串勵電動機電樞并聯支路的停車制動方法

彭亦稰，陳小元

(麗水學院，麗水 323000)

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串勵電動機電樞并聯支路的停車制動方法

彭亦稰，陳小元

(麗水學院，麗水 323000)

串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯，常用的電磁制動方法是切換兩繞組的連接端，電路復雜。依據電動機實現電磁制動的原理，提出一種只需在電路中增設一個功率開關管，制動時電樞并聯支路的停車制動方法；分析了制動電路的特點、設定電路參數，并通過應用進行了驗證。

串勵電動機；停車制動；電樞；并聯支路

0 引 言

串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯，能在交、直流電源下運行，具有軟機械特性[1-2]，廣泛應用于電動工具、縫紉機和攪拌機等設備。采用PWM直流斬波控制調節串勵電動機的直流端電壓，即構成了直流串勵電動機的調壓調速系統[3-4]。若要求系統具有電磁制動功能，常用的方法是在驅動電路中增設4個功率開關管，控制切換勵磁繞組與電樞繞組的連接端，改變串勵電動機的電磁轉矩方向，實現電磁制動[5-6]。為了限制電動機的制動電流，在切換連接端的同時要降低電動機的端電壓，并接入限流電阻，電路及其控制較復雜。

基于改變電動機電磁轉矩方向實現電磁制動的原理，本文提出一種只需在驅動電路中增設一個功率開關管，制動時串勵電動機電樞并聯支路的停車制動方法。分析制動電路的特點，設定制動電路的參數，并應用舉例。

1 制動電路的工作原理

圖1所示為串勵電動機電樞繞組并聯制動支路，實現停車電磁制動的電路。當電動機需停車制動時，先將電源電壓下降至制動電壓Uz，再閉合圖中的開關S，將電樞繞組與串有限流電阻Rz的制動支路并聯。此時電動機轉速n和勵磁電流I的方向沒變，電樞電動勢E的方向不變；而電樞電流I1在電動勢E的作用下改變了方向，使電動機的電磁轉矩T反向，實現了電磁制動。當電樞電流I1接近零時，電磁制動完成，切斷電源停車。

圖1 串勵電動機電樞并接制動支路的電路

圖1中，將電壓降至Uz及串接電阻Rz是為了限制勵磁電流I和電樞電流I1，要求電流最大不超過電動機額定電流IN的1.5倍。

當I1為零時，電樞電動勢：

(1)

式中:Rf為串勵電動機的勵磁繞組電阻。I1為零時的勵磁電流：

(2)

I1為零時，電動機的轉速用nz表示：

(3)

式中:kf為電動機的勵磁系數，輕載時為常數，負載加重時隨電機磁路飽和而減小，可通過實驗測取。轉速nz控制在電動機額定轉速nN的5%左右。

若I1為零時不切斷電源，電樞電流I1又將反向，電動機的電磁轉矩T也將反向，重新起驅動作用。如果負載轉矩TL較重，電動機將減速至停車，其堵轉電樞電流：

(4)

式中:Ra為串勵電動機的電樞繞組電阻。如果電動機空載或輕載，電動機將運行低于nz的某一轉速。必須切斷電源，電動機才能可靠停車。

2 制動電路的參數設定

對圖1所示制動電路，當開關S閉合時，列電路方程：

(5)

解得：

(6)

由式(6)的第一式可知，當n=nz時，電樞電流I1=0；制動開始時，n?nz，I1<0，但I1的絕對值最大；隨著制動的進行，I1的絕對值降為零。

由式(6)的第二式可知，制動開始時，因I1<0，勵磁電流I最小，為了產生必要的制動轉矩，勵磁電流I應不小于0.5IN。隨著制動的進行，勵磁電流I增大，當I1=0時，I最大如式(2)所示。

勵磁電流I隨著制動的進行而增大，可使制動時的電磁轉矩不會隨電樞電流I1絕對值減小而迅速減小，對制動有利。

設I1=0時的轉速nz=0.05nN，由式(3)得：

(7)

制動開始時，設|I1|≤1.5IN，則電動機的端電壓Uz：

(8)

式中:n為制動開始時電動機的轉速。制動結束時，設I ≤1.5IN，則電動機端電壓：

(9)

要求電動機端電壓Uz取值同時滿足式(8)和式(9)。

為了確保制動開始時有必要的制動轉矩，由式(6)校算制動開始時電動機的勵磁電流I，要求：

(10)

若式(10)不成立，則應重選定Rz和Uz，使式(8)、式(9)和式(10)同時成立。

3 制動電路的應用舉例

圖2所示為縫紉機用串勵電動機調速系統的原理電路，可按不同的控制策略[7-10]在該硬件平臺上對串勵電動機實施控制。圖中，單相交流電源經二極管橋式整流變換為直流電源，由控制器以PWM的控制方式調節電力場效應管VT1的通斷占空比，實現對串勵電動機端電壓的直流斬波調節。系統停車制動時VT2導通，電樞并接串有限流電阻R2制動支路，實現電磁制動。

圖2 縫紉機用串勵電動機調速系統

圖2中，電力場效應管為N溝道增強型管5N60(600V，4.5A)，其隔離驅動電路由HCPL4504光耦隔離芯片和IR2110驅動芯片構成；數字微控制器采用STM8S105單片機；分別由分壓電路和電流霍爾傳感器從電路中獲取測量的電壓和電流，再經過同相輸入比例器隔離放大、RC電路濾波和模數轉換，輸送給控制器。用于電壓和電流測量的同相輸入比例器是基于LM258雙運放芯片構成的。

在串勵電動機調速系統中，額定電壓UN=220V，額定電流IN=0.3A，額定轉速nN=7 000r/min，勵磁繞組電阻Rf=157.3Ω，電樞繞組電阻Ra=167.7Ω，勵磁系數kf=0.06。

制動電路的參數設定：電樞電流為零時的轉速nz=0.05nN=350r/min，限流電阻Rz=kfnz=21Ω；制動開始時，電動機的轉速n=nN=7 000r/min，由式(8)和式(9)計算出電動機的制動電壓Uz=47V；將選取的Rz和Uz代入式(6)，計算出制動開始時的勵磁電流I=0.211A>0.5IN，式(10)的校核成立。

串勵電動機調速系統的停車制動控制流程，如圖3所示。圖中的制動電壓Uz已預先設定。

圖3 串勵電動機調速系統的制動控制流程

制動電壓Uz也可以通過控制器實時控制設定：由實測的電動機電壓和電流可實時計算出電動機停車制動前的轉速[7]，再由式(8)和(9)計算出停車制動時電動機的端電壓Uz。

4 結 語

在PWM控制的串勵電動機直流調速系統中，采用電樞并聯支路的停車制動方法，只需在驅動電路中增設一個功率開關管，較用4個功率開關管切換勵磁繞組與電樞繞組連接端的常用制動電路簡單。在縫紉機調速系統中應用了該停車制動方法，呈現了實用性。

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Parking Brake Method for the Series-Excited Motor Based on a Parallel Branch with Armature Winding

PENGYi-xuCHENXiao-yuan

(Lishui University,Lishui 323000,China)

The excitation winding and armature winding is contacted in series-excited motor. The common electromagnetic braking method for the series-excited motor is implemented through switching the end connections of the two windings, but the switching circuit is complex. Addressing this problem, a parking brake method for the series-excited motor according to the principle of the motor's electromagnetic brake was proposed. The method only needs to add a power switch tube in the circuit and parallel a branch with the armature winding when braking. Taking the series-excited motor system using the proposed parking brake method as an example, the characteristic of the braking circuit was analyzed, the parameters of the braking circuit were set and the proposed parking brake method is verified correct.

series-excited motor, parking brake, armature winding, parallel branch

2016-01-14

浙江省公益性技術應用研究計劃項目(2013C311-14);麗水市高層次人才培養資助項目(2014RC07)

TM33;TM34

A

1004-7018(2016)08-0079-03

彭亦稰(1961-),男,副教授,研究方向為中小功率電機設計及控制。