机的转速下降到设定的释放值时，KV 触头释放，切断 KM2 线圈，反接制动结束。 一般地，速度继电器的释放值调整到 90 转分左右，如释放值调整得太大，反接制
7、动不充分；调整得太小，又不能及时断开电源而造成短时反转现象。反接制动制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。因此适用于 l0kw 以下小容量的电动机制动要求迅速、系统惯性大，不经常启动与制动的设备，如铣床、镗床、中型车床等主轴的制动控制。7B、能耗制动电动机切断交流电源的同时给定子绕组的任意二相加上直流电源，以产生静止磁场，依靠转子的惯性转动切割该静止磁场产生制动力矩的方法。原理分析：电动机切断电源后，转子仍沿原方向惯性转动，如图 5 设为顺时针方向，这时给定子绕组通入直流电，产生一个恒定的静止磁场，转子切割该磁场产生感生电流，用右手
8、定则判断其方向如图示。该感生电流又受到磁场的作用产生电磁转矩，由左手定则知其方向正好与电动机的转向相反而使电动机受到制动迅速停转。可逆运行能耗制动的控制电路如图 6 所示。KV1、KV2 分别为速度继电器 KV 的正、反转动作触头，接触器 KM1、KM2、KM3 之间互锁，防止交流电源、直流制动电源短路。停车时按下停止按钮SB3，复合按钮 SB3 的常闭先断开切断正常运行接触器 KM1 或KM2 线圈，后接通 KM3 线圈，KM3 主、辅触头闭合，交流电流经变压器 T，全波整流器 VC 通入 V、W 相绕组直流电，产生恒定磁场进行制动。RP 调节直流电流的大小，从而调节制动强度。8图 5：能耗
9、制动C、实用的能耗制动由电动机带动的设备要加快停车，一般都用机械摩擦法制动，在制动过程中操作不当，会产生爆振现象。在此介绍几种简单实用的电动机能耗制动的电路供参考。能耗制动原理是，在定子绕组断电后，立即使其两相定子绕组接上一个直流电源，于是在定子绕组中产生一个静止磁场；转子在这个磁场中旋转产生感应电动势，转子电流与固定磁场所产生的转矩阻碍转子继续转动，因而产生制动作用，使电动机迅速停转。91）、单管整流能耗制动见图 7，当停车时，按下停止按钮 TA，C、SJ 失电释放，这时SJ 延时断开的触点仍然闭合，使制动接触器 ZC 获电动作，电源经制动接触器接到电动机的两相绕组，另一相经整流管回到零线。
10、达到整定时间后，SJ 常开触点断开，ZC 失电释放，制动过程结束。这个电路简单，成本低，常用于 10kW 以下电动机且对制动要求不高的场合。图 7：单管整流能耗制动102）、单相桥式整流能耗制动见图 8，当电动机停转时，按下停止按钮 TA，QC 失电释放，同时 TA 常开触点闭合，使 TC、SJ 获电动作，将变压器降压整流后的直流电接入电动机定子绕组，开始制动。达到整定时间后，SJ延时断开的常闭触点断开，TC 失电释放，制动过程结束，TC 同时断开变压器 B 的电源。图 8：单相桥式整流能耗制动3）、直流能耗制动见图 9，本电路简单可靠，适用于 5kW 以下的电动机。工作过程：按下启动按钮 Q
11、A，接触器 IC 线圈得电，电动机转动，同时电11容器 C 被充电，停车时按下 TA 按钮，接触器 IC 失电断开电动机，电容 C 对线圈阻值为 3k 的高灵敏继电器 J 放电，使 J 吸合，2C接触器线圈得电吸合，从而进行直流能耗制动，经一定时间后，电容 C 放电完毕，继电器 J 释放，此时制动结束。选择电容 C 容量的大小，可改变制动时间的长短。图 9：直流能耗制动4）、三相半波整流能耗制动见图 10。当接触器 IC 断电后，电动机失电，2C、SJ 时间继电器由于 TA 的联动，得电动作，2C 主触点短接电动机三相绕组，并通入半波整流电源，使电动机定子绕组接成一端接零线的并联对称线路，达到
12、制动目的。此时 SJ 延时断开，2C 失电释放，制动过程12结束。这种制动线路，适用于星形接法的电动机，具有成本低，体积小线路简单，而且能适用于容量较大的电动机。13图 10：三相半波整流能耗制动能耗制动直流电源的估算方法是：首先测量电动机三根进线中任意两根之间的电阻 R，和电动机的进线电流 IM(电动机仅带有传动装置的电流，该电流值接近空载电流)，然后根据测得的数据分别代人以下公式，便可求出直流电源的电流与电压。I2=KIM，U2=I2R，式中 I2 表示能耗制动所需直流电流，U2为能耗制动所需直流电压，R 为电动任意两根线之间的电阻，K 为系数，取 3.54 即可。能耗制动平稳、准确，能量
13、消耗小，但需附加直流电源装置，设备投资较高，制动力较弱，在低速时制动力矩小。主要用于容量较大的电动机制动或制动频繁的场合及制动准确、平稳的设备，如磨床、立式铣床等的控制，但不适合用于紧急制动停车。三、三、RC 反接式制动方式反接式制动方式本例，介绍一种 RC 反接式电动机制动器，它与常用的电磁式制动器相比，具有制动速度快、制动时间可调、成本低等特点，可用于各种瞬间制动的机械运转设备（例如木材加工带锯机）中。 工作原理14该制动器电路由电源变压器 T、整流二极管 VD1 一 VD4、可变电阻器 R、电容器 C、继电器 Kl、交流接触器 KMI 与 KM2 和起动按钮 SB1、停止按钮 SB2 等
14、组成，如图 11 所示。图 11：RC 反接式制动反接式制动当按动起动按钮 SBI 后，交流接触器 KM1 通电工作，其动合触点 KM11-KM 巧接通，动断触点 KM16 和 KM 17 断开，电动机 M起动运转，电源变压器 T 也通电工作，其二次侧产生的感应电压经VD1 一 VD4 整流后，对电容器 C 充电。此时交流接触器 KM2 和继电器 K1 均不工作。当按动停止按钮 SB2 后，KM1 断电释放，其各动断触点接通，动合触点释放，电动机 M 断电；与此同时，电容器通过 KM 16 触点对继电器 K1 放电，使 K1 吸合，其动合触点 KM 1 l 接通，使交15流接触器 KM2 瞬间
15、通电工作，其动合触点 KM21KM23 瞬间接通一下，给电动机 M 施加一个瞬间反转电流，电动机 M 在此反转电流的作用下快速停转，从而解决了电动机停机后的惯性运转问题。元器件选择T 用 220V/12V, 5W 优质电源变压器，要求长时间运行不过热。VD1 一 VD4 选用 1 N4007 型等硅整流二极管。R 选用密封式可变电阻器。C 选用 CD l l 一 50V 型电解电容器。电动机的制动方法较多，还有如电容制动、再生发电制动等，但目前市场实际应用主要是上述几种方法，其各有特点和使用场合。四、电机硅控制动器技术说明四、电机硅控制动器技术说明传统的电机制动方式已经不能适应电机领域飞速发展
16、的需要，世界发达国家纷纷研制新型电机制动器。我们研制的可控硅电机制动器是世界领先技术之一。可控硅电机制动器，我们简称：硅控制动器。该项目是我们公司科技人员应时而生（研制）的创新产品，具有自主知识产权，准备申报国家新型实用技术专利的项目。该制动器是可以广泛应用于各类异步电机的一种重要配套部件。它可完全替代传统机械制动和电力制动，可改善设备性能，节约维16护费用，提高设备可靠性，尤其在长时间、高强度、频繁启动电机运行中提高生产效率和节约能源 90%以上。该产品是应用可控硅技术和微电子技术到传统工业的一个成功实例。为我国今后发展先进装备制造业，建设先进装备制造基地具有重要的意义，必将对我国电机制动领域起到跨越更新的重要作用。A A、GK-220GK-220 系列主要技术参数系列主要技术参数1、电源电压：220VAC+-15%；2、电源频率：50HZ+-5%；3、环境温度：-20+50；4、储存温度：-40+105；5、环境湿度：595%（不结霜） ；6、电机配套：145KW，负载惯量过大时，应该增配制动器容量；7、电机接线（制动状态）：三角或星接线均可；8、
