变频三相异步电动机的制动分析

门大勇

● （中交第一航务工程局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

变频三相异步电动机的制动分析

门大勇

● （中交第一航务工程局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

对三相交流电动机的制动种类做了介绍和分析，重点分析了由变频器驱动的三相异步电动机的制动原理并列举了应用实例。

电动机；制动；变频器；制动电阻

0 前言

1 三相交流电动机的制动种类

三相交流电动机大量应用于工业、民用领域，近年来随着变频调速控制技术愈加成熟，三相交流电动机的应用更加灵活高效。中交第一航务工程局第二工程有限公司于2005年、2006年相继改造了2艘打桩船“打桩19”、“打桩 20”，大量应用了三相交流异步电动机，其中的起重系统更是引进了国内外比较先进的变频控制，其平滑的无级调速、较高的机械效率、较低的噪声污染等等优势逐渐被行业内所青睐。

然而在起重应用中，较为人所不解的是电动机在拖动位能性负载（即拖动高空重物）时，如何控制电动机本身以匀速下降的，电动机会不会飞车，重物会不会失去控制以自由落体的方式落向地面等等问题。本文介绍了三相交流电动机的制动种类，重点分析了由变频器驱动的三相交流异步电动机的制动原理。

三相交流电动机的制动是起动的逆过程，制动就是使电动机的转矩T与转速n反向，即T起反抗运动的作用，使电动机转速由某一稳定转速迅速降为零的过程或者使电动机产生的转矩与负载转矩相平衡，从而使电动机的下降转速保持恒定。

三相交流电动机的制动方法有能耗制动，反接制动，回馈制动三种。

1.1 能耗制动

如图1所示，三相异步电动机定子绕组切断三相交流电源后（1K断开），同时，在定子绕组任意两相上接入直流电流I（也称直流励磁电流），即接通开关2K，从而在电机内形成一个不旋转的空间位置固定的磁通势F，最大幅值为Fm。在三相交流电源切断后的瞬间，电动机转子由于机械惯性其转速n不能突变，而继续维持原逆时针方向旋转。此时，直流电流I产生的空间固定不转的磁通势F相对于旋转的转子是一个旋转磁通势；旋转方向为顺时针，转速大小为n。这种相对运动导致了转子绕组有感应电动势E2，并产生电流I2和电磁转矩T，根据左手定则可知，T的方向与磁通势F相对于转子的旋转方向是一样的，但与转速n的方向相反，电动机处于制动运行状态，电机转速迅速下降，直到转速n=0时，磁通势F与转子相对静止，E2=0，I2=0，T=0，减速过程结束，电动机将停转，实现了快速制动停车。如果负载是反抗性负载，则电机转速n=0将停车。如果负载是位能性负载，则电机转速n=0时必须立即用机械抱闸，将电机轴刹住停车。

图1 能耗制动接线图

由于制动过程，转轴的机械能转换成电能消耗在转子回路的电阻上，因此称为能耗制动。如果是三相交流异步电动机，由于转子无法串电阻，机械能转换成电能完全消耗在转子绕组上，会导致转子线圈过热。

当电动机切断三相交流电源，接入直流电流I时的等值电路如图2所示。它是转子绕组相数、匝数、绕组系数及转子电路的频率都折合到定子边界的结果。

图2 能耗制动的等值电路

三相交流电动机能耗制动时的机械特性如图 3所示（T为转矩，n为转速，n1为同步转速），图中曲线1为直流电流为I，转子串入电阻R=0时的特性；曲线2为直流电流为I，转子串入电阻R≠0时的特性；曲线3为直流电流为I′(I′>I)，转子串入电阻R=0时的特性；曲线4为电机运行的固有特性。

三相交流电动机工作于电动运行状态时，采用能耗制动停车，电动机的运行点如图4所示。即A→B→0。改变直流电流I的大小而改变制动转矩的大小，从而改变制动时间的大小。

图3 能耗制动的机械特性

图4 能耗制动过程

能耗制动广泛应用于要求平稳准确停车的场合。也可用于起重机一类带位能性负载的机械限制重物下放的速度，使重物保持匀速下降，只需改变直流电流I的大小（调节电位器RP）或改变转子回路串电阻R值，则可以达到目的。

1.2 反接制动

三相交流电动机的反接制动分为定子电源反接的反接制动和倒拉反接制动两种。

1）定子电源反接的反接制动

三相交流电动机处于正常电动运行，当改变三相电源的相序时，如图5电路接线图中1K断开，2K闭合则改变了电源相序，电动机便进入了反接制动过程。由于电源相序改变，圆形旋转磁场反向，而转子不可能立即改变转向，因而转子感应电动势反向，电流反向，则电磁转矩也反向，电动机处于制动运行状态，电动转速迅速下降，直到转速n=0，电机将停转，从而实现了快速制动停车。

三相交流电动机的固有特性如图6所示的曲线1。当定子两相反接时，旋转磁场改变方向，则同步转速为-n1，转差率s=(-n1-n)/(-n1)=(n1+n)/n1>1，反接制动机械特性变为曲线2。根据三相交流电动机等值电路中表示机械负载的附加电阻(1-s)r2′/s<0，则机械功率为Pj=3I2′²(1-s)r2′/s<0，即负载向电动机内输入机械功率。而定子传递到转子的电磁功率为Pm=3I2′²r2′/s>0，表明定子仍向电源吸收电功率，再由定子向转子传递电磁功率。以上表明转子回路的铜损耗来自定子吸收电源的电功率和负载送入的机械功率，这个数值很大。若不在转子回路串入较大的电阻器，转子铜损耗将无法消耗，将导致电机转子绕组过热而损坏，因此，电机转子回路必须串入大电阻R，此时，反接制动的机械特性为曲线3。

图5 定子电源反接的反接制动

图6 反接制动的机械特性和制动过程

三相绕线式异步电动机工作于电动状态时，开关1K闭合2K断开。当电机定子电源反接时，开关1K断开2K闭合，同时转子回路串入大电阻，即3K断开，电动机的运行点为A→B′→C′，使得电动机快速停车。如果电动机拖动较小的反抗性恒转矩负载或位能性恒转矩负载运行，并采用定子电源反接的反接制动停车，那么必须当电机转速n=0时切断电源并停车，否则电动机将反向起动到D′点。

定子电源反接的反接制动广泛用于要求迅速停车和需要反转的生产机械上，多用于三相绕线式异步电动机中。对于三相鼠笼式异步电动机由于转子回路无法串电阻，则反接制动只能用于不频繁制动的场合。

2）倒拉反接制动

倒拉反接制动状态指三相绕线式异步电动机拖动位能性恒转矩负载时，在转子回路上串入较大电阻，使机械特性变为图7所示的曲线2，电动机反转运行于第IV象限的B点。曲线1为电动机的固有特性。

图7 倒拉反接制动机械特性

倒拉反接制动适用于位能性恒转矩负载。例如，起重机将重物保持均匀速度下降时，使得位能性负载（重物）倒过来拉着电动机反转。电动机按提升方向接通电源，由于起动转矩TS<负载转矩TL，电机被重物拖着反转，电机运行点由A点加速到B点，电磁转矩T=TL，电动机处于稳定的反接制动运行状态，且电机以-nB的转速将重物匀速下放。

1.3 回馈制动

前面所述反接制动的机械特性，如图6所示曲线2或曲线3，当三相交流电动机拖动位能性恒转矩负载，定子电源接成负相序时，电动机运行于第IV象限的E点（称为回馈制动运行点），对应的电磁转矩T>0，转速n<0，且转速n的绝对值大于同步转速n1，则称为反向回馈制动运行。例如，电动机利用回馈制动下放重物时（如图 8），定子两相反接，这时同步转速由n1变为-n1，起动转矩为-TS（图6中的C点）。由于转矩-TSTL<0，则dn/dt<0，电机将反向加速运行到E点。以-nE的转速使重物匀速下放。下放过程中，重物贮存的位能不断被电机定子绕组吸收，并转换成电能“回馈”到电网中。为防止下降转速过快，转子串电阻R值不宜太大。

同理，正向回馈制动运行是指电动机工作于第 II象限，且电机转速n>n1，转差率s=(n1-n)/n1<0，电动机输出的机械功率Pj<0，电磁功率Pm<0，即正向回馈制动过程中，负载向电动机输入功率，除了转子和定子绕组上的铜损耗外，其余的回馈给定子电源了。简单一点说，此时的电动机，相当于1台发电机。

图8 起重机下放重物的回馈制动

2 打桩船起重用变频三相异步电动机的制动

我们建造打桩船“打桩19”、“打桩20”时，考虑到系统的简单、实用、维护方便并且具有良好的调速性能，起重绞车采用变频三相异步电动机驱动，由于三相异步电动机转子无法串入电阻，并且在打桩作业时起重绞车起、停频繁，所以其电机的制动并不适用本文介绍的前三种制动方式，而适用回馈制动的方式。与前文所述不同的是，该回馈制动所产生的电能并没有回馈到电网中去，而是在制动电阻上消耗掉了。

其实该回馈的电能其电压、频率、波形不稳定，随着重物的重量和下降速度的改变而改变，并不能与船舶电站电网提供的电能所匹配，容易引起电站的不稳定，更甚者会引起用电设备的损坏。所以，重物下降所回馈的电能实际上是多余的，是必须要“浪费”掉的。制动电阻，就是用以消耗重物下降所回馈的电能的。当重物提升时，制动电阻并不起作用；当重物下降时，变频器制动单元自动将制动电阻投入到变频器直流母线上，重物下降所回馈的电能通过制动电阻消耗掉。所以，制动电阻会发热，为了保持变频器舱内的温度，保护变频器和制动电阻柜，我们特意在变频器舱设置了空调。

2艘船的变频器分别采用了施耐德 Altivar 68和Altivar 71F异步电机变频器，变频器自带制动单元，与附加的制动电阻配合使用，用以三相异步电动机的回馈制动。其变频系统都各自附带了2只90KVA、2只75KVA制动电阻柜，用以吸收电机所产生的逆功率。所谓逆功率，即本文回馈制动中所提到的，重物贮存的位能不断被电机定子绕组吸收，并转换成电能向电网方向“回馈”。变频器结构如图9所示。

图9 变频器结构示意图

三相异步电动机回馈制动的时候，从定子回馈回来的电能，经变频器内的逆变器反馈至直流母线，使直流母线电压升高。当制动单元检测到直流母线电压高于设定值时，打开制动电阻回路，让电阻消耗这些回馈回来的电能，消耗的功率取决于制动单元的容量和制动电阻的阻值。

3 结论

从使用来看，打桩船起重用变频三相异步电动机采用“回馈制动”的方式，经过频率变换，可以在多种速度下，匀速下放重物。

[1]许晓峰.电机与拖动[M].北京: 高等教育出版社,2009.

[2]王廷才.变频器原理及应用第2版[M].北京: 机械工业出版社, 2008.

[3]施耐德电气公司.Altivar 68异步电机变频器编程手册.

Analysis of Variable Frequency Three-Phase Asynchronous Motor’s Braking

MEN Da-yong
（No.2 Engineering Company Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd., Qingdao 266071, China）

This article introduces and analyzes different kinds of three-phase AC motor’s braking.This paper also focuses on the analysis of the principle of three-phase asynchronous motor driven by inverter.The application example is given.

electric motor; braking; inverter; braking resistor

TM3

A

门大勇（1979-），男，工程师，主要从事港口工程施工船舶管理工作。