第五节　三相异步电动机制动控制

三相异步电动机从切断电源到安全停止转动，由于惯性的关系总要经过一段时间，影响了劳动生产率。在实际生产中，为了实现快速、准确停车，缩短时间，提高生产效率，对要求停转的电动机强迫其迅速停车，必须采取制动措施。

三相异步电动机的制动方法分为两类：机械制动和电气制动。机械制动有电磁抱闸制动、电磁离合器制动等；电气制动有反接制动、能耗制动、回馈制动等。

一、电磁抱闸制动和电磁离合器制动

机械制动的设计思想是利用外加的机械作用力，使电动机迅速停止转动。机械制动有电磁抱闸制动、电磁离合器制动等。电磁制动应用电磁铁原理在各种运动机构中吸收旋转运动惯性能量，从而达到制动目的，被广泛应用于起重机、卷扬机、碾压机等类型的升降机械设备。

1.电磁抱闸制动

电磁抱闸制动是靠电磁制动闸紧紧抱住与电动机同轴的制动轮来制动的。电磁抱闸制动方式的制动力矩大，制动迅速停车准确，缺点是制动越快冲击振动越大。电磁抱闸制动有断电电磁抱闸制动和通电电磁抱闸制动。

断电电磁抱闸制动在电磁铁线圈一旦断电或未接通时电动机都处于抱闸制动状态，例如电梯、吊车、卷扬机等设备。电磁抱闸主要由制动电磁铁和闸瓦制动器组成，如图2-19（a）所示，制动电磁铁的电磁线圈与三相异步电动机的定子绕组并联，闸瓦制动器的转轴与电机的转轴相连。制动线路如图2-19（b）所示。

线路工作原理如下。

按下启动按钮SB2：

● 接触器KM2线圈得电，主触点吸合，电磁铁线圈YA接入电源，电磁铁产生磁场力吸合衔铁，带动制动杆推动闸瓦松开闸轮。

● KM2线圈得电触点闭合后，KM1线圈得电，触点吸合，电动机启动运转。

按下停止按钮SB1：

● KM1、KM2线圈失电，触点释放，电动机和电磁铁绕组均断电，电磁铁衔铁释放，弹簧的弹力使闸瓦紧紧抱住闸轮，依靠摩擦力使电动机快速停车。

为了避免电动机在启动前瞬时出现转子被掣住不转的短路运行状态，在电路设计时使接触器KM2先得电，使得电磁铁线圈YA先通电待制动闸松开后，电动机才接通电源。

通电电磁抱闸制动控制则是在平时制动闸总是在松开的状态，通电后才抱闸。例如机床等需要经常调整加工件位置的设备往往采用这种方法。

2.电磁离合器制动

电磁离合器制动是采用电磁离合器来实现制动的，电磁离合器体积小，传递转矩大，制动方式比较平稳且迅速，并可以安装在机床等的机械设备内部。

二、反接制动控制线路

1.线路设计思想

反接制动是一种电气制动方法，通过改变电动机电源电压相序使电动机制动。由于电源相序改变，定子绕组产生的旋转磁场方向也与原方向相反，而转子仍按原方向惯性旋转，于是在转子电路中产生相反的感应电流。转子要受到一个与原转动方向相反的力矩的作用，从而使电动机转速迅速下降，实现制动。

在反接制动时，转子与定子旋转磁场的相对速度接近于两倍同步转速，所以定子绕组中的反接制动电流相当于全电压直接启动时电流的两倍。为避免对电动机及机械传动系统产生过大冲击，一般在10kW以上电动机的定子电路中串接对称电阻或不对称电阻，以限制制动转矩和制动电流，这个电阻称为反接制动电阻，如图2-20（a）、（b）所示为定子电路中串接对称电阻或不对称电阻。

2.典型线路介绍

反接制动的关键是采用按转速原则进行制动控制。因为当电动机转速接近零时，必须自动地将电源切断，否则电动机会反向启动。采用速度继电器来检测电动机的转速变化，当转速下降到接近零时（100r/min），由速度继电器自动切断电源。反接制动的控制线路如图2-21所示。

线路工作原理。

按下启动按钮SB2：接触器KM1线圈得电，主触点吸合，电动机启动运行。在电动机正常运行时，速度继电器KS的常开触点闭合，为反接制动接触器KM2线圈通电准备条件。

当按下停止按钮SB1。

●接触器KM1线圈失电，切断电动机三相电源。此时电动机的转速仍然很高，KS的常开触点仍闭合，接触器KM2线圈得电主触点吸合，使定子绕组得到相反相序的电源，电动机串制动电阻R进入反接制动。

●当电动机转子的惯性转速接近零（100r/min）时，速度继电器KS的常开触点恢复断开，接触器KM2线圈失电，主触点释放，切断电源制动结束。

反接制动的优点是制动效果好，其缺点是能量损耗大，由电网供给的电能和拖动系统的机械能全部都转化为电动机转子的热损耗。

三、能耗制动控制线路

1.线路设计思想

能耗制动是一种应用广泛的电气制动方法。当电动机脱离三相交流电源以后，立即将直流电源接入定子的两绕组，绕组中流过直流电流，产生了一个静止不动的直流磁场。此时电动机的转子切割直流磁通，产生感生电流。在静止磁场和感生电流相互作用下，产生一个阻碍转子转动的制动力矩，因此电动机转速迅速下降，从而达到制动的目的。当转速降至零时，转子导体与磁场之间无相对运动，感生电流消失，电动机停转，再将直流电源切除，制动结束。

2.典型线路介绍

能耗制动可以采用时间原则与速度原则两种控制形式。

图2-22为按时间原则控制的单向能耗制动控制线路。

线路原理：

按启动按钮SB2：接触器KM1得电投入工作，使电动机正常运行，KM1与KM2互锁，接触器KM2和时间继电器KT不得电。

按下停止按钮SB1：

●KM1线圈失电，主触点断开，电动机脱离三相交流电源。

●KM1辅助触点闭合，KM2与KT线圈相继得电，KM2主触点闭合，将经过整流后的直流电压接至电机两相定子绕组上开始能耗制动。

●当转子速度接近零时，时间继电器KT的常闭触点延时断开，使接触器KM2线圈和KT线圈相继失电，切断能耗制动的直流电流，切断电源制动结束。

从能量角度看，能耗制动是把电动机转子运转所储存的动能转变为电能，且又消耗在电动机转子的制动上，与反接制动相比，能量损耗少，制动停车准确。所以，能耗制动适用于电动容量大，要求制动平稳和启动频繁的场合。但制动速度较反接制动慢一些，能耗制动需要整流电路，不过，随着电力电子技术的迅速发展，半导体整流器件的大量使用，直流电源已成为不难解决的问题了。

四、固态降压启动器

前述传统异步电机启动方式的共同特点是控制电路简单，但启动转矩固定不可调，启动过程中存在较大的冲击电流，使被拖动负载受到较大的机械冲击；停机时都采用瞬间停电，也将会造成剧烈的电网电压波动和机械冲击；且易受电网电压波动的影响，一旦出现电网电压波动，会造成启动困难甚至使电机堵转。为克服上述缺点，人们研制了固态降压启动器，固态降压启动器（Soft Starter）是一种集电机软启动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置。

1.固态降压启动器的工作原理

固态降压启动器由电动机的启停控制装置和软启动控制器组成，其核心部件是软启动控制器，它是由功率半导体器件和其他电子元器件组成的。软启动控制器是利用电力电子技术与自动控制技术将强弱电结合，其主要结构是一组串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路，利用晶闸管移相控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，从而实现不同的启动功能。启动时，使晶闸管的导通角从0开始，逐渐前移，电机的端电压从零开始，按预设函数关系逐渐上升，直至达到满足启动转矩而使电动机顺利启动，这就是软启动控制器的工作原理。软启动控制器的主电路原理图如图2-23所示。软启动控制器一般并联接触器来实现软启动和软停车。如图2-23所示，在软启动控制器两端并联接触器K，当电动机软启动结束后，K合上，运行电流将通过K送至电动机。若要求电动机软停车，一旦发出停车信号，先将K分断，然后再由软启动器对电动机进行软停车。该电路有如下优点：在电动机运行时可以避免软启动器产生的谐波；软启动器仅在启动、停车时工作，可以避免长期运行使晶闸管发热，延长了使用寿命；一旦软启动器发生故障，可由并联的接触器作为应急备用。

2.软启动控制器的工作特性

（1）启动特性　异步电动机在软启动过程中，软启动控制器是通过控制加到电动机上的平均电压来控制电动机的启动电流和转矩的，启动转矩逐渐增加，转速也逐渐增加。一般软启动控制器可以通过设定得到不同的启动特性，以满足不同负载特性的要求。

（2）减速软停控制　传统的控制方式都是通过瞬间停电完成的，但有许多应用场合不允许电机瞬间关机。例如：高层建筑、楼宇的水泵系统，如果瞬间停机，会产生巨大的“水锤”效应，使管道甚至水泵遭到损坏。软启动控制可以实现电机逐渐停机，当电动机需要停机时，不是立即切断电动机的电源，而是通过调节晶闸管的导通角，从全导通状态逐渐地减小，从而使电动机的端电压逐渐降低而切断电源的，这一过程时间较长故称为减速软停控制。停车的时间根据实际需要可在0～120s范围内调整。

（3）节能特性　软启动控制器可以根据电动机功率因数的高低，自动判断电动机的负载率，当电动机处于空载或负载率很低时，通过相位控制使晶闸管的导通角发生变化，从而改变输入电动机的功率，以达到节能的目的。

（4）制动特性　当电动机需要快速停机时，软启动控制器具有能耗制动功能。能耗制动功能即当接到制动命令后，软启动控制器改变晶闸管的触发方式，使交流电转变为直流电，然后在关闭主电路后，立即将直流电压加到电动机定子绕组上，利用转子感应电流与静止磁场的作用达到制动的目的。

3.固态降压启动器的应用

在工业自动化程度要求比较高的场合，为了便于控制和应用，往往将软启动控制器、断路器和控制电路组成一个较完整的电动机控制中心（MCC）以实现电动机的软启动、软停车、故障保护、报警、自动控制等功能。同时具有运行和故障状态监视、接触器操作次数、电机运行时间和触点弹跳监视、试验等辅助功能。另外还可以附加通信单元、图形显示操作单元和编程器单元等并可直接与通信总线联网。

一些工厂有多台电动机需要启动，可以使用一台软启动控制器对多台电动机进行软启动，以节约资金投入。

图2-24是用一台软启动器控制两台电动机的启动、停机的电路。电动机M1启动时，接触器K1闭合软启动器工作，启动完毕后K1断开，K3闭合将软启动器切除，电动机M1正常运行；同样电动机M2启动时，接触器K2闭合软启动器工作，启动完毕接触器K4闭合，软启动控制器切除。但是，M1和M2不能同时启动或停机，只能一台台分别启动、停机。