一種新穎、適用的能耗制動控制電路的設計

黃應勇

（柳州職業技術學院，柳州 545006）

0 引言

隨著機械工業的快速發展，許多設備或機床，如數控車床、數控鉆床、專用車床、臥式鏜床等，都要求能迅速停車，以縮短輔助生產時間，提高生產效率。這就要求對電動機進行制動，強迫其立即停車。制動停車的方式有兩大類，機械制動和電氣制動[1]。機械制動采用機械抱閘或液壓裝置制動，其優點是控制簡單，缺點是機械結構復雜、制造成本高；電氣制動是使電動機產生一個與原來轉子的轉動方向相反的制動轉矩，其優點是整體結構簡單、制造成本低、利于機床實現自動化控制，缺點是電氣控制線路稍微復雜。

1 傳統能耗制動控制電路

1.1 傳統能耗制動控制原理

圖1 所示為傳統能耗制動控制電路圖[2]，圖中整流裝置由變壓器TC和整流二極管組成，通過橋式整流電路把TC輸出的交流電變成直流電。KM2為制動用的接觸器，KT 為時間繼電器，R 是可調電阻，其作用是調節制動電流的大小。

停車時，按停止按鈕SB1，KM1失電切斷交流電源，并使KM2 得電，使電動機M 加入直流電源，進行能耗制動。KM2得電的同時KT得電，當制動到零速時，延時打開的動斷觸點按預先調整好的時間打開，使KM2 失電，切斷直流電源，制動完畢。

圖1 傳統能耗制動控制電路圖

1.2 傳統能耗制動控制電路存在的一些缺陷

圖1所示能耗制動控制電路的優點是制動主控制線路簡單，僅由變壓器TC、整流二極管、可調電阻R、接觸器KM2 組成，使用元件少，設計、制作、安裝調試方便；其缺點是：1）可調電阻R調節制動電流范圍有限，且靈敏度不足；2）對于大中型電動機，要用大電流的整流二極管，使用時間長了整流二極管容易失效；3）成本高，因為變壓器的容量不小，因此變壓器價格不低，整體成本較高；4）圖1 所示能耗制動控制電路僅用于小型電動機，對于中大型電動機還得另尋其他設計方案。

2 一種新穎、適用的能耗制動控制電路的設計

2.1 新穎、適用的能耗制動主控電路的原理

圖2所示為可控硅整流電路，該整流電路由可控硅SCR、續流二極管D1、接觸器KM2 組成。當KM1 斷開的同時，KM2 接通，此時電流由火線W相→接觸器KM2→電動機定子繞組線圈→接觸器KM2→可控硅SCR→零線N 形成回路。在W 相的正半周內，可控硅SCR 承受正向電壓，在ωt=α時，在控制極引入觸發脈沖，SCR 即導通，電壓加到電動機定子繞組線圈兩端，同時有電流流過。在W 相的負半周內，可控硅SCR 承受反向電壓而阻斷，此時加到電動機定子繞組線圈兩端電壓為零，因此在電動機定子繞組線圈上得到一個單向脈動電壓VL，如圖3所示。同時，由于續流二極管D1的作用，在電動機定子繞組線圈上得到一個回路電流iL，如圖3所示[3]。

加大控制角α，可使電動機定子繞組線圈回路電流iL的變小，此時制動時間變長；減小控制角α，可使電動機定子繞組線圈回路電流iL的變大，此時制動時間變短。

圖2 可控硅整流電路圖

圖3 波形圖

2.2 可控硅觸發電路的設計原理

圖4 所示，為可控硅觸發電路圖，圖中TC 為同步變壓器，它的原邊接在主電路W 相電源上，副邊得到同頻率的交流電壓，經橋式整流后，再經穩壓管限幅，在穩壓管D2兩端獲得一個梯形波電壓，如圖5 所示。此電壓作為可控硅的供電電壓。因此，當交流電源電壓過零時，單結晶體管BT33F兩基極的電壓也過零，此時電容C1通過R4很快放電到0V，因而，每一半周開始時C1總是從零開始充電，從而使下一個半周電容從零開始充電，這樣就可使每半周發出一個觸發脈沖的時間相同。

圖4 可控硅觸發電路圖

梯形波電壓通過電阻R2+RW向電容充電，當電容兩端電壓C1等于單結晶體管BT33F的峰值電壓時，電容經BT33F管向電阻R4放電。在電容的放電過程中，BT33F管發射極電位急劇下降，當低于谷點電位時，BT33F管便截止，R4輸出電壓降到0V,即完成一次振蕩。放電一結束，電容又開始重新充電并重復上述過程，結果在電容C1上形成鋸齒波電壓VC1，如圖6所示，而在電阻R4上得到一個周期性的尖脈沖輸出電壓，如圖6所示。

由于在每個半周內，第一個觸發脈沖時刻取決于電容C1充電常數τ=(R2+RW)C1的大小，電容C1充電常數小，可控硅的控制角α就愈小，整流輸出平均電壓也愈高。在電路中，調節可調電阻RW的大小來改變充電時間常數，從而達到改變α角使觸發脈沖移相的目的。

圖5 穩壓管兩端電壓波形圖

圖6 電壓波形圖

3 可控硅能耗制動控制電路設計的局限性

對于單速電動機，用可控硅能耗制動控制電路有許多優點：1）可調電阻調節制動電流范圍大，且靈敏度高，制動效果好；2）對于大中型電動機，可以設計成一個通用電路，針對不同功率的電動機，只更換可控硅與續流二極管即可；3）成本低，因為變壓器的容量小，因此變壓器價格不高，整體成本較低；4）線路簡單，維修方便。但對于雙速電動機，直接用可控硅能耗制動控制電路制動效果有一定的局限性。

對于雙速電動機，首先考慮的是高速極的制動效果，當此方案用在高速極時，因電動機轉速較高，電動機繞組線圈產生的感應電動勢較大，通過調整圖4可調電阻RW的大小來滿足制動強度的要求。當電動機低速轉時，如制動線路完全按高速極的線路，因電動機轉速較低，電動機繞組線圈產生的感應電動勢較小，因此出現制動強度不足的現象，此時要改變RW的大小來滿足制動強度的要求。當電動機低速轉時，可在電阻RW上并上另一個電阻，調節此時的制動強度，來滿足快速制動的要求。

4 結語

電動機制動控制的設計方案很多，每種方案都有各自的適用范圍與特點，但是必須首先要滿足快速制動功能的需要，其次要滿足安全可靠的需要。本文提供一種線路簡單、低成本、安全可靠的設計方案。其線路簡單在于所使用的電器元件少，線路組裝容易；其低成本在于與其他制動控制系統相比，總的費用更低；其安全可靠在于使用地電器元件性能可靠，控制穩定。該設計方案對于雙速電動機低速時出現制動強度不足的現象，提出了解決方法，可供廣大電氣、機械工程設計人員及技術人員參考使用。